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)計院有限公司 長沙 410011）

    摘 要：隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，無線智能管理系統(tǒng)也得到了迅速的應(yīng)用。本文介紹基于ZigBee無線通信模塊的設(shè)計，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)的無線自動抄表系統(tǒng)成為了一個熱點(diǎn)。本文主要介紹一款ZigBee技術(shù)無線模塊及基于ZigBee無線網(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�支�?種自組織無線網(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

    2　 ZigBee無線模塊的設(shè)計[1]

    ZigBee無線模塊是ZigBee無線配電管理系統(tǒng)中的主要組成部分，它在整個網(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，方便各個電表把數(shù)據(jù)上傳給主站（即電能管理中心）。

    本文設(shè)計的ZigBee無線模塊采用導(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無線模塊分為兩類，其中ZigBee信號轉(zhuǎn)RS485信號的模塊稱為ZigBee采集模塊，它負(fù)責(zé)和下面電表之間的通信；而ZigBee信號轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號的模塊稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端，它是整個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，同一個中的網(wǎng)絡(luò)容量最大為255個；4）可以配置無線網(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。對用電系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)特別是重點(diǎn)耗能設(shè)備用電情況進(jìn)行實(shí)時檢測計量、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無線網(wǎng)絡(luò)的形式使整個用戶端電能管理系統(tǒng)的設(shè)計更加靈活，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)約性社會的效果。

    圖3為基于ZigBee配電管理系統(tǒng)系統(tǒng)框圖，整個系統(tǒng)由一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端和若干個ZigBee采集器組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者（ZigBee中心節(jié)點(diǎn)），它是整個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ZigBee采集器的485總線上最多能連接32個表計。系統(tǒng)中所有表計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)采用電能分項計量的原則，監(jiān)測生產(chǎn)工藝中的各個流程以及工廠各個用電回路的用電情況，以報表或曲線的方式進(jìn)行統(tǒng)計顯示。整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)使用的無線模塊為21個，使用的表計為82塊[3][4] 。

    圖4為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)的通信框圖，它詳細(xì)的列出了82塊表計的型號及監(jiān)測的回路，其中主要監(jiān)測的對象有各個開關(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空調(diào)回路的用電情況等等。通過這些統(tǒng)計分析，讓管理人員充分了解整個工廠的用能情況，通過統(tǒng)計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無線網(wǎng)絡(luò)采集的各回路電力參數(shù)。圖6是廠區(qū)幾個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為某段時間內(nèi)的進(jìn)線回路各項參數(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、無功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D8所示，它記錄了某段時間內(nèi)各個回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。

圖7　某段時間內(nèi)的進(jìn)線回路各項參數(shù)

圖8　各回路電能匯總

    通過基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)的建立，系統(tǒng)對整個生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行監(jiān)測，為公司每年生產(chǎn)儀表的能耗進(jìn)行統(tǒng)計分析，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、成本高和升級維護(hù)困難等問題。

    系統(tǒng)對整個廠區(qū)或整幢樓宇進(jìn)行電能分項計量，詳細(xì)地統(tǒng)計出各個分項的能耗，還可以以報表的形式分析每年各個分項能耗占總能耗的百分比，以便公司了解每年各個分項的能耗，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)

    [1] 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2010.08版

    [2] 郭丹, 李俊芳.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表, 2009, (04)

    [3] 陳堂，配電系統(tǒng)及其自動化技術(shù)[M].電力出版社，2004

    [4] 周中、任致程，電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南.中國電力出版社，2007 <