物聯(lián)網(wǎng)(Zigbee)合同能源管理_圖文

1、物聯(lián)網(wǎng)(Zigbee合同能源管理王紅偉上海安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 2018011 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(dòng)控制、遠(yuǎn)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(shí)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),適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測(cè)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G

2、PRS/CDMA上行信道結(jié)合,與后臺(tái)管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng),則可以為遠(yuǎn)程管理提供一個(gè)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。Zigbee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較表1PLC RS485 Zigbee無線建網(wǎng)難度簡(jiǎn)單困難簡(jiǎn)單一次性投資小一般較大運(yùn)行維護(hù)困難比較困難容易通信速度低高高可靠性差一般好實(shí)時(shí)監(jiān)控不能能能2 Zigbee技術(shù)特點(diǎn)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(kuò)展指令集的Zigbee2006版本,ZIGBEE功能不斷強(qiáng)大。Zigbee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(

3、見圖2,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(qiáng)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(diǎn)主要有: 圖2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?1工作周期短、收發(fā)信息功耗較低,并且RFD(Reduced Function Device,簡(jiǎn)化功能器件采用了休眠模式,不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。(2低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10,降低了對(duì)通信控制器的要求,以8051的8位微控制器測(cè)算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子功能節(jié)

4、點(diǎn)少至4 KB代碼。(3低速率、短延時(shí)。Zigbee的最大通信速率達(dá)到250 kb/s(工作在2.4 GHz時(shí),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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需310 S、Wi-Fi需3 S。(4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(diǎn)間的距離,若通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,擴(kuò)展后達(dá)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。(5高可靠性

5、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(jī)制,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。Zigbee 還提供了3級(jí)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard,AES的對(duì)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(kuò)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。3 Z

6、igbee性能參數(shù)Zigbee采集器/終端主要參數(shù)見表3。表3型號(hào)參數(shù)ANEZB-485Zigbee采集器ANEZB-GTWZigbee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?fù)渚W(wǎng)狀尋址方式IEEE802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn)地址網(wǎng)絡(luò)容量最大255個(gè)節(jié)點(diǎn)通信接口通信接口RS485 工業(yè)以太網(wǎng)波特率9600bps(默認(rèn)、4800bps、2400bps、1200bps可選;通信協(xié)議MODBUS-RTU協(xié)議LED指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示綠燈POWER指示紅燈數(shù)據(jù)指示綠燈電源輔助電源220V AC 功耗4W

7、電磁兼容浪涌電壓4000V快速瞬變?nèi)好}沖4000V 靜電8000V機(jī)械尺寸89×76×74mm工作溫度-2065儲(chǔ)藏溫度-40854 Zigbee接線方式4.1 Zigbee采集器見圖4.1 圖4.1 ANEZB-485采集器接線4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端見圖4.2 圖4.2 ANEZG-GTW網(wǎng)絡(luò)終端接線圖5 外形與安裝尺寸(mm5.1 Zigbee采集器見圖5.1。 圖5.1 ANEZB-485采集器外形及尺寸5.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端見圖5.2。 圖5.2 ANEZB-GTW網(wǎng)絡(luò)終端外形及尺寸5.3 安裝方式采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝,見圖5.3。 圖5.3 Zig

8、bee模塊安裝方式6 合同能源管理的意義合同能源管理是發(fā)達(dá)國家普遍推行的、運(yùn)用市場(chǎng)手段促進(jìn)節(jié)能的服務(wù)機(jī)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、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(rùn),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(xiǎn),充分調(diào)動(dòng)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(qiáng)節(jié)能工作的決定(國發(fā)200628號(hào)、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)200715號(hào)等文件精神,加快推行合同能源管理,促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展是必然趨勢(shì)。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(shì),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用現(xiàn)

9、場(chǎng)總線或無線通訊中的一種或多種結(jié)合的最優(yōu)化的組網(wǎng)方式,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程變配電監(jiān)控、電能集抄與質(zhì)量管理,同時(shí)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(tái)集成了國內(nèi)外多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通訊規(guī)約,如IEC60870-5-101/102/103/104、CANBus 、PorfiBus 、DNP 、CDT 、ModBus 等,以及最新的IEC61850通訊體系,可支持大量的第三方智能化設(shè)備或進(jìn)口設(shè)備的接入,先進(jìn)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(bào)表的自動(dòng)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。7 能源管理系統(tǒng)計(jì)量體系宜選電力儀表建立合同能源管理系統(tǒng),

