1 引言

需求響應技術通過電力用戶接收電力企業發布的用電信息，及時響應用電負荷變化的措施，以達到削峰填谷，減少負荷波動的目的。需求響應的實施可以帶來很大的經濟和社會效益，我國的一些地區也已經實行了基于峰谷電價的需求響應措施，并取得了一定的效果。但是傳統的需求響應系統缺乏自動化響應措施，不能滿足實時雙向通信的要求，缺乏與用戶側的互動。

電子式電能表由于其優越的性能及易于與通信模塊集成，逐步取代了機械式電能表。隨著通信技術的發展，深入千家萬戶的電能表作為通信節點傳遞信息，并組成網絡已經成為現實。按通信信道來劃分，電能表的通信主要分為有線及無線方式。有線通信主要包括485 總線及電力載波技術。無線主要包括公網通信及射頻通信。485 總線布線及維護困難，電力載波技術抗干擾性能差，公網通信需支付一定的使用費用，構建專有無線通信網絡是一種新發展方向。

ZigBee 技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，非常適合構建以電能表為節點的通信網絡。本文提出了一種基于ZigBee 技術的需求響應系統構架，并對系統做出了設計。

2 需求響應系統設計

2.1 系統總體方案

與自動抄表系統不同，需求響應系統的目的不是采集用戶的用電信息傳送到電力公司，而是把電網及用戶用電的實時信息傳遞到用戶側并做出響應。如圖1 所示，智能電網AMI 中心通過GPRS 或因特網等通信方式把實時的電網信息傳送到用戶小區。用戶小區中設置的區域集中器接收并存儲信息，并作為ZigBee網絡的協調器建立網絡，把電網及實時電價信息傳送到作為路由器的智能電表節點端。需求響應終端通過與智能電表建立連接，獲取用戶用電信息及由協調器發布的實時電網、電價信息，再根據用戶編制的控制程序，控制用戶的負荷裝置。需求響應終端以節點的方式加入，除接收實時電價等公共信息外，只與其父節點即每戶相應智能電表交換信息，保證了用戶信息的安全性。

圖1 需求響應系統網絡結構圖

2.2 系統硬件設計

2.2.1 ZigBee 通信節點設計

需求響應系統的通信節點采用TI 的SOC 芯片CC2430.CC2430 內部集成了業界領先的CC2420 射頻模塊、一個增強的工業級8051 內核、32/64/128 KBFLASH、8KB RAM 以及其它的功能電路，外接很少的電路就可以構建一個ZigBee 節點[3].系統中的節點可以根據實際應用情況的不同，通過軟件配置為協調器、與電能表連接的路由器及需求響應終端。

2.2.2 ZigBee 協調器設計

協調器接收來自電網中心的消息，并把電網中心的信息傳送到用戶端。電網的消息通過GPRS、以太網等方式傳送到用戶小區，協調器接收經網關處理后的GPRS、以太網信息，并轉化為ZigBee 信息再傳送出去。當電網信息采用以太網傳輸時，可以通過PC機作為網關，PC 機接受并處理來自AMI 中心的信息后，通過串口與ZigBee 節點相接。協調器只需在ZigBee 節點外接RS-232 電平轉化器即可。圖2 為協調器與PC 機接口。

圖2 協調器與PC 機接口。

2.2.3 Zigbee 節點與智能電表接口設計

我國的智能電能表采用RS-485 標準串行電氣接口并遵循DLT645 規約[4]進行通信。Zigbee 節點采用RS-485 接口與電能表相接，便可以獲得電能表內的數據。Zigbee 節點與智能電能表的接口如圖3 所示。

CC2430 引腳RXD、TXD、RE/DE 分別為接收、發送與狀態轉換端。為了保證系統穩定及抗干擾性，分別通過光耦隔離傳送至由3.3V電平供電的485 電平轉換芯片SP3485,經轉化為485 電平后，經由端子#A、#B與智能電表的485 通道相接。R6、R7 分別為上拉及下拉電阻，目的是為了保證在無連接時，輸入電平狀態為空閑狀態。連接于智能電表上的ZigBee 節點可以使用電能表上的電源供電，并作為路由器加入由協調器建立的ZigBee 網絡。

