ZigBee技术在用户端配电系统中的设计与应用

ZigBeeZigBee 技术在用户端配电系统中的设计与应用技术在用户端配电系统中的设计与应用 ZigBee 技术在用户端配电系统中的设计与应用 周中 1 潘能有 2 苏峰 1 1 上海安科瑞电气股份有限公司 嘉定 201801 2 湖南省建筑材料研究设计院有限公司 长沙 410011 摘 要 随着无线技术的高速发展 无线智能管理系统也得到了迅速的应用 本文介绍 基于 ZigBee 无线通信模块的设计 以及 ZigBee 模块在电网用户端配电系统中的应用和为 工矿企业节能减耗方面的作用 关键词 ZigBee 通信模块 无线技术 配电系统 电能管理 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 随着全球范围内智能电网建设逐步展开 作为智能电网用户的配电系统智能化管理也 越来越重要 目前用户端配电管理系统都会考虑采用多种通信技术混合组网的方式 以克 服现有技术固有的一些不足 其中工业以太网 GPRS 及 CDMA 等作为远程通信网络 无线 短距离通信 载波等作为短程通信网络 即最后 1 公里内的通信方式 ZigBee 技术作为一 种新兴的短距离 低速率无线网络技术 是一种很好的短距离通信方式 它有很多优点 譬如低功耗 高可靠性 以及自组网功能等等 使它能在短距离通信方面有着很大的发展 空间 因此 基于 ZigBee 技术的无线自动抄表系统成为了一个热点 本文主要介绍一款 ZigBee 技术无线模块及基于 ZigBee 无线网络在工厂配电管理系统中的应用 1 ZigBee 技术的特点 ZigBee 无线技术的特点是低耗电 低成本 低数据速率 短距离 通信可靠性高 它 的网络拓扑主要支持 3 种自组织无线网络类型 即星型结构 Star 网状结构 Mesh 和树 型结构 Cluster Tree 特别是网状结构 具有很强的网络健壮性和系统可靠性 这使 ZigBee 技术在低耗电 低成本 低数据速率 可靠性强的无线抄表系统中发挥巨大的作用 目前 电能管理系统中运用的另外一些通信方式如低压电力线载波 PLC RS485 有 线通讯都存在各种各样的弊端 表 1 列出了 ZigBee 与其他通信技术的比较 从表 1 中可以 看出 ZigBee 技术优势比较明显 ZigBee 技术是电能管理系统中一种非常理想的通信方式 它适用于一些短距离无线电能管理系统通信方式的实现手段 例如写字楼 办公楼 宿舍 楼 工厂等无线电能管理系统 尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中 表 1 ZIGBEE 与其他信技术的比较 PLCRS485 ZigBee 无线 建网难度简单困难简单 一次性投资小一般较大 运行维护困难困难容易 通信速度低高高 可靠性差一般好 实时监控不能能能 2 ZigBee 无线模块的设计 1 ZigBee 无线模块是 ZigBee 无线配电管理系统中的主要组成部分 它在整个网络中担 当通信的衔接作用 它负责把网络中所有电表的通信连接起来 方便各个电表把数据上传 给主站 即电能管理中心 本文设计的 ZigBee 无线模块采用导轨式安装的安装方式 可以方便地安装在 35mm 的 标准导轨上 这使模块能灵活的安装在各类配电箱 配电柜中 其外观侧视图如图 1 所示 图 1 ZigBee 模块侧视图 ZigBee 无线模块分为两类 其中 ZigBee 信号转 RS485 信号的模块称为 ZigBee 采集模 块 它负责和下面电表之间的通信 而 ZigBee 信号转以太网信号的模块称为 ZigBee 网络 终端 它是整个 ZigBee 网络的组网发起者 即 ZigBee 网络中的中心节点 ZigBee 无线模 块的技术参数如下 1 采用 AC220V 输入 2 工作频率范围为 2 41GHz 2 48GHz RF 信道 为 16 接收灵敏度为 94dbm 发射功率为 27dbm 25dbm 3 采用 Mesh 网状网 实现自组 网的功能 寻址方式采用 IEEE802 