不同的國家由于發(fā)展程度和實際建設(shè)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(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以信息化、數(shù)字化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網(wǎng)。所以，在電網(wǎng)中引入數(shù)據(jù)穩(wěn)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(biāo)。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，注定將在無線傳感器領(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(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)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(biāo)。

智能電網(wǎng)的重要目標(biāo)是實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)，就可以稱其為智能電網(wǎng)。

參數(shù)量測技術(shù)是智能電網(wǎng)基本的組成部件，先進(jìn)的參數(shù)量測技術(shù)獲得數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，以供智能電網(wǎng)的各個方面使用。它們評估電網(wǎng)設(shè)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)阻塞以及與用戶的溝通。未來的智能電網(wǎng)將取消所有的電磁表計及其讀取系統(tǒng)，取而代之的是可以使電力公司與用戶進(jìn)行雙向通信的智能固態(tài)表計。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(dá)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(tǒng)將收集、儲存、分析和處理各種數(shù)據(jù)，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(yù)測狀態(tài)并確定和采取適當(dāng)?shù)拇胧┮韵p輕和防止供電中斷和電能質(zhì)量擾動的裝置和算法。這些技術(shù)將提供對輸電、配電和用戶側(cè)的控制方法并且可以管理整個電網(wǎng)的有功和無功。另外，先進(jìn)控制技術(shù)支持市場報價技術(shù)以提高資產(chǎn)的管理水平。未來先進(jìn)控制技術(shù)的分析和診斷功能將引進(jìn)預(yù)設(shè)的專家系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，采取自動的控制行動。這樣所執(zhí)行的行動將在秒一級水平上，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(yīng)用，首先是需要有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸技術(shù)來保證各點測試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的可靠到達(dá)。為無線工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)量身定做的ZigBee技術(shù)正是這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋ＷC。

2 ZigBee技術(shù)的特點

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4 KB或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32 KB。每個協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。

完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)架如圖1所示。

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(jié)5號干電池可支持1個ZigBee節(jié)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(yōu)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(shù)在現(xiàn)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(yīng)對現(xiàn)場較強輻射的電磁干擾。

(3)網(wǎng)絡(luò)健壯性好。ZigBee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無線自組網(wǎng)，采用平面路由或樹狀路由等算法，可以實現(xiàn)主動路由策略，即使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變，也可以在無需人工干預(yù)的條件下實現(xiàn)設(shè)備自動完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詣咏尤耄⑶遗c遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信，真正實現(xiàn)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(jié)點間的距離。通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以延伸至無限遠(yuǎn)處。

(5)短時延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)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(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。如果配合數(shù)據(jù)服務(wù)器，節(jié)點數(shù)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(shè)定、使用接人控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AESl28)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

(8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)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(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制(如自動控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò))，醫(yī)護(hù)(如監(jiān)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(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。

由ZigBee設(shè)備組成的智能電網(wǎng)測控網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)建堅強、自愈、兼容、經(jīng)濟、集成、優(yōu)化的特點。下面，以ZigBee在電能質(zhì)量檢測與控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為例，說明ZigBee設(shè)備在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用。

3 網(wǎng)絡(luò)原理及硬件組成

3．1 ZigBee實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)組成

ZigBee電能質(zhì)量檢測網(wǎng)絡(luò)由許多個小型的節(jié)點構(gòu)成。以這些工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成各種網(wǎng)絡(luò)托普結(jié)構(gòu)。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上看，它們只是其功能的一個子集，稱為RFD(精簡功能設(shè)備)，這種設(shè)備不具有路由的功能；另外還有一些節(jié)點負(fù)責(zé)與控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱為FFD(全功能設(shè)備或協(xié)調(diào)器)。圖2示出了一個ZigBee設(shè)備在智能電網(wǎng)中建立采集控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的拓?fù)涫疽鈭D。

每個節(jié)點由一個具備ZigBee協(xié)議棧的MCU作為主控設(shè)備。每個信號采集節(jié)點通過ADC從模擬傳感器得到實時數(shù)據(jù)，按照ZigBee協(xié)議把數(shù)據(jù)打包并通過射頻芯片及前端天線發(fā)送給簇內(nèi)的RFD，再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心，以做進(jìn)一步處理。在每個節(jié)點的外部可外接相應(yīng)的PIO芯片和其他外圍電路進(jìn)行交互。同時，由現(xiàn)場操作人員在控制中心可以對相應(yīng)節(jié)點發(fā)出指令，使遙控相應(yīng)節(jié)點按遙控指令做出一些動作，比如緊急合閘、開閘動作等。

3．2 監(jiān)測節(jié)點的硬件原理

實驗采用了MoteWork開發(fā)平臺。該實驗?zāi)M在數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)端獲取母線及變壓器測試節(jié)點的溫度參數(shù)，平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

ZigBee測試節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。此節(jié)點的節(jié)點采用一款A(yù)tmel公司的AVR系列8位單片機ATmegal28為處理器芯片。ATmegal28具有如下特點：128 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH(具有在寫的過程中還可以讀的能力，即RWW)，4 KB E2PROM，4 KBSRAM，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(shù)器(T／C)，2個USART，面向字節(jié)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(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，SPI串行端口，與IEEE 1149．1規(guī)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(fā)模塊則采用了TI公司的CCl000通用無線通信模塊。

此開發(fā)板可外接多種傳感器設(shè)備，此次實驗選用一款高精度溫度傳感器。

4 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件開發(fā)建立在加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)設(shè)計的一種新型的嵌入式系統(tǒng)——TinyOS之上。

4．1 TinyOS體系

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

TinyOS操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序使用產(chǎn)生代碼相對較小的necC來開發(fā)。

4．2 部分程序流程及代碼

部分測試設(shè)備的啟動流程框圖如圖4所示。

部分程序代碼如下：

4．3 測試

(1)測試環(huán)境

硬件平臺：PC機一臺，ZigBee節(jié)點5個；
    軟件平臺：PC機操作系統(tǒng)：windows XP SP2；
    開發(fā)環(huán)境：PN2，MoteConfig 2．O，MoteView 1．4B。

(2)數(shù)據(jù)結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

在測試實驗中，ZigBee設(shè)備展現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸能力和自組網(wǎng)的能力。但是由于參與測試的實驗點數(shù)較少，還不能夠完整進(jìn)行測試，也還沒有完全體現(xiàn)出ZigBee在自組網(wǎng)傳輸中的優(yōu)勢，對最終現(xiàn)場的運行效果還需要進(jìn)一步詳細(xì)驗證。

5 結(jié)語

目前，智能電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計正在穩(wěn)步進(jìn)行中。選擇構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠，并且自身功耗低，維護(hù)方便的雙向數(shù)據(jù)通信方式將對智能電網(wǎng)的運行效果產(chǎn)生極大的推動作用。具備ZigBee無線傳輸協(xié)議的設(shè)備，組成的數(shù)據(jù)測控網(wǎng)絡(luò)，由于其設(shè)備自身體積小、成本低、高可靠、低功耗、環(huán)境適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)勢，將非常適合于在大范圍智能電網(wǎng)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(huán)境中布線和占用空間的困擾。隨著更多具有支持ZigBee通信協(xié)議的高級計量控制設(shè)備研發(fā)成功，ZigBee技術(shù)將在智能電網(wǎng)運行中發(fā)揮舉足輕重的作用。