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文檔簡(jiǎn)介
ZigBee技術(shù)在用戶端配電系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用周中1潘能有2蘇峰1(1.江蘇安科瑞電器制造有限公司江陰214405)(2.湖南省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司長(zhǎng)沙410011)摘要:隨著無(wú)線技術(shù)的高速發(fā)展,無(wú)線智能管理系統(tǒng)也得到了迅速的應(yīng)用。本文介紹基于ZigBee無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì),以及ZigBee模塊在電網(wǎng)用戶端配電系統(tǒng)中的應(yīng)用和為工礦企業(yè)節(jié)能減耗方面的作用。關(guān)鍵詞:ZigBee;通信模塊;無(wú)線技術(shù);配電系統(tǒng);電能管理TheDesignandApplicationofZigBeeTechnologyinUserDistributionSystemAbstract:Bytherapiddevelopmentofthewirelesstechnology,thewirelessintelligentmanagementsystemhaswidelyappliedintheuserdistributionsystem.ThispaperintroducedthedesignofZigBeewirelesscommunicationmodel,theapplicationinthisenergymanagementsystemandtheeffectinenergyconservationandconsumptionreduction.KeyWord:ZigBee,WirelessCommunicationModel,DistributionSystem,EnergyManagement0引言隨著全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)逐步展開,作為智能電網(wǎng)用戶的配電系統(tǒng)智能化管理也越來(lái)越重要。目前用戶端配電管理系統(tǒng)都會(huì)考慮采用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)的方式,以克服現(xiàn)有技術(shù)固有的一些不足,其中工業(yè)以太網(wǎng)、GPRS及CDMA等作為遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò);無(wú)線短距離通信、載波等作為短程通信網(wǎng)絡(luò),即最后1公里內(nèi)的通信方式。ZigBee技術(shù)作為一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),是一種很好的短距離通信方式。它有很多優(yōu)點(diǎn),譬如低功耗、高可靠性,以及自組網(wǎng)功能等等,使它能在短距離通信方面有著很大的發(fā)展空間。因此,基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)成為了一個(gè)熱點(diǎn)。本文主要介紹一款ZigBee技術(shù)無(wú)線模圖1ZigBee模塊側(cè)視圖塊及基于圖1ZigBee模塊側(cè)視圖1ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)ZigBee無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)是低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、短距離、通信可靠性高。它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕С?種自組織無(wú)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)(ClusterTree),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。這使ZigBee技術(shù)在低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、可靠性強(qiáng)的無(wú)線抄表系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。目前,電能管理系統(tǒng)中運(yùn)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與其他通信技術(shù)的比較,從表1中可以看出ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較明顯。ZigBee技術(shù)是電能管理系統(tǒng)中一種非常理想的通信方式。它適用于一些短距離無(wú)線電能管理系統(tǒng)通信方式的實(shí)現(xiàn)手段,例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無(wú)線電能管理系統(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。