智能电网Zigbee监控系统的研究和分析

随着国民经济的发展，电能资源在人类社会中的地位越来越重要。为了获得更安全、更可靠、更经济的电能，智能电网的概念应运而生。

智能电网是近年发展起来的一种电能供应结构形式。它通过信息感知、信息分析、预测推演、指令执行形成完整的信息流与能量流的协调控制，可以有效地保证供电的安全性、可靠性、经济性、电能质量、环保约束，并可以通过相关的信息管理系统实现与用户的互动和增值服务，是实现大规模、高密度、强动态的电能传输与分配的新型方式。

当前世界，能源短缺危机日益严重、电力系统规模持续增长、气候环境变化加剧，这使得智能电网技术越来越受到各国的重视。我国也在政府、高校研究机构和企业的共同参与下，对智能电网的技术问题、技术难点和技术路线开展了深人的研究，将发展智能电网视为关系到国家安全、经济发展和环境保护的重要举措。

简单地说，智能电网就是将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网。它具有提高能源效率、减小对环境的影响、提高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间互动和为用户提供增值服务等优点。

智能电网实现其功能的基本环节主要有两个：一个是电能高效、精确地转换；另一个是对电能的有效控制。而要实现这两个功能，就需要智能电网集中体现坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化等基本特征，因此一个完善的监控系统就成为了智能电网实现其基本特征的有效保证。

本文在研究智能电网相关技术的基础上，提出了利用Zigbee数传技术构建局部智能电网监控系统的设计思路，可以有效地实现局部电力系统的数字化控制，为智能电网的进一步发展打下良好的基础。

1 Zigbee技术概述与分析

Zigbee数传技术是一种最新的无线通信方式，具有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠、安全等基本特点。随着技术本身的不断完善，它已经成为了当今最先进的数字化无线技术。

Zigbee是一个由若干个Zigbee无线模块组成的无线数传网络平台，最大Zigbee无线模块数可以增加至65 000个。每一个Zigbee无线模块都可以看作是一个移动网络中的一个基站，功能也和基站类似。由这些模块构成了网络整体，支持模点之间的相互通信。单独一个Zigbee无线模块的传输距离并不大，大约在100 -200m 的范围内。但是，作为一种新型的无线通信技术，zigbee网络可以将各种不同结构的Zigbee数传模块连接起来，扩展后的网络范围可达几百米，甚至几公里；同时整个Zigbee网络还可以与现有的其它各种通信网络互联。

Zigbee网络所遵循的无线网络协议是国际标准的七层开放式系统互联(OSI)模型。但是与OSI不太相同的是，Zigbee无线网络协议在ISO的基础上进行了扩充，主要的扩充为：IEE802．15．4标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接人控制子层(MAC)。Zigbee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。具体结构如图1所示。

图1 Zigbee无线网络协议结构图

Zigbee数传网络主要分网状、星形、簇树形结构。其中，最主要的是网状结构，每一个ZigBee无线模块可以作为一个节点，同时可以支持31个传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备都可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。

ZigBee技术的目标是针对工农业自动化控制过程，可以在有效的区域内全面实现对被控对象的遥测、遥控等，是一种理想的近距离无线通信技术。

2 基于Zigbee技术的智能电网监控系统设计

智能电网的监控系统所实现的功能主要是对电网节点的电压、电流、节点内主要设备的各项运行参数等信息进行监控。由于主要设备对象不同，所监控的侧重点也不同，但不管是哪种类型的设备节结，ZigBee无线监控网络所采用的节点组成结构基本都是相同的，主要都是由电源、ZigBee数据采集单元、数据处理单元、数据的收发单元构成，具体结构如图2所示。

图2 监控网络节点框图

电源模块由外部稳压模块、供电模式切换模块、电池充电模块、DC-DC模块组成。主要的功能是为节点内的主要设备进行供电。电源模块对设备供电有两种模式：一种是电源供电模式，一种是电池供电模式。在外部电源供电良好时采用电源供电模式，当外部电源的供电受阻时，采用电池供电模式。ZigBee数据采集单元包含了采集各设备电压、电流、温度、湿度等参数的传感器，主要的功能是对节点设备的运行参数进行实时的采集。数据处理单元利用嵌入式微处理器芯片，嵌入式操作系统和相应的数据库对收集来的数据进行信息处理，同时还要依据上位机所下达的指令，指挥执行机构进行设备运行的调整。

本系统的微处理器芯片采用TI出品的CC2530。该芯片具有先进Zigbee协议栈，具有256 kB可编程闪存和8KRAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器、AESl28协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程IO引脚。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于24和29 mA。同时CC2530具有从休眠到工作状态切换时间超短的基本特性。数据传输单元主要功能是接收Zigbee数据采集终端的数据信号，通过串口将数据发送监控显示终端；还可以接收来自监控显示终端的指令，控制Zigbee数传模块终端的状态(睡眠／唤醒)，图3为数据传输单元的软件程序流程图。

图3 数据传输单元程序流程图

3 总结

Zigbee数传技术是目前最活跃的一种无线通信技术，它不仅具有技术上的优势，同时还得到了IEEE国际标准化组织的认可，从而极大地激发了它在各个领域的应用。将Zigbee数传采集技术引入智能电网的建设当中，有利于实现智能电网的无线通讯功能，有利于有效掌握电网各个环节的重要运行参数，为推动智能电网的进一步发展提供了重要的技术手段。