無(wú)線(xiàn)技術(shù)在配電系統中的應用

隨著(zhù)全球范圍內智能電網(wǎng)建設逐步展開(kāi)，作為智能電網(wǎng)用戶(hù)的配電系統智能化管理也越來(lái)越重要。目前用戶(hù)端配電管理系統都會(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等作為遠程通信網(wǎng)絡(luò )；無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(zhù)很大的發(fā)展空間。因此，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表系統成為了一個(gè)熱點(diǎn)。本文主要介紹一款ZigBee技術(shù)無(wú)線(xiàn)模塊及基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在工廠(chǎng)配電管理系統中的應用。

1. ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)是低耗電、低成本、低數據速率、短距離、通信可靠性高。它的網(wǎng)絡(luò )拓撲主要支持3種自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，即星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和樹(shù)型結構(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡(luò )健壯性和系統可靠性。這使ZigBee技術(shù)在低耗電、低成本、低數據速率、可靠性強的無(wú)線(xiàn)抄表系統中發(fā)揮巨大的作用。

目前，電能管理系統中運用的另外一些通信方式如低壓電力線(xiàn)載波（PLC），RS485有線(xiàn)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)勢比較明顯。ZigBee技術(shù)是電能管理系統中一種非常理想的通信方式。它適用于一些短距離無(wú)線(xiàn)電能管理系統通信方式的實(shí)現手段，例如寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)電能管理系統，尤其適用于一些布線(xiàn)困難舊樓改造的能耗管理系統中。

表1 ZIGBEE與其他信技術(shù)的比較

2. ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊的設計

ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊是ZigBee無(wú)線(xiàn)配電管理系統中的主要組成部分，它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中擔當通信的銜接作用，它負責把網(wǎng)絡(luò )中所有電表的通信連接起來(lái)，方便各個(gè)電表把數據上傳給主站（即電能管理中心）。

本文設計的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊采用導軌式安裝的安裝方式，可以方便地安裝在35mm的標準導軌上，這使模塊能靈活的安裝在各類(lèi)配電箱、配電柜中。其外觀(guān)側視圖如圖1所示。

圖1 ZigBee模塊側視圖

ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊分為兩類(lèi)，其中ZigBee信號轉RS485信號的模塊稱(chēng)為ZigBee采集模塊，它負責和下面電表之間的通信；而ZigBee信號轉以太網(wǎng)信號的模塊稱(chēng)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 )中的中心節點(diǎn)。ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊的技術(shù)參數如下：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)現自組網(wǎng)的功能，尋址方式采用IEEE802.15.4/ZigBee標準地址，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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的ID、網(wǎng)絡(luò )通道，擴充網(wǎng)絡(luò )的容量。

ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊的原理框圖如圖2所示，它主要由開(kāi)關(guān)電源部分、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸部分及接口轉換部分組成。開(kāi)關(guān)電源電路部分主要采用美國PI公司TOP221Y（TOPSwitch），使用反激式功率變換電路，把交流電源轉換成直流電源；無(wú)線(xiàn)傳輸部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，內部帶有MCU芯片和無(wú)線(xiàn)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。

圖2 ZigBee模塊通信圖

3. 基于ZigBee配電管理系統的應用

ZigBee配電管理系統對提高電能利用效率、實(shí)現節能減排、降低生產(chǎn)成本，為分布式能源的利用具有重要意義。對用電系統各個(gè)環(huán)節特別是重點(diǎn)耗能設備用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測計量、數據采集、匯總分析、縱橫比較等，發(fā)現電能使用不合理之處，通過(guò)人工干預或自動(dòng)控制的方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化用能設備，提高電能的使用效率。而且采用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的形式使整個(gè)用戶(hù)端電能管理系統的設計更加靈活，更加方便，不需要額外的鋪設通信電纜線(xiàn)，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荷，已達到低碳經(jīng)濟、節約性社會(huì )的效果。

圖3為基于ZigBee配電管理系統系統框圖，整個(gè)系統由一個(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)調者（ZigBee中心節點(diǎn)），它是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的發(fā)起者，它還負責與配電管理中心的數據交互，主要采用以太網(wǎng)、GPRS或CDMA等遠距離通信方式。ZigBee采集器在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中起到采集數據和網(wǎng)絡(luò )路由的作用，每個(gè)ZigBee采集器的485總線(xiàn)上最多能連接32個(gè)表計。系統中所有表計和主站軟件都是采用MODBUS-RTU通信協(xié)議來(lái)通信的。

圖3 基于ZigBee的配電管理系統

目前，基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )配電管理系統在江蘇江陰某儀表制造企業(yè)實(shí)施運行。系統采用電能分項計量的原則，監測生產(chǎn)工藝中的各個(gè)流程以及工廠(chǎng)各個(gè)用電回路的用電情況，以報表或曲線(xiàn)的方式進(jìn)行統計顯示。整個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )配電管理系統使用的無(wú)線(xiàn)模塊為21個(gè)，使用的表計為82塊。

圖4 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信圖

圖4為ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )配電管理系統的通信框圖，它詳細的列出了82塊表計的型號及監

測的回路，其中主要監測的對象有各個(gè)開(kāi)關(guān)柜、控制柜進(jìn)出回路的用電情況，生產(chǎn)工藝中的各個(gè)工藝流程的用電情況，各條生產(chǎn)線(xiàn)用電情況，辦公室的用電情況及各個(gè)空調回路的用電情況等等。通過(guò)這些統計分析，讓管理人員充分了解整個(gè)工廠(chǎng)的用能情況，通過(guò)統計分析找出不合理用能因數，提出合理整改意見(jiàn)和措施。