基于ZigBee無線自組網技術的電能高級測控系統設計與實現

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控電力負荷的方法。為實施這一政策，需要對電能進行科學、有效地計量。對于大部分用戶來講，當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據不能指導供電公司了解成本結構、制定合理電價，不能實現交互式網絡平臺、提高能效管理水平。

本文設計并實現了新一代用戶電能高級測控系統，采用ZigBee無線自組網技術和GPRS智能無線網絡，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網反饋給電力公司，實現了信息的雙向溝通和控制。充分利用現代通信技術、信息處理、儲存和發布技術完成抄表，把用戶用電數據從用戶傳送到電力部門，使供電公司能夠觀察到整個電網的末梢，能夠統計每一戶的用電情況，為用電管理提供可供參考的數據，更好地指導電力公司依據發、用電成本結構制定合理電價，為分段計費做基礎，而且能夠把從用電管理信息系統（management information system，MIS）獲取的實時電價信息提供給用戶，指導用戶合理用電。通過智能無線傳感器可監測全網精確負載，提供三相有功功率、三相功率因數、三相諧波電壓、三相諧波電流等實時遙測信息，有效監視漏電、偷電，預防跳閘并及時復電，提供高精度、高可靠性的用電數據。

1 技術原理與功能設計

電能高級測控系統采用獨特的軟總線技術，實現B/S/S、C/S/S的應用體系結構，跨操作系統和數據庫平臺、通信平臺、規約平臺設計。應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絡上，模塊支持主輔熱備用，保證系統可靠穩定地運行。

電能高級測控系統包括數據庫服務器、通信前置機、應用服務器、工作站和系統網絡等。系統網絡建設考慮到新增設備的接入能力，隨著系統規模的擴大、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，當主通道出現故障，系統自動切換至輔通道。

在應用軟件方面，采用3層結構的設計思想：底層為通過對直接采集數據和系統互聯數據的加工處理后形成的數據平臺；中間層為標準的數據接口；高層為以標準數據接口進行數據交換的應用模塊。新的應用模塊可以方便的添加到系統中，實現系統功能的擴充。

建立無線通信網絡結構，底層由自組網無線通信網絡組成，主要作用是電能數據的采集，并與中間層通信；中間層采用GPRS通信網絡，一方面可以將數據匯總并發送到服務器，另一方面也可以從服務器獲取電價信息。

自組網包括若干的數據采集節點，每個采集節點也是路由節點，負責網絡的自動建立和維護，自動搜索網絡、加入網絡和轉發網絡數據，也被稱為終端節點或子節點。采集節點作為每個監測網絡的基站，同時也是監測網絡與中間層交互的接口，與中間層進行數據傳輸。

中間層相當于中心節點，整個網絡構建的中心，負責網絡的建立、管理及維護，也被稱為協調點或主節點。中心節點接收采集節點發來的數據，然后將數據轉發給主站系統，或者將主站系統的數據轉發給采集節點，實現電能數據的雙向交互。

業務層為電能高級測控系統，通過GPRS通信通道進行各個中心點數據的集中，并在此基礎上實現電量數據的傳輸、存儲、預處理等工作，對電量數據進行統計、分析，形成各類報表，實現分區域、分時段的網損計算和分析功能，使電力企業能夠及時準確地掌握全網電量的數據；為用戶提供節能措施，改善負荷特性；為提高電力企業運行效率和經濟效益打下堅實基礎；為企業營銷決策和電力市場提供可靠的技術保證和數據支撐。此外，可根據用戶不同需求，設置各種參數，發出各項控制命令。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進行網絡訪問，獲取電價信息和輔助用電決策信息。

無線通信網絡結構如圖1所示。

圖1 無線通信網絡結構

2 自組網無線網絡

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術［1—5］，具有組網方式靈活、網絡性能可靠、網絡容量大等特點，廣泛應用于工業控制、電子設備、智能家居、醫用設備控制等領域。ZigBee無線傳感器網絡可為電力企業和電力用戶之間提供交互平臺，方便家庭用戶通過該網絡實時了解用電情況和當前電價，根據需要選擇用電時段，達到與電網自動交互的效果。

自組網無線網絡基于ZigBee無線技術，專門為抄表系統量身定制，現場安裝免設置、免布線，上電即用。該網絡能自動跳頻抗干擾，具有自動修復功能，一旦某節點因為故障等原因退出，網絡會自動屏蔽該節點。子節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，幾秒種內基本可以實現指定電能表的抄表。每個節點的硬件均由2部分構成：電能測量與處理部分和無線接收/發送部分，硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

ZigBee節點是簇形傳感器網絡，鄰近區域內的節點構成了一個簇，每個簇有且僅有一個簇頭，相鄰的簇頭又構成了另一個簇，形成了一個樹形結構的傳感網絡。

電能數據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/數轉換器（analog-to-digital converter，ADC）、參考電壓電路以及所有的功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量和溫度傳感器的數字信號處理等電路。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轉換，經可編程增益放大器（programmable gain amplifier，PGA）和二階sigma-deltaADC轉換變為數字信號，放入有效值寄存器里。ATT7022C內部電路框圖如圖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、數字濾波等一系列數字信號處理后得到瞬時有功功率，電壓、電流采樣數據中包含高達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內部系統

圖4 有功功率測量

無線收發模塊主要由CC2420芯片和2.4GHz射頻天線以及相應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。本設計采用16MHz無源晶振，其負載電容值約為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）設置芯片的工作模式，并實現讀/寫緩存數據和讀/寫狀態寄存器。

