基于ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)的電能高級測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

文鳴鑫，王志梁，劉新鋒

（1.濰坊供電公司，山東 濰坊 261021；2.濟南眾德軟件開發(fā)有限公司，濟南 250001）

實施分時電價、階梯電價可以有效地避免能源浪費，是一種行之有效的調(diào)控電力負(fù)荷的方法。為實施這一政策，需要對電能進行科學(xué)、有效地計量。對于大部分用戶來講，當(dāng)前電能計量方式屬于單向電能信息采集，這種方式采集的用電數(shù)據(jù)不能指導(dǎo)供電公司了解成本結(jié)構(gòu)、制定合理電價，不能實現(xiàn)交互式網(wǎng)絡(luò)平臺、提高能效管理水平。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了新一代用戶電能高級測控系統(tǒng)，采用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)和GPRS智能無線網(wǎng)絡(luò)，提高可靠性，自愈性強，同時能夠減少維護費用和人工抄表成本。智能電能表中安裝了計算機芯片，用戶用電情況可通過互聯(lián)網(wǎng)反饋給電力公司，實現(xiàn)了信息的雙向溝通和控制。充分利用現(xiàn)代通信技術(shù)、信息處理、儲存和發(fā)布技術(shù)完成抄表，把用戶用電數(shù)據(jù)從用戶傳送到電力部門，使供電公司能夠觀察到整個電網(wǎng)的末梢，能夠統(tǒng)計每一戶的用電情況，為用電管理提供可供參考的數(shù)據(jù)，更好地指導(dǎo)電力公司依據(jù)發(fā)、用電成本結(jié)構(gòu)制定合理電價，為分段計費做基礎(chǔ)，而且能夠把從用電管理信息系統(tǒng)（management information system，MIS）獲取的實時電價信息提供給用戶，指導(dǎo)用戶合理用電。通過智能無線傳感器可監(jiān)測全網(wǎng)精確負(fù)載，提供三相有功功率、三相功率因數(shù)、三相諧波電壓、三相諧波電流等實時遙測信息，有效監(jiān)視漏電、偷電，預(yù)防跳閘并及時復(fù)電，提供高精度、高可靠性的用電數(shù)據(jù)。

1 技術(shù)原理與功能設(shè)計

電能高級測控系統(tǒng)采用獨特的軟總線技術(shù)，實現(xiàn)B/S/S、C/S/S的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，跨操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫平臺、通信平臺、規(guī)約平臺設(shè)計。應(yīng)用軟件模塊可集中運行在一臺計算機上，也可以分布運行在一個大型計算機網(wǎng)絡(luò)上，模塊支持主輔熱備用，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運行。

電能高級測控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信前置機、應(yīng)用服務(wù)器、工作站和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)考慮到新增設(shè)備的接入能力，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大、通信方式的豐富，可以方便的擴展通信前置機以支持多通信前置機、多通道通信模式。通道可配置為主輔通道，當(dāng)主通道出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動切換至輔通道。

在應(yīng)用軟件方面，采用3層結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想：底層為通過對直接采集數(shù)據(jù)和系統(tǒng)互聯(lián)數(shù)據(jù)的加工處理后形成的數(shù)據(jù)平臺；中間層為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口；高層為以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用模塊。新的應(yīng)用模塊可以方便的添加到系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴充。

建立無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，底層由自組網(wǎng)無線通信網(wǎng)絡(luò)組成，主要作用是電能數(shù)據(jù)的采集，并與中間層通信；中間層采用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，一方面可以將數(shù)據(jù)匯總并發(fā)送到服務(wù)器，另一方面也可以從服務(wù)器獲取電價信息。

自組網(wǎng)包括若干的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，每個采集節(jié)點也是路由節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動建立和維護，自動搜索網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，也被稱為終端節(jié)點或子節(jié)點。采集節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基站，同時也是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與中間層交互的接口，與中間層進行數(shù)據(jù)傳輸。

中間層相當(dāng)于中心節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、管理及維護，也被稱為協(xié)調(diào)點或主節(jié)點。中心節(jié)點接收采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給主站系統(tǒng)，或者將主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給采集節(jié)點，實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的雙向交互。

