基于ZigBee无线自组网技术的电能高级测控系统设计与实现

文鸣鑫，王志梁，刘新锋

（1.潍坊供电公司，山东 潍坊 261021；2.济南众德软件开发有限公司，济南 250001）

实施分时电价、阶梯电价可以有效地避免能源浪费，是一种行之有效的调控电力负荷的方法。为实施这一政策，需要对电能进行科学、有效地计量。对于大部分用户来讲，当前电能计量方式属于单向电能信息采集，这种方式采集的用电数据不能指导供电公司了解成本结构、制定合理电价，不能实现交互式网络平台、提高能效管理水平。

本文设计并实现了新一代用户电能高级测控系统，采用ZigBee无线自组网技术和GPRS智能无线网络，提高可靠性，自愈性强，同时能够减少维护费用和人工抄表成本。智能电能表中安装了计算机芯片，用户用电情况可通过互联网反馈给电力公司，实现了信息的双向沟通和控制。充分利用现代通信技术、信息处理、储存和发布技术完成抄表，把用户用电数据从用户传送到电力部门，使供电公司能够观察到整个电网的末梢，能够统计每一户的用电情况，为用电管理提供可供参考的数据，更好地指导电力公司依据发、用电成本结构制定合理电价，为分段计费做基础，而且能够把从用电管理信息系统（management information system，MIS）获取的实时电价信息提供给用户，指导用户合理用电。通过智能无线传感器可监测全网精确负载，提供三相有功功率、三相功率因数、三相谐波电压、三相谐波电流等实时遥测信息，有效监视漏电、偷电，预防跳闸并及时复电，提供高精度、高可靠性的用电数据。

1 技术原理与功能设计

电能高级测控系统采用独特的软总线技术，实现B/S/S、C/S/S的应用体系结构，跨操作系统和数据库平台、通信平台、规约平台设计。应用软件模块可集中运行在一台计算机上，也可以分布运行在一个大型计算机网络上，模块支持主辅热备用，保证系统可靠稳定地运行。

电能高级测控系统包括数据库服务器、通信前置机、应用服务器、工作站和系统网络等。系统网络建设考虑到新增设备的接入能力，随着系统规模的扩大、通信方式的丰富，可以方便的扩展通信前置机以支持多通信前置机、多通道通信模式。通道可配置为主辅通道，当主通道出现故障，系统自动切换至辅通道。

在应用软件方面，采用3层结构的设计思想：底层为通过对直接采集数据和系统互联数据的加工处理后形成的数据平台；中间层为标准的数据接口；高层为以标准数据接口进行数据交换的应用模块。新的应用模块可以方便的添加到系统中，实现系统功能的扩充。

建立无线通信网络结构，底层由自组网无线通信网络组成，主要作用是电能数据的采集，并与中间层通信；中间层采用GPRS通信网络，一方面可以将数据汇总并发送到服务器，另一方面也可以从服务器获取电价信息。

自组网包括若干的数据采集节点，每个采集节点也是路由节点，负责网络的自动建立和维护，自动搜索网络、加入网络和转发网络数据，也被称为终端节点或子节点。采集节点作为每个监测网络的基站，同时也是监测网络与中间层交互的接口，与中间层进行数据传输。

中间层相当于中心节点，整个网络构建的中心，负责网络的建立、管理及维护，也被称为协调点或主节点。中心节点接收采集节点发来的数据，然后将数据转发给主站系统，或者将主站系统的数据转发给采集节点，实现电能数据的双向交互。

业务层为电能高级测控系统，通过GPRS通信通道进行各个中心点数据的集中，并在此基础上实现电量数据的传输、存储、预处理等工作，对电量数据进行统计、分析，形成各类报表，实现分区域、分时段的网损计算和分析功能，使电力企业能够及时准确地掌握全网电量的数据；为用户提供节能措施，改善负荷特性；为提高电力企业运行效率和经济效益打下坚实基础；为企业营销决策和电力市场提供可靠的技术保证和数据支撑。此外，可根据用户不同需求，设置各种参数，发出各项控制命令。提供实时电价或峰谷电价接口，使用户可以通过手机或者家用PC进行网络访问，获取电价信息和辅助用电决策信息。

无线通信网络结构如图1所示。

图1 无线通信网络结构

2 自组网无线网络

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术［1—5］，具有组网方式灵活、网络性能可靠、网络容量大等特点，广泛应用于工业控制、电子设备、智能家居、医用设备控制等领域。ZigBee无线传感器网络可为电力企业和电力用户之间提供交互平台，方便家庭用户通过该网络实时了解用电情况和当前电价，根据需要选择用电时段，达到与电网自动交互的效果。