表1ZIGBEE與其他信技術(shù)的比較PLCRS485ZigBee無(wú)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2ZigBee無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)⑴ZigBee無(wú)線模塊是ZigBee無(wú)線配電管理系統(tǒng)中的主要組成部分,它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)通信的銜接作用,它負(fù)責(zé)把網(wǎng)絡(luò)中所有電表的通信連接起來(lái),方便各個(gè)電表把數(shù)據(jù)上傳給主站(即電能管理中心)。本文設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線模塊采用導(dǎo)軌式安裝的安裝方式,可以方便地安裝在35mm的開關(guān)電源電路圖2ZigBee通信模塊標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上,這使模塊能靈活的安裝在各類配電箱、配電柜中。其外觀側(cè)視圖如圖開關(guān)電源電路圖2ZigBee通信模塊ZigBee無(wú)線模塊分為兩類,其中ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)RS485信號(hào)的模塊稱為ZigBee采集模塊,它負(fù)責(zé)和下面電表之間的通信;而ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號(hào)的模塊稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端,它是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)發(fā)起者,即ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)。ZigBee無(wú)線模塊的技術(shù)參數(shù)如下:1)采用AC220V輸入;2)工作頻率范圍為2.41GHz?2.48GHz,RF信道為16,接收靈敏度為-94dbm,發(fā)射功率為-27dbm?25dbm;3)采用Mesh網(wǎng)狀網(wǎng),實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)的功能,尋址方式采用IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)地址,同一個(gè)中的網(wǎng)絡(luò)容量最大為255個(gè);4)可以配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的ID、網(wǎng)絡(luò)通道,擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的容量。ZigBee無(wú)線模塊的原理框圖如圖2所示,它主要由開關(guān)電源部分、ZigBee無(wú)線傳輸部分及接口轉(zhuǎn)換部分組成。開關(guān)電源電路部分主要采用美國(guó)PI公司TOP221Y(TOPSwitch),使用反激式功率變換電路,把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源;無(wú)線傳輸部分主要采用MC13213芯片,它是freescale第二代ZigBee芯片,內(nèi)部帶有MCU芯片和無(wú)線收發(fā)器;功率放大器采用SKY65336,它最大可以支持20dbm的功率放大功能。3基于ZigBee配電管理系統(tǒng)的應(yīng)用ZigBee配電管理系統(tǒng)對(duì)提高電能利用效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本,為分布式能源的利用具有重要意義。對(duì)用電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)特別是重點(diǎn)耗能設(shè)備用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、匯總分析、縱橫比較等,發(fā)現(xiàn)電能使用不合理之處,通過(guò)人工干預(yù)或自動(dòng)控
制的方法進(jìn)行改進(jìn),優(yōu)化用能設(shè)備,提高電能的使用效率。而且采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的形式使整個(gè)用戶端電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活,更加方便,不需要額外的鋪設(shè)通信電纜線,減少了人力成本。另外也可以建立與智能家具的通信,可以更方便地控制用電負(fù)荷,已達(dá)到低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)約性社會(huì)的效果。圖3為基于ZigBee配電管理系統(tǒng)系統(tǒng)框圖,整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端和若干個(gè)ZigBee采集器組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者(ZigBee中心節(jié)點(diǎn)),它是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者,它還負(fù)責(zé)與配電管理中心的數(shù)據(jù)交互,主要采用以太網(wǎng)、GPRS或CDMA等遠(yuǎn)距離通信方式。