ZigBee技術在智能電網系統(tǒng)中的應用研究

不同的國家由于發(fā)展程度和實際建設的情況不同，對于智能電網的解讀和發(fā)展方向也不盡相同。在我國，國家電網對智能電網的定義為：以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發(fā)展的堅強電網為基礎，以信息化、數字化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網。所以，在電網中引入數據穩(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極大符合我國智能電網的發(fā)展目標。ZigBee技術，因其超低功耗、抗干擾和網絡的健壯性等優(yōu)點，注定將在無線傳感器領域發(fā)揮巨大的作用。

1 智能電網概述
智能電網，即電網的智能化，也被稱為“電網2．0”，是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標。
智能電網的重要目標是實現電網運行的可靠、安全、經濟、高效、環(huán)境友好和使用安全，電網能夠實現這些目標，就可以稱其為智能電網。
參數量測技術是智能電網基本的組成部件，先進的參數量測技術獲得數據并將其轉換成數據信息，以供智能電網的各個方面使用。它們評估電網設備的健康狀況和電網的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網阻塞以及與用戶的溝通。未來的智能電網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、分析和處理各種數據，為電力公司的其他業(yè)務所用。
先進的控制技術是指智能電網中分析、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量擾動的裝置和算法。這些技術將提供對輸電、配電和用戶側的控制方法并且可以管理整個電網的有功和無功。另外，先進控制技術支持市場報價技術以提高資產的管理水平。未來先進控制技術的分析和診斷功能將引進預設的專家系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)允許的范圍內，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，這一自愈電網的特性將極大地提高電網的可靠性。
而以上智能電網信息技術的應用，首先是需要有穩(wěn)定可靠的數據鏈路的傳輸技術來保證各點測試數據的獲取和控制信息的可靠到達。為無線工業(yè)數據網絡量身定做的ZigBee技術正是這種數據傳輸的保證。

2 ZigBee技術的特點
ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802．15．4無線標準研制開發(fā)的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。它不僅只是802．15-．4的名字，IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4 KB或者作為Hub或路由器的協調器的32 KB。每個協調器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。
完整的ZigBee協議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE80-2．15．4負責物理層和鏈路層標準。ZigBee協議棧的構架如圖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技術在現階段成為工業(yè)控制領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，并且能夠應對現場較強輻射的電磁干擾。
(3)網絡健壯性好。ZigBee技術能夠實現無線自組網，采用平面路由或樹狀路由等算法，可以實現主動路由策略，即使網絡拓撲發(fā)生改變，也可以在無需人工干預的條件下實現設備自動完成網絡拓撲，自動接入，并且與遠端數據中心進行通信，真正實現即插即用。
(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(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處。
(5)短時延。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(jié)點連接進入網絡只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。
(6)高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，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)點還可由上一層網絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網。如果配合數據服務器，節(jié)點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典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。根據設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制(如自動控制設備、無線傳感器網絡)，醫(yī)護(如監(jiān)視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)，消費類電子設備的遙控裝置、PC外設的無線連接等領域。
由ZigBee設備組成的智能電網測控網絡能夠實現構建堅強、自愈、兼容、經濟、集成、優(yōu)化的特點。下面，以ZigBee在電能質量檢測與控制網絡應用為例，說明ZigBee設備在智能電網中的應用。