自组网无线网络基于ZigBee无线技术，专门为抄表系统量身定制，现场安装免设置、免布线，上电即用。该网络能自动跳频抗干扰，具有自动修复功能，一旦某节点因为故障等原因退出，网络会自动屏蔽该节点。子节点具有路由功能和中继能力，不需单独的路由器或中继器，穿透障碍物能力强。抄表实时性高，几秒种内基本可以实现指定电能表的抄表。每个节点的硬件均由2部分构成：电能测量与处理部分和无线接收/发送部分，硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

ZigBee节点是簇形传感器网络，邻近区域内的节点构成了一个簇，每个簇有且仅有一个簇头，相邻的簇头又构成了另一个簇，形成了一个树形结构的传感网络。

电能数据采集模块的核心是一款高精度三相有功电能计量芯片ATT7022C。该芯片集成了6路二阶sigma-delta模/数转换器（analog-to-digital converter，ADC）、参考电压电路以及所有的功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量和温度传感器的数字信号处理等电路。它提供了一个和瞬时基波有功功率信息成比例的脉冲输出（CF3）以及一个和基波无功功率信息成正比的脉冲输出（CF4），可直接用于基波的校正，支持全数字域的增益、相位校正，即纯软

件校表。有功、无功电能脉冲输出CF1、CF2提供有功、无功功率信息。ATT7022C有电流通道4个、电压通道3个，共7路模拟量输入，分别是电流通道V1P、V1N，V3P、V3N，V5P、V5N，V7P、V7N和电压通道V2P、V2N，V4P、V4N，V6P、V6N。电压、电流信号通过TV/TA转换，经可编程增益放大器（programmable gain amplifier，PGA）和二阶sigma-deltaADC转换变为数字信号，放入有效值寄存器里。ATT7022C内部电路框图如图3所示。通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到瞬时有功功率，电压、电流采样数据中包含高达21次的谐波信息，所以得到的瞬时有功功率也至少包含21次谐波信息。瞬时有功功率计算电路如图4所示，通过瞬时有功功率对时间的积分得到有功能量。

图3 ATT7022C内部系统

图4 有功功率测量

无线收发模块主要由CC2420芯片和2.4GHz射频天线以及相应的阻抗匹配电路组成，如图5所示。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路3个部分。本设计采用16MHz无源晶振，其负载电容值约为22 pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的射频输入/输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50Ω，同时为芯片内部的功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置。CC2420通过4线SPI口（SI、SO、SCLK、CSn）设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据和读/写状态寄存器。

图5 无线收发模块硬件结构

3 软件系统

3.1 终端软件功能

（1）中心节点流程

（a）中心节点上电初始化完参数后，向集中器发送上电完毕命令，集中器收到该指令后，向中心节点发送启动命令，告诉中心节点是何种类型组网模式：调试组网或者抄表组网。

（b）中心节点收到启动命令后，开始工作。

（c）中心节点向集中器申请固定地址及ID。

（d）中心节点收到固定地址和ID后，向集中器申请下载电能表号，若没有应答则持续申请，直到其响应。

（e）中心节点搜索8个设定的信道，选择最佳信道开始建网，建网成功后，向集中器发送建网成功指令；节点入网成功后，中心节点向集中器发送相应节点入网命令；节点离网，中心节点通过串口向集中器发送此节点离网指令。

（f）在抄表模式下，确认组网完毕后，集中器向中心节点询问一遍电能表的网内地址，确保集中器和中心节点的内容一致。

（g）集中器需要抄表或者查询时，按照标准645协议指令或者透传的协议格式，将指令发送给中心节点，中心节点收到抄表返回的内容，将数据通过串口发送给集中器。

（2）路由节点流程

（a）路由节点上电初始化完成后，首先以默认的波特率1 200波特输出路由节点的参数；然后判断是否对路由节点固定地址进行过人工设置，如果没有，延时2 s向电能表或者采集终端读取电能表号（6个字节），协议兼容645规约；如果有设置过，则开始搜索信道，准备入网。

（b）路由节点收到表号回复后，开始搜索网络申请入网；如果没有收到回复，连续读取表号3次，每次间隔500ms，3次发送完毕还是没有回复，则使用自身的6个字节的固定地址，开始搜索入网。

