基于ZigBee的智能電網(wǎng)高級(jí)量測(cè)體系數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黎步銀，張 杰

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

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基于ZigBee的智能電網(wǎng)高級(jí)量測(cè)體系數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黎步銀，張 杰

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

為了滿足高級(jí)量測(cè)體系(AMI advanced metering infrastructure)技術(shù)發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)倪h(yuǎn)程性、實(shí)時(shí)性、低功耗等要求，開發(fā)了一套基于ZigBee的智能電網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)包括監(jiān)控中心、基于ZigBee和GPRS的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、ZigBee采集器和智能電表。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將用電量、實(shí)時(shí)功率、瞬時(shí)電流進(jìn)行采集，監(jiān)控中心通過MFC程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析。測(cè)試表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在AMI的應(yīng)用中具有很強(qiáng)的參考和使用價(jià)值。

ZigBee；AMI；智能電網(wǎng)；監(jiān)測(cè)；信息；數(shù)據(jù)

0 引言

智能電網(wǎng)的概念在世界各地已經(jīng)被廣泛地接受和執(zhí)行，它主要由4部分組成：高級(jí)量測(cè)體系(AMI)、高級(jí)配電運(yùn)行(ADO)、高級(jí)輸電運(yùn)行(ATO)、高級(jí)資產(chǎn)管理(AAM)[1]，而這其中AMI被看作整個(gè)智能電網(wǎng)的信息橋梁和基礎(chǔ)。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)2008年制定的標(biāo)準(zhǔn)，AMI是指在智能表計(jì)與公共企業(yè)系統(tǒng)間的通訊硬件和軟件及相關(guān)的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理軟件共同形成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并具備為公共事業(yè)單位、客戶、零售商等其他機(jī)構(gòu)收集傳遞數(shù)據(jù)信息的功能[2]。設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定高效的AMI系統(tǒng)，對(duì)于智能電網(wǎng)的搭建顯得尤為重要。

在電力工程應(yīng)用中，通過將ZigBee等無(wú)線技術(shù)整合進(jìn)AMI可以提高效率和降低成本。根據(jù)ZigBee聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee基于IEEE802.15.4的LR-WPAN(低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng))，它具有通用的協(xié)議以及低成本、低功耗、傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域包括家居自動(dòng)化、工業(yè)廠房監(jiān)控、商用樓宇自動(dòng)化、自動(dòng)抄表等[3]。目前我國(guó)大部分地區(qū)對(duì)于電網(wǎng)用電數(shù)據(jù)的讀取大多采用單表人工讀取或IC卡預(yù)付費(fèi)方式，這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，數(shù)據(jù)誤差大，所收集的數(shù)據(jù)也僅僅為當(dāng)前總用電量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的AMI則可以實(shí)現(xiàn)在低成本的情況下對(duì)所有用戶的用電情況的統(tǒng)一監(jiān)控和管理。

該系統(tǒng)為一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，電力公司可以掌握全部用戶用電量和實(shí)時(shí)用電功率和電流，以此對(duì)用戶用電進(jìn)行合理建議和干預(yù)；同時(shí)，用戶可以隨時(shí)訪問電力公司數(shù)據(jù)庫(kù)，以獲取家庭用電信息。

1 原理

圖1為系統(tǒng)的原理圖，系統(tǒng)總體分為智能電表、采集器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、控制中心等幾個(gè)部分。首先通過ZigBee采集器將智能電表的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括用電總量和瞬時(shí)功率、電流，考慮到小區(qū)的智能電表可以采取集中安裝，系統(tǒng)采用一個(gè)ZigBee采集器集中采集多塊電表的方式，多塊電表與采集器之間使用485總線通信。此后采集器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給ZigBee網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心?？刂浦行目蓪?shí)現(xiàn)對(duì)智能電表總電量、瞬時(shí)功率、瞬時(shí)電流等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)，用戶也可以根據(jù)自己的權(quán)限隨時(shí)訪問控制中心數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取用電信息。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

由于ZigBee網(wǎng)關(guān)具備了ZigBee采集器的所有硬件模塊，還包括GPRS模塊，所有這里的硬件部分就主要介紹ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。

2.1 ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊

Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)關(guān)與ZigBee采集器以及ZigBee采集器之間的通信。本系統(tǒng)采用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。CC2530是對(duì)無(wú)線通信功能的芯片(SoC)解決方案，采用一體化的片上芯片大大提高性能和穩(wěn)定性。CC2530采用一顆工業(yè)級(jí)的高效單周期8051內(nèi)核，同時(shí)結(jié)合了高性能2.4 GHz 8051 DSSS (直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器，可以很好地滿足2.4 GHz ISM波段的ZigBee系統(tǒng)對(duì)低成本、低功耗的要求[4]。CC2530對(duì)外圍電路要求低，包括晶振電路、濾波電路、去耦電路、I/O輸入輸出及天線等。收發(fā)模塊電路如圖2所示。