業(yè)務(wù)層為電能高級測控系統(tǒng)，通過GPRS通信通道進行各個中心點數(shù)據(jù)的集中，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、預(yù)處理等工作，對電量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，形成各類報表，實現(xiàn)分區(qū)域、分時段的網(wǎng)損計算和分析功能，使電力企業(yè)能夠及時準(zhǔn)確地掌握全網(wǎng)電量的數(shù)據(jù)；為用戶提供節(jié)能措施，改善負(fù)荷特性；為提高電力企業(yè)運行效率和經(jīng)濟效益打下堅實基礎(chǔ)；為企業(yè)營銷決策和電力市場提供可靠的技術(shù)保證和數(shù)據(jù)支撐。此外，可根據(jù)用戶不同需求，設(shè)置各種參數(shù)，發(fā)出各項控制命令。提供實時電價或峰谷電價接口，使用戶可以通過手機或者家用PC進行網(wǎng)絡(luò)訪問，獲取電價信息和輔助用電決策信息。

無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 自組網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［1—5］，具有組網(wǎng)方式靈活、網(wǎng)絡(luò)性能可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電子設(shè)備、智能家居、醫(yī)用設(shè)備控制等領(lǐng)域。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可為電力企業(yè)和電力用戶之間提供交互平臺，方便家庭用戶通過該網(wǎng)絡(luò)實時了解用電情況和當(dāng)前電價，根據(jù)需要選擇用電時段，達到與電網(wǎng)自動交互的效果。

自組網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee無線技術(shù)，專門為抄表系統(tǒng)量身定制，現(xiàn)場安裝免設(shè)置、免布線，上電即用。該網(wǎng)絡(luò)能自動跳頻抗干擾，具有自動修復(fù)功能，一旦某節(jié)點因為故障等原因退出，網(wǎng)絡(luò)會自動屏蔽該節(jié)點。子節(jié)點具有路由功能和中繼能力，不需單獨的路由器或中繼器，穿透障礙物能力強。抄表實時性高，幾秒種內(nèi)基本可以實現(xiàn)指定電能表的抄表。每個節(jié)點的硬件均由2部分構(gòu)成：電能測量與處理部分和無線接收/發(fā)送部分，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee節(jié)點是簇形傳感器網(wǎng)絡(luò)，鄰近區(qū)域內(nèi)的節(jié)點構(gòu)成了一個簇，每個簇有且僅有一個簇頭，相鄰的簇頭又構(gòu)成了另一個簇，形成了一個樹形結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)。

電能數(shù)據(jù)采集模塊的核心是一款高精度三相有功電能計量芯片ATT7022C。該芯片集成了6路二階sigma-delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）、參考電壓電路以及所有的功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量和溫度傳感器的數(shù)字信號處理等電路。它提供了一個和瞬時基波有功功率信息成比例的脈沖輸出（CF3）以及一個和基波無功功率信息成正比的脈沖輸出（CF4），可直接用于基波的校正，支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟

件校表。有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供有功、無功功率信息。ATT7022C有電流通道4個、電壓通道3個，共7路模擬量輸入，分別是電流通道V1P、V1N，V3P、V3N，V5P、V5N，V7P、V7N和電壓通道V2P、V2N，V4P、V4N，V6P、V6N。電壓、電流信號通過TV/TA轉(zhuǎn)換，經(jīng)可編程增益放大器（programmable gain amplifier，PGA）和二階sigma-deltaADC轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，放入有效值寄存器里。ATT7022C內(nèi)部電路框圖如圖3所示。通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到瞬時有功功率，電壓、電流采樣數(shù)據(jù)中包含高達21次的諧波信息，所以得到的瞬時有功功率也至少包含21次諧波信息。瞬時有功功率計算電路如圖4所示，通過瞬時有功功率對時間的積分得到有功能量。

圖3 ATT7022C內(nèi)部系統(tǒng)

圖4 有功功率測量

無線收發(fā)模塊主要由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線以及相應(yīng)的阻抗匹配電路組成，如圖5所示。芯片外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和單片機接口電路3個部分。本設(shè)計采用16MHz無源晶振，其負(fù)載電容值約為22 pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的射頻輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω，同時為芯片內(nèi)部的功率放大器和低噪聲放大器提供直流偏置。CC2420通過4線SPI口（SI、SO、SCLK、CSn）設(shè)置芯片的工作模式，并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)和讀/寫狀態(tài)寄存器。