圖3 ZigBee 節點與智能電能表接口。

2.2.4 需求響應終端設計

需求響應終端與用戶進行交互，顯示電網信息及用戶用電信息，并對用戶的用電設備進行控制。需求響應終端作為ZigBee 節點中的終端節點，采用電池供電，可以方便設備的移動。響應終端主要有液晶顯示、按鍵及外接控制端口3 個部分。

液晶模塊采用RT 公司生產的12232f,是一種內置8192 個16*16 點陣漢字庫和128 個16*8 點ASCII字符集的圖形點陣液晶顯示器，可以顯示7.5×2 個（16×16 點陣）漢字，與外部CPU 接口采用并行或串行方式控制。模塊的供電電源電平根據用戶要求有3V/5V 的型號，本設計中選用3V 供電的模塊，以與CC2430電平匹配。本設計中CC2430 采用串行方式與12232f相連以節省CC2430 的IO 端口。CC2430 與液晶模塊的接口如圖4 所示。其中LCD_CS、LCD_SID、LCD_CLK 分別為液晶選中、數據傳輸、時鐘信號引腳。LCD_CON 控制液晶背光的開啟與關閉。

4 個按鍵分別與4 個IO 端口相接，可以實現確定、退出、上翻、下翻的功能。

外接控制端口通過繼電器來控制外部用電設備的通斷，達到負荷控制的目的。如圖5 所示，CC2430通過CONTROL 引腳輸出高低電平信號便可以控制負荷控制端子的通斷。其中P1 為續流二極管，并聯于繼電器兩端，作用是當觸點斷開時，提供反電勢釋放回路，防止二次擊穿。

圖4 液晶與CC2430 接口。

圖5 外接控制端口電路。

2.3 系統軟件設計

Z-Stack 是TI 公司發布的免費的并經ZigBee 聯盟授權的協議棧。Z-Stack 主要分為以下幾個部分：應用層、硬件層、MAC 層、網絡層、操作系統層、安全層，服務層，ZDO 層。在需求響應系統中有3 種類型的設備，分別是協調器、與智能電表連接的路由器以及需求響應終端。在設計中，只需針對硬件層做出相應的修改，并定義相應設備的網絡類型，然后構建基于不同設備的應用層程序即可。TI Z-Stack 嵌入了一個基于任務輪轉查詢的操作系統[5].上電后，系統在進行一些初始化工作后，便由操作系統來處理協議棧各層的任務。當有事件發生時，先處理優先級高的層的事件，再處理優先級低的事件。當處理完當前優先級最高的事件后，系統重新開始輪詢。需求響應系統中操作系統中各個設備的任務處理的流程如圖6 所示。

圖6 任務處理流程。

由于各個ZigBee 設備具有一定的通用性，在協議棧中，MAC 層、網絡層、硬件層、監控層、應用幀層、設備事件層都可以通用。下文中對各個設備的具體描述，只是詳細介紹設備的應用層程序設計。

2.3.1 協調器軟件設計

協調器在電源接通后，開始建立網絡。協調器接收到的電網中心信息經處理后，按一定的周期發送至電網消息群組。電網消息群組為接收電網及實時電價信息的群組。協調器軟件流程如圖7 所示。

圖7 協調器軟件流程圖。

2.3.2 與電表連接ZigBee 節點軟件設計

網絡協調器啟動并建立網絡后，與電能表相連的ZigBee 節點以路由器的形式加入網絡。當用戶希望接收到電網信息時，選擇加入電網消息接收群組，并把接收到的電網消息存儲在本節點中或備份于智能電表中。當節點收到需求響應終端對智能電能表內部數據請求的消息后，本節點通過RS-485 接口讀取智能電能表內部的數據。數據請求幀采用滿足DL645-2007 協議的幀格式，得到電表響應數據后，把相應接收數據發送給作為終端節點的需求響應終端。本路由器節點的軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 路由器軟件流程圖。

