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G

2、PRS/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2 Zigbee技術(shù)特點Zigbee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準,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(

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: 圖2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲分類(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)

4、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

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準(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)拓撲網(wǎng)狀尋址方式IEEE802.15.4/Zigbee標準地址網(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機械尺寸89×76×74mm工作溫度-2065儲藏溫度-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標準導軌安裝,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、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)200628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)200715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)

9、場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 、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。7 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),

10、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。在電能管理中,供電部門一般會在總進線處安裝收費電表?？紤]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7 收費電表與電力儀表之比較內(nèi)容收費電表電力儀表 外形圖安裝方式掛壁式安裝,應(yīng)單獨設(shè)置電表箱,

11、不易安裝在低壓柜、動力箱、照明箱內(nèi) 導軌式安裝,易安裝在動力箱、照明箱內(nèi)嵌入式安裝,易安裝在低壓柜、動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 合同能源管理表計的選型方案8.1 高壓回路或低壓進線回路選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、表度計算;電網(wǎng)電壓電流正、負、零序分量(含負序電流測量;4DI+3DO (DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警;RS485通訊接口、Modbus 協(xié)議或DL/T645規(guī)約。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、全電參量測量(U 、I 、P 、Q 、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。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、全電參量測量(U 、I 、P 、Q 、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;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 。適用于動力柜,見圖8.3。 DTSD1352導軌式電表主要功能: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、最大需量統(tǒng)計;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)。適用于動力柜,見圖8.4。 DTSF1352導軌式電表主要功能: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。外形尺寸:126×89×74mm,7模數(shù)。適用于照明箱的三相電能計量,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。外形尺寸:76×89×74mm,4模數(shù)。適用于照明箱的電流、電壓測量;單相電能計量,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?；赯igbee 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

16、少。圖9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個表;圖8.2 ACR220ELH 電力儀圖8.3 ACR120EL 電力儀表 圖8.4 DTSD1352導軌式電圖8.5 DTSF1352導軌式電圖8.6 DDSF135

17、2導軌式電由于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)。 圖9 Zigbee無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖10 基于Zigbee合同能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實例圖10.1為Zigbee能源管理系統(tǒng),遠程通信網(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。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、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

19、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10.2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。電能管理中心遠程通信網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng)、GPRS 、CDMA 等ZigBee 中心節(jié)點ZigB

20、ee 通信網(wǎng)絡(luò)ZigBee 采集器1表計1.RS485表計32ZigBee 采集器2表計1.RS485表計32ZigBee 采集器n表計1.RS485表計32圖10.1 Zigbee 能源管理系統(tǒng) 圖10.2 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10.3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

21、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10.3 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10.4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)的電流情況,從而反映整個廠區(qū)的負荷情況。 圖10.4 一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖圖10.5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D10.6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。 圖10.5 一段時間內(nèi)的進線回路各項參數(shù) 圖10.6 各回路

22、電能匯總11 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/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外設(shè)臺 8500 均可用戶自備,以當時市場價格為準,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 2500 EPSON-LQ1600KIIIH A3臺 4000 UPS 電源 山特C1KS 臺 5000 山特C2KS 臺 6500 通訊機柜 1200×600×600面30002200×600×600 面5000通訊轉(zhuǎn)換擴展卡ACRNET-PCI/4 塊3000 擴展卡串口服務(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ACRNET-UC02(2口 只4000通訊前