圖5 無線收發模塊硬件結構

3 軟件系統

3.1 終端軟件功能

（1）中心節點流程

（a）中心節點上電初始化完參數后，向集中器發送上電完畢命令，集中器收到該指令后，向中心節點發送啟動命令，告訴中心節點是何種類型組網模式：調試組網或者抄表組網。

（b）中心節點收到啟動命令后，開始工作。

（c）中心節點向集中器申請固定地址及ID。

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

（e）中心節點搜索8個設定的信道，選擇最佳信道開始建網，建網成功后，向集中器發送建網成功指令；節點入網成功后，中心節點向集中器發送相應節點入網命令；節點離網，中心節點通過串口向集中器發送此節點離網指令。

（f）在抄表模式下，確認組網完畢后，集中器向中心節點詢問一遍電能表的網內地址，確保集中器和中心節點的內容一致。

（g）集中器需要抄表或者查詢時，按照標準645協議指令或者透傳的協議格式，將指令發送給中心節點，中心節點收到抄表返回的內容，將數據通過串口發送給集中器。

（2）路由節點流程

（a）路由節點上電初始化完成后，首先以默認的波特率1 200波特輸出路由節點的參數；然后判斷是否對路由節點固定地址進行過人工設置，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），協議兼容645規約；如果有設置過，則開始搜索信道，準備入網。

（b）路由節點收到表號回復后，開始搜索網絡申請入網；如果沒有收到回復，連續讀取表號3次，每次間隔500ms，3次發送完畢還是沒有回復，則使用自身的6個字節的固定地址，開始搜索入網。

（c）路由節點入網后，如果收到電能表或者采集終端的數據則往中心節點轉發。

（d）如果收到中心節點的數據，則通過接口發送給電能表或者采集終端。

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

3.2 主站軟件設計與實現

圖6為本系統的監控截圖，除了對本系統的服務器、工作站進行監控以外，還對各個小區進行監控。當點擊一個示例小區時，可以鏈接到圖7所示小區接線圖，可以對無線采集終端的用戶用電數據進行監控。借助無線通信網絡，信息下發與用電輔助決策模塊實現了實時或峰谷電價信息由供電部門向用戶的傳送。根據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 系統監控截圖

圖7 示例小區接線截圖

（1）數據采集

在學校的教學過程中，教師在教學前利用數字媒體技術引入一個話題來導出所需要教學的知識，能夠有效地激發學生的好奇心，提升其學習興趣，提升學生的情感，提高學生的專業核心能力，就能夠高效地進行教學安排。

能夠與提供通信接口規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。能夠采集各項數據，如：正反向有功、無功電能量，電壓，電流，功率，事項記錄，負荷曲線等。

（2）數據存儲

可對數據進行帶時標存儲。存儲周期可設置，可長時間存儲，掉電后數據保持10年不丟失。存儲容量標準配置為64 MB，并可方便擴展至1.5 GB。可選配數據鏡像存儲，各種數據至少有一個備份，確保數據可靠存儲。數據存儲采用CRC校驗措施，確保數據無誤。

（3）終端通信

可通過網絡、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。與主站通信規約可采用《山東電力集團公司用電現場服務與管理系統通信規約》、DL/T 719—2000、IEC 870-5-102或SCTM規約，支持TCP/IP協議。數據傳輸具有差錯控制，實現無誤傳輸，保證上傳至主站的數據無誤。可配置多個RS232、RS485接口，通信波特率根據需要靈活設置。配置GPRS/CDMA或專線和ZigBee。

（4）“四遙”功能

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

（5）狀態監視及事項記錄

能夠檢測自身運行狀態并形成事項記錄，如：開機、關機時間，參數修改，電能表參數設置，通信中斷和恢復等；具有專用電路可使系統從異常狀態自動恢復；具有自檢和自恢復功能；具有實時時鐘和日歷，時鐘可由主站定期校準，也可通過GPS或人工對時，同時終端也可對智能電能表校時，確保全網統一時鐘。

（6）遠程維護

運行參數可在現場通過鍵盤和觸摸屏來設置，也可用專用維護軟件在當地或通過主站在遠方進行設置、修改和查詢操作。程序版本升級可通過專用維護軟件在當地或通過主站在遠方完成。使用維護軟件可遠程登錄終端桌面，實現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下發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 結束語

以無線智能傳感器為基礎的數據實時采集系統，能夠及時準確地把用戶的各項用電數據傳送給電力部門，最大限度地節約成本、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能夠對傳來的實時數據進行分析、匯總，并與用電MIS接口，幫助電力部門實時掌握發、用電信息，為更好地預測用電和管理用電打下堅實的基礎。

系統還能夠向用戶提供當前的電價信息，引導用戶根據不同的時段電價、峰谷電價等合理用電。

［1］ 張世慶，翁靜蘭，張鋒.自組織ZigBee技術在電量采集中的應用［J］.微計算機信息，2009（23）：42-44.

［2］ 李連，朱愛紅.無線傳感器網絡中的定位技術研究［J］.微計算機信息，2005（15）：133-134.

［3］ 周和平，鄭勝先.采用ZigBee和GPRS混合組網方式實現10 kV配變用電數據的傳輸和線損分析［J］.湖北電力，2009，33（4）：19-21.

［4］ 凌志光，蔣軍，王勇.基于ZigBee技術的無線電能采集終端的設計［J］.儀器儀表用戶 ，2007（2）：82-83.

［5］ 李震，Wang Ning，洪添勝，等.農田土壤含水率監測的無線傳感器網絡系統設計［J］.農業工程學報，2010，26（2）：212-217.

（本欄責任編輯 劉嘉婧）