2.3.3 需求響應終端軟件設計

根據需求響應終端的應用要求，需要獲取并顯示電價信息、網絡信息、當前用電信息、歷史用電信息、電網消息等，并針對用戶提出的控制方案對家庭用電設備進行自動化控制。為了與用戶實現更好的交互，需求響應終端使用菜單界面。菜單分為3 級，配合終端的4 個按鍵，可實現菜單的上翻、下翻、進入、退出及參數設置功能。本設計定義了菜單的數據結構如下：

Typedef Struct Menu

{

void *DataAddr; //菜單數據地址指針

unsigned char FatherMenuNumber; //父菜單索引值

unsigned char ChildMenuNumber; //子菜單索引值

unsigned char LastBrotherMenuNumber; //兄菜單索引值

unsigned char NextBrotherMenuNumber; //弟菜單索引值

void （*UpFun） （ ）； //按"上"鍵處理程序指針

void （*DowmFun） （ ）； //按"下"鍵處理程序指針

void （*OkFun） （ ）； //按"確定"鍵處理程序指針

void （*ExitFun） （ ）； //按"退出"鍵處理程序指針

} SystemMenu;

通過在程序中構建相應的菜單表，菜單項中父子兄弟4 個索引值構造了一個樹狀的菜單結構。在菜單的數據結構中還包含有指向當前菜單相應執行程序的指針，可以方便可以實現一個易維護、易擴展的菜單。

由于程序中設定的索引值數據類型為無符號字符型，因此菜單最大項只能達到256 項。當系統的菜單項大于此值時，可以用整型數據替代。

為了減少網絡的通信負荷量，智能電表終端不主動發送更新數據信息至需求響應終端。只有在用戶需要獲取某數據信息時，需求響應終端才主動向智能電表端請求數據。當需求響應終端采用源綁定的方式獲取智能電表的信息時，由于每條信息均通過協調器間接尋址并由協調器轉發信息，會增加網絡中協調器處理信息的負擔。

本設計中采用直接尋址的本地綁定的方式來實現終端節點與電能表節點的通信。終端節點通信流程圖如圖9 所示。

圖9 終端節點通信流程圖。

當需求響應終端加入網絡后，根據是否已知匹配的智能電表節點MAC 地址，分為2 種綁定方式。如果已知MAC 地址， 需求響應終端發送請求NWK_addr_req 請求原語來獲取網絡中對應MAC地址器件的網絡地址。需求響應終端在收到NWK_addr_rsp回應信息時，便是找到了目標網絡地址。MAC 地址未知時，需求響應終端則發送Match_Desc_req 請求原語來獲取網絡中輸入、輸出簇匹配設備的網絡地址。

當網絡中存在多于一個的簇匹配的設備時，用戶可以通過設置設備描述信息匹配，篩選出目標設備地址。

當獲取目標網絡地址并存儲后，需求響應終端設備通過調用應用層數據請求指令便可獲取用戶智能電表節點的數據。為了確保需求響應終端的正確尋址，智能電表節點網絡地址發生改變時，通知對應的需求響應終端，需求響應終端重啟綁定流程。

3 結論

經過測試，本論文所設計的基于ZigBee 的需求響應系統能夠實現快速、實時的雙向通信。需求響應終端能顯示實時電價及用電信息，提醒用戶節電，達到削峰平谷的目的；并能通過外接控制端子，根據用戶的設置，實現對用戶電器的供電的自動控制。本系統實現了電網與用戶側的交互，在智能建筑的建設中，可基于本系統實現電力需求側能源管理，并能與智能家居系統結合，讓用戶在享受舒適便利的家庭智能化的同時還能節省能耗開支。隨著智能電網的建設及節能減排的實施，此系統具有很好的應用前景。