摘 要:隨著國家在智能電網(wǎng)的大力投入，進一步推動了新型科技的研究和應(yīng)用。為了滿足智能電網(wǎng)中對數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性、健壯性，以及采集設(shè)備的低能耗等要求，ZigBee技術(shù)以其自身的先天優(yōu)勢，通過合理的設(shè)計利用，能夠幫助在智能電網(wǎng)的高級計量體系(AMI)、高級配電運行體系(ADO)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。通過實驗表明，ZigBee系統(tǒng)設(shè)備具有成本低、高可靠、低功耗、環(huán)境適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:能源; 監(jiān)測; 網(wǎng)絡(luò); 電網(wǎng); 數(shù)據(jù); 信息

中圖分類號:TP393 文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0079-04

ZigBee Technology Applied in Smart Grid System

XIAO Wen， HUANG Hu-cheng， SUN Mao-yi， LUO Fan， QIU Dong-li

(National Institute of Measurement and Testing Technology， Chengdu 610021，China)

Abstract: The research and application of new technology was promoted along with the strong inputting in the smart grid in China. In order to meet the reliability， stability， robustness of data collection and transmission in the smart grid， as well as the energy consumption of acquisition equipment， ZigBee technology can play an important role in the advanced measurement system(AMI) and advanced distribution operation system(ADO) of smart grid with its own inherent advantages and rational design and use. Experiments show that ZigBee system equipments have advantages such as low cost， high reliability， low power consumption， environmental adaptability and so on. It has a wide range of application prospects in smart grid.

Keywords: energy; monitoring; network; grid; data; information

不同的國家由于發(fā)展程度和實際建設(shè)的情況不同，對于智能電網(wǎng)的解讀和發(fā)展方向也不盡相同。在我國，國家電網(wǎng)對智能電網(wǎng)的定義為:以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以信息化、數(shù)字化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網(wǎng)。所以，在電網(wǎng)中引入數(shù)據(jù)穩(wěn)定、健壯性好、抗干擾能力強以及自身功耗低的信息傳輸技術(shù)極大符合我國智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)。ZigBee技術(shù)，因其超低功耗、抗干擾和網(wǎng)絡(luò)的健壯性等優(yōu)點，注定將在無線傳感器領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

1 智能電網(wǎng)概述

智能電網(wǎng)，即電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)20”，是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進的傳感和測量技術(shù)、先進的設(shè)備技術(shù)、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)[1] 。

智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)是實現(xiàn)電網(wǎng)運行的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全，電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)，就可以稱其為智能電網(wǎng)。

參數(shù)量測技術(shù)是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進的參數(shù)量測技術(shù)獲得數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，以供智能電網(wǎng)的各個方面使用。它們評估電網(wǎng)設(shè)備的健康狀況和電網(wǎng)的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網(wǎng)阻塞以及與用戶的溝通。未來的智能電網(wǎng)將取消所有的電磁表計及其讀取系統(tǒng)，取而代之的是可以使電力公司與用戶進行雙向通信的智能固態(tài)表計[2] ?；谖⑻幚砥鞯闹悄鼙碛媽⒂懈嗟墓δ埽丝梢杂嬃棵刻觳煌瑫r段電力的使用和電費外，還有儲存電力公司下達的高峰電力價格信號及電費費率，并通知用戶實施什么樣的費率政策。新的軟件系統(tǒng)將收集、儲存、分析和處理各種數(shù)據(jù)，為電力公司的其他業(yè)務(wù)所用。

先進的控制技術(shù)是指智能電網(wǎng)中分析、診斷和預(yù)測狀態(tài)并確定和采取適當(dāng)?shù)拇胧┮韵?、減輕和防止供電中斷和電能質(zhì)量擾動的裝置和算法。這些技術(shù)將提供對輸電、配電和用戶側(cè)的控制方法并且可以管理整個電網(wǎng)的有功和無功[3] 。另外，先進控制技術(shù)支持市場報價技術(shù)以提高資產(chǎn)的管理水平。未來先進控制技術(shù)的分析和診斷功能將引進預(yù)設(shè)的專家系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，采取自動的控制行動。這樣所執(zhí)行的行動將在秒一級水平上，這一自愈電網(wǎng)的特性將極大地提高電網(wǎng)的可靠性。

