ZigBee技術(shù)在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

不同的國(guó)家由于發(fā)展程度和實(shí)際建設(shè)的情況不同，對(duì)于智能電網(wǎng)的解讀和發(fā)展方向也不盡相同。在我國(guó)，國(guó)家電網(wǎng)對(duì)智能電網(wǎng)的定義為：以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的堅(jiān)強(qiáng)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(qiáng)以及自身功耗低的信息傳輸技術(shù)極大符合我國(guó)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(diǎn)，注定將在無(wú)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(guò)先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。
    智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、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(cè)技術(shù)是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進(jìn)的參數(shù)量測(cè)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(gè)方面使用。它們?cè)u(píng)估電網(wǎng)設(shè)備的健康狀況和電網(wǎng)的完整性，進(jìn)行表計(jì)的讀取、消除電費(fèi)估計(jì)以及防止竊電、緩減電網(wǎng)阻塞以及與用戶的溝通。未來(lái)的智能電網(wǎng)將取消所有的電磁表計(jì)及其讀取系統(tǒng)，取而代之的是可以使電力公司與用戶進(jìn)行雙向通信的智能固態(tài)表計(jì)?；谖⑻幚砥鞯闹悄鼙碛?jì)將有更多的功能，除了可以計(jì)量每天不同時(shí)段電力的使用和電費(fèi)外，還有儲(chǔ)存電力公司下達(dá)的高峰電力價(jià)格信號(hào)及電費(fèi)費(fèi)率，并通知用戶實(shí)施什么樣的費(fèi)率政策。新的軟件系統(tǒng)將收集、儲(chǔ)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(jìn)的控制技術(shù)是指智能電網(wǎng)中分析、診斷和預(yù)測(cè)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(dòng)的裝置和算法。這些技術(shù)將提供對(duì)輸電、配電和用戶側(cè)的控制方法并且可以管理整個(gè)電網(wǎng)的有功和無(wú)功。另外，先進(jìn)控制技術(shù)支持市場(chǎng)報(bào)價(jià)技術(shù)以提高資產(chǎn)的管理水平。未來(lái)先進(jìn)控制技術(shù)的分析和診斷功能將引進(jìn)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(dòng)的控制行動(dòng)。這樣所執(zhí)行的行動(dòng)將在秒一級(jí)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(lái)保證各點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的可靠到達(dá)。為無(wú)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(diǎn)
    ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)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(jí)MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4 KB或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32 KB。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。
    完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)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，IEEE80-2．15．4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。

    ZigBee的特點(diǎn)突出，主要有以下幾個(gè)方面：
    (1)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的相比于其他通信方式的突出優(yōu)勢(shì)。
    (2)抗干擾能力強(qiáng)。通過(guò)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(qiáng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)較強(qiáng)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(wú)線自組網(wǎng)，采用平面路由或樹(shù)狀路由等算法，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)路由策略，即使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變，也可以在無(wú)需人工干預(yù)的條件下實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，自?dòng)接入，并且與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信，真正實(shí)現(xiàn)即插即用。
    (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(diǎn)間的距離。通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以延伸至無(wú)限遠(yuǎn)處。
    (5)短時(shí)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。如果配合數(shù)據(jù)服務(wù)器，節(jié)點(diǎn)數(shù)目將不受使用限制。
    (7)高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接人控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AESl28)的對(duì)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(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國(guó))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(shí)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(dòng)控制設(shè)備、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò))，醫(yī)護(hù)(如監(jiān)視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警)，消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無(wú)線連接等領(lǐng)域。
    由ZigBee設(shè)備組成的智能電網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成、優(yōu)化的特點(diǎn)。下面，以ZigBee在電能質(zhì)量檢測(cè)與控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為例，說(shuō)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(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)組成
    ZigBee電能質(zhì)量檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)由許多個(gè)小型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。以這些工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)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(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上看，它們只是其功能的一個(gè)子集，稱為RFD(精簡(jiǎn)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(diǎn)負(fù)責(zé)與控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱為FFD(全功能設(shè)備或協(xié)調(diào)器)。圖2示出了一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)具備ZigBee協(xié)議棧的MCU作為主控設(shè)備。每個(gè)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)ADC從模擬傳感器得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照Z(yǔ)igBee協(xié)議把數(shù)據(jù)打包并通過(guò)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(jìn)一步處理。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的外部可外接相應(yīng)的PIO芯片和其他外圍電路進(jìn)行交互。同時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)操作人員在控制中心可以對(duì)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出指令，使遙控相應(yīng)節(jié)點(diǎn)按遙控指令做出一些動(dòng)作，比如緊急合閘、開(kāi)閘動(dòng)作等。
3．2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件原理
    實(shí)驗(yàn)采用了MoteWork開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M在數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)端獲取母線及變壓器測(cè)試節(jié)點(diǎn)的溫度參數(shù)，平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    ZigBee測(cè)試節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線電通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。此節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)采用一款A(yù)tmel公司的AVR系列8位單片機(jī)ATmegal28為處理器芯片。ATmegal28具有如下特點(diǎn)：128 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH(具有在寫(xiě)的過(guò)程中還可以讀的能力，即RWW)，4 KB E2PROM，4 KBSRAM，53個(gè)通用I／O口線，32個(gè)通用工作寄存器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)，2個(gè)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(mén)狗定時(shí)器，SPI串行端口，與IEEE 1149．1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口，以及6種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式。無(wú)線收發(fā)模塊則采用了TI公司的CCl000通用無(wú)線通信模塊。
此開(kāi)發(fā)板可外接多種傳感器設(shè)備，此次實(shí)驗(yàn)選用一款高精度溫度傳感器。

4 軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)建立在加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(gè)良好的用戶接口，具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)處理和資源收集能力。為滿足無(wú)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(dòng)消息、事件驅(qū)動(dòng)和組件化編程。整個(gè)系統(tǒng)由組件構(gòu)成，通過(guò)組件對(duì)硬件進(jìn)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(duì)較小的necC來(lái)開(kāi)發(fā)。
4．2 部分程序流程及代碼
    部分測(cè)試設(shè)備的啟動(dòng)流程框圖如圖4所示。

    部分程序代碼如下：


4．3 測(cè)試
    (1)測(cè)試環(huán)境
    硬件平臺(tái)：PC機(jī)一臺(tái)，ZigBee節(jié)點(diǎn)5個(gè)；
    軟件平臺(tái)：PC機(jī)操作系統(tǒng)：windows XP SP2；
    開(kāi)發(fā)環(huán)境：PN2，MoteConfig 2．O，MoteView 1．4B。
    (2)數(shù)據(jù)結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

    在測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)試的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)較少，還不能夠完整進(jìn)行測(cè)試，也還沒(méi)有完全體現(xiàn)出ZigBee在自組網(wǎng)傳輸中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)最終現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行效果還需要進(jìn)一步詳細(xì)驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)
    目前，智能電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)正在穩(wěn)步進(jìn)行中。選擇構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定可靠，并且自身功耗低，維護(hù)方便的雙向數(shù)據(jù)通信方式將對(duì)智能電網(wǎng)的運(yùn)行效果產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用。具備ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議的設(shè)備，組成的數(shù)據(jù)測(cè)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(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，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(wú)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(jí)計(jì)量控制設(shè)備研發(fā)成功，ZigBee技術(shù)將在智能電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)揮舉足輕重的作用。