周中1 潘能有2 蘇峰1
（1.上海安科瑞電氣股份有限公司 嘉定 201801）
（2.湖南省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司 長(zhǎng)沙 410011）
摘 要：隨著無(wú)線技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線智能管理系統(tǒng)也得到了迅速的應(yīng)用。本文介紹基于ZigBee無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)，以及ZigBee模塊在電網(wǎng)用戶端配電系統(tǒng)中的應(yīng)用和為工礦企業(yè)節(jié)能減耗方面的作用。
0 引言
隨著全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)逐步展開，作為智能電網(wǎng)用戶的配電系統(tǒng)智能化管理也越來越重要。目前用戶端配電管理系統(tǒng)都會(huì)考慮采用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)的方式，以克服現(xiàn)有技術(shù)固有的一些不足，其中工業(yè)以太網(wǎng)、GPRS及CDMA等作為遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線短距離通信、載波等作為短程通信網(wǎng)絡(luò)，即最后1公里內(nèi)的通信方式。ZigBee技術(shù)作為一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種很好的短距離通信方式。它有很多優(yōu)點(diǎn)，譬如低功耗、高可靠性，以及自組網(wǎng)功能等等，使它能在短距離通信方面有著很大的發(fā)展空間。因此，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)成為了一個(gè)熱點(diǎn)。本文主要介紹一款ZigBee技術(shù)無(wú)線模塊及基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在工廠配電管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
ZigBee無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)是低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、短距離、通信可靠性高。它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕С?種自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。這使ZigBee技術(shù)在低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、可靠性強(qiáng)的無(wú)線抄表系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。
目前，電能管理系統(tǒng)中運(yùn)用的另外一些通信方式如低壓電力線載波（PLC），RS485有線通訊都存在各種各樣的弊端。表1列出了ZigBee與其他通信技術(shù)的比較，從表1中可以看出ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較明顯。ZigBee技術(shù)是電能管理系統(tǒng)中一種非常理想的通信方式。它適用于一些短距離無(wú)線電能管理系統(tǒng)通信方式的實(shí)現(xiàn)手段，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無(wú)線電能管理系統(tǒng)，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。
表1 ZIGBEE與其他信技術(shù)的比較
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PLC |
RS485 |
ZigBee無(wú)線 |
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建網(wǎng)難度 |
簡(jiǎn)單 |
困難 |
簡(jiǎn)單 |
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一次性投資 |
小 |
一般 |
較大 |
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運(yùn)行維護(hù) |
困難 |
困難 |
容易 |
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通信速度 |
低 |
高 |
高 |
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可靠性 |
差 |
一般 |
好 |
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實(shí)時(shí)監(jiān)控 |
不能 |
能 |
能 |
2 ZigBee無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)[1]
ZigBee無(wú)線模塊是ZigBee無(wú)線配電管理系統(tǒng)中的主要組成部分，它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)通信的銜接作用，它負(fù)責(zé)把網(wǎng)絡(luò)中所有電表的通信連接起來，方便各個(gè)電表把數(shù)據(jù)上傳給主站（即電能管理中心）。
本文設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線模塊采用導(dǎo)軌式安裝的安裝方式，可以方便地安裝在35mm的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，這使模塊能靈活的安裝在各類配電箱、配電柜中。其外觀側(cè)視圖如圖1所示。
圖1 ZigBee模塊側(cè)視圖
ZigBee無(wú)線模塊分為兩類，其中ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)RS485信號(hào)的模塊稱為ZigBee采集模塊，它負(fù)責(zé)和下面電表之間的通信；而ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號(hào)的模塊稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端，它是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)發(fā)起者，即ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)。ZigBee無(wú)線模塊的技術(shù)參數(shù)如下：1）采用AC220V輸入；2）工作頻率范圍為2.41GHz~2.48GHz，RF信道為16，接收靈敏度為-94dbm，發(fā)射功率為-27dbm~25dbm；3）采用Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)的功能，尋址方式采用IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)地址，同一個(gè)中的網(wǎng)絡(luò)容量最大為255個(gè)；4）可以配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的ID、網(wǎng)絡(luò)通道，擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的容量。