而以上智能電網(wǎng)信息技術(shù)的應(yīng)用，首先是需要有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸技術(shù)來保證各點測試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的可靠到達[4] 。為無線工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)量身定做的ZigBee技術(shù)正是這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋ＷC。

2 ZigBee技術(shù)的特點

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802.15.4的名字，IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化[5] 。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4 KB或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32 KB。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。

完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee的特點突出，主要有以下幾個方面:

(1) 低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個ZigBee節(jié)點工作6~24個月，甚至更長。這是ZigBee的相比于其他通信方式的突出優(yōu)勢。

(2) 抗干擾能力強。通過工作在2.4 GHz頻段下的跳頻工作方式，使ZigBee技術(shù)在現(xiàn)階段成為工業(yè)控制領(lǐng)域抗干擾能力最強的通信手段之一。能夠在十分惡劣環(huán)境下保證通信暢通，并且能夠應(yīng)對現(xiàn)場較強輻射的電磁干擾。

(3) 網(wǎng)絡(luò)健壯性好。ZigBee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無線自組網(wǎng)，采用平面路由或樹狀路由等算法，可以實現(xiàn)主動路由策略，即使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變，也可以在無需人工干預(yù)的條件下實現(xiàn)設(shè)備自動完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詣咏尤?，并且與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心進行通信，真正實現(xiàn)即插即用[6] 。

(4) 傳輸距離較近。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km，這指的是相鄰節(jié)點間的距離。通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以延伸至無限遠(yuǎn)處。

(5) 短時延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。

(6) 高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。如果配合數(shù)據(jù)服務(wù)器，節(jié)點數(shù)目將不受使用限制。

(7) 高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

(8) 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，24 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)

ZigBee典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是:工業(yè)控制(如自動控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò))，醫(yī)護(如監(jiān)視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)，消費類電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域[7] 。

由ZigBee設(shè)備組成的智能電網(wǎng)測控網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建堅強、自愈、兼容、經(jīng)濟、集成、優(yōu)化的特點[8] 。下面，以ZigBee在電能質(zhì)量檢測與控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為例，說明ZigBee設(shè)備在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

3 網(wǎng)絡(luò)原理及硬件組成

3.1 ZigBee實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)組成

ZigBee電能質(zhì)量檢測網(wǎng)絡(luò)由許多個小型的節(jié)點構(gòu)成。以這些工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成各種網(wǎng)絡(luò)托普結(jié)構(gòu)。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上看，它們只是其功能的一個子集，稱為RFD(精簡功能設(shè)備)，這種設(shè)備不具有路由的功能;另外還有一些節(jié)點負(fù)責(zé)與控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用[9] ，稱為FFD(全功能設(shè)備或協(xié)調(diào)器)。圖2示出了一個ZigBee設(shè)備在智能電網(wǎng)中建立采集控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的拓?fù)涫疽鈭D。

每個節(jié)點由一個具備ZigBee協(xié)議棧的MCU作為主控設(shè)備。每個信號采集節(jié)點通過ADC從模擬傳感器得到實時數(shù)據(jù)，按照ZigBee協(xié)議把數(shù)據(jù)打包并通過射頻芯片及前端天線發(fā)送給簇內(nèi)的RFD，再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心，以做進一步處理。在每個節(jié)點的外部可外接相應(yīng)的PIO芯片和其他外圍電路進行交互。同時，由現(xiàn)場操作人員在控制中心可以對相應(yīng)節(jié)點發(fā)出指令，使遙控相應(yīng)節(jié)點按遙控指令做出一些動作，比如緊急合閘、開閘動作等。

圖2 ZigBee設(shè)備在電網(wǎng)采集控制網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)涫疽鈭D

3.2 監(jiān)測節(jié)點的硬件原理

實驗采用了MoteWork開發(fā)平臺。該實驗?zāi)M在數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)端獲取母線及變壓器測試節(jié)點的溫度參數(shù)，平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ZigBee測試設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)原理圖

ZigBee測試節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。此節(jié)點的節(jié)點采用一款A(yù)tmel公司的AVR系列8位單片機ATmega128為處理器芯片。ATmega128具有如下特點:128 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH(具有在寫的過程中還可以讀的能力，即RWW)，4 KB E2PROM，4 KB SRAM，53個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，實時時鐘RTC，4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器(T/C)，2個USART，面向字節(jié)的兩線接口TWI，8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，SPI串行端口，與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。無線收發(fā)模塊則采用了TI公司的CC1000通用無線通信模塊。

