基于ZigBee的智能电网高级量测体系数据采集系统

2015-06-07 11:14黎步银
仪表技术与传感器 2015年10期
关键词:采集器电表网关

黎步银,张 杰

(华中科技大学光学与电子信息学院,湖北武汉 430074)



基于ZigBee的智能电网高级量测体系数据采集系统

黎步银,张 杰

(华中科技大学光学与电子信息学院,湖北武汉 430074)

为了满足高级量测体系(AMI advanced metering infrastructure)技术发展对数据采集和传输的远程性、实时性、低功耗等要求,开发了一套基于ZigBee的智能电网用户数据采集系统。系统包括监控中心、基于ZigBee和GPRS的网关节点、ZigBee采集器和智能电表。通过数据采集系统将用电量、实时功率、瞬时电流进行采集,监控中心通过MFC程序对数据进行显示和分析。测试表明,该系统稳定可靠,在AMI的应用中具有很强的参考和使用价值。

ZigBee;AMI;智能电网;监测;信息;数据

0 引言

智能电网的概念在世界各地已经被广泛地接受和执行,它主要由4部分组成:高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)、高级资产管理(AAM)[1],而这其中AMI被看作整个智能电网的信息桥梁和基础。根据美国联邦能源管理委员会(FERC)2008年制定的标准,AMI是指在智能表计与公共企业系统间的通讯硬件和软件及相关的系统和数据管理软件共同形成的一个网络,并具备为公共事业单位、客户、零售商等其他机构收集传递数据信息的功能[2]。设计一套稳定高效的AMI系统,对于智能电网的搭建显得尤为重要。

在电力工程应用中,通过将ZigBee等无线技术整合进AMI可以提高效率和降低成本。根据ZigBee联盟的标准,ZigBee基于IEEE802.15.4的LR-WPAN(低速无线个域网),它具有通用的协议以及低成本、低功耗、传输可靠、网络容量大等特点。ZigBee的应用领域包括家居自动化、工业厂房监控、商用楼宇自动化、自动抄表等[3]。目前我国大部分地区对于电网用电数据的读取大多采用单表人工读取或IC卡预付费方式,这些方法费时费力,数据误差大,所收集的数据也仅仅为当前总用电量,无法实现实时监控。使用ZigBee网络的AMI则可以实现在低成本的情况下对所有用户的用电情况的统一监控和管理。

该系统为一套基于ZigBee网络的电网数据远程采集系统。通过该系统,电力公司可以掌握全部用户用电量和实时用电功率和电流,以此对用户用电进行合理建议和干预;同时,用户可以随时访问电力公司数据库,以获取家庭用电信息。

1 原理

图1为系统的原理图,系统总体分为智能电表、采集器、ZigBee网络、控制中心等几个部分。首先通过ZigBee采集器将智能电表的数据进行采集,包括用电总量和瞬时功率、电流,考虑到小区的智能电表可以采取集中安装,系统采用一个ZigBee采集器集中采集多块电表的方式,多块电表与采集器之间使用485总线通信。此后采集器通过ZigBee网络将数据传给ZigBee网关,网关通过GPRS模块将数据传输到远程控制中心。控制中心可实现对智能电表总电量、瞬时功率、瞬时电流等数据的实时监控;同时,用户也可以根据自己的权限随时访问控制中心数据库,获取用电信息。

图1 系统原理图

2 硬件设计

由于ZigBee网关具备了ZigBee采集器的所有硬件模块,还包括GPRS模块,所有这里的硬件部分就主要介绍ZigBee网关设计。

2.1 ZigBee无线收发模块

Zigbee无线收发模块负责ZigBee网关与ZigBee采集器以及ZigBee采集器之间的通信。本系统采用CC2530芯片实现无线通信功能。CC2530是对无线通信功能的芯片(SoC)解决方案,采用一体化的片上芯片大大提高性能和稳定性。CC2530采用一颗工业级的高效单周期8051内核,同时结合了高性能2.4 GHz 8051 DSSS (直接序列扩频)射频收发器,可以很好地满足2.4 GHz ISM波段的ZigBee系统对低成本、低功耗的要求[4]。CC2530对外围电路要求低,包括晶振电路、滤波电路、去耦电路、I/O输入输出及天线等。收发模块电路如图2所示。

图2 ZigBee无线收发模块原理图

CC2530芯片天线信号采用RF_P与RF_N管脚的差分输入输出,考虑到实验阶段,没有外加发射功率放大模块。设计中使用的天线为不平衡单极天线,所以连接天线前必须使用巴伦电路对射频收发信号和天线信号进行匹配。匹配电路的设计可采用芯片实现,如2450BM15A0002匹配芯片;同时也可采用分立元器件电容和电感来实现,本设计采用第二种分立元器件方案来实现电路匹配。图3给出了采用Altium Designer软件绘制的电路匹配原理图,其中的L2,C9,C13,L3等分立器件实现了差分信号转单端(即平衡不平衡转换)的功能。A0为外接单极天线的SMA接口。