圖2 ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊原理圖

CC2530芯片天線信號(hào)采用RF_P與RF_N管腳的差分輸入輸出，考慮到實(shí)驗(yàn)階段，沒有外加發(fā)射功率放大模塊。設(shè)計(jì)中使用的天線為不平衡單極天線，所以連接天線前必須使用巴倫電路對(duì)射頻收發(fā)信號(hào)和天線信號(hào)進(jìn)行匹配。匹配電路的設(shè)計(jì)可采用芯片實(shí)現(xiàn)，如2450BM15A0002匹配芯片；同時(shí)也可采用分立元器件電容和電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用第二種分立元器件方案來(lái)實(shí)現(xiàn)電路匹配。圖3給出了采用Altium Designer軟件繪制的電路匹配原理圖，其中的L2，C9，C13，L3等分立器件實(shí)現(xiàn)了差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端(即平衡不平衡轉(zhuǎn)換)的功能。A0為外接單極天線的SMA接口。

圖3 接口轉(zhuǎn)換電路原理圖

根據(jù)CC2530芯片管腳定義，需使用濾波電路對(duì)3個(gè)數(shù)字電源管腳和6個(gè)電源管腳進(jìn)行濾波。CC2530工作電壓除了3.3 V電壓還包括片內(nèi)存在一個(gè)穩(wěn)壓器為芯片提供1.8 V電壓，這就需要為穩(wěn)壓器接一個(gè)去耦電容提高穩(wěn)定性，通過將一個(gè)1 μF的電容接在DCOUPL管腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。芯片工作需要提供一個(gè)32 MHz的的晶振電路和一個(gè)32.768 kHz的的晶振電路，分別采用石英晶振器和電容實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，CC2530與GPRS模塊采用串口通信，通過通用I/O口P0.2、P0.3實(shí)現(xiàn)。

2.2 GPRS模塊

采用GTM900無(wú)線模塊作為系統(tǒng)GPRS模塊。GTM900是一款多功能GPRS無(wú)線通信模塊，支持900 MHz/1 800 MHz雙工作頻段，支持GSM標(biāo)準(zhǔn)的AT命令、V.25 AT命令及華為擴(kuò)展的AT命令。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，還提供了豐富的系統(tǒng)接口，包括GSC射頻天線連接接口、SIM 卡接口、異步串行接口等，其中串口最大速率可達(dá)115 200 bit/s，模塊工作溫度范圍大，抗干擾能力強(qiáng)，接口簡(jiǎn)單，使用戶在較短的研發(fā)周期內(nèi)就可以集成自己的系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ZigBee采集器將采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給網(wǎng)關(guān)ZigBee收發(fā)模塊，CC2530接收數(shù)據(jù)后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給GTM900。GTM900工作電壓典型值為3.8 V，且內(nèi)部需要幾個(gè)不同的工作電壓；此外，在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，模塊電流變化很大，峰值可達(dá)到2 A，所以在電源設(shè)計(jì)時(shí)考慮以上因素，選擇電源芯片MIC39303提供電源。MIC39303不但能提供4 V穩(wěn)定電壓，還能提供高達(dá)3 A電流。GTM900串口采用2.85 V CMOS電壓，是遵循RS232數(shù)據(jù)交換電路DCE標(biāo)準(zhǔn)的串行異步發(fā)送和接收接口。DCE接口與RS232-C標(biāo)準(zhǔn)的接口通信時(shí)必須通過轉(zhuǎn)換電路。使用MAX232實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線收發(fā)模塊軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，ZigBee網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定性和可靠性直接決定系統(tǒng)的性能，對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件的良好設(shè)計(jì)也顯得尤為重要?；谕ㄓ眯院鸵撞僮餍钥紤]，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇移植Z-Stack協(xié)議棧。Z-Stack完全支持基于IEEE802.15.4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn),很好地兼容CC2530。整個(gè)Z-Stack運(yùn)行在一個(gè)小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)OSAL上，系統(tǒng)上電后協(xié)議棧初始化并啟動(dòng)OSAL操作系統(tǒng)。為了降低功耗，OSAL進(jìn)入低功耗模式采用輪詢機(jī)制執(zhí)行事件，當(dāng)檢測(cè)到事件發(fā)生則喚醒系統(tǒng)，進(jìn)入中斷處理程序?qū)κ录M(jìn)行處理。本系統(tǒng)包括接收發(fā)送數(shù)據(jù)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)、與GPRS模塊的串口通信、接受按鍵操作等。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，則判斷優(yōu)先級(jí)，再逐次處理。圖4為Z-Stack軟件流程。

