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(xiàn)技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)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(xiàn)通信模塊的設(shè)計(jì)，以及ZigBee模塊在電網(wǎng)用戶(hù)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(wú)線(xiàn)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 intelligent 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
　　隨著全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)逐步展開(kāi)，作為智能電網(wǎng)用戶(hù)的配電系統(tǒng)智能化管理也越來(lái)越重要。目前用戶(hù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)模塊及基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在工廠(chǎng)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(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹(shù)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(xiàn)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(xiàn)載波（PLC），RS485有線(xiàn)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(xiàn)電能管理系統(tǒng)通信方式的實(shí)現(xiàn)手段，例如寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)電能管理系統(tǒng)，尤其適用于一些布線(xiàn)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(wú)線(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)^[1]                            
　　ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊是ZigBee無(wú)線(xiàn)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(lái)，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(xiàn)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(lèi)配電箱、配電柜中。其外觀(guān)側(cè)視圖如圖1所示。

  圖1　ZigBee模塊側(cè)視圖

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊分為兩類(lèi)，其中ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)RS485信號(hào)的模塊稱(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)模塊的原理框圖如圖2所示，它主要由開(kāi)關(guān)電源部分、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸部分及接口轉(zhuǎn)換部分組成。開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的形式使整個(gè)用戶(hù)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(xiàn)，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(xiàn)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(lái)通信的^[2]。

 

圖3　基于ZigBee配電管理系統(tǒng)

　　目前，基于ZigBee無(wú)線(xiàn)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(chǎng)各個(gè)用電回路的用電情況，以報(bào)表或曲線(xiàn)的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示。整個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)使用的無(wú)線(xiàn)    模塊為21個(gè)，使用的表計(jì)為82塊^[3][4] 。                               
　　圖4為ZigBee無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(guò)這些統(tǒng)計(jì)分析，讓管理人員充分了解整個(gè)工廠(chǎng)的用能情況，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析找出不合理用能因數(shù)，提出合理整改意見(jiàn)和措施。

圖4　ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信圖

　　圖5為該廠(chǎng)區(qū)進(jìn)線(xiàn)回路配電圖，圖上顯示的參數(shù)都是主站軟件通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采集的各回路電力參數(shù)。圖6是廠(chǎng)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(chǎng)的用電情況。

圖5　進(jìn)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)回路各項(xiàng)參數(shù)

圖8　各回路電能匯總

　　通過(guò)基于ZigBee無(wú)線(xiàn)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(guò)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(lái)年的節(jié)能方案。通過(guò)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(xiàn)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(xiàn)工作量，解決了有線(xiàn)通信方式帶來(lái)的布線(xiàn)難度大、成本高和升級(jí)維護(hù)困難等問(wèn)題。
　　系統(tǒng)對(duì)整個(gè)廠(chǎng)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)
[1] 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2010.08版
[2] 郭丹, 李俊芳.ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表, 2009, (04)
[3] 陳堂，配電系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)[M].電力出版社，2004
[4] 周中、任致程，電力電測(cè)數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南.中國(guó)電力出版社，2007

作者簡(jiǎn)介
周中（1967-），男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏x表原理與應(yīng)用；
蘇峰（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)閆igBee技術(shù)和電能檢測(cè)技術(shù)

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