ZigBee技術在智能電網系統中的應用研究

摘 要:隨著國家在智能電網的大力投入，進一步推動了新型科技的研究和應用。為了滿足智能電網中對數據采集、傳輸的可靠性、穩定性、健壯性，以及采集設備的低能耗等要求，ZigBee技術以其自身的先天優勢，通過合理的設計利用，能夠幫助在智能電網的高級計量體系(AMI)、高級配電運行體系(ADO)等領域發揮重要的作用。通過實驗表明，ZigBee系統設備具有成本低、高可靠、低功耗、環境適應能力強等諸多優勢，在智能電網中具有廣泛的應用前景。

關鍵詞:能源; 監測; 網絡; 電網; 數據; 信息

中圖分類號:TP393 文獻標識碼: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

不同的國家由于發展程度和實際建設的情況不同，對于智能電網的解讀和發展方向也不盡相同。在我國，國家電網對智能電網的定義為:以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，以信息化、數字化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網。所以，在電網中引入數據穩定、健壯性好、抗干擾能力強以及自身功耗低的信息傳輸技術極大符合我國智能電網的發展目標。ZigBee技術，因其超低功耗、抗干擾和網絡的健壯性等優點，注定將在無線傳感器領域發揮巨大的作用。

1 智能電網概述

智能電網，即電網的智能化，也被稱為“電網20”，是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全的目標[1] 。

智能電網的重要目標是實現電網運行的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全，電網能夠實現這些目標，就可以稱其為智能電網。

參數量測技術是智能電網基本的組成部件，先進的參數量測技術獲得數據并將其轉換成數據信息，以供智能電網的各個方面使用。它們評估電網設備的健康狀況和電網的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網阻塞以及與用戶的溝通。未來的智能電網將取消所有的電磁表計及其讀取系統，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表計[2] 。基于微處理器的智能表計將有更多的功能，除了可以計量每天不同時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。新的軟件系統將收集、儲存、分析和處理各種數據，為電力公司的其他業務所用。

先進的控制技術是指智能電網中分析、診斷和預測狀態并確定和采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的裝置和算法。這些技術將提供對輸電、配電和用戶側的控制方法并且可以管理整個電網的有功和無功[3] 。另外，先進控制技術支持市場報價技術以提高資產的管理水平。未來先進控制技術的分析和診斷功能將引進預設的專家系統，在專家系統允許的范圍內，采取自動的控制行動。這樣所執行的行動將在秒一級水平上，這一自愈電網的特性將極大地提高電網的可靠性。

而以上智能電網信息技術的應用，首先是需要有穩定可靠的數據鏈路的傳輸技術來保證各點測試數據的獲取和控制信息的可靠到達[4] 。為無線工業數據網絡量身定做的ZigBee技術正是這種數據傳輸的保證。

2 ZigBee技術的特點

ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。它不僅只是802.15.4的名字，IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化[5] 。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4 KB或者作為Hub或路由器的協調器的32 KB。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其他節點獲得。

完整的ZigBee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE 802.15.4負責物理層和鏈路層標準。ZigBee協議棧的構架如圖1所示。

圖1 ZigBee協議棧

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5號干電池可支持1個ZigBee節點工作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技術在現階段成為工業控制領域抗干擾能力最強的通信手段之一。能夠在十分惡劣環境下保證通信暢通，并且能夠應對現場較強輻射的電磁干擾。

(3) 網絡健壯性好。ZigBee技術能夠實現無線自組網，采用平面路由或樹狀路由等算法，可以實現主動路由策略，即使網絡拓撲發生改變，也可以在無需人工干預的條件下實現設備自動完成網絡拓撲，自動接入，并且與遠端數據中心進行通信，真正實現即插即用[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發射功率后，亦可增加到1~3 km，這指的是相鄰節點間的距離。通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以延伸至無限遠處。

(5) 短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，進一步節省了電能。

(6) 高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的大網。如果配合數據服務器，節點數目將不受使用限制。

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

(8) 免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段，24 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)

ZigBee典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。根據設想，它的應用目標主要是:工業控制(如自動控制設備、無線傳感器網絡)，醫護(如監視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)，消費類電子設備的遙控裝置、PC外設的無線連接等領域[7] 。

由ZigBee設備組成的智能電網測控網絡能夠實現構建堅強、自愈、兼容、經濟、集成、優化的特點[8] 。下面，以ZigBee在電能質量檢測與控制網絡應用為例，說明ZigBee設備在智能電網中的應用。

