摘 要:随着国家在智能电网的大力投入,进一步推动了新型科技的研究和应用。为了满足智能电网中对数据采集、传输的可靠性、稳定性、健壮性,以及采集设备的低能耗等要求,ZigBee技术以其自身的先天优势,通过合理的设计利用,能够帮助在智能电网的高级计量体系(AMI)、高级配电运行体系(ADO)等领域发挥重要的作用。通过实验表明,ZigBee系统设备具有成本低、高可靠、低功耗、环境适应能力强等诸多优势,在智能电网中具有广泛的应用前景。
关键词:能源; 监测; 网络; 电网; 数据; 信息
中图分类号:TP393 文献标识码:A
文章编号: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
不同的国家由于发展程度和实际建设的情况不同,对于智能电网的解读和发展方向也不尽相同。在我国,国家电网对智能电网的定义为:以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网。所以,在电网中引入数据稳定、健壮性好、抗干扰能力强以及自身功耗低的信息传输技术极大符合我国智能电网的发展目标。ZigBee技术,因其超低功耗、抗干扰和网络的健壮性等优点,注定将在无线传感器领域发挥巨大的作用。
1 智能电网概述
智能电网,即电网的智能化,也被称为“电网20”,是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上,通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用,实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标[1] 。
智能电网的重要目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全,电网能够实现这些目标,就可以称其为智能电网。
参数量测技术是智能电网基本的组成部件,先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息,以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性,进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统,取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计[2] 。基于微处理器的智能表计将有更多的功能,除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外,还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率,并通知用户实施什么样的费率政策。新的软件系统将收集、储存、分析和处理各种数据,为电力公司的其他业务所用。
先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功[3] 。另外,先进控制技术支持市场报价技术以提高资产的管理水平。未来先进控制技术的分析和诊断功能将引进预设的专家系统,在专家系统允许的范围内,采取自动的控制行动。这样所执行的行动将在秒一级水平上,这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性。
而以上智能电网信息技术的应用,首先是需要有稳定可靠的数据链路的传输技术来保证各点测试数据的获取和控制信息的可靠到达[4] 。为无线工业数据网络量身定做的ZigBee技术正是这种数据传输的保证。
2 ZigBee技术的特点
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802.15.4的名字,IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化[5] 。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 KB或者作为Hub或路由器的协调器的32 KB。每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。
完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定,IEEE 802.15.4负责物理层和链路层标准。ZigBee协议栈的构架如图1所示。
图1 ZigBee协议栈
ZigBee的特点突出,主要有以下几个方面:
(1) 低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个ZigBee节点工作6~24个月,甚至更长。这是ZigBee的相比于其他通信方式的突出优势。
(2) 抗干扰能力强。通过工作在2.4 GHz频段下的跳频工作方式,使ZigBee技术在现阶段成为工业控制领域抗干扰能力最强的通信手段之一。能够在十分恶劣环境下保证通信畅通,并且能够应对现场较强辐射的电磁干扰。
(3) 网络健壮性好。ZigBee技术能够实现无线自组网,采用平面路由或树状路由等算法,可以实现主动路由策略,即使网络拓扑发生改变,也可以在无需人工干预的条件下实现设备自动完成网络拓扑,自动接入,并且与远端数据中心进行通信,真正实现即插即用[6] 。
(4) 传输距离较近。传输范围一般介于10～100 m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1~3 km,这指的是相邻节点间的距离。通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以延伸至无限远处。
(5) 短时延。ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms,节点连接进入网络只需30 ms,进一步节省了电能。
(6) 高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65 000个节点的大网。如果配合数据服务器,节点数目将不受使用限制。
(7) 高安全。ZigBee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。