图3 接口转换电路原理图

根据CC2530芯片管脚定义,需使用滤波电路对3个数字电源管脚和6个电源管脚进行滤波。CC2530工作电压除了3.3 V电压还包括片内存在一个稳压器为芯片提供1.8 V电压,这就需要为稳压器接一个去耦电容提高稳定性,通过将一个1 μF的电容接在DCOUPL管脚来实现。芯片工作需要提供一个32 MHz的的晶振电路和一个32.768 kHz的的晶振电路,分别采用石英晶振器和电容实现。同时,CC2530与GPRS模块采用串口通信,通过通用I/O口P0.2、P0.3实现。

2.2 GPRS模块

采用GTM900无线模块作为系统GPRS模块。GTM900是一款多功能GPRS无线通信模块,支持900 MHz/1 800 MHz双工作频段,支持GSM标准的AT命令、V.25 AT命令及华为扩展的AT命令。该模块内嵌TCP/IP协议,还提供了丰富的系统接口,包括GSC射频天线连接接口、SIM 卡接口、异步串行接口等,其中串口最大速率可达115 200 bit/s,模块工作温度范围大,抗干扰能力强,接口简单,使用户在较短的研发周期内就可以集成自己的系统。

数据采集系统中,ZigBee采集器将采集的数据通过网络传递给网关ZigBee收发模块,CC2530接收数据后通过串口将数据传输给GTM900。GTM900工作电压典型值为3.8 V,且内部需要几个不同的工作电压;此外,在收发数据时,模块电流变化很大,峰值可达到2 A,所以在电源设计时考虑以上因素,选择电源芯片MIC39303提供电源。MIC39303不但能提供4 V稳定电压,还能提供高达3 A电流。GTM900串口采用2.85 V CMOS电压,是遵循RS232数据交换电路DCE标准的串行异步发送和接收接口。DCE接口与RS232-C标准的接口通信时必须通过转换电路。使用MAX232实现转换,如图3所示。

3 软件设计

3.1 无线收发模块软件设计

对于整个系统而言,ZigBee网关的稳定性和可靠性直接决定系统的性能,对网关节点软件的良好设计也显得尤为重要。基于通用性和易操作性考虑,ZigBee网络节点选择移植Z-Stack协议栈。Z-Stack完全支持基于IEEE802.15.4的ZigBee标准,很好地兼容CC2530。整个Z-Stack运行在一个小型实时操作系统OSAL上,系统上电后协议栈初始化并启动OSAL操作系统。为了降低功耗,OSAL进入低功耗模式采用轮询机制执行事件,当检测到事件发生则唤醒系统,进入中断处理程序对事件进行处理。本系统包括接收发送数据到ZigBee网络、与GPRS模块的串口通信、接受按键操作等。如果同时有几个事件发生,则判断优先级,再逐次处理。图4为Z-Stack软件流程。

图4 Z-Stack软件流程图

软件从ZMain.c文件中的main函数开始,对硬件、网络层等初始化。包括HAL_BOARD_INIT()对系统时钟的初始化、InitBoard(OB_COLD)对I/O的初始化等操作,之后通过osal_init_system()函数初始化操作系统,然后通过osal_start_system()运行操作系统跳出mian()。

整个OSAL系统对ZigBee协议的实现是通过任务调用的方式。Z-Stack的任何一个应用都作为OSAL的一个任务来执行,以此在Z-Stack应用层开发是需要对每个应用创建相应的任务。Z-Stack通过osalInitTasks()函数为OSAL系统创建新任务,所有创建的任务(函数)储存在数组tasksArr[]中,同时赋予每个任务相应的taskID。sal_start_system()函数启动系统后,任务调度函数通过优先级由高到低的顺序检测tasksEvent[]数组判断是否有任务就绪。如果存在就绪任务则通过(tasksArr[idx])(idx,events)函数数组指针调用来执行任务,直到执行完所有就绪任务。这时如果任务列表中没有可执行任务,切换处理器到低功耗模式,并轮询检测任务。

3.2 监控中心软件设计

监控中心为一台个人电脑,定制化的MFC程序具有身份验证、数据采集、存储分析等功能,图5为主程序流程图。首先程序启动后进行初始化,包括串口初始化。在界面输入登陆口令和需要查询的参数(包括电量、瞬时功率、电流等)和查询方式。考虑到低功耗要求,系统查询前需先发送唤醒指令唤醒。接下来程序判断查询方式,如果为单次查询一个电表,则直接发送包含该电表地址的查询命令;如果判断为所有电表轮询查询,则创建时钟定时器,按照定时器中断获取所有表数据。