3 網絡原理及硬件組成

3.1 ZigBee實現電能質量監測的網絡組成

ZigBee電能質量檢測網絡由許多個小型的節點構成。以這些工作節點為依托，通過無線通信組成各種網絡托普結構。為降低成本，系統中大部分的節點為子節點，從組網通信上看，它們只是其功能的一個子集，稱為RFD(精簡功能設備)，這種設備不具有路由的功能;另外還有一些節點負責與控制的子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用[9] ，稱為FFD(全功能設備或協調器)。圖2示出了一個ZigBee設備在智能電網中建立采集控制網絡應用的拓撲示意圖。

每個節點由一個具備ZigBee協議棧的MCU作為主控設備。每個信號采集節點通過ADC從模擬傳感器得到實時數據，按照ZigBee協議把數據打包并通過射頻芯片及前端天線發送給簇內的RFD，再由RFD路由轉發到數據中心，以做進一步處理。在每個節點的外部可外接相應的PIO芯片和其他外圍電路進行交互。同時，由現場操作人員在控制中心可以對相應節點發出指令，使遙控相應節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設備在電網采集控制網絡中的拓撲示意圖

3.2 監測節點的硬件原理

實驗采用了MoteWork開發平臺。該實驗模擬在數據中心遠端獲取母線及變壓器測試節點的溫度參數，平臺的硬件結構如圖3所示。

圖3 ZigBee測試設備硬件結構原理圖

ZigBee測試節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應模塊4部分組成。此節點的節點采用一款Atmel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系統內可編程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/計數器(T/C)，2個USART，面向字節的兩線接口TWI，8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，SPI串行端口，與IEEE 1149.1規范兼容的JTAG測試接口，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。無線收發模塊則采用了TI公司的CC1000通用無線通信模塊。

此開發板可外接多種傳感器設備，此次實驗選用一款高精度溫度傳感器。

4 軟件設計

該系統的軟件開發建立在加州大學伯克利分校開發設計的一種新型的嵌入式系統——TinyOS之上。

4.1 TinyOS體系

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

TinyOS操作系統及其應用程序使用產生代碼相對較小的necC來開發。

4.2 部分程序流程及代碼

部分測試設備的啟動流程框圖如圖4所示。

圖4 ZigBee測試設備啟動流程框圖

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) 測試環境

硬件平臺:PC機一臺，ZigBee節點5個;

軟件平臺:PC機操作系統:Windows XP SP2;

開發環境:PN2，MoteConfig 20，MoteView 14B。

(2) 數據結果

實驗數據如表1所示。

表1 數據結果

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設備展現了良好的數據穩定傳輸能力和自組網的能力。但是由于參與測試的實驗點數較少，還不能夠完整進行測試，也還沒有完全體現出ZigBee在自組網傳輸中的優勢，對最終現場的運行效果還需要進一步詳細驗證。

5 結 語

目前，智能電網的規劃、設計正在穩步進行中。選擇構建一個穩定可靠，并且自身功耗低，維護方便的雙向數據通信方式將對智能電網的運行效果產生極大的推動作用。具備ZigBee無線傳輸協議的設備，組成的數據測控網絡，由于其設備自身體積小、成本低、高可靠、低功耗、環境適應能力強等諸多優勢，將非常適合于

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

參考文獻

[1]許曉慧.智能電網導論[M].北京:中國電力出版社，2009.

[2]謝運祥，歐陽森.電力電子單片機控制技術[M].北京:機械工業出版社，2007.

[3]陳章潮.城市電網規劃與改造[M].北京:中國電力出版社，2007.

[4]梅生偉，薛安成，張雪敏.電力系統自組織臨界特性與大電網安全[M].北京:清華大學出版社，2009.

[5]陳光礻禹.現代電子測量測試技術[M].北京:國防工業出版社，2001.

[6]PARKKA K J， VAN M G. Health monitoring in the home of the future[J]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine， 2003(1/2): 66-73.

[7]韓崇昭，朱洪艷，段戰勝.多源信息融合[M].北京:清華大學出版社，2006.

[8]AKYILDIZ I F， SU Wei-lian， CAYIRCI E. A survey on sensor networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2002， 40(8): 102-114.

[9]STEPHEN H， GARRENTT W， JAMES A. High-speed digital system design[M]. USA: [ s.n.] ， 2000.

[10]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[ M] .北京:清華大學出版社，2005.

[11]肖文，劉浙華.中央空調節能措施研究[J].中國測試技術，2007，33(3):23-25.

[12]韓笑，趙景峰，邢素娟.電網微機保護測試技術[M].2版.北京:水利水電出版社，2005.

[13]Hall H S.高速數字系統設計[M].伍微，譯.北京:機械工業出版社，2006.

[14]程佩青.數字信號處理教程[M].2版.北京:清華大學出版社，2002.