ZigBee技術(shù)在智能電網(wǎng)系統中的應用研究

不同的國家由于發(fā)展程度和實(shí)際建設的情況不同，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)調發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎，以信息化、數字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的堅強智能電網(wǎng)。所以，在電網(wǎng)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(shù)極大符合我國智能電網(wǎng)的發(fā)展目標。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(wú)線(xiàn)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(chēng)為“電網(wǎng)2．0”，是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò )的基礎上，通過(guò)先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統技術(shù)的應用，實(shí)現電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。
智能電網(wǎng)的重要目標是實(shí)現電網(wǎng)運行的可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全，電網(wǎng)能夠實(shí)現這些目標，就可以稱(chēng)其為智能電網(wǎng)。
參數量測技術(shù)是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進(jìn)的參數量測技術(shù)獲得數據并將其轉換成數據信息，以供智能電網(wǎng)的各個(gè)方面使用。它們評估電網(wǎng)設備的健康狀況和電網(wǎng)的完整性，進(jìn)行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網(wǎng)阻塞以及與用戶(hù)的溝通。未來(lái)的智能電網(wǎng)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(hù)進(jìn)行雙向通信的智能固態(tài)表計?；谖⑻幚砥鞯闹悄鼙碛媽⒂懈嗟墓δ?，除了可以計量每天不同時(shí)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(jià)格信號及電費費率，并通知用戶(hù)實(shí)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(yè)務(wù)所用。
先進(jìn)的控制技術(shù)是指智能電網(wǎng)中分析、診斷和預測狀態(tài)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(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(hù)側的控制方法并且可以管理整個(gè)電網(wǎng)的有功和無(wú)功。另外，先進(jìn)控制技術(shù)支持市場(chǎng)報價(jià)技術(shù)以提高資產(chǎn)的管理水平。未來(lái)先進(jìn)控制技術(shù)的分析和診斷功能將引進(jìn)預設的專(zhuān)家系統，在專(zhuān)家系統允許的范圍內，采取自動(dòng)的控制行動(dòng)。這樣所執行的行動(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)的應用，首先是需要有穩定可靠的數據鏈路的傳輸技術(shù)來(lái)保證各點(diǎn)測試數據的獲取和控制信息的可靠到達。為無(wú)線(xiàn)工業(yè)數據網(wǎng)絡(luò )量身定做的ZigBee技術(shù)正是這種數據傳輸的保證。

2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
ZigBee是一組基于IEEE批準通過(guò)的802．15．4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)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(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議和API進(jìn)行了標準化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設備的基本節點(diǎn)的4 KB或者作為Hub或路由器的協(xié)調器的32 KB。每個(gè)協(xié)調器可連接多達255個(gè)節點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，對路由傳輸的數目則沒(méi)有限制。ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會(huì )意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò )的遠距離傳輸不會(huì )被其他節點(diǎn)獲得。
完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據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負責物理層和鏈路層標準。ZigBee協(xié)議棧的構架如圖1所示。

ZigBee的特點(diǎn)突出，主要有以下幾個(gè)方面：
(1)低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個(gè)ZigBee節點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(cháng)。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。通過(guò)工作在2．4 GHz頻段下的跳頻工作方式，使ZigBee技術(shù)在現階段成為工業(yè)控制領(lǐng)域抗干擾能力最強的通信手段之一。能夠在十分惡劣環(huán)境下保證通信暢通，并且能夠應對現場(chǎng)較強輻射的電磁干擾。
(3)網(wǎng)絡(luò )健壯性好。ZigBee技術(shù)能夠實(shí)現無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)，采用平面路由或樹(shù)狀路由等算法，可以實(shí)現主動(dòng)路由策略，即使網(wǎng)絡(luò )拓撲發(fā)生改變，也可以在無(wú)需人工干預的條件下實(shí)現設備自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò )拓撲，自動(dòng)接入，并且與遠端數據中心進(jìn)行通信，真正實(shí)現即插即用。
(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(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km，這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離。通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以延伸至無(wú)限遠處。
(5)短時(shí)延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms，進(jìn)一步節省了電能。
(6)高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn)；同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)。如果配合數據服務(wù)器，節點(diǎn)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(wú)安全設定、使用接人控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AESl28)的對稱(chēng)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(yè)科學(xué)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(lèi)型有周期性數據、間歇性數據和低反應時(shí)間數據。根據設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制(如自動(dòng)控制設備、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ))，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(lèi)電子設備的遙控裝置、PC外設的無(wú)線(xiàn)連接等領(lǐng)域。
由ZigBee設備組成的智能電網(wǎng)測控網(wǎng)絡(luò )能夠實(shí)現構建堅強、自愈、兼容、經(jīng)濟、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 )應用為例，說(shuō)明ZigBee設備在智能電網(wǎng)中的應用。