圖5 無線收發(fā)模塊硬件結(jié)構(gòu)

3 軟件系統(tǒng)

3.1 終端軟件功能

（1）中心節(jié)點流程

（a）中心節(jié)點上電初始化完參數(shù)后，向集中器發(fā)送上電完畢命令，集中器收到該指令后，向中心節(jié)點發(fā)送啟動命令，告訴中心節(jié)點是何種類型組網(wǎng)模式：調(diào)試組網(wǎng)或者抄表組網(wǎng)。

（b）中心節(jié)點收到啟動命令后，開始工作。

（c）中心節(jié)點向集中器申請固定地址及ID。

（d）中心節(jié)點收到固定地址和ID后，向集中器申請下載電能表號，若沒有應(yīng)答則持續(xù)申請，直到其響應(yīng)。

（e）中心節(jié)點搜索8個設(shè)定的信道，選擇最佳信道開始建網(wǎng)，建網(wǎng)成功后，向集中器發(fā)送建網(wǎng)成功指令；節(jié)點入網(wǎng)成功后，中心節(jié)點向集中器發(fā)送相應(yīng)節(jié)點入網(wǎng)命令；節(jié)點離網(wǎng)，中心節(jié)點通過串口向集中器發(fā)送此節(jié)點離網(wǎng)指令。

（f）在抄表模式下，確認(rèn)組網(wǎng)完畢后，集中器向中心節(jié)點詢問一遍電能表的網(wǎng)內(nèi)地址，確保集中器和中心節(jié)點的內(nèi)容一致。

（g）集中器需要抄表或者查詢時，按照標(biāo)準(zhǔn)645協(xié)議指令或者透傳的協(xié)議格式，將指令發(fā)送給中心節(jié)點，中心節(jié)點收到抄表返回的內(nèi)容，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給集中器。

（2）路由節(jié)點流程

（a）路由節(jié)點上電初始化完成后，首先以默認(rèn)的波特率1 200波特輸出路由節(jié)點的參數(shù)；然后判斷是否對路由節(jié)點固定地址進行過人工設(shè)置，如果沒有，延時2 s向電能表或者采集終端讀取電能表號（6個字節(jié)），協(xié)議兼容645規(guī)約；如果有設(shè)置過，則開始搜索信道，準(zhǔn)備入網(wǎng)。

（b）路由節(jié)點收到表號回復(fù)后，開始搜索網(wǎng)絡(luò)申請入網(wǎng)；如果沒有收到回復(fù)，連續(xù)讀取表號3次，每次間隔500ms，3次發(fā)送完畢還是沒有回復(fù)，則使用自身的6個字節(jié)的固定地址，開始搜索入網(wǎng)。

（c）路由節(jié)點入網(wǎng)后，如果收到電能表或者采集終端的數(shù)據(jù)則往中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

（d）如果收到中心節(jié)點的數(shù)據(jù)，則通過接口發(fā)送給電能表或者采集終端。

（e）路由節(jié)點可以事先通過串口對其進行固定地址的設(shè)定，設(shè)定過后的模塊重新上電后，不再讀取采集終端表號，直接使用設(shè)定的固定地址。

3.2 主站軟件設(shè)計與實現(xiàn)

圖6為本系統(tǒng)的監(jiān)控截圖，除了對本系統(tǒng)的服務(wù)器、工作站進行監(jiān)控以外，還對各個小區(qū)進行監(jiān)控。當(dāng)點擊一個示例小區(qū)時，可以鏈接到圖7所示小區(qū)接線圖，可以對無線采集終端的用戶用電數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。借助無線通信網(wǎng)絡(luò)，信息下發(fā)與用電輔助決策模塊實現(xiàn)了實時或峰谷電價信息由供電部門向用戶的傳送。根據(jù)用戶的用電情況繪制用電曲線，輔助用戶制定用電計劃，并可對比新舊用電計劃下的用電量變化。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控截圖

圖7 示例小區(qū)接線截圖

（1）數(shù)據(jù)采集

在學(xué)校的教學(xué)過程中，教師在教學(xué)前利用數(shù)字媒體技術(shù)引入一個話題來導(dǎo)出所需要教學(xué)的知識，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的好奇心，提升其學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的情感，提高學(xué)生的專業(yè)核心能力，就能夠高效地進行教學(xué)安排。