10、應(yīng)先建立計(jì)量體系。數(shù)據(jù)先于決策,節(jié)能始于計(jì)量。為了不重復(fù)投資,造成浪費(fèi),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(jì)量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表,不宜用收費(fèi)電表。在電能管理中,供電部門一般會(huì)在總進(jìn)線處安裝收費(fèi)電表?？紤]內(nèi)部電能計(jì)量與節(jié)能管理的需要,在用戶安裝收費(fèi)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(jì)量許可證。電力儀表可以完成對(duì)各回路、各功能區(qū)的分項(xiàng)電能數(shù)據(jù)的采集,通過后臺(tái)電能管理系統(tǒng)完成電能分項(xiàng)計(jì)量。表7 收費(fèi)電表與電力儀表之比較內(nèi)容收費(fèi)電表電力儀表 外形圖安裝方式掛壁式安裝,應(yīng)單獨(dú)設(shè)置電表箱,

11、不易安裝在低壓柜、動(dòng)力箱、照明箱內(nèi) 導(dǎo)軌式安裝,易安裝在動(dòng)力箱、照明箱內(nèi)嵌入式安裝,易安裝在低壓柜、動(dòng)力箱的門板上通訊規(guī)約DL/T645規(guī)約與配電系統(tǒng)不兼容Modbus 協(xié)議或DL/T645規(guī)約, Modbus 協(xié)議可與配電系統(tǒng)兼容8 合同能源管理表計(jì)的選型方案8.1 高壓回路或低壓進(jìn)線回路選ACR330ELH 儀表 該表為電能質(zhì)量分析儀表,主要功能有:LCD 顯示、全電參量測(cè)量(U 、I 、P 、Q 、PF 、F 、S ;四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì);THDu ,THDi 、2-31次各次諧波分量;電壓波峰系數(shù)、電話波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電流不平衡圖8.1 ACR330ELH 電力儀

12、表度計(jì)算;電網(wǎng)電壓電流正、負(fù)、零序分量(含負(fù)序電流測(cè)量;4DI+3DO (DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報(bào)警;RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議或DL/T645規(guī)約。外形尺寸:120×120mm ,開孔尺寸:108×108mm 。適用于高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜,見圖8.1。8.2 低壓聯(lián)絡(luò)或出線回路選ACR220ELH 電力儀表 該表主要功能有:LCD 顯示、全電參量測(cè)量(U 、I 、P 、Q 、PF 、F ;四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì);4DI+2DO ;RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議。外形尺寸:96×96mm ,開孔尺寸:88&#

13、215;88mm 。適用于低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜,見圖8.2。 8.3 動(dòng)力柜、照明箱選ACR120EL 電力儀表或?qū)к壥诫姳?ACR120EL 電力儀表主要功能有:LCD 顯示、全電參量測(cè)量(U 、I 、P 、Q 、PF 、F ;四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì);2DI+2DO ;RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議。外形尺寸:開孔尺寸80×80mm ,開孔尺寸72×72mm 。適用于動(dòng)力柜,見圖8.3。 DTSD1352導(dǎo)軌式電表主要功能:LCD 顯示、全電參量測(cè)量(U 、I 、P 、Q 、PF 、F 、S ;四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì);電流

14、規(guī)格1.5(6A 、5(20A 、10(40A 、20(80A 可選、RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸:126×89×74mm,7模數(shù)。適用于動(dòng)力柜,見圖8.4。 DTSF1352導(dǎo)軌式電表主要功能:電流規(guī)格1.5(6A 、5(20A 、10(40A 、20(80A 可選、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸:126×89×74mm,7模數(shù)。適用于照明箱的三相電能計(jì)量,見圖8.5。 照明箱DDSF1352電表主要功能:電流規(guī)格1.5(6A 、5(

15、20A 、10(40A 、20(80A 可選、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選。外形尺寸:76×89×74mm,4模數(shù)。適用于照明箱的電流、電壓測(cè)量;單相電能計(jì)量,見圖8.6。 9 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(huì)受到環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；赯igbee 抄表系統(tǒng)也不會(huì)脫離這個(gè)約束,它也會(huì)由環(huán)境、距離和場(chǎng)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(shí),它所考慮的因素相對(duì)要

16、少。圖9為Zigbee 無線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖,整個(gè)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(gè)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通訊,采用MODBUS 通信協(xié)議;Zigbee 采集器下面最多可以連接32個(gè)表;圖8.2 ACR220ELH 電力儀圖8.3 ACR120EL 電力儀表 圖8.4 DTSD1352導(dǎo)軌式電圖8.5 DTSF1352導(dǎo)軌式電圖8.6 DDSF135

