摘 要

电动汽车和新能源发电是中国的战略性新兴产业，是中国未来几十年内的发展大方向，随着国家电网的市场化改革，电力能源将变为一种普通商品参与市场，会依供求关系而决定价格，结合不同的区域因素，国家政策的引导，以新能源作为电源的微电网作为一种可独立运作的电力系统在未来会有广泛的应用空间。

作为电动汽车的重要基础设施，充电设施和充电网络的建设对电动汽车产业的快速健康发展具有很重要意义。随着国家对新能源发展的重视以及中国光伏产业的高速发展，还有光储充直流微电网技术的逐渐成熟，为电动汽车的充电提供了便捷。

随着风力、光伏发电技术的快速发展，分布式电源正在变得越来越成熟，微电网技术的发展也非常迅速。不同于以往的交流微电网，直流微电网具有许多独特的优势，其应用也会越来越广泛。

本文专注于结合ZigBee无线传感器网络和以太网的通信方案的来建立的通信网络，实现变流设备之间以及各个模块之间的通讯，进而实现直流微电网的即时监控与能量管理。本方案组网灵活、成本较低、施工维护方便，在协调器中釆用芯片和以太网芯片直接连接，减少中间环节，提高了系统的整体通讯效果。

关键词：直流微电网；光储充；电动汽车充电桩；ZigBee技术；通讯网络；

Abstract

Electric vehicles and new energy power generation are China's strategic emerging industries and are the development direction of China in the coming decades. With the market-oriented reform of the national grid, electric energy will become an ordinary commodity to participate in the market, depending on supply and demand. And to determine the price, combined with different regional factors, the guidance of national policies, the micro-grid with new energy as the power source as an independent operating power system will have a wide application space in the future.

As an important infrastructure for electric vehicles, the construction of charging facilities and charging networks is of great significance to the rapid and healthy development of the electric vehicle industry. With the country's emphasis on new energy development and the rapid development of China's photovoltaic industry, there is also the maturity of optical storage and DC microgrid technology, which provides convenience for the charging of electric vehicles.

With the wide application of wind-electricity generation technology, the distributed generation system is becoming more and more mature, and the micro-grid technology has been developed rapidly. Different from the previous AC micro-grid, DC micro-grid has many unique advantages. It will be discussed in detail later.

In this paper, the communication scheme based on Zigbee wireless sensor network and Ethernet is used to build the communication network, realize the communication between converter devices, and then realize the immediate monitoring and energy management of DC microgrid.The scheme has the advantages of flexible networking, convenient construction and maintenance, direct connection between the chip and Ethernet chip in the coordinator, reducing the intermediate links and improving the overall communication effect of the system.

Key words:DC microgrid;Photovoltaic power generation;Electric vehicle charging pile;Zigbee technology;Communication network;

