ZigBee技術在用戶端配電系統中的設計與應用

0　 引言
　　隨著全球范圍內智能電網建設逐步展開，作為智能電網用戶的配電系統智能化管理也越來越重要。目前用戶端配電管理系統都會考慮采用多種通信技術混合組網的方式，以克服現有技術固有的一些不足，其中工業以太網、GPRS及CDMA等作為遠程通信網絡；無線短距離通信、載波等作為短程通信網絡，即最后1公里內的通信方式。ZigBee技術作為一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，是一種很好的短距離通信方式。它有很多優點，譬如低功耗、高可靠性，以及自組網功能等等，使它能在短距離通信方面有著很大的發展空間。因此，基于ZigBee技術的無線自動抄表系統成為了一個熱點。本文主要介紹一款ZigBee技術無線模塊及基于ZigBee無線網絡在工廠配電管理系統中的應用。

1　 ZigBee技術的特點
　　ZigBee無線技術的特點是低耗電、低成本、低數據速率、短距離、通信可靠性高。它的網絡拓撲主要支持3種自組織無線網絡類型，即星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。這使ZigBee技術在低耗電、低成本、低數據速率、可靠性強的無線抄表系統中發揮巨大的作用。
　　目前，電能管理系統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與其他通信技術的比較，從表1中可以看出ZigBee技術優勢比較明顯。ZigBee技術是電能管理系統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通信方式的實現手段，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線電能管理系統，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統中。

表1　ZIGBEE與其他信技術的比較

2　 ZigBee無線模塊的設計^[1]
　　ZigBee無線模塊是ZigBee無線配電管理系統中的主要組成部分，它在整個網絡中擔當通信的銜接作用，它負責把網絡中所有電表的通信連接起來，方便各個電表把數據上傳給主站（即電能管理中心）。
　　本文設計的ZigBee無線模塊采用導軌式安裝的安裝方式，可以方便地安裝在35mm的標準導軌上，這使模塊能靈活的安裝在各類配電箱、配電柜中。其外觀側視圖如圖1所示。

圖1　ZigBee模塊側視圖

　　ZigBee無線模塊分為兩類，其中ZigBee信號轉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信號轉以太網信號的模塊稱為ZigBee網絡終端，它是整個ZigBee網絡的組網發起者，即ZigBee網絡中的中心節點。ZigBee無線模塊的技術參數如下：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，發射功率為-27dbm~25dbm；3）采用Mesh網狀網，實現自組網的功能，尋址方式采用IEEE802.15.4/ZigBee標準地址，同一個中的網絡容量最大為255個；4）可以配置無線網絡的ID、網絡通道，擴充網絡的容量。
　　ZigBee無線模塊的原理框圖如圖2所示，它主要由開關電源部分、ZigBee無線傳輸部分及接口轉換部分組成。開關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，內部帶有MCU芯片和無線收發器；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配電管理系統的應用
　　ZigBee配電管理系統對提高電能利用效率、實現節能減排、降低生產成本，為分布式能源的利用具有重要意義。對用電系統各個環節特別是重點耗能設備用電情況進行實時檢測計量、數據采集、匯總分析、縱橫比較等，發現電能使用不合理之處，通過人工干預或自動控制的方法進行改進，優化用能設備，提高電能的使用效率。而且采用ZigBee無線網絡的形式使整個用戶端電能管理系統的設計更加靈活，更加方便，不需要額外的鋪設通信電纜線，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，已達到低碳經濟、節約性社會的效果。
　　圖3為基于ZigBee配電管理系統系統框圖，整個系統由一個ZigBee網絡終端和若干個ZigBee采集器組成。ZigBee網絡終端是整個ZigBee網絡的協調者（ZigBee中心節點），它是整個ZigBee網絡的發起者，它還負責與配電管理中心的數據交互，主要采用以太網、GPRS或CDMA等遠距離通信方式。ZigBee采集器在ZigBee網絡中起到采集數據和網絡路由的作用，每個ZigBee采集器的485總線上最多能連接32個表計。系統中所有表計和主站軟件都是采用MODBUS-RTU通信協議來通信的^[2]。

圖3　基于ZigBee配電管理系統

　　目前，基于ZigBee無線網絡配電管理系統在江蘇江陰某儀表制造企業實施運行。系統采用電能分項計量的原則，監測生產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計顯示。整個ZigBee無線網絡配電管理系統使用的無線 模塊為21個，使用的表計為82塊^[3][4] 。
　　圖4為ZigBee無線網絡配電管理系統的通信框圖，它詳細的列出了82塊表計的型號及監測的回路，其中主要監測的對象有各個開關柜、控制柜進出回路的用電情況，生產工藝中的各個工藝流程的用電情況，各條生產線用電情況，辦公室的用電情況及各個空調回路的用電情況等等。通過這些統計分析，讓管理人員充分了解整個工廠的用能情況，通過統計分析找出不合理用能因數，提出合理整改意見和措施。

圖4　ZigBee無線網絡通信圖

　　圖5為該廠區進線回路配電圖，圖上顯示的參數都是主站軟件通過ZigBee無線網絡采集的各回路電力參數。圖6是廠區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為某段時間內的進線回路各項參數的具體數值，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。整個廠區各回路電能匯總如圖8所示，它記錄了某段時間內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　某段時間內的進線回路各項參數

圖8　各回路電能匯總

　　通過基于ZigBee無線網絡配電管理系統的建立，系統對整個生產工藝流程進行監測，為公司每年生產儀表的能耗進行統計分析，分析出本年度生產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，并依據這些信息找出能耗比較高的環節，從而制定來年的節能方案。通過每年根據系統采取的節能措施，達到每年儀表平均生產能耗逐年下降的目的，最終到達節能減排的效果。

4　 總結
　　基于ZigBee無線網絡配電管理系統組網方式比較靈活，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、成本高和升級維護困難等問題。
　　系統對整個廠區或整幢樓宇進行電能分項計量，詳細地統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，為以后制定節能措施提供依據，從而達到節能減耗的效果。

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