(8) 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,24 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)
ZigBee典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想,它的应用目标主要是:工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络),医护(如监视和传感),家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警),消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域[7] 。
由ZigBee设备组成的智能电网测控网络能够实现构建坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化的特点[8] 。下面,以ZigBee在电能质量检测与控制网络应用为例,说明ZigBee设备在智能电网中的应用。
3 网络原理及硬件组成
3.1 ZigBee实现电能质量监测的网络组成
ZigBee电能质量检测网络由许多个小型的节点构成。以这些工作节点为依托,通过无线通信组成各种网络托普结构。为降低成本,系统中大部分的节点为子节点,从组网通信上看,它们只是其功能的一个子集,称为RFD(精简功能设备),这种设备不具有路由的功能;另外还有一些节点负责与控制的子节点通信、汇集数据和发布控制,或起到通信路由的作用[9] ,称为FFD(全功能设备或协调器)。图2示出了一个ZigBee设备在智能电网中建立采集控制网络应用的拓扑示意图。
每个节点由一个具备ZigBee协议栈的MCU作为主控设备。每个信号采集节点通过ADC从模拟传感器得到实时数据,按照ZigBee协议把数据打包并通过射频芯片及前端天线发送给簇内的RFD,再由RFD路由转发到数据中心,以做进一步处理。在每个节点的外部可外接相应的PIO芯片和其他外围电路进行交互。同时,由现场操作人员在控制中心可以对相应节点发出指令,使遥控相应节点按遥控指令做出一些动作,比如紧急合闸、开闸动作等。
图2 ZigBee设备在电网采集控制网络中的拓扑示意图
3.2 监测节点的硬件原理
实验采用了MoteWork开发平台。该实验模拟在数据中心远端获取母线及变压器测试节点的温度参数,平台的硬件结构如图3所示。
图3 ZigBee测试设备硬件结构原理图
ZigBee测试节点由传感器模块、处理器模块、无线电通信模块和能量供应模块4部分组成。此节点的节点采用一款Atmel公司的AVR系列8位单片机ATmega128为处理器芯片。ATmega128具有如下特点:128 KB系统内可编程FLASH(具有在写的过程中还可以读的能力,即RWW),4 KB E2PROM,4 KB SRAM,53个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,实时时钟RTC,4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C),2个USART,面向字节的两线接口TWI,8通道10位ADC(具有可选的可编程增益),具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,SPI串行端口,与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口,以及6种可以通过软件选择的省电模式。无线收发模块则采用了TI公司的CC1000通用无线通信模块。
此开发板可外接多种传感器设备,此次实验选用一款高精度温度传感器。
4 软件设计
该系统的软件开发建立在加州大学伯克利分校开发设计的一种新型的嵌入式系统——TinyOS之上。
4.1 TinyOS体系
TinyOS操作系统为用户提供一个良好的用户接口,具有更强的网络处理和资源收集能力。为满足无线传感器网络的要求,在TinyOS中引入4种技术:轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程。整个系统由组件构成,通过组件对硬件进行抽象,提高了软件重用度和兼容性。
TinyOS操作系统及其应用程序使用产生代码相对较小的necC来开发。
4.2 部分程序流程及代码
部分测试设备的启动流程框图如图4所示。
图4 ZigBee测试设备启动流程框图
部分程序代码如下:
……
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 = false;
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 测试
(1) 测试环境
硬件平台:PC机一台,ZigBee节点5个;
软件平台:PC机操作系统:Windows XP SP2;
开发环境:PN2,MoteConfig 20,MoteView 14B。
(2) 数据结果
实验数据如表1所示。
表1 数据结果
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
在测试实验中,ZigBee设备展现了良好的数据稳定传输能力和自组网的能力。但是由于参与测试的实验点数较少,还不能够完整进行测试,也还没有完全体现出ZigBee在自组网传输中的优势,对最终现场的运行效果还需要进一步详细验证。
5 结 语
目前,智能电网的规划、设计正在稳步进行中。选择构建一个稳定可靠,并且自身功耗低,维护方便的双向数据通信方式将对智能电网的运行效果产生极大的推动作用。具备ZigBee无线传输协议的设备,组成的数据测控网络,由于其设备自身体积小、成本低、高可靠、低功耗、环境适应能力强等诸多优势,将非常适合于
在大范围智能电网中的广泛使用推广。并且,无线传输方式省去了有线传输模式下,在恶劣环境中布线和占用空间的困扰。随着更多具有支持ZigBee通信协议的高级计量控制设备研发成功,ZigBee技术将在智能电网运行中发挥举足轻重的作用。
参考文献
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