ZigBee技術(shù)在用戶端配電系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用

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。
關(guān)鍵詞：ZigBee；通信模塊；無線技術(shù)；配電系統(tǒng)；電能管理

The Design and Application of ZigBee Technology in User Distribution System

Abstract: By the rapid development of the wireless technology, the wireless inligent management system has widely applied in the user distribution system. This paper introduced the design of ZigBee wireless communication model, the application in this energy management system and the effect in energy conservation and consumption reduction.
Key Word: ZigBee, Wireless Communication Model, Distribution System,
 Energy Management

0　 引言
　　隨著范圍內(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zui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，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。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
　　ZigBee無線技術(shù)的特點是低耗電、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)拓撲主要支持3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)中擔當通信的銜接作用，它負責把網(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的標準導(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，它負責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。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)，實現(xiàn)自組網(wǎng)的功能，尋址方式采用IEEE802.15.4/ZigBee標準地址，同一個中的網(wǎng)絡(luò)容量zui大為255個；4）可以配置無線網(wǎng)絡(luò)的ID、網(wǎng)絡(luò)通道，擴充網(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zui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)特別是耗能設(shè)備用電情況進行實時檢測計量、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行改進，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荷，已達到低碳經(jīng)濟、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），它是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，它還負責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zui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)實施運行。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，便于管理員更詳細的了解工廠的用電情況。

圖5　進線回路配電圖

 圖6　K1柜配電圖

　　圖7為某段時間內(nèi)的進線回路各項參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細地記錄了進線回路三相電壓、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，包括各回路進行柜的總電能及分支電能。

圖7　某段時間內(nèi)的進線回路各項參數(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)工藝流程進行監(jiān)測，為公司每年生產(chǎn)儀表的能耗進行統(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，達到每年儀表平均生產(chǎn)能耗逐年下降的目的，zui終到達節(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、成本高和升級維護困難等問題。
系統(tǒng)對整個廠區(qū)或整幢樓宇進行電能分項計量，詳細地統(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)，從而達到節(jié)能減耗的效果。

　　文章來源于：《軟件產(chǎn)業(yè)與工程》2011年1期。

參考文獻
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[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

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