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

不同的國家由于發(fā)展程度和實(shí)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(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(jìn)的傳感和測量技術(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。它們評估電網(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，還有儲存電力公司下達(dá)的高峰電力價(jià)格信號及電費(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)測狀態(tài)并確定和采取適當(dāng)?shù)拇胧┮韵p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)的有功和無功。另外，先進(jìn)控制技術(shù)支持市場報(bào)價(jià)技術(shù)以提高資產(chǎn)的管理水平。未來先進(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(diǎn)測試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的可靠到達(dá)。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。

2ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

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(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4KB或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32KB。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(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。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(qiáng)。通過工作在2．4GHz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)對現(xiàn)場較強(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)無線自組網(wǎng)，采用平面路由或樹狀路由等算法，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10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km，這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以延伸至無限遠(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15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，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提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AESl28)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(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(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)的無線連接等領(lǐng)域。

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(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

3．1ZigBee實(shí)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(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(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。