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1 .1 课题研究背景及意义 1

1.2 直流微电网国内外研究现状 2

1.21 国外微电网研究现状 2

1.22 国内微电网研究现状 2

1.3 直流微电网的结构 3

第2章 ZigBee技术概述 5

2.1 对ZigBee的简要介绍 5

2.2 ZigBee协议栈 5

2.3 ZigBee的网络拓扑结构 6

2.4 ZigBee的技术优点 7

2.5 本章小结 7

第3章 通讯系统搭建 8

3.1 系统结构 8

3.2 ZigBee组网 8

3.3 ZigBee数据传输 9

3.4 Z-Stack协议栈和OSAL管理系统 9

3.5 ZigBee设备节点地址分配方案 10

3.6 器件选型与信息采集 10

3.7 本章小结 11

第4章 ZigBee与以太网网关的硬件电路设计与实现 13

4.1 网关概述 13

4.11 网关方案选择 13

4.12 网关整体硬件方案 14

4.2 网关系统的硬件原理 15

4.3 协调器节点硬件电路设计 15

4.31 CC2530的无线串口通信电路 16

4.32 供电电源模块设计 17

4.4 以太网模块通信电路 18

第5章ZigBee与以太网网关软件的框架设计 19

5.1 Z-Stack协议栈的开发 19

5.2 协调器节点程序流程设计 20

5.3 终端节点程序流程设计 21

5.4 整体系统软件设计 22

5.5 本章小结 23

第6章 总结与展望 24

6.1 总结 24

6.2 展望 24

参考文献 26

致谢 27

绪论

1 .1课题研究背景及意义

能源是人类赖以生存和发展的基础，同时，能源的合理高效利用也是保证人民生活水平的提高的重要指标，随着全球经济的高速发展，人类生产力的大幅提高，以及全球人口的快速增长，能源的消耗速度越来越快，传统的化石能源面临消耗殆尽的危险，传统的电力系统也面临着一定程度的挑战；庞大的电力系统会面临安全性、可靠性等风险；随着电力电子技术迅速发展，在很大程度上保证了对用户供电的可靠性、经济性要求，随着科技的快速进步，人们对电力系统的的智能化等各方面提出了更高的要求^[1]。

目前，随着大单位，大电网和高压为主要特征的集中单个发电系统是电力系统，这是由复杂的AGC / EDC / SCADA系统调节和控制的主要形式。同时，由于增加的电力负荷，电网规模不断扩大，超大规模的电网系统运行成本高，难以适应某些重要设备越来越高的安全性和可靠性电源的要求。以降低电力生产和供应成本，实现资源优化配置，引入电力行业竞争机制使分布式发电技术在电力系统中成为一个新的研究热点。

可再生能源发电技术的这些年一直处于快速的发展状态，主要体现在风力发电和光伏发电，以可再生能源为主导的新型分布式发电技术受到广泛关注，随着这些新能源不断引入大电网，被投入使用，现在各种新能源发电系统因为难以大规模加入电网，最终成为终端用户的内部微电网。分布式发电系统能就地消化电力，大大的减少输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损耗。但分布式发电具有不稳定和随机性等特点，一定程度上限制了它的发展。

微电网是一种独立的系统组成的分布式电源。它通常是通过一个连接线路连接到一个大系统。电力供应和需求之间的不平衡关系决定了微电网的工作模式，可以选择孤立运行或与主网联合独立运作。目前，在微网中最常用的是交流微电网，即每个分布式电源被并入交流电网。高渗透性微电网的复杂动态行为可能会带来很多新的问题，其中包括交流微电网与大电网的安全稳定运行，继电保护和微电网与电网连接的控制微电网为主配电系统。协调控制与分布式电源，电能质量分析与控制。如果分布式电源连接到DC网络，这会降低控制的要求，最大限度地利用分布式能源，并节省电力电子设备。

具体而言，直流微电网的优势体现在如下几点；（1）电流变换器投入成本减少，在给直流负荷供电时，只需要一个DC/DC器件就可直接将电流电压转化为所需电压等级进行供电，大幅提升了供电效率；（2）直流微电网不需要考虑各微电源的相位问题、频率问题、谐波问题，只需要考虑电压是否稳定，功率是否匹配，在电能质量保证上更有优势；（3）直流微电网不会产生无功损耗，损耗较交流有明显的减少^[2]。

综上所述，随着全控装置向大功率方向发展，微电网的容量将大大提高。直流微电网在智能家居、建筑、充电桩等方面有着无限的发展前景。直流微电网的发展和推广，将极大地促进电力电子、可再生能源、直流电器等行业的快速发展。

1.2直流微电网国内外研究现状

1.21 国外微电网研究现状

美国电力可靠性技术解决方案协会对微网的定义，是最早的关于微电网的定义，它提出，微电网是一种由微型电源和系统负荷共同组成的系统，它同时可以提供电能和热量；系统内提供了必要的控制，并且采用先进的电力电子器件来实现能量的转换，相比较于大电网，微电网表现为单一的发电、用电单元。

微网的工作模式分两种，即离网状态和并网状态，离网状态运行下的微电网不受大电网潮流的影响，可在一定程度上实现“自给自足”的用电模式。

对于CERTS的微电网定义，微电网应该实现当主电网发生故障时，微电网和主电网无缝脱节或作为孤岛运行，故障消除之后，微电网可以与主电网重新连接，让微电网处于并网状态。这种定义下的微电网，优点在于它被视为能给负载供电，同时又可以保证大电网运行可靠的自控实体，双重的供电系统，基本可以保证对于重要的负荷，可以处于不间断供电状态，切实的提高了供电的可靠性，同时减少了馈线损耗，对与当地电网而言，会对电网电压会起到稳定和校正的作用。由此看来，微电网的存在，不仅不会因为分布式电源的接入对电网产生不利影响，反而会对接入的配电网起支撑作用^[3]。

