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 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，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，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(dān)當通信的銜接作用，它負責(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(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。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(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