ZigBee技术在智能电网系统中的应用研究

不同的国家由于发展程度和实际建设的情况不同，对于智能电网的解读和发展方向也不尽相同。在我国，国家电网对智能电网的定义为：以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息化、数字化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网。所以，在电网中引入数据稳定、健壮性好、抗干扰能力强以及自身功耗低的信息传输技术极大符合我国智能电网的发展目标。ZigBee技术，因其超低功耗、抗干扰和网络的健壮性等优点，注定将在无线传感器领域发挥巨大的作用。

1 智能电网概述
智能电网，即电网的智能化，也被称为“电网2．0”，是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。
智能电网的重要目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全，电网能够实现这些目标，就可以称其为智能电网。
参数量测技术是智能电网基本的组成部件，先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性，进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统，取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能，除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外，还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率，并通知用户实施什么样的费率政策。新的软件系统将收集、储存、分析和处理各种数据，为电力公司的其他业务所用。
先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功。另外，先进控制技术支持市场报价技术以提高资产的管理水平。未来先进控制技术的分析和诊断功能将引进预设的专家系统，在专家系统允许的范围内，采取自动的控制行动。这样所执行的行动将在秒一级水平上，这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性。
而以上智能电网信息技术的应用，首先是需要有稳定可靠的数据链路的传输技术来保证各点测试数据的获取和控制信息的可靠到达。为无线工业数据网络量身定做的ZigBee技术正是这种数据传输的保证。

2 ZigBee技术的特点
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802．15．4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802．15-．4的名字，IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 KB或者作为Hub或路由器的协调器的32 KB。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。
完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE80-2．15．4负责物理层和链路层标准。ZigBee协议栈的构架如图1所示。

ZigBee的特点突出，主要有以下几个方面：
(1)低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个ZigBee节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的相比于其他通信方式的突出优势。
(2)抗干扰能力强。通过工作在2．4 GHz频段下的跳频工作方式，使ZigBee技术在现阶段成为工业控制领域抗干扰能力最强的通信手段之一。能够在十分恶劣环境下保证通信畅通，并且能够应对现场较强辐射的电磁干扰。
(3)网络健壮性好。ZigBee技术能够实现无线自组网，采用平面路由或树状路由等算法，可以实现主动路由策略，即使网络拓扑发生改变，也可以在无需人工干预的条件下实现设备自动完成网络拓扑，自动接入，并且与远端数据中心进行通信，真正实现即插即用。
(4)传输距离较近。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km，这指的是相邻节点间的距离。通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以延伸至无限远处。
(5)短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。
(6)高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。如果配合数据服务器，节点数目将不受使用限制。
(7)高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AESl28)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
(8)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
ZigBee典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络)，医护(如监视和传感)，家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警)，消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。
由ZigBee设备组成的智能电网测控网络能够实现构建坚强、自愈、兼容、经济、集成、优化的特点。下面，以ZigBee在电能质量检测与控制网络应用为例，说明ZigBee设备在智能电网中的应用。