ZigBee無(wú)線模塊的原理框圖如圖2所示，它主要由開關(guān)電源部分、ZigBee無(wú)線傳輸部分及接口轉(zhuǎn)換部分組成。開關(guān)電源電路部分主要采用美國(guó)PI公司TOP221Y（TOPSwitch），使用反激式功率變換電路，把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源；無(wú)線傳輸部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，內(nèi)部帶有MCU芯片和無(wú)線收發(fā)器；功率放大器采用SKY65336，它最大可以支持20dbm的功率放大功能。
圖2 ZigBee通信模塊
3 基于ZigBee配電管理系統(tǒng)的應(yīng)用
ZigBee配電管理系統(tǒng)對(duì)提高電能利用效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本，為分布式能源的利用具有重要意義。對(duì)用電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)特別是重點(diǎn)耗能設(shè)備用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、匯總分析、縱橫比較等，發(fā)現(xiàn)電能使用不合理之處，通過人工干預(yù)或自動(dòng)控制的方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化用能設(shè)備，提高電能的使用效率。而且采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的形式使整個(gè)用戶端電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活，更加方便，不需要額外的鋪設(shè)通信電纜線，減少了人力成本。另外也可以建立與智能家具的通信，可以更方便地控制用電負(fù)荷，已達(dá)到低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)約性社會(huì)的效果。
圖3為基于ZigBee配電管理系統(tǒng)系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端和若干個(gè)ZigBee采集器組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者（ZigBee中心節(jié)點(diǎn)），它是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，它還負(fù)責(zé)與配電管理中心的數(shù)據(jù)交互，主要采用以太網(wǎng)、GPRS或CDMA等遠(yuǎn)距離通信方式。ZigBee采集器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中起到采集數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)路由的作用，每個(gè)ZigBee采集器的485總線上最多能連接32個(gè)表計(jì)。系統(tǒng)中所有表計(jì)和主站軟件都是采用MODBUS-RTU通信協(xié)議來通信的[2]。
圖3 基于ZigBee配電管理系統(tǒng)
目前，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)在江蘇江陰某儀表制造企業(yè)實(shí)施運(yùn)行。系統(tǒng)采用電能分項(xiàng)計(jì)量的原則，監(jiān)測(cè)生產(chǎn)工藝中的各個(gè)流程以及工廠各個(gè)用電回路的用電情況，以報(bào)表或曲線的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示。整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)使用的無(wú)線模塊為21個(gè)，使用的表計(jì)為82塊[3][4] 。 {$page$}
圖4為ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)的通信框圖，它詳細(xì)的列出了82塊表計(jì)的型號(hào)及監(jiān)測(cè)的回路，其中主要監(jiān)測(cè)的對(duì)象有各個(gè)開關(guān)柜、控制柜進(jìn)出回路的用電情況，生產(chǎn)工藝中的各個(gè)工藝流程的用電情況，各條生產(chǎn)線用電情況，辦公室的用電情況及各個(gè)空調(diào)回路的用電情況等等。通過這些統(tǒng)計(jì)分析，讓管理人員充分了解整個(gè)工廠的用能情況，通過統(tǒng)計(jì)分析找出不合理用能因數(shù)，提出合理整改意見和措施。
圖4 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信圖
圖5為該廠區(qū)進(jìn)線回路配電圖，圖上顯示的參數(shù)都是主站軟件通過ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集的各回路電力參數(shù)。圖6是廠區(qū)幾個(gè)主要配電柜的配電柜中K1柜的配電圖。圖上詳細(xì)顯示了K1配電柜各個(gè)回路的電力參數(shù)值，便于管理員更詳細(xì)的了解工廠的用電情況。
圖5 進(jìn)線回路配電圖
圖6 K1柜配電圖
圖7為某段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細(xì)地記錄了進(jìn)線回路三相電壓、電流、有功電能、無(wú)功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個(gè)廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D8所示，它記錄了某段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。
圖7 某段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)
圖8 各回路電能匯總
通過基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)的建立，系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為公司每年生產(chǎn)儀表的能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析出本年度生產(chǎn)每一塊儀表所用的電能。并可以通過工序能耗分析，分析每道工序年度具體用電情況，并依據(jù)這些信息找出能耗比較高的環(huán)節(jié)，從而制定來年的節(jié)能方案。通過每年根據(jù)系統(tǒng)采取的節(jié)能措施，達(dá)到每年儀表平均生產(chǎn)能耗逐年下降的目的，最終到達(dá)節(jié)能減排的效果。
4 總結(jié)
基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式比較靈活，而且有效減少了布線工作量，解決了有線通信方式帶來的布線難度大、成本高和升級(jí)維護(hù)困難等問題。
系統(tǒng)對(duì)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇進(jìn)行電能分項(xiàng)計(jì)量，詳細(xì)地統(tǒng)計(jì)出各個(gè)分項(xiàng)的能耗，還可以以報(bào)表的形式分析每年各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比，以便公司了解每年各個(gè)分項(xiàng)的能耗，為以后制定節(jié)能措施提供依據(jù)，從而達(dá)到節(jié)能減耗的效果。
參考文獻(xiàn)
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