此開發(fā)板可外接多種傳感器設(shè)備，此次實驗選用一款高精度溫度傳感器。

4 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)建立在加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)設(shè)計的一種新型的嵌入式系統(tǒng)——TinyOS之上。

4.1 TinyOS體系

TinyOS操作系統(tǒng)為用戶提供一個良好的用戶接口，具有更強的網(wǎng)絡(luò)處理和資源收集能力。為滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，在TinyOS中引入4種技術(shù):輕線程、主動消息、事件驅(qū)動和組件化編程。整個系統(tǒng)由組件構(gòu)成，通過組件對硬件進行抽象，提高了軟件重用度和兼容性。

TinyOS操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序使用產(chǎn)生代碼相對較小的necC來開發(fā)。

4.2 部分程序流程及代碼

部分測試設(shè)備的啟動流程框圖如圖4所示。

圖4 ZigBee測試設(shè)備啟動流程框圖

部分程序代碼如下:

……

Includes sensorboardApp;

Configuration MyApp_Sensor {}

Implementation {

Components Main， MyApp_SensorM， TimerC， Leds， PhotoTemp，GennericComm as Comm;

Main.StdControl -> TimerC.StdControl;

Main.StdControl -> MyApp_SensorM.StdControl;

Main.StdControl -> Comm.Control;

MyApp_SensorM.Timer -> TimerC.Timer[unique(″Timer″)];

MyApp_SensorM.Leds -> LedsC.Leds;

MyApp_SensorM.TempControl -> PhotoTemp.TempStdControl;

MyApp_SensorM.Temperature -> PhotoTemp.ExternalTempADC;

MyApp_SensorM.SendMsg -> Comm.SendMsg[AM_XSXMSG];

}

……

implementation{

bool sending_packet = 1;

TOS_Msg msg_buffer;

XDataMsg *pack;

Command result_t StdControl.int() {

call Leds.init();

call TempControl.init();

atomic{

pack = (XDataMsg *)(msg_buffer.data);

pack -> xSensorHeader.board_id=SENSOR_BOARD_ID;

pack -> xSensorHeader.node_id=TOS_LOCAL_ADDRESS;

pack -> xSensorHeader.rsvd = 0;

}

}

……

}

……

4.3 測試

(1) 測試環(huán)境

硬件平臺:PC機一臺，ZigBee節(jié)點5個;

軟件平臺:PC機操作系統(tǒng):Windows XP SP2;

開發(fā)環(huán)境:PN2，MoteConfig 20，MoteView 14B。

(2) 數(shù)據(jù)結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)果

IDnamevoltage /Vtemp /℃light /Lummag_x /mmag_y /m

0Gateway3.2820.2287520.1924.32

1Node 12.6321.460103.43104.2

2Node 22.5522.33031.533.63

3Node 32.2822.03056.7858.6

4Node 42.6220.26098.4696.23

在測試實驗中，ZigBee設(shè)備展現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸能力和自組網(wǎng)的能力。但是由于參與測試的實驗點數(shù)較少，還不能夠完整進行測試，也還沒有完全體現(xiàn)出ZigBee在自組網(wǎng)傳輸中的優(yōu)勢，對最終現(xiàn)場的運行效果還需要進一步詳細(xì)驗證。

5 結(jié) 語

目前，智能電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計正在穩(wěn)步進行中。選擇構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠，并且自身功耗低，維護方便的雙向數(shù)據(jù)通信方式將對智能電網(wǎng)的運行效果產(chǎn)生極大的推動作用。具備ZigBee無線傳輸協(xié)議的設(shè)備，組成的數(shù)據(jù)測控網(wǎng)絡(luò)，由于其設(shè)備自身體積小、成本低、高可靠、低功耗、環(huán)境適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)勢，將非常適合于

在大范圍智能電網(wǎng)中的廣泛使用推廣。并且，無線傳輸方式省去了有線傳輸模式下，在惡劣環(huán)境中布線和占用空間的困擾。隨著更多具有支持ZigBee通信協(xié)議的高級計量控制設(shè)備研發(fā)成功，ZigBee技術(shù)將在智能電網(wǎng)運行中發(fā)揮舉足輕重的作用。

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