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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
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PLC |
RS485 |
ZigBee無線 |
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建網(wǎng)難度 |
簡單 |
困難 |
簡單 |
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一次性投資 |
小 |
一般 |
較大 |
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運行維護 |
困難 |
困難 |
容易 |
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通信速度 |
低 |
高 |
高 |
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可靠性 |
差 |
一般 |
好 |
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實時監(jiān)控 |
不能 |
能 |
能 |
2. ZigBee無線模塊的設(shè)計
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(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) 圖1 ZigBee模塊側(cè)視圖
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Z
igBee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。
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 圖3 基于ZigBee配電管理系統(tǒng)
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。
圖4 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信圖
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5 進線回路配電圖
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 K1柜配電圖
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，最終到達節(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(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。
參考文獻
[1] 上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊.2010.08版
[2] 周中、任致程，電力電測數(shù)字儀表原理與應用指南.中國電力出版社，2007
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