隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能資源在人類社會(huì)中的地位越來(lái)越重要。為了獲得更安全、更可靠、更經(jīng)濟(jì)的電能，智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。
智能電網(wǎng)是近年發(fā)展起來(lái)的一種電能供應(yīng)結(jié)構(gòu)形式。它通過(guò)信息感知、信息分析、預(yù)測(cè)推演、指令執(zhí)行形成完整的信息流與能量流的協(xié)調(diào)控制，可以有效地保證供電的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、電能質(zhì)量、環(huán)保約束，并可以通過(guò)相關(guān)的信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與用戶的互動(dòng)和增值服務(wù)，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高密度、強(qiáng)動(dòng)態(tài)的電能傳輸與分配的新型方式。
當(dāng)前世界，能源短缺危機(jī)日益嚴(yán)重、電力系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)、氣候環(huán)境變化加劇，這使得智能電網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越受到各國(guó)的重視。我國(guó)也在政府、高校研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的共同參與下，對(duì)智能電網(wǎng)的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)路線開展了深人的研究，將發(fā)展智能電網(wǎng)視為關(guān)系到國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重要舉措。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，智能電網(wǎng)就是將先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型電網(wǎng)。它具有提高能源效率、減小對(duì)環(huán)境的影響、提高供電的安全性和可靠性、減少電網(wǎng)的電能損耗、實(shí)現(xiàn)與用戶間互動(dòng)和為用戶提供增值服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)。
智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其功能的基本環(huán)節(jié)主要有兩個(gè)：一個(gè)是電能高效、精確地轉(zhuǎn)換；另一個(gè)是對(duì)電能的有效控制。而要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能，就需要智能電網(wǎng)集中體現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成、優(yōu)化等基本特征，因此一個(gè)完善的監(jiān)控系統(tǒng)就成為了智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)其基本特征的有效保證。
本文在研究智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了利用Zigbee數(shù)傳技術(shù)構(gòu)建局部智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，可以有效地實(shí)現(xiàn)局部電力系統(tǒng)的數(shù)字化控制，為智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。
1 Zigbee技術(shù)概述與分析
Zigbee數(shù)傳技術(shù)是一種最新的無(wú)線通信方式，具有低功耗、低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全等基本特點(diǎn)。隨著技術(shù)本身的不斷完善，它已經(jīng)成為了當(dāng)今最先進(jìn)的數(shù)字化無(wú)線技術(shù)。
Zigbee是一個(gè)由若干個(gè)Zigbee無(wú)線模塊組成的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，最大Zigbee無(wú)線模塊數(shù)可以增加至65 000個(gè)。每一個(gè)Zigbee無(wú)線模塊都可以看作是一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基站，功能也和基站類似。由這些模塊構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)整體，支持模點(diǎn)之間的相互通信。單獨(dú)一個(gè)Zigbee無(wú)線模塊的傳輸距離并不大，大約在100 -200m的范圍內(nèi)。但是，作為一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，zigbee網(wǎng)絡(luò)可以將各種不同結(jié)構(gòu)的Zigbee數(shù)傳模塊連接起來(lái)，擴(kuò)展后的網(wǎng)絡(luò)范圍可達(dá)幾百米，甚至幾公里；同時(shí)整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它各種通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。
Zigbee網(wǎng)絡(luò)所遵循的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型。但是與OSI不太相同的是，Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在ISO的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充，主要的擴(kuò)充為：IEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質(zhì)接人控制子層(MAC)。Zigbee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)圖
Zigbee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)主要分網(wǎng)狀、星形、簇樹形結(jié)構(gòu)。其中，最主要的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)ZigBee無(wú)線模塊可以作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可以支持31個(gè)傳感器和受控設(shè)備，每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備都可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。
ZigBee技術(shù)的目標(biāo)是針對(duì)工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制過(guò)程，可以在有效的區(qū)域內(nèi)全面實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的遙測(cè)、遙控等，是一種理想的近距離無(wú)線通信技術(shù)。
2 基于Zigbee技術(shù)的智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
智能電網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能主要是對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、節(jié)點(diǎn)內(nèi)主要設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)等信息進(jìn)行監(jiān)控。由于主要設(shè)備對(duì)象不同，所監(jiān)控的側(cè)重點(diǎn)也不同，但不管是哪種類型的設(shè)備節(jié)結(jié)，ZigBee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)所采用的節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)基本都是相同的，主要都是由電源、ZigBee數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)的收發(fā)單元構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)框圖
電源模塊由外部穩(wěn)壓模塊、供電模式切換模塊、電池充電模塊、DC-DC模塊組成。主要的功能是為節(jié)點(diǎn)內(nèi)的主要設(shè)備進(jìn)行供電。電源模塊對(duì)設(shè)備供電有兩種模式：一種是電源供電模式，一種是電池供電模式。在外部電源供電良好時(shí)采用電源供電模式，當(dāng)外部電源的供電受阻時(shí)，采用電池供電模式。ZigBee數(shù)據(jù)采集單元包含了采集各設(shè)備電壓、電流、溫度、濕度等參數(shù)的傳感器，主要的功能是對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集。數(shù)據(jù)處理單元利用嵌入式微處理器芯片，嵌入式操作系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)收集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理，同時(shí)還要依據(jù)上位機(jī)所下達(dá)的指令，指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行的調(diào)整。
本系統(tǒng)的微處理器芯片采用TI出品的CC2530。該芯片具有先進(jìn)Zigbee協(xié)議棧，具有256 kB可編程閃存和8KRAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器、AESl28協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程IO引腳。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于24和29 mA。同時(shí)CC2530具有從休眠到工作狀態(tài)切換時(shí)間超短的基本特性。數(shù)據(jù)傳輸單元主要功能是接收Zigbee數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送監(jiān)控顯示終端；還可以接收來(lái)自監(jiān)控顯示終端的指令，控制Zigbee數(shù)傳模塊終端的狀態(tài)(睡眠／喚醒)，圖3為數(shù)據(jù)傳輸單元的軟件程序流程圖。
圖3 數(shù)據(jù)傳輸單元程序流程圖
3 總結(jié)
Zigbee數(shù)傳技術(shù)是目前最活躍的一種無(wú)線通信技術(shù)，它不僅具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還得到了IEEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)可，從而極大地激發(fā)了它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。將Zigbee數(shù)傳采集技術(shù)引入智能電網(wǎng)的建設(shè)當(dāng)中，有利于實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的無(wú)線通訊功能，有利于有效掌握電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的重要運(yùn)行參數(shù)，為推動(dòng)智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的技術(shù)手段。