15 4 ZigBee 标准地址 同一个中的网络容量最大为 255 个 4 可以配置无线网络的 ID 网络通道 扩充网络的容量 ZigBee 无线模块的原理框图如图 2 所示 它主要由开关电源部分 ZigBee 无线传输部 分及接口转换部分组成 开关电源电路部分主要采用美国 PI 公司 TOP221Y TOPSwitch 使用反激式功率变换电路 把交流电源转换成直流电源 无线传输部分主要采用 MC13213 芯片 它是 freescale 第二代 ZigBee 芯片 内部带有 MCU 芯片和无线收发器 功率放大器 采用 SKY65336 它最大可以支持 20dbm 的功率放大功能 图 2 ZigBee 通信模块 3 基于 ZigBee 配电管理系统的应用 ZigBee 配电管理系统对提高电能利用效率 实现节能减排 降低生产成本 为分布式 能源的利用具有重要意义 对用电系统各个环节特别是重点耗能设备用电情况进行实时检 测计量 数据采集 汇总分析 纵横比较等 发现电能使用不合理之处 通过人工干预或 自动控制的方法进行改进 优化用能设备 提高电能的使用效率 而且采用 ZigBee 无线网 络的形式使整个用户端电能管理系统的设计更加灵活 更加方便 不需要额外的铺设通信 电缆线 减少了人力成本 另外也可以建立与智能家具的通信 可以更方便地控制用电负 荷 已达到低碳经济 节约性社会的效果 图 3 为基于 ZigBee 配电管理系统系统框图 整个系统由一个 ZigBee 网络终端和若干 个 ZigBee 采集器组成 ZigBee 网络终端是整个 ZigBee 网络的协调者 ZigBee 中心节点 它是整个 ZigBee 网络的发起者 它还负责与配电管理中心的数据交互 主要采用以太网 GPRS 或 CDMA 等远距离通信方式 ZigBee 采集器在 ZigBee 网络中起到采集数据和网络路由 的作用 每个 ZigBee 采集器的 485 总线上最多能连接 32 个表计 系统中所有表计和主站 软件都是采用 MODBUS RTU 通信协议来通信的 2 图 3 基于 ZigBee 配电管理系统 目前 基于 ZigBee 无线网络配电管理系统在江苏江阴某仪表制造企业实施运行 系统 采用电能分项计量的原则 监测生产工艺中的各个流程以及工厂各个用电回路的用电情况 以报表或曲线的方式进行统计显示 整个 ZigBee 无线网络配电管理系统使用的无线模块为 21 个 使用的表计为 82 块 3 4 图 4 为 ZigBee 无线网络配电管理系统的通信框图 它详细的列出了 82 块表计的型号 及监测的回路 其中主要监测的对象有各个开关柜 控制柜进出回路的用电情况 生产工 艺中的各个工艺流程的用电情况 各条生产线用电情况 办公室的用电情况及各个空调回 路的用电情况等等 通过这些统计分析 让管理人员充分了解整个工厂的用能情况 通过 统计分析找出不合理用能因数 提出合理整改意见和措施 图 4 ZigBee 无线网络通信图 图 5 为该厂区进线回路配电图 图上显示的参数都是主站软件通过 ZigBee 无线网络采 集的各回路电力参数 图 6 是厂区几个主要配电柜的配电柜中 K1 柜的配电图 图上详细显 示了 K1 配电柜各个回路的电力参数值 便于管理员更详细的了解工厂的用电情况 图 5 进线回路配电图 图 6 K1 柜配电图 图 7 为某段时间内的进线回路各项参数的具体数值 它详细地记录了进线回路三相电 压 电流 有功电能 无功能电能 功率因素 频率参数 整个厂区各回路电能汇总如图 8 所示 它记录了某段时间内各个回路的耗电情况 包括各回路进行柜的总电能及分支电 能 图 7 某段时间内的进线回路各项参数 图 8 各回路电能汇总 通过基于 ZigBee 无线网络配电管理系统的建立 系统对整个生产工艺流程进行监测 为公司每年生产仪表的能耗进行统计分析 分析出本年度生产每一块仪表所用的电能 并 可以通过工序能耗分析 分析每道工序年度具体用电情况 并依据这些信息找出能耗比较 高的环节 从而制定来年的节能方案 通过每年根据系统采取的节能措施 达到每年仪表 平均生产能耗逐