圖4 Z-Stack軟件流程圖

軟件從ZMain.c文件中的main函數(shù)開始，對(duì)硬件、網(wǎng)絡(luò)層等初始化。包括HAL_BOARD_INIT()對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、InitBoard(OB_COLD)對(duì)I/O的初始化等操作，之后通過osal_init_system()函數(shù)初始化操作系統(tǒng)，然后通過osal_start_system()運(yùn)行操作系統(tǒng)跳出mian()。

整個(gè)OSAL系統(tǒng)對(duì)ZigBee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是通過任務(wù)調(diào)用的方式。Z-Stack的任何一個(gè)應(yīng)用都作為OSAL的一個(gè)任務(wù)來(lái)執(zhí)行，以此在Z-Stack應(yīng)用層開發(fā)是需要對(duì)每個(gè)應(yīng)用創(chuàng)建相應(yīng)的任務(wù)。Z-Stack通過osalInitTasks()函數(shù)為OSAL系統(tǒng)創(chuàng)建新任務(wù)，所有創(chuàng)建的任務(wù)(函數(shù))儲(chǔ)存在數(shù)組tasksArr[]中，同時(shí)賦予每個(gè)任務(wù)相應(yīng)的taskID。sal_start_system()函數(shù)啟動(dòng)系統(tǒng)后，任務(wù)調(diào)度函數(shù)通過優(yōu)先級(jí)由高到低的順序檢測(cè)tasksEvent[]數(shù)組判斷是否有任務(wù)就緒。如果存在就緒任務(wù)則通過(tasksArr[idx])(idx,events)函數(shù)數(shù)組指針調(diào)用來(lái)執(zhí)行任務(wù)，直到執(zhí)行完所有就緒任務(wù)。這時(shí)如果任務(wù)列表中沒有可執(zhí)行任務(wù)，切換處理器到低功耗模式，并輪詢檢測(cè)任務(wù)。

3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心為一臺(tái)個(gè)人電腦，定制化的MFC程序具有身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)分析等功能，圖5為主程序流程圖。首先程序啟動(dòng)后進(jìn)行初始化，包括串口初始化。在界面輸入登陸口令和需要查詢的參數(shù)(包括電量、瞬時(shí)功率、電流等)和查詢方式。考慮到低功耗要求，系統(tǒng)查詢前需先發(fā)送喚醒指令喚醒。接下來(lái)程序判斷查詢方式，如果為單次查詢一個(gè)電表，則直接發(fā)送包含該電表地址的查詢命令；如果判斷為所有電表輪詢查詢，則創(chuàng)建時(shí)鐘定時(shí)器，按照定時(shí)器中斷獲取所有表數(shù)據(jù)。

圖5 監(jiān)控中心主程序流程圖

此外監(jiān)控中心提供基于VC++的數(shù)據(jù)分析程序，可從數(shù)據(jù)庫(kù)提取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行走勢(shì)分析和繪圖，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)分析軟件界面

軟件可以通過“曲線類型”編輯框選擇需要顯示的數(shù)據(jù)類型，包括電表總電量、瞬時(shí)功率和瞬時(shí)電流值。軟件最多支持同時(shí)顯示15條曲線，通過添加表地址和曲線類型選擇數(shù)據(jù)。當(dāng)顯示多條總電量數(shù)據(jù)時(shí)，為保證直觀性，第一個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)歸零，后面顯示值為實(shí)際電量與第一個(gè)電量值的差值。這樣可以有效避免因多個(gè)電表值差距太大而無(wú)法顯示在同一界面比較，通過直線斜率可以直觀顯示電量變化。

4 測(cè)試

4.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊測(cè)試

為了驗(yàn)證Zigbee節(jié)點(diǎn)軟硬件的可靠性，對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大流量通訊測(cè)試。具體實(shí)施方案為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與采集器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包互傳。為模擬AMI系統(tǒng)方案，用節(jié)點(diǎn)間兩次成功握手作為通訊成功的依據(jù)。以一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為上位節(jié)點(diǎn)，一個(gè)采集器節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，首先上位節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包之后立刻回傳確認(rèn)數(shù)據(jù)包給上位節(jié)點(diǎn)。上位節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包記錄此次通訊成功，并立刻發(fā)送下一包數(shù)據(jù)；如果上位機(jī)等待200 ms還沒有收到確認(rèn)數(shù)據(jù)，則認(rèn)定為通訊失敗，發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。測(cè)試環(huán)境為學(xué)校樹林，表1為測(cè)試結(jié)果。