（c）路由节点入网后，如果收到电能表或者采集终端的数据则往中心节点转发。

（d）如果收到中心节点的数据，则通过接口发送给电能表或者采集终端。

（e）路由节点可以事先通过串口对其进行固定地址的设定，设定过后的模块重新上电后，不再读取采集终端表号，直接使用设定的固定地址。

3.2 主站软件设计与实现

图6为本系统的监控截图，除了对本系统的服务器、工作站进行监控以外，还对各个小区进行监控。当点击一个示例小区时，可以链接到图7所示小区接线图，可以对无线采集终端的用户用电数据进行监控。借助无线通信网络，信息下发与用电辅助决策模块实现了实时或峰谷电价信息由供电部门向用户的传送。根据用户的用电情况绘制用电曲线，辅助用户制定用电计划，并可对比新旧用电计划下的用电量变化。

图6 系统监控截图

图7 示例小区接线截图

（1）数据采集

在学校的教学过程中，教师在教学前利用数字媒体技术引入一个话题来导出所需要教学的知识，能够有效地激发学生的好奇心，提升其学习兴趣，提升学生的情感，提高学生的专业核心能力，就能够高效地进行教学安排。

能够与提供通信接口规约的各种型号的多功能电能表进行接口。目前可接入的电能表规约类型有：DL/T 645—2007、DLMS、IEC 1107、ISKRA、威胜、红相、Elster1700等，并可灵活扩展。能够采集各项数据，如：正反向有功、无功电能量，电压，电流，功率，事项记录，负荷曲线等。

（2）数据存储

可对数据进行带时标存储。存储周期可设置，可长时间存储，掉电后数据保持10年不丢失。存储容量标准配置为64 MB，并可方便扩展至1.5 GB。可选配数据镜像存储，各种数据至少有一个备份，确保数据可靠存储。数据存储采用CRC校验措施，确保数据无误。

（3）终端通信

可通过网络、拨号、专线、GSM/GPRS等多种通信方式与主站通信，可同时与4个以上主站通信。与主站通信规约可采用《山东电力集团公司用电现场服务与管理系统通信规约》、DL/T 719—2000、IEC 870-5-102或SCTM规约，支持TCP/IP协议。数据传输具有差错控制，实现无误传输，保证上传至主站的数据无误。可配置多个RS232、RS485接口，通信波特率根据需要灵活设置。配置GPRS/CDMA或专线和ZigBee。

（4）“四遥”功能

可采集电压、电流、功率等遥测数据信息，也可同时采集8路遥脉数据信息，以及4路遥信数据信息，还具有2路遥控输出数据信息。

（5）状态监视及事项记录

能够检测自身运行状态并形成事项记录，如：开机、关机时间，参数修改，电能表参数设置，通信中断和恢复等；具有专用电路可使系统从异常状态自动恢复；具有自检和自恢复功能；具有实时时钟和日历，时钟可由主站定期校准，也可通过GPS或人工对时，同时终端也可对智能电能表校时，确保全网统一时钟。

（6）远程维护

运行参数可在现场通过键盘和触摸屏来设置，也可用专用维护软件在当地或通过主站在远方进行设置、修改和查询操作。程序版本升级可通过专用维护软件在当地或通过主站在远方完成。使用维护软件可远程登录终端桌面，实现对终端的远程桌面的图形化操作。

（7）辅助用电信息

能够接收由高级配电能效管理系统下发的实时或峰谷电价信息，并传送给各用户终端。用户终端用图形化方式显示该电价信息和用户历史用电信息，辅助用户做出用电决策。

4 结束语

以无线智能传感器为基础的数据实时采集系统，能够及时准确地把用户的各项用电数据传送给电力部门，最大限度地节约成本、减少接线、提高可靠性，自愈性强，减少维护费用。上层的高级配电能效管理系统能够对传来的实时数据进行分析、汇总，并与用电MIS接口，帮助电力部门实时掌握发、用电信息，为更好地预测用电和管理用电打下坚实的基础。

系统还能够向用户提供当前的电价信息，引导用户根据不同的时段电价、峰谷电价等合理用电。

［1］ 张世庆，翁静兰，张锋.自组织ZigBee技术在电量采集中的应用［J］.微计算机信息，2009（23）：42-44.

［2］ 李连，朱爱红.无线传感器网络中的定位技术研究［J］.微计算机信息，2005（15）：133-134.

［3］ 周和平，郑胜先.采用ZigBee和GPRS混合组网方式实现10 kV配变用电数据的传输和线损分析［J］.湖北电力，2009，33（4）：19-21.

［4］ 凌志光，蒋军，王勇.基于ZigBee技术的无线电能采集终端的设计［J］.仪器仪表用户 ，2007（2）：82-83.

［5］ 李震，Wang Ning，洪添胜，等.农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计［J］.农业工程学报，2010，26（2）：212-217.

（本栏责任编辑 刘嘉婧）