ZigBee(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計與選型方案

1、ZigBee (物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計與選型方案發(fā)布日期：2011-2-16 14:43:57 ( 閱 334次)所屬頻道：電網(wǎng) 關(guān)鍵詞：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò) 電能管理系統(tǒng)1 概述隨著無線通信技術(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、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)，適用于

2、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/CDM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訊技術(shù)比較見表1。載波RS485ZigBee無線建網(wǎng)難度簡單困難簡單一次性投資小一般較大運行維護困難比較困難容易通信速度低高高可靠性差一般好實時監(jiān)控不能能能表1 ZigBee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較2. ZigBee技術(shù)特點ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準，從2004年發(fā)布ZigBee V1 . 0到最新的 增加了 Z

3、igBee-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等短距離無線通訊技術(shù)相比較，ZigBee的特點主要有：（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。低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/

4、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。 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310 S、Wi-Fi需3 S。 近距離，高容量。傳輸范圍一般介于 10100 m在增加RF發(fā)射功率后，亦 可增加到13 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。ZigBe

5、e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。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勺碰撞避免機制，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（AdvancedEncryption Standard ，AES）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。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 Scientif

6、ic Medical，ISM）頻段，分別為 2. 4 GHz（全球）、915 MHz美國）和 868 MHz歐洲）。3 ZigBee （物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng) 表計的選型方案應(yīng)用場合型號主要功能LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q PF、F、S）;四象限電能計量復(fù)費率電能統(tǒng)計；THDu THDi、2-31高壓重要回次各次諧波分量；電壓波峰系數(shù)、電路或低壓進線柜話波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電ACR330ELH流不平衡度計算；電網(wǎng)電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量;4DI+3DO（DO3故過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約L

7、CD顯示、全電參量測量（U、I、P、低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜ACR220ELQ PF、F）;四象限電能計量、復(fù)費率電能統(tǒng)計、最大需量統(tǒng)計;4DI+2DO RS485通訊接口、Modbus協(xié)議LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、ACR120ELQ PF、F）；四象限電能計量、復(fù)費率電能統(tǒng)計、最大需量統(tǒng)計;4DI+2DO RS485通訊接口、Modbus協(xié)議動力柜LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、DTSD1352(ADL3000)Q PF、F、S）;四象限電能計量復(fù)費率電能統(tǒng)計、最大需量統(tǒng)計；電流規(guī)格 1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20（80）A 可選、RS485通訊接口、Modb

8、us協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選照明箱DTSF1352(ADL300)電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、 20(80)A可選、復(fù)費率 電能統(tǒng)計、電能脈沖輸 出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或 DL/T 645規(guī)約可選三相電能計量DDSF1352(ADL100)電流、電壓 測量；單相 電能計量電流規(guī)格10(60)A、可編程、復(fù)費率電能統(tǒng)計、DDSD1352電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約可選全電參量測量(I、U P、Q S、PF、F)單相電能計量數(shù)據(jù)無線傳輸ANEZB-485ZIGBEE采集器米集來自485總線上的數(shù)據(jù)、完成48

9、5信號轉(zhuǎn)成無線信號、導(dǎo)軌式安裝ZIGBEE網(wǎng)終端ANEZB-GTW接收來自以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)、完成以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)成無線信號、導(dǎo)軌式安裝3.1 ZigBee采集器/終端主要參數(shù)見表2表2型ANEZB-485ANEZB-GTW號參數(shù)ZigBee采集器ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端無線頻率范圍2.41GHz2.48GHzRF信道16接收靈敏度-94dbm發(fā)射功率-27dbm25dbm天線外置SMA天線網(wǎng)絡(luò)拓撲網(wǎng)狀尋址方式IEEE802.15.4/ZigBee 標(biāo)準地址網(wǎng)絡(luò)容量最大255個節(jié)點通信接口通信接口RS485工業(yè)以太網(wǎng)波特率9600bps （默認）、4800bps、2400bps、1200bps 可選；通信

10、協(xié)議MODBUS-RTU 議LED指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示綠燈POWE指示紅燈數(shù)據(jù)指示綠燈電源輔助電源220V AC功耗4W電磁兼容浪涌電壓4000V快速瞬變?nèi)好}沖4000V靜電8000V機械尺寸89X 76x 74mm工作溫度-20 C 65°C儲藏溫度-40 C 85C3.2 ZigBee采集器 見圖3.2L NL N A B電源RS485圖3.2 ANEZB-485采集器接線3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端見圖3.33L N電源RJ45以太網(wǎng)接口圖3.3 ANEZG-GTV網(wǎng)絡(luò)終端接線圖4 ZigBee （物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò) 電能管理系統(tǒng)不管是有線還是無線，電能管理系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離和場

11、合等因素的影響而 各有其不同的解決方案。基于 ZigBee （物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(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ZigBee的定位是短距離的通信，應(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工 廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時，它所考慮的因素相對要少。圖4為ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖，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ACRE的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表等，它們與Zig

12、Bee 采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUfi信協(xié)議；ZigBee采集器下面最多可 以連接32個表；由于MODBU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)。圖4 ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個子

13、網(wǎng)組成示意圖5應(yīng)用實例圖5.1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。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

14、個辦公室的耗電量、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，已達到節(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，圖5.2就是該廠區(qū)的配電圖，整個系統(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、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、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)， 以便制定更詳細的節(jié)能方案

15、。圖5.2廠區(qū)配電圖該項目整個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。圖5.3為ZigBee能源管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個系統(tǒng)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(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。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。圖5.3 ZigBee能源管理系統(tǒng)通信圖整個系統(tǒng)運行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運行了一段時間。圖5.4為一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內(nèi)

16、的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負荷情況。1漣帆電進廿強圖5.4 一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖圖5.5為一段時間內(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D5.6所示，它記錄了一段時間內(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。:«iigt11Tj't - 4f-i* .d*li * T '1 d iff、w 7 ' na 匚 h '匚耳> !MJ- L-i- _ j |1 ' B訂壬丘和丘r t-Rii j *:_R, JYii

17、I- o flllfclju?1斥:丁 訓(xùn)a艸IT ”，J_1 e',! 1 j hg ill rb< "4 1 I K 14 XIi .1- ! J-dl J 好百E丄 ：BKi 1 riT Et ri±,i Lx 9a 1-g : 出i |« * 辰 r審r申F斤1汕1 qt»M 力，卜.*i；T'Fl 硝(n bf Itl# h h | j< f 7 4 1 arri -H S' H ' £ I1 '* 卜卅 la M nF W T ； JI * L:.h ii |W 1*T«

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20、-MSii"川MrH鼻MriJIML1fHlVTUl|-«*a« mBWM1HUHH. |:i4圖工6各回跆電能匯總、26系統(tǒng)報價單位：元（RMB名稱型號單位面價備注監(jiān)控主機IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166XDVD/KB+MS/D-Li nk530外設(shè)臺8500均可用戶自備，以 當(dāng)時市場價格為 準，該報價僅供參 考顯示器三星19寸液晶顯示器臺3000三星22寸液晶顯示器臺3800打印機HP LaserJet 1020 A4臺2500EPSON-LQ1600KIIIH A3臺4000UPS電源山特C1KS臺5000山特C2KS臺6500通訊機柜1200 X 600 X 600面30002200 X