周 中1　張 婷2

上海安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801

    隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯(lián)網(wǎng)。

    由于ZigBee的優(yōu)越特性，基于ZigBee技術的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應用于一些短距離的無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓和工廠等無線抄表網(wǎng)絡，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測及管理系統(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。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。ZigBee與其他最后一公里通信技術比較見表1。

    表1　ZigBee與其他“最后一公里”技術的比較

    ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到最新的增加了ZigBee-PRO擴展指令集的ZigBee2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。ZigBee具備強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結(jié)構(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(Mesh)和樹型結(jié)構(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通信技術相比較，ZigBee的特點主要有。

圖1　Zigbee網(wǎng)絡拓撲分類　　

    (1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。

    (2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。

    (3)低速率、短延時。ZigBee的最大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。

    (4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。

    (5)高可靠性和高安全性。Zigbee的媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級安全模式，包括無安全設定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

    (6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

    ZigBee性能參數(shù) ZigBee采集器/終端主要參數(shù)見表2。

    表2

    合同能源管理的意義

    合同能源管理是發(fā)達國家普遍推行的、運用市場手段促進節(jié)能的服務機制。節(jié)能服務公司與用戶簽訂能源管理合同，為用戶提供節(jié)能診斷、融資和改造等服務，并以節(jié)能效益分享方式回收投資和獲得合理利潤，可以大大降低用能單位節(jié)能改造的資金和技術風險，充分調(diào)動用能單位節(jié)能改造的積極性，是行之有效的節(jié)能措施。根據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》和《國務院關于加強節(jié)能工作的決定》（國發(fā)〔2006〕28號）、《國務院關于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國發(fā)〔2007〕15號）等文件精神，加快推行合同能源管理，促進節(jié)能服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展是必然趨勢。

    安科瑞合同能源管理系統(tǒng)結(jié)合自身產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用現(xiàn)場總線或無線通信中的一種或多種結(jié)合的最優(yōu)化的組網(wǎng)方式，實現(xiàn)遠程變配電監(jiān)控、電能集抄與質(zhì)量管理，同時也為用戶節(jié)約了大量的一次投入成本。公司研發(fā)的系統(tǒng)組態(tài)平臺集成了國內(nèi)外多種工業(yè)現(xiàn)場通訊規(guī)約，如IEC60870-5-101/102/103/104、CANBus、PorfiBus、DNP、CDT和ModBus等，以及最新的IEC61850通信體系，可支持大量的第三方智能化設備或進口設備的接入，先進的系統(tǒng)架構支持信息共享和Web發(fā)布，解決了配電監(jiān)控信息孤島的難題。專家報表的自動生成大大減輕了值班人員的工作量，提高節(jié)能管理的工作效率。

    能源管理系統(tǒng)計量體系宜選電力儀表

    建立合同能源管理系統(tǒng)，應先建立計量體系。數(shù)據(jù)先于決策，節(jié)能始于計量。為了不重復投資，造成浪費，能源管理系統(tǒng)應與配電系統(tǒng)一體化，直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數(shù)據(jù)。

    電能計量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表，不宜用收費電表。收費電表與電力儀表之比較見表3。在電能管理中，供電部門一般會在總進線處安裝收費電表�？紤]內(nèi)部電能計量與節(jié)能管理的需要，在用戶安裝收費電表的基礎上安裝電力儀表，用于內(nèi)部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區(qū)的分項電能數(shù)據(jù)的采集，通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項計量。

    表3　收費電表與電力儀表之比較

    ZigBee無線抄表解決方案

    不管是有線還是無線，抄表系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案。基于Zigbee抄表系統(tǒng)也不會脫離這個約束，它也會由環(huán)境、距離和場合等因素的影響而異，有不同的解決方案。由于ZiBbee的定位是短距離的通信，應用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓和工廠等無線抄表網(wǎng)絡時，它所考慮的因素相對要少。

    ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成的整個系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡ZigBee無線局域網(wǎng)絡組成。整個子網(wǎng)主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網(wǎng)絡終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡電力儀表等，它們與ZigBee采集器之間采用RS485通信，采用MODBUS通信協(xié)議；ZigBee采集器下面最多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個ZigBee子網(wǎng)中最多能連接255個表；為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網(wǎng)絡節(jié)點（ZigBee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節(jié)點的通信正常；另外考慮到無線網(wǎng)絡的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網(wǎng)中的無線節(jié)點（即ZigBee采集器）的個數(shù)不應大于60個，這樣能保證網(wǎng)絡中的通信質(zhì)量。每個ZigBee子網(wǎng)都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數(shù)。

    基于ZigBee合同能源管理系統(tǒng)的應用實例

    圖2為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠程通信網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee網(wǎng)絡中心節(jié)點，網(wǎng)絡中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給ZigBee無線網(wǎng)絡中的各個ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個表計，如果表計的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應的數(shù)據(jù)回復，通過原路返回給監(jiān)控主機。

圖2　ZigBee能源管理系統(tǒng)

    整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分項的電能計量，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室的耗電量和各條生產(chǎn)線的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內(nèi)的各個分項能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時間里的各個分項的能耗，以制定出往后能耗管理方案，以達到節(jié)能減耗的效果。

    目前整個系統(tǒng)在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進線和出線進行分項計量，廠區(qū)的配電系統(tǒng)對所有的進線回路進行監(jiān)控，并全部使用Zigbee采集模塊進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓和電能等參數(shù)及一些簡單的開關量的控制。系統(tǒng)還對一些支路進行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓和空調(diào)等等進行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項數(shù)據(jù)，以便制定更詳細的節(jié)能方案。

    該項目整個ZigBee能源管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。其中配電室的14個表通過485總線連接到一個ZigBee采集模塊進行無線通信，各個空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個ZigBee采集模塊，等等。具體視表計的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個模塊，分散的分別連接一個模塊。這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。

    整個系統(tǒng)運行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運行了一段時間。實時反映了工廠這段時間內(nèi)的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負荷情況。

    結(jié)束語

    能源日益緊張，節(jié)能降耗是社會發(fā)展的必然選擇，而合同能源管理系統(tǒng)為用戶提供了一個良好機制。通過Zigbee無線模塊與電力儀表建立能源管理的計量體系，可以減少重復投資，省掉布線，使用戶電力智能監(jiān)控與能源管理一體化。系統(tǒng)在世博VIP酒店、蘇州創(chuàng)業(yè)園和廣州亞運會網(wǎng)球中心等項目中運行，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。<