表1 丟包率與通訊距離的關(guān)系

測(cè)試距離/m總發(fā)包數(shù)總收?qǐng)?bào)數(shù)丟包率/%117693176930.001017885178710.082016032159970.223014495143311.134015380152630.768013061125004.30

從測(cè)試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)通訊距離小于20 m時(shí)，丟包率是非常低的；但是當(dāng)通訊距離選擇為30 m時(shí)，丟包率出現(xiàn)了較大增加，甚至高于更遠(yuǎn)的40 m。分析認(rèn)為這可能是因?yàn)閆igBee作為低功耗通信模塊鏈路具有比較大的不規(guī)則性，節(jié)點(diǎn)通信鏈路按距離可以分為有效區(qū)、過渡區(qū)、空白區(qū)，過渡區(qū)的鏈路質(zhì)量非常不穩(wěn)定[5]，30 m和40 m的距離可能正好屬于鏈路過渡區(qū)；而80 m處應(yīng)該處于鏈路空白區(qū)，丟包率出現(xiàn)較大上升，但是有效數(shù)據(jù)包接收率也達(dá)到95.7%，基本滿足系統(tǒng)要求。這些測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)后期系統(tǒng)布置具有很高的參考價(jià)值。

4.2 系統(tǒng)總體運(yùn)行測(cè)試

整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試。以安裝在實(shí)驗(yàn)室的3塊DDS188-A1智能電表為數(shù)據(jù)源，第一塊電表(09083727)安裝在大實(shí)驗(yàn)室，第二塊電表(09083720)安裝在小實(shí)驗(yàn)室，第三塊電表(09083750)實(shí)驗(yàn)室未使用。每塊電表連接一個(gè)ZigBee采集器，然后通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到監(jiān)控中心。

每天對(duì)每塊電表采集2次數(shù)據(jù)，分別在8：15和20：15，持續(xù)采集9天。經(jīng)過比對(duì)，數(shù)據(jù)庫(kù)端數(shù)據(jù)與電表數(shù)據(jù)相同，采集成功。選取曲線類型為“0”代表顯示電量數(shù)據(jù)，將3條曲線數(shù)據(jù)全部添加進(jìn)去，顯示結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看到，09083727電表顯示白天用電量電量在2.8 kW/h左右，周末用電量明顯減少，晚上八點(diǎn)到第二天八點(diǎn)用電量很少，為0.4 kW/h左右；而小實(shí)驗(yàn)室用電量整體小于大實(shí)驗(yàn)室，為白天1.4 kW/h左右。同時(shí)監(jiān)控中心獲得電表瞬時(shí)功率和電流值。

圖7 測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的新型AMI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型。詳細(xì)闡述了ZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)以及基于OSAL操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的ZigBee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)介紹了系統(tǒng)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)以及電能數(shù)據(jù)分析軟件的設(shè)計(jì)。測(cè)試表明，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的軟硬件可靠性和穩(wěn)定性。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心對(duì)用戶電表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，可以對(duì)用戶用電量、瞬時(shí)功率、電流等用電參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析，為我國(guó)AMI統(tǒng)的研究提供部分參考。

[1] SUN Z W,MA Y N,SUN F J.Access control for distribution automation using ethernet passive optical network.Power and Energy Engineering Conference (APPEEC),Chengdu,2010.

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[3] FANG M Q,WAN J,XU X H,et al.System for temperature monitor in substation with ZigBee connectivity.11th IEEE international conference on communication technology(ICCT),Hangzhou,2008.

[4] 任志健，莫偉健，萬(wàn)智萍.基于CC2530的Zigbee2007/PRO協(xié)議的無(wú)線溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子設(shè)計(jì)工程，2012(10):40-43.

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Data Acquisition System in Advanced Metering Infrastructureof Smart Grid Based on ZigBee

LI Bu-yin,ZHANG Jie

(School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to meet the demands of remoteness, real-time, and low power consumption when collecting and transmitting data by Advanced Metering Infrastructure(AMI), a system for data acquisition in consumer side of smart grid was developed based on ZigBee. The system was composed of monitoring center, gateway based on ZigBee and GPRS, ZigBee collector and smart meter. Electricity consumption, real time power and current were collected by this system. Monitoring center displayed and analyzed the data by a MFC program. Tests show that the system is stable and reliable, and has a strong reference and value for the application of AMI.

ZigBee;AMI;smart grid;monitoring; information; data

2014-12-29 收修改稿日期：2015-08-03

TP274

A

1002-1841(2015)10-0060-04

黎步銀(1966—)，教授，博士，主要從事儀器儀表等方面的研究。E-mail: libuyin@soho.com 張杰(1989—)，碩士研究生，主要從事儀器儀表等方面的研究。E-mail:mizhangjie@126.com