ZigBee無線模塊在電能管理系統中的應用

1 　引言
　　隨著全球范圍內智能電網建設正逐步展開，用戶端是智能電網重要組成部分，用戶端的核心內容包括智能配電與能量管理、智能電器、用電安全、電力計量等多個方面。目前能量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，從而達到滿足系統性能和投資回報的要求。目前工業以太網、電力線載波及無線短距離通信被認為是AMR自動抄表系統可用的解決方案。其中無線短距離通信是一個很好的本地通信網絡的解決方案，工業以太網、GPRS及CDMA等遠距離通信可以作為遠程通信網絡，以這樣方式的混合組網被公認為一種很好的解決方案。隨著一種新興的短距離、低速率無線網絡技術ZigBee技術的興起，基于ZigBee技術的本地無線自動抄表系統成為了一個熱點。本文主要介紹了一款基于ZigBee技術無線模塊的設計及其在ZigBee無線自動抄表系統中的應用。

2 　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。

3 　ZigBee無線模塊的設計
　　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。ZigBee無線模塊的技術指標如表1所示。

表1　ZigBee無線模塊的技術指標

　　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；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。

圖1　ZigBee模塊側視圖

3.1 硬件設計
　　ZigBee無線通信模塊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，其原理框圖如圖2所示。

圖2　ZigBee通信模塊

　　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，把交流電源轉換成我們需要的直流電源；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，它的原理圖如圖3所示；功率放大器采用SKY65336，它最大可以支持20dbm的功率放大功能，其原理圖如圖4所示；信號轉換電路分RS485轉換電路和以太網轉換電路，其中以太網部分采用周立功的IPORT以太網模塊。

圖3　MC13213原理圖

圖4　SKY65336原理圖

3.2 軟件設計
　　如圖5所示為ZigBee模塊網絡建立的流程圖，整個ZigBee網絡是由中心節點（即ZigBee網絡終端模塊）發起組建的，當網絡建立成功后，此時在同一個網絡頻段上，并且擁有和ZigBee相同網絡ID的ZigBee采集模塊可以自動加入此ZigBee網絡，并且每個ZigBee采集模塊獲得各自獨立的網絡地址。此時，整個ZigBee網絡建立成功，可以準備數據的收發，ZigBee網絡終端通過廣播的方式傳輸數據。

圖5　ZigBee模塊網絡建立流程圖

　　如圖6所示為ZigBee采集模塊數據傳輸的流程圖。首先ZigBee采集模塊接收來自ZigBee網絡終端模塊的數據。然后判斷是不是傳遞給自己的數據，如果是自己的數據則上傳相關的回復數據，如果不是則按照自己發現的路由表中的地址以廣播的方式轉發來自ZigBee網絡終端模塊的數據。最后完成所有工作后進入休眠模式，等待下次的訪問。

圖6　ZigBee采集模塊數據傳輸流程圖

　　ZigBee采集模塊及ZigBee網絡終端都是采用透明傳輸，即直接把以太網的數據轉換成ZigBee信號，其中不會增加多余數據，只把數據部分轉發，自動去掉幀頭、幀尾；RS485信號轉換ZigBee信號也是一樣的原理。

4 　基于ZigBee電能管理系統的應用
　　如圖7所示為ZigBee電能管理系統，本文遠程通信網絡采用工業以太網絡，網絡中電表的通信協議采用MODBUS-RTU協議。整個系統中監控主機通過以太網按照TCP/IP協議把MODBUS-RTU命令數據傳遞給ZigBee網絡中心節點，網絡中心節點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳遞給ZigBee無線網絡中的各個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，則做出相應的數據回復，通過原路返回給監控主機。

圖7　ZigBee電能管理系統

　　整個系統可以監測整個廠區或整幢樓宇等的各個分項的電能計量，譬如一個廠區路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生產線的耗電量等等，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，已達到節能減耗的效果。
　　目前整個系統在江陰某制造企業實施運行，按照分項計量的原則，把廠區內的各路進線和出線進行分項計量，圖8就是該廠區的配電圖，整個系統對所有的進線回路進行監控，并全部使用ZigBee采集模塊進行數據采集監控，其中包含電流、電壓、電能等參數，及一些簡單的開關量的控制。系統還對一些支路進行監視，譬如生產線、辦公樓、空調等等進行全方位的監視，這樣方便工廠了解各項數據，以便制定更詳細的節能方案。

圖8　廠區配電圖

　　目前，整個ZigBee無線電能管理系統采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖9為ZigBee無線電能管理系統中的通信圖，它列出了整個系統包含的所有表計。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。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。

圖9　ZigBee無線電能管理系統通信圖

　　整個系統運行良好，已經在現場運行了一段時間。圖10為一段時間內主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內的電流情況，從而反映整個廠區的負荷情況。

圖10　一段時間內主進線電流趨勢圖

　　圖11所示為一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12所示，它記錄了一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11　一段時間內的進線回路各項參數

圖12　各回路電能匯總

5 　總結
　　隨著無線通信及ZigBee技術的迅速發展，基于ZigBee的電能管理系統也將漸漸得到人們的關注。ZigBee可以很好的解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護和升級等問題，而且組網靈活性很高，在電能管理系統中應用前景非常廣泛，而且在智能電網領域內也有著廣泛的應用前景。
　　本文介紹的ZigBee無線模塊在ZigBee無線電能系統中得到了成功的應用，整個系統很好地對廠區中各路進線回路進行了監測，并能真實的反映廠區的負荷情況，將為節能減排做出應有的貢獻。而為了使ZigBee無線電能管理系統能更好地發揮它的優勢，還需不斷優化系統中的軟硬件設備。

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