周中1 潘能有2 蘇峰1 師晴晴
（1.江陰新米兰体育電器製造有限公司 江蘇江陰 214405）
（2.湖南省建築材料研究設計院有限公司 長沙 410011）
摘 要：隨著無線技術的高速發展，無線智能管理係統也得到了迅速的應用。本文介紹基於(yu) ZigBee無線通信模塊的設計，以及ZigBee模塊在電網用戶端配電係統中的應用和為(wei) 工礦企業(ye) 節能減耗方麵的作用。---ZigBee技術在用戶端配電係統中的設計與(yu) 應用
關(guan) 鍵詞：ZigBee；通信模塊；無線技術；配電係統；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
隨著全球範圍內(nei) 智能電網建設逐步展開，作為(wei) 智能電網用戶的配電係統智能化管理也越來越重要。目前用戶端配電管理係統都會(hui) 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(ye) 以太網、GPRS及CDMA等作為(wei) 遠程通信網絡；無線短距離通信、載波等作為(wei) 短程通信網絡，即後1公裏內(nei) 的通信方式。ZigBee技術作為(wei) 一種新興(xing) 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(you) 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麵有著很大的發展空間。因此，基於(yu) ZigBee技術的無線自動抄表係統成為(wei) 了一個(ge) 熱點。本文主要介紹一款ZigBee技術無線模塊及基於(yu) ZigBee無線網絡在工廠配電管理係統中的應用。
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係統可靠性。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係統中發揮巨大的作用。
目前，電能管理係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(yu) 其他通信技術的比較，從(cong) 表1中可以看出ZigBee技術優(you) 勢比較明顯。ZigBee技術是電能管理係統中一種非常理想的通信方式。它適用於(yu) 一些短距離無線電能管理係統通信方式的實現手段，例如寫(xie) 字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線電能管理係統，尤其適用於(yu) 一些布線困難舊樓改造的能耗管理係統中。
表1 ZIGBEE與(yu) 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無線配電管理係統中的主要組成部分，它在整個(ge) 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(ge) 電表把數據上傳(chuan) 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、配電櫃中。其外觀側(ce) 視圖如圖1所示。
圖1 ZigBee模塊側(ce) 視圖
ZigBee無線模塊分為(wei) 兩(liang) 類，其中ZigBee信號轉RS485信號的模塊稱為(wei) ZigBee采集模塊，它負責和下麵電表之間的通信；而ZigBee信號轉以太網信號的模塊稱為(wei) ZigBee網絡終端，它是整個(ge) 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）工作頻率範圍為(wei) 2.41GHz~2.48GHz，RF信道為(wei) 16，接收靈敏度為(wei) -94dbm，發射功率為(wei) -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(ge) 中的網絡容量為(wei) 255個(ge) ；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(guan) 電源部分、ZigBee無線傳(chuan) 輸部分及接口轉換部分組成。開關(guan) 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(chuan) 輸部分主要采用MC13213芯片，它是freescale**代ZigBee芯片，內(nei) 部帶有MCU芯片和無線收發器；功率放大器采用SKY65336，它可以支持20dbm的功率放大功能。
圖2 ZigBee通信模塊
3 基於(yu) ZigBee配電管理係統的應用
ZigBee配電管理係統對提高電能利用效率、實現節能減排、降低生產(chan) 成本，為(wei) 分布式能源的利用具有重要意義(yi) 。對用電係統各個(ge) 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，通過人工幹預或自動控製的方法進行改進，優(you) 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(ge) 用戶端電能管理係統的設計更加靈活，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(yu) 智能家具的通信，可以更方便地控製用電負荷，已達到低碳經濟、節約性社會(hui) 的效果。
圖3為(wei) 基於(yu) ZigBee配電管理係統係統框圖，整個(ge) 係統由一個(ge) ZigBee網絡終端和若幹個(ge) ZigBee采集器組成。ZigBee網絡終端是整個(ge) ZigBee網絡的協調者（ZigBee中心節點），它是整個(ge) ZigBee網絡的發起者，它還負責與(yu) 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(ge) ZigBee采集器的485總線上多能連接32個(ge) 表計。係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 基於(yu) ZigBee配電管理係統
目前，基於(yu) ZigBee無線網絡配電管理係統在江蘇江陰某儀(yi) 表製造企業(ye) 實施運行。係統采用電能分項計量的原則，監測生產(chan) 工藝中的各個(ge) 流程以及工廠各個(ge) 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(ge) ZigBee無線網絡配電管理係統使用的無線 模塊為(wei) 21個(ge) ，使用的表計為(wei) 82塊[3][4] 。
圖4為(wei) ZigBee無線網絡配電管理係統的通信框圖，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(ge) 開關(guan) 櫃、控製櫃進出回路的用電情況，生產(chan) 工藝中的各個(ge) 工藝流程的用電情況，各條生產(chan) 線用電情況，辦公室的用電情況及各個(ge) 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(ge) 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(wei) 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(ge) 主要配電櫃的配電櫃中K1櫃的配電圖。圖上詳細顯示了K1配電櫃各個(ge) 回路的電力參數值，便於(yu) 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櫃配電圖
圖7為(wei) 某段時間內(nei) 的進線回路各項參數的具體(ti) 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(ge) 廠區各回路電能匯總如圖8所示，它記錄了某段時間內(nei) 各個(ge) 回路的耗電情況，包括各回路進行櫃的總電能及分支電能。
圖7 某段時間內(nei) 的進線回路各項參數
圖8 各回路電能匯總
通過基於(yu) ZigBee無線網絡配電管理係統的建立，係統對整個(ge) 生產(chan) 工藝流程進行監測，為(wei) 公司每年生產(chan) 儀(yi) 表的能耗進行統計分析，分析出本年度生產(chan) 每一塊儀(yi) 表所用的電能。並可以通過工序能耗分析，分析每道工序年度具體(ti) 用電情況，並依據這些信息找出能耗比較高的環節，從(cong) 而製定來年的節能方案。通過每年根據係統采取的節能措施，達到每年儀(yi) 表平均生產(chan) 能耗逐年下降的目的，終到達節能減排的效果。
4 總結
基於(yu) ZigBee無線網絡配電管理係統組網方式比較靈活，而且減少了布線工作量，解決(jue) 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。
係統對整個(ge) 廠區或整幢樓宇進行電能分項計量，詳細地統計出各個(ge) 分項的能耗，還可以以報表的形式分析每年各個(ge) 分項能耗占總能耗的百分比，以便公司了解每年各個(ge) 分項的能耗，為(wei) 以後製定節能措施提供依據，從(cong) 而達到節能減耗的效果。
參考文獻
[1] 上海新米兰体育電氣股份有限公司產(chan) 品手冊(ce) .2010.08版
[2] 郭丹, 李俊芳.ZigBee無線網絡技術在抄表係統中的應用[J].自動化儀(yi) 表, 2009, (04)
[3] 陳堂，配電係統及其自動化技術[M].電力出版社，2004
[4] 周中、任致程，電力電測數字儀(yi) 表原理與(yu) 應用指南.中國電力出版社，
作者簡介：
師晴晴（1985－），女，漢族，本科，工程師，主要研究方向為(wei) 智能建築供配電監控係統
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