ZigBee采集器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中起到采集數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)路由的作用,每個(gè)ZigBee采集器的485總線上最多能連接32個(gè)表計(jì)。系統(tǒng)中所有表計(jì)和主站軟件都是采用MODBUS-RTU通信協(xié)議來(lái)通信的。⑵目前,基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)在江蘇江陰某儀表制造企業(yè)實(shí)施運(yùn)行。系統(tǒng)采用電能分項(xiàng)計(jì)量的原則,監(jiān)測(cè)生產(chǎn)工藝中的各個(gè)流程以及工廠各個(gè)用電回路的用電情況,以報(bào)表或曲線的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示。整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)使用的無(wú)線模塊為21個(gè),使用的表計(jì)為82塊。[3][4]圖3基于ZigBee配電管理系統(tǒng)它詳細(xì)的列出了82塊表計(jì)的型號(hào)及監(jiān)-■1進(jìn)線總表ACR330ELH-■2潰線控制柜ACR330ELH-■3東路動(dòng)力ARCM100-■4備用ARCM100-■5車間照明ATL30006備用ADL30007備用ADL3000TC圖3基于ZigBee配電管理系統(tǒng)它詳細(xì)的列出了82塊表計(jì)的型號(hào)及監(jiān)-■1進(jìn)線總表ACR330ELH-■2潰線控制柜ACR330ELH-■3東路動(dòng)力ARCM100-■4備用ARCM100-■5車間照明ATL30006備用ADL30007備用ADL3000TC酉8路燈門衛(wèi)ADL30009電容補(bǔ)傅柜PZ42AI310功率因數(shù)表ARC-12KI、K2總表ACRM100PB總線ACRM100備用ACRM100P德踐ACRffllOO—146照明插座ABL3000Ml墻柜-■20K1柜總表ACR330ELH->21空調(diào)總表ARCM100-■22苴他計(jì)量ARCM100-■23手工焊1空調(diào)ADL3000-■24SMT空調(diào)ADL3000-■25活洗間ADL3000-a26手工焊1ADL3000->27更衣室空調(diào)ADL3000-?28清洗間計(jì)星ARCM100ZIGBEE無(wú)線通訊模塊K1柜ITI30PME總表ACR330ELH-■31手工焊等總表ARCM100"■32SMT2ARCM100—■33SMTlADL3000"■34SMT3備用ADL3000-■35SMT4備用ADL3000—?36波峰堤ARCM10037手工焊ADL3000—,38手工焊ADL3000—39手工焊ADL3000—上,40開水箱ADL3000—41插件線ADL3000一42餐廳柜ADL3000I—■50K2柜總表ACR330ELH-■51柜式空調(diào)總表ARCM100-52空調(diào)頂機(jī)總表ARCM100—'53調(diào)試區(qū)空調(diào)1.2ADL3000-■154調(diào)試區(qū)空調(diào)3.4ADL3000—I55車間辦空調(diào)ADL3000—I56檢驗(yàn)區(qū)空調(diào)2.3ADL3000-■57包裝區(qū)空調(diào)ADL3000-■59真他計(jì)量ARCM100K2柜—60計(jì)量ACR220EL—:61風(fēng)機(jī)1ARD3T62總表ACR220EL—■63風(fēng)機(jī)2ARD3—樓柜體儀表ZigBee無(wú)線網(wǎng)I-H70PB柜總表ACR330ELH-■調(diào)試區(qū)1ARCM100-■"調(diào)試區(qū)2ARCM100-■花調(diào)試區(qū)3ADL300074檢驗(yàn)區(qū)ADL3000-?75來(lái)料區(qū)ADL3000-■76校驗(yàn)區(qū)4ARCM100-■77校驗(yàn)區(qū)3ADL3000-■78校驗(yàn)區(qū)2ADL3000—S79校驗(yàn)區(qū)1ATL3000—■80老化房1ATL3000―'81老化房3ADL3000—■82備用ADL3000-■83備用ATL3000—184包裝設(shè)備ADL3000—'85實(shí)驗(yàn)室ADL3000PB柜絡(luò)通信圖90元件庫(kù)空調(diào)2ABL300091元件庫(kù)空調(diào)3ABL300092來(lái)料檢空調(diào)ADL300093元件庫(kù)空調(diào)1ADL300094車間空調(diào)ADL300095實(shí)驗(yàn)室空調(diào)ADL300096半成品空調(diào)2ADL300098半成品空調(diào)1ABL300099研發(fā)二部空調(diào)ADL3000100研發(fā)一部空調(diào)ADL3000空調(diào)插座PZ箱個(gè)卜.64照明插座1ADL3000I-65照明插座2ADL3000I—|66照明插座3ADL3000M2墻柜測(cè)的回路,其中主要監(jiān)測(cè)的對(duì)象有各個(gè)開關(guān)柜、控制柜進(jìn)出回路的用電情況,生產(chǎn)工藝中的la86.1Alb66.1Ala74.5Alb84.3A[a31.9Alb39.3ACos0.60Ic44.1AP26.6Kwla0.0A400/5300/5300/5500/5備用PE總線K1.K2總線電容補(bǔ)償備用Ila86.1Alb66.1Ala74.5Alb84.3A[a31.9Alb39.3ACos0.60Ic44.1AP26.6Kwla0.0A400/5300/5300/5500/5備用PE總線K1.K2總線電容補(bǔ)償備用Ila180.0Alb191.2AIc180.6AP59.8KwCos0.92東路動(dòng)力總控制柜圖5進(jìn)線回路配電圖500/510/0圖6K1柜配電圖圖7為某段時(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(wú)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D8圖6K1柜配電圖通過(guò)基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)的建立,系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行監(jiān)測(cè),為公司每年生產(chǎn)儀表的能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分析出本年度生產(chǎn)每一塊儀表所用的電能。并可以通過(guò)工序能耗分析,分析每道工序年度具體用電情況,并依據(jù)這些信息找出能耗比較高的環(huán)節(jié),從而制定來(lái)年的節(jié)能方案。通過(guò)每年根據(jù)系統(tǒng)采取的節(jié)能措施,達(dá)到每年儀表平均生產(chǎn)能耗逐年下降的目的,最終到達(dá)節(jié)能減排的效果。4總結(jié)基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式比較靈活,而且有效減少了布線工作量,解決了有線通信方式帶來(lái)的布線難度大、成本高和升級(jí)維護(hù)困難等問(wèn)題。系統(tǒng)對(duì)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇進(jìn)行電能分項(xiàng)計(jì)量,詳細(xì)地統(tǒng)計(jì)出各個(gè)分項(xiàng)的能耗,還可以以報(bào)表的形式分析每年各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比,以便公司了解每年各個(gè)分項(xiàng)的能耗,為以后制定節(jié)能措施提供依據(jù),從而達(dá)到節(jié)能減耗的效果。ABCDEFGHIJKLMN01進(jìn)線回路2抄表時(shí)刻Ua(V)Ub(V)Uc(V)Uab(V)Ubc(V)Uac(V):琦域Ic(A)P(kw)Q(kvar)FFFR(Hz)Epi(kWh)32010/10/1313:14:53233.7225.6^31.5:3.90.1■3^8.8丟加.0143.2..餐9.1142.391.139.60.93700345383.042010/10/1314:14:53234.6225.9?S32.5/398.7鋰。.2.財(cái).9164.3:;1;93.7179.6111.142.10.918、.即.05345482.052010/10/1315:14:53237.0227.9^35.6403.5加.2蹴.1137.7..簿5.5141.0yi.142.70.86600345587.062010/10/1316:14:53238.1228.0:紊7.4404.7.406.6407.65>2:03.6璜£0131.035.20.937'?即?oo345699.072010/10/1317:14:53238.3232.4237.1407.1瘋9.0fcLO.3W2.7174.1160.4113.933.10.961板0.00345810.082010/10/1318:14:53240.4229.2:".0403.6.404.8.螂.790.7:,?凝5.8148.587.333.00.937'?期?00345902.092010/10/1319:14:53238.7225.2滲31.1??3.99.7血.8翔.4119.7笑65.1130.484.647.90.852板0.03345985.0102010/10/1320:14:53239.2226.6231.3400.4402.6404.4117.4165.7129.489.930.70.94549.98346069.0112010/10/1321:14:53239.0227.0230.9401.14oi.r404.1107.我144.4135.389.731.90.92950.02蹣L44.0122010/10/1322:14:53238.9229.6236.4405.3406.5409.1124.2155.6143.789.341.b0.88950.03.34S219.0132010/10/1323:14:53236.9229.6230.0401.9401.6404.391.5109.4123.170.023.40.93449.97JS&293.0圖7某段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)ABCDE各回路電能匯總表2起止時(shí)間:W010年偵月12日13^1^2^—2.010年偵月14日13時(shí)1敏物秒3所處位置回路名稱起始電能值"結(jié)束電能值用電量(kWh)4?一樓K1柜母柜進(jìn)線總表計(jì)量102065.0102827.0762.05一樓K1柜空調(diào)總表909.5909.50.06——樓K1柜空壓機(jī)、會(huì)議室234.4234.40.07一樓K1柜空調(diào)機(jī)111840.811840.80.0
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