欧洲进一步发展了微电网的概念，提出来智能电网的说法，能量利用的多元化与智能化任然是各国电网发展的大方向。

关于微电网的日本研究相对较早。 2003年，新能源日本和工业技术发展组织和日本经济产业省开始将可再生能源与当地的分销网络相互连接起来。 3个微电网测试平台。由于微电网中使用的分布式能量的电能质量问题，一旦电力波动，连接到微电网的整个电网的电能质量和供电可靠性将降低。因此，对微电网的日本的研究主要集中和储存。能量模式和控制，例如，微电网配备能量存储设备，以补偿可再生能源如太阳能中断的能量，并控制能量原动机输出波动的平衡，以实现目标平衡整个电网的能量。由日本NEDO开发的微电网路线图是以光伏发电和风力发电为主要可再生能源。部署的微电网实验平台已经验证了电网平衡能力。

1.22 国内微电网研究现状

虽然中国开展微电网的研究比较晚,但是得力于中国政府的大力支持,中国微电网的市场规模迅速增长。随着智能电网的建设，"十二五"期间中国微电网的市场规模平均增长8％，2015年装机容量达到17,000千瓦，约31.8亿元。随着中国对风电、光电等新能源的重视，光伏发电在中国发展迅速，中国已经成为全球光伏发电总装机容量最大的国家^[4]。

"十三五"规划中提到，2020年之前我国新能源占能源消费比例要达到15%。照目前情况来看，这一决定与规划是极具先见之明的。当前世界能源格局正在发生变革，各个国家正在积极的调整能源结构框架，将化石能源在国内的能源使用比例往下调，以便应对石油枯竭，能源匮乏的情况。中国对清洁能源高度重视，并且取得了举世瞩目的成绩。

中国因为起步较晚,各方面技术任然还在摸索之中。2006年中国颁布了的《中华人名共和国可再生能源法》在进十几年内极大地促进了中国光伏产业的发展，使得中国的光伏发电技术跻身于世界前列。光伏发电作为微电网的供电单元已经越来越常见了，微电网发展的技术瓶颈主要在于以下三点，第一是大电网与微电网之间的快速隔离。第二是离网与并网之间的无缝切换，第三是微电网内部的有效控制。国内的微电网示范工程已经搭建完成，主导团队为天津大学的王成山教授团队，项目为863项目-MW级冷电联共分布式能源微网师范工程，重点展开了能量优化管理、保护控制等方面的研究。

在经济层面上，目前微电网还未广泛的普及建设，原因之一是它还不具备市场竞争力。分布式发电的成本仍然很高，这导致了微电网的成本也很高。目前，光伏发电每瓦成本约为12元，每千瓦成本为12000元。光伏发电每天可发电4小时，电价每度1元。恢复成本需要近10年的时间。并且光伏发电受环境制约，不能保证稳定的发电，微电网控制系统的价格较贵，尤其是储能系统的投资成本较高，锂电池可以回收和充电6000次以收回成本，这大大超过了锂电池的使用寿命并且会造成一定程度的环境污染。能量存储系统占整个微网建设成本的三分之一。此外，还增加了配电设置和控制系统。最后，微电网的运行和维护也包含在成本中，其经济成本高。受影响的市场竞争力。

在管理体制层面上,微电网在当下的电力体制下还面临合法性的问题,微电网的运行模式与现行电力法相悖,只有拥有电力管理部门颁发的“供电许可证”的企业才能成为合法的供电主体。

在国家政策层面，包括微电网接入，规划设计，施工作业及器材制造业等，缺乏相应的国家标准和管理标准。微电网的经济性限制了它的发展。政府对于微电网行业发展的相关政策，目前仍不清楚。

