周 中1 張 婷2
上海安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801
隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制、遠程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
由于ZigBee的優(yōu)越特性，基于ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓和工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測及管理系統(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。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。ZigBee與其他最后一公里通信技術(shù)比較見表1。
表1 ZigBee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較
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PLC
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RS485
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ZigBee無線
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建網(wǎng)難度
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簡單
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困難
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簡單
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一次性投資
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小
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一般
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較大
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運行維護
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困難
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比較困難
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容易
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通信速度
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低
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高
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高
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可靠性
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差
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一般
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好
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實時監(jiān)控
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不能
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能
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能
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ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到最新的增加了ZigBee-PRO擴展指令集的ZigBee2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。ZigBee具備強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1)，它支持3種主要的自組織無線網(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。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通信技術(shù)相比較，ZigBee的特點主要有。
圖1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸悺 ?/p>
(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。
(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時。ZigBee的最大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
(5)高可靠性和高安全性。Zigbee的媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
ZigBee性能參數(shù)
ZigBee采集器/終端主要參數(shù)見表2。
表2
合同能源管理的意義
合同能源管理是發(fā)達國家普遍推行的、運用市場手段促進節(jié)能的服務(wù)機制。節(jié)能服務(wù)公司與用戶簽訂能源管理合同，為用戶提供節(jié)能診斷、融資和改造等服務(wù)，并以節(jié)能效益分享方式回收投資和獲得合理利潤，可以大大降低用能單位節(jié)能改造的資金和技術(shù)風(fēng)險，充分調(diào)動用能單位節(jié)能改造的積極性，是行之有效的節(jié)能措施。根據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》和《國務(wù)院關(guān)于加強節(jié)能工作的決定》（國發(fā)〔2006〕28號）、《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國發(fā)〔2007〕15號）等文件精神，加快推行合同能源管理，促進節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展是必然趨勢。
安科瑞合同能源管理系統(tǒng)結(jié)合自身產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用現(xiàn)場總線或無線通信中的一種或多種結(jié)合的最優(yōu)化的組網(wǎng)方式，實現(xiàn)遠程變配電監(jiān)控、電能集抄與質(zhì)量管理，同時也為用戶節(jié)約了大量的一次投入成本。公司研發(fā)的系統(tǒng)組態(tài)平臺集成了國內(nèi)外多種工業(yè)現(xiàn)場通訊規(guī)約，如IEC60870-5-101/102/103/104、CANBus、PorfiBus、DNP、CDT和ModBus等，以及最新的IEC61850通信體系，可支持大量的第三方智能化設(shè)備或進口設(shè)備的接入，先進的系統(tǒng)架構(gòu)支持信息共享和Web發(fā)布，解決了配電監(jiān)控信息孤島的難題。專家報表的自動生成大大減輕了值班人員的工作量，提高節(jié)能管理的工作效率。
能源管理系統(tǒng)計量體系宜選電力儀表
建立合同能源管理系統(tǒng)，應(yīng)先建立計量體系。數(shù)據(jù)先于決策，節(jié)能始于計量。為了不重復(fù)投資，造成浪費，能源管理系統(tǒng)應(yīng)與配電系統(tǒng)一體化，直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數(shù)據(jù)。
電能計量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表，不宜用收費電表。收費電表與電力儀表之比較見表3。在電能管理中，供電部門一般會在總進線處安裝收費電表。考慮內(nèi)部電能計量與節(jié)能管理的需要，在用戶安裝收費電表的基礎(chǔ)上安裝電力儀表，用于內(nèi)部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應(yīng)注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區(qū)的分項電能數(shù)據(jù)的采集，通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項計量。
表3 收費電表與電力儀表之比較
ZigBee無線抄表解決方案
不管是有線還是無線，抄表系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案。基于Zigbee抄表系統(tǒng)也不會脫離這個約束，它也會由環(huán)境、距離和場合等因素的影響而異，有不同的解決方案。由于ZiBbee的定位是短距離的通信，應(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓和工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時，它所考慮的因素相對要少。
ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成的整個系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò)ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個子網(wǎng)主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表等，它們與ZigBee采集器之間采用RS485通信，采用MODBUS通信協(xié)議；ZigBee采集器下面最多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個ZigBee子網(wǎng)中最多能連接255個表；為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（ZigBee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節(jié)點的通信正常；另外考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網(wǎng)中的無線節(jié)點（即ZigBee采集器）的個數(shù)不應(yīng)大于60個，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個ZigBee子網(wǎng)都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數(shù)。
基于ZigBee合同能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實例
圖2為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠程通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù)，通過原路返回給監(jiān)控主機。
圖2 ZigBee能源管理系統(tǒng)
整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分項的電能計量，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室的耗電量和各條生產(chǎn)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(nèi)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，以達到節(jié)能減耗的效果。
目前整個系統(tǒng)在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進線和出線進行分項計量，廠區(qū)的配電系統(tǒng)對所有的進線回路進行監(jiān)控，并全部使用Zigbee采集模塊進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓和電能等參數(shù)及一些簡單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對一些支路進行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓和空調(diào)等等進行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項數(shù)據(jù)，以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。
該項目整個ZigBee能源管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。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(diào)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。這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。
整個系統(tǒng)運行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運行了一段時間。實時反映了工廠這段時間內(nèi)的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負(fù)荷情況。
結(jié)束語
能源日益緊張，節(jié)能降耗是社會發(fā)展的必然選擇，而合同能源管理系統(tǒng)為用戶提供了一個良好機制。通過Zigbee無線模塊與電力儀表建立能源管理的計量體系，可以減少重復(fù)投資，省掉布線，使用戶電力智能監(jiān)控與能源管理一體化。系統(tǒng)在世博VIP酒店、蘇州創(chuàng)業(yè)園和廣州亞運會網(wǎng)球中心等項目中運行，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。
文章來源于：《電氣時代》2011年第1期。
作者簡介：
1、 周中，研究方向為能源管理系統(tǒng)、變配電智能監(jiān)控技術(shù)
2、 張婷，研究方向為變配電智能監(jiān)控技術(shù) Tel:15052183915 Email:ACRELDJH@163.COM QQ:1990381446