17、2導(dǎo)軌式電由于MODBUS地址有限,整個(gè)Zigbee子網(wǎng)中最多能連接255個(gè)表;為了保障通信連接的可靠性,有的時(shí)候要視環(huán)境和距離的情況,需要多加幾個(gè)路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Zigbee采集器配置成路由功能,以保證有些孤遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的通信正常;另外考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實(shí)時(shí)性傳輸,建議整個(gè)子網(wǎng)中的無線節(jié)點(diǎn)(即Zigbee采集器的個(gè)數(shù)不應(yīng)大于60個(gè),這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個(gè)Zigbee子網(wǎng)都有各自的ID 識(shí)別和頻段的劃分,這樣可以幫助擴(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。 圖9 Zigbee無線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖10 基于Zigbee合同能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例圖10.1為Zigbee能源管理系統(tǒng),遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)

18、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(gè)系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)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(diǎn),網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)再通過單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(gè)Zigbee采集器,通過Zigbee采集器傳遞給485總線上的各個(gè)表計(jì),如果表計(jì)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(jī)。整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇等的各個(gè)分項(xiàng)的電能計(jì)量,譬如一個(gè)廠區(qū)路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等,還可以以報(bào)表的形式分析該工廠在一段時(shí)時(shí)

19、間內(nèi)的各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比,以便工廠了解這段時(shí)間里的各個(gè)分項(xiàng)的能耗,以制定出往后能耗管理方案,已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。目前整個(gè)系統(tǒng)在江蘇安科瑞實(shí)施運(yùn)行,按照分項(xiàng)計(jì)量的原則,把廠區(qū)內(nèi)的各路進(jìn)線和出線進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量,圖10.2就是該廠區(qū)的配電圖,整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有的進(jìn)線回路進(jìn)行監(jiān)控,并全部使用Zigbee 采集模塊進(jìn)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(jiǎn)單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對(duì)一些支路進(jìn)行監(jiān)視,譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進(jìn)行全方位的監(jiān)視,這樣方便工廠了解各項(xiàng)數(shù)據(jù),以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。電能管理中心遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng)、GPRS 、CDMA 等ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)ZigB

20、ee 通信網(wǎng)絡(luò)ZigBee 采集器1表計(jì)1.RS485表計(jì)32ZigBee 采集器2表計(jì)1.RS485表計(jì)32ZigBee 采集器n表計(jì)1.RS485表計(jì)32圖10.1 Zigbee 能源管理系統(tǒng) 圖10.2 廠區(qū)配電圖該項(xiàng)目整個(gè)Zigbee 能源管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個(gè),包括各類表記82個(gè)塊。圖10.3為Zigbee 能源管理系統(tǒng)中的通信圖,它列出了整個(gè)系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個(gè)表通過485總線連接到一個(gè)Zigbee 采集模塊進(jìn)行無線通信,各個(gè)空調(diào)插座由于比較分散,各采用一個(gè)Zigbee 采集模塊,等等。具體視表計(jì)的離散情況,集中在一起的用485總線連接一個(gè)模塊,分散的分別

21、連接一個(gè)模塊。以這樣的方式比較靈活,減少布線帶來的困難。 圖10.3 Zigbee 能源管理系統(tǒng)通信圖整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好,已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了一段時(shí)間。圖10.4為一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖,它實(shí)時(shí)反映了工廠這段時(shí)間內(nèi)的電流情況,從而反映整個(gè)廠區(qū)的負(fù)荷情況。 圖10.4 一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖圖10.5為一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)值,它詳細(xì)地記錄了進(jìn)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(gè)廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D10.6所示,它記錄了一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況,包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。 圖10.5 一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù) 圖10.6 各回路

22、電能匯總11 系統(tǒng)報(bào)價(jià)單位:元(RMB 名稱 型號(hào)單位 面價(jià) 備注監(jiān)控主機(jī) IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外設(shè)臺(tái) 8500 均可用戶自備,以當(dāng)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn),該報(bào)價(jià)僅供參考 顯示器 三星19寸液晶顯示器 臺(tái) 3000 三星22寸液晶顯示器 臺(tái) 3800 打印機(jī)HP LaserJet 1020 A4 臺(tái) 2500 EPSON-LQ1600KIIIH A3臺(tái) 4000 UPS 電源 山特C1KS 臺(tái) 5000 山特C2KS 臺(tái) 6500 通訊機(jī)柜 1200×600×600面30002200×600×600 面5000通訊轉(zhuǎn)換擴(kuò)展卡ACRNET-PCI/4 塊3000 擴(kuò)展卡串口服務(wù)器ACRNET-PORT(2口 只3000串口服務(wù)器串口服務(wù)器ACRNET-PORT(4口 只5500通訊前置機(jī)ACRNET-UC02(2口 只4000通訊前