能夠與提供通信接口規(guī)約的各種型號的多功能電能表進行接口。目前可接入的電能表規(guī)約類型有：DL/T 645—2007、DLMS、IEC 1107、ISKRA、威勝、紅相、Elster1700等，并可靈活擴展。能夠采集各項數(shù)據(jù)，如：正反向有功、無功電能量，電壓，電流，功率，事項記錄，負(fù)荷曲線等。

（2）數(shù)據(jù)存儲

可對數(shù)據(jù)進行帶時標(biāo)存儲。存儲周期可設(shè)置，可長時間存儲，掉電后數(shù)據(jù)保持10年不丟失。存儲容量標(biāo)準(zhǔn)配置為64 MB，并可方便擴展至1.5 GB?？蛇x配數(shù)據(jù)鏡像存儲，各種數(shù)據(jù)至少有一個備份，確保數(shù)據(jù)可靠存儲。數(shù)據(jù)存儲采用CRC校驗措施，確保數(shù)據(jù)無誤。

（3）終端通信

可通過網(wǎng)絡(luò)、撥號、專線、GSM/GPRS等多種通信方式與主站通信，可同時與4個以上主站通信。與主站通信規(guī)約可采用《山東電力集團公司用電現(xiàn)場服務(wù)與管理系統(tǒng)通信規(guī)約》、DL/T 719—2000、IEC 870-5-102或SCTM規(guī)約，支持TCP/IP協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸具有差錯控制，實現(xiàn)無誤傳輸，保證上傳至主站的數(shù)據(jù)無誤?？膳渲枚鄠€RS232、RS485接口，通信波特率根據(jù)需要靈活設(shè)置。配置GPRS/CDMA或?qū)＞€和ZigBee。

（4）“四遙”功能

可采集電壓、電流、功率等遙測數(shù)據(jù)信息，也可同時采集8路遙脈數(shù)據(jù)信息，以及4路遙信數(shù)據(jù)信息，還具有2路遙控輸出數(shù)據(jù)信息。

（5）狀態(tài)監(jiān)視及事項記錄

能夠檢測自身運行狀態(tài)并形成事項記錄，如：開機、關(guān)機時間，參數(shù)修改，電能表參數(shù)設(shè)置，通信中斷和恢復(fù)等；具有專用電路可使系統(tǒng)從異常狀態(tài)自動恢復(fù)；具有自檢和自恢復(fù)功能；具有實時時鐘和日歷，時鐘可由主站定期校準(zhǔn)，也可通過GPS或人工對時，同時終端也可對智能電能表校時，確保全網(wǎng)統(tǒng)一時鐘。

（6）遠程維護

運行參數(shù)可在現(xiàn)場通過鍵盤和觸摸屏來設(shè)置，也可用專用維護軟件在當(dāng)?shù)鼗蛲ㄟ^主站在遠方進行設(shè)置、修改和查詢操作。程序版本升級可通過專用維護軟件在當(dāng)?shù)鼗蛲ㄟ^主站在遠方完成。使用維護軟件可遠程登錄終端桌面，實現(xiàn)對終端的遠程桌面的圖形化操作。

（7）輔助用電信息

能夠接收由高級配電能效管理系統(tǒng)下發(fā)的實時或峰谷電價信息，并傳送給各用戶終端。用戶終端用圖形化方式顯示該電價信息和用戶歷史用電信息，輔助用戶做出用電決策。

4 結(jié)束語

以無線智能傳感器為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，能夠及時準(zhǔn)確地把用戶的各項用電數(shù)據(jù)傳送給電力部門，最大限度地節(jié)約成本、減少接線、提高可靠性，自愈性強，減少維護費用。上層的高級配電能效管理系統(tǒng)能夠?qū)鱽淼膶崟r數(shù)據(jù)進行分析、匯總，并與用電MIS接口，幫助電力部門實時掌握發(fā)、用電信息，為更好地預(yù)測用電和管理用電打下堅實的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)還能夠向用戶提供當(dāng)前的電價信息，引導(dǎo)用戶根據(jù)不同的時段電價、峰谷電價等合理用電。

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（本欄責(zé)任編輯 劉嘉婧）