因此，微电网很难在短期内实现产业化，但在未来，随着技术的成熟，可再生能源降低成本，储能产业的发展和化石能源的未来价格继续上涨，将使得微电网取得长足的发展。

1.3直流微电网的结构

直流微电网一般由四个部分组成：微电源、DC/DC变换器(DC/AC变换器)、能量存储装置、直流负载；其一般结构如下图一所示：

图1-1 直流微电网结构

其中，微电源一般指风电或者光电，变换器为非隔离型DC-DC变换器（boost电路）和隔离型DC-DC变换器（dual active bridge,DAB变换器）^[5] 。系统具有如下特点：

1. 特殊性：微电网由光伏或者风力发电装置、微型电源及负荷组成，是一个小型的电力系统，区别于大系统之处在于灵活性的可调度性。
2. 结构多样性：微电源的组成结构和种类很多，既包含了传统电源，又含有可再生能源，同时，微电网中还包含了能量存储装置，保障了系统的稳定、可靠运行。
3. 可控性：根据运行情况不同，微电网可以选择不同的运行模式，成熟和可靠的控制策略是使得微电网运行的可靠性极大地提高了。
4. 交互性：做为可以独立发电的微电网，在必要时可对主网提供有力支持，同时，当主网发生故障，有能保障自身不受影响，提高了供电的可靠性。
5. 独立性：微电网可以运行在离网或者并网状态，在一定程度上保障了本地的用电需求。

第2章ZigBee技术概述

2.1 对ZigBee的简要介绍

ZigBee技术是指基于IEEE802.15.4协议的通信技术，该技术是一种双向无线通信技术。其主要特点是较短的传输距离，复杂度低，功耗低，数据速率低和成本低。其主要应用领域为以下三个方面，并且也可以嵌入各设备中。此外，ZigBee的还支持地理位置定位功能。

在中国，ZigBee也被叫做紫峰协议^[6]。ZigBee的开发人使用蜜蜂的这种行为来描述这种无线信息传输技术。其原因在于，蜜蜂飞来飞去，和蜜蜂翅膀在抖，以此来传播花粉，传播信息，也就说蜜蜂依靠这种方式在种群中传播信息，构成了群体中的通信“网络”。

ZigBee的前身是1998年由INTEL\IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”技术，2000年成立了工作组并起草了IEEE802.15.4标准，并相继成立了ZigBee联盟。2005年，中国华为技术有限公司加入了ZigBee联盟。ZigBee联盟主要专注于以下三个方面。

1. 智能家居（Home Automation;HA）；
2. 智能建筑（Building Automation;BA）；
3. 仪器、工业自动化（Advanced Meter Infrastructure;AMI）；

应用ZigBee的场合需要满足下列要求：

1. 结合本项目，光伏发电单元遍布范围较广，但传输信息量小，故适用ZigBee。
2. 由于分布范围广，通讯设备采用电源供电会不太方便，再用ZigBee技术，设备便可以采用电池供电，并且供电时间会很久。
3. 需要进行信息采集和控制的节点数较多。

2.2 ZigBee协议栈

TEXAS INSTRUMENTS公司开发的Z-Stack是ZigBee的协议栈，是在2007年4月推出的ZigBee无线通讯协议，是一种半开源的协议栈，经过十多年的发展，这个协议栈的功能越发强大，正在被全球众多开发商广泛采用，ZigBee联盟对ZigBee协议栈有高度认可。

Z-Stack协议栈中包含了ZigBee协议规定的基本功能，实现相应功能的途径是执行该模块的函数，协议栈中有类似于电脑操作系统的OSAL系统，OSAL独立于Z-Stack协议栈，但是Z-Stack的运作是以OSAL系统为导航的，在组网之初，Z-Stack需要完成两件工作；第一件是系统的初始化，第二件是运行操作系统，这两件工作主要是由Z-Stack里面的主函数完成的，主函数存在于Z-Main之中。

1. 本文采用的基于Z-Stack的CC2530模块提供了丰富的硬件和软件模块，射频部分能够适应2.4GHzIEEE802.15.4的RF收发器，而且具有极高的接收灵敏度和抗干扰性，另外还附加提供各种服务的拓展集，具有强大的五通道DMA，还有两个支持多种串行通信协议的强大USART^[7]。

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