图5 监控中心主程序流程图

此外监控中心提供基于VC++的数据分析程序,可从数据库提取相应数据进行走势分析和绘图,如图6所示。

图6 数据分析软件界面

软件可以通过“曲线类型”编辑框选择需要显示的数据类型,包括电表总电量、瞬时功率和瞬时电流值。软件最多支持同时显示15条曲线,通过添加表地址和曲线类型选择数据。当显示多条总电量数据时,为保证直观性,第一个数据自动归零,后面显示值为实际电量与第一个电量值的差值。这样可以有效避免因多个电表值差距太大而无法显示在同一界面比较,通过直线斜率可以直观显示电量变化。

4 测试

4.1 ZigBee网络通讯测试

为了验证Zigbee节点软硬件的可靠性,对ZigBee网络进行了大流量通讯测试。具体实施方案为网关节点与采集器节点的数据包互传。为模拟AMI系统方案,用节点间两次成功握手作为通讯成功的依据。以一个网关节点作为上位节点,一个采集器节点作为终端节点,首先上位节点发送命令数据包,当终端节点接收到数据包之后立刻回传确认数据包给上位节点。上位节点接收到数据包记录此次通讯成功,并立刻发送下一包数据;如果上位机等待200 ms还没有收到确认数据,则认定为通讯失败,发送下一个数据包。测试环境为学校树林,表1为测试结果。

表1 丢包率与通讯距离的关系

测试距离/m总发包数总收报数丢包率/%117693176930.001017885178710.082016032159970.223014495143311.134015380152630.768013061125004.30

从测试结果中可以发现当通讯距离小于20 m时,丢包率是非常低的;但是当通讯距离选择为30 m时,丢包率出现了较大增加,甚至高于更远的40 m。分析认为这可能是因为ZigBee作为低功耗通信模块链路具有比较大的不规则性,节点通信链路按距离可以分为有效区、过渡区、空白区,过渡区的链路质量非常不稳定[5],30 m和40 m的距离可能正好属于链路过渡区;而80 m处应该处于链路空白区,丢包率出现较大上升,但是有效数据包接收率也达到95.7%,基本满足系统要求。这些测试数据对后期系统布置具有很高的参考价值。

4.2 系统总体运行测试

整个系统在实验室进行了测试。以安装在实验室的3块DDS188-A1智能电表为数据源,第一块电表(09083727)安装在大实验室,第二块电表(09083720)安装在小实验室,第三块电表(09083750)实验室未使用。每块电表连接一个ZigBee采集器,然后通过网关将数据通过GPRS发送到监控中心。

每天对每块电表采集2次数据,分别在8:15和20:15,持续采集9天。经过比对,数据库端数据与电表数据相同,采集成功。选取曲线类型为“0”代表显示电量数据,将3条曲线数据全部添加进去,显示结果如图7所示。从图7可以看到,09083727电表显示白天用电量电量在2.8 kW/h左右,周末用电量明显减少,晚上八点到第二天八点用电量很少,为0.4 kW/h左右;而小实验室用电量整体小于大实验室,为白天1.4 kW/h左右。同时监控中心获得电表瞬时功率和电流值。

图7 测试数据曲线图

5 结束语

介绍了一种基于ZigBee网络的新型AMI数据采集系统模型。详细阐述了ZigBee网关的硬件设计以及基于OSAL操作系统任务调度的ZigBee协议栈的实现;同时介绍了系统监控中心数据采集软件的设计以及电能数据分析软件的设计。测试表明,系统具有较强的软硬件可靠性和稳定性。该数据采集系统实现了监控中心对用户电表数据的远程采集,可以对用户用电量、瞬时功率、电流等用电参数实现实时分析,为我国AMI统的研究提供部分参考。

[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.

[2] FERC-727 & FERC-728 Federal Energy Regulatory Commission Survey on Demand Response,Time-Based Rate Programs/Tariffs and Advanced Metering Infrastructure.

[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,莫伟健,万智萍.基于CC2530的Zigbee2007/PRO协议的无线温湿度系统设计.电子设计工程,2012(10):40-43.

[5] 李燕君,王智,孙优贤.无线传感器网络的链路分析与建模.传感技术学报,2007,20(8):1846-1851.

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

黎步银(1966—),教授,博士,主要从事仪器仪表等方面的研究。E-mail: libuyin@soho.com 张杰(1989—),硕士研究生,主要从事仪器仪表等方面的研究。E-mail:mizhangjie@126.com

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