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安科瑞Zigbee(物联网)无线网络电能管理系统设计与选型方案 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途ZigBee(物联网）无线网络电能管理系统设计与选型方案徐 霜上海安科瑞电气股份有限公司 上海 嘉定 2018011概述随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为ZigBee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。由于ZigBee的优越特性，基于ZigBee技术的无线组网是一种比较合适的下行信道的实现手段.适合应用于一些短距离的无线网络的组网,例如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络,适用于企业内部能耗监测及管理系统，尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中.而若将其与成熟的工业以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，与后台管理主站组成一个完整的集抄和监控系统，则可以为远程管理提供一个有效的解决方案。ZigBee与其他最后一公里通讯技术比较见表1。载波RS485ZigBee无线建网难度简单困难简单一次性投资小一般较大运行维护困难比较困难容易通信速度低高高可靠性差一般好实时监控不能能能 表1 ZigBee与其他“最后一公里”技术的比较 2ZigBee技术特点ZigBee协议基于IEEE 802。15.4标准，从2004年发布ZigBee V10到最新的增加了ZigBee-PRO扩展指令集的ZigBee2006版本，ZIGBEE功能不断强大。ZigBee具备强大的设备联网功能(见图1)，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构（Star）、网状结构（Mesh）和树型结构(Cluster Tree），特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。与目前普遍应用的wiFi、Bluetooth等短距离无线通讯技术相比较,ZigBee的特点主要有：图1 ZigBee网络拓扑分类(1）工作周期短、收发信息功耗较低,并且RFD（Reduced Function Device，简化功能器件)采用了休眠模式，不工作时都可以进入睡眠模式.（2）低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4 KB代码.（3）低速率、短延时.ZigBee的最大通信速率达到250 kbs（工作在24 GHz时），满足低速率传输数据的应用需求。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需310 S、Wi-Fi需3 S。(4）近距离，高容量。传输范围一般介于10100 m，在增加RF发射功率后,亦可增加到13 km.这指的是相邻节点间的距离，若通过路由和节点间通信的接力，扩展后达到几百米甚至几公里。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构。由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点.（5）高可靠性和高安全性。ZigBee的媒体接入控制层（Medium Access Control,MAC）采用CSMA/CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。ZigBee还提供了3级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AdvancedEncryption Standard，AES)的对称密码，以灵活确定其安全属性.(6）免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(Industrial Scientific Medical，ISM）频段，分别为24 GHz(全球)、915 MHz(美国）和868 MHz（欧洲)。3 ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统表计的选型方案应用场合型号主要功能高压重要回路或低压进线柜ACR330ELHLCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）;四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量(含负序电流)测量;4DI+3DO（DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约低压联络柜、出线柜ACR220ELLCD显示、全电参量测量(U、I、P、Q、PF、F)；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议动力柜ACR120ELLCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议DTSD1352(ADL3000)LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；电流规格1.5（6）A、5（20）A、10（40)A、20（80）A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选照明箱DTSF1352（ADL300)电流规格1。5(6）A、5(20)A、10(40)A、20（80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选三相电能计量DDSF1352(ADL100）电流、电压测量；单相电能计量DDSD1352电流规格10(60)A、可编程、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约可选全电参量测量（I、U、P、Q、S、PF、F）单相电能计量数据无线传输ANEZB485 ZIGBEE采集器采集来自485总线上的数据、完成485信号转成无线信号、导轨式安装ANEZBGTW ZIGBEE网络终端接收来自以太网上的数据、完成以太网信号转成无线信号、导轨式安装3。1 ZigBee采集器/终端主要参数见表2. 表2 型号 参 数ANEZB-485ZigBee采集器ANEZBGTWZigBee网络终端无线频率范围2。41GHz2。48GHzRF信道16接收灵敏度94dbm发射功率-27dbm25dbm天 线外置SMA天线网络拓扑网状寻址方式IEEE802。15。4/ZigBee标准地址网络容量最大255个节点通信接口通信接口RS485工业以太网波特率9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选；通信协议MODBUSRTU协议LED指示网络状态指示绿灯POWER指示红灯数据指示绿灯电源辅助电源220V AC功耗4W电磁兼容浪涌电压4000V快速瞬变群脉冲4000V静电8000V机械尺寸897674mm工作温度-2065储藏温度-40853.2 ZigBee采集器 见图3.2 图3。2 ANEZB-485采集器接线3。3 ZigBee网络终端 见图3.3 图3。3 ANEZG-GTW网络终端接线图4 ZigBee(物联网)无线网络电能管理系统不管是有线还是无线,电能管理系统总会受到环境、距离和场合等因素的影响而各有其不同的解决方案。基于ZigBee（物联网)无线网络电能管理系统也不会脱离这个约束，它也会由环境、距离和场合等因素的影响而异,有不同的解决方案。由于ZigBee的定位是短距离的通信,应用于写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络时,它所考虑的因素相对要少。图4为ZigBee无线集抄系统单个子网组成示意图，整个系统前面阐述的系统体系结构的组成一样，主要由上行网络工业以太网和下行网络ZigBee无线局域网络组成。整个子网主要由电表、ZigBee采集器以及ZigBee网络终端组成。电表可以采用ACREL的1352系列卡式电能表和ACR网络电力仪表等,它们与ZigBee采集器之间采用RS485通讯,采用MODBUS通信协议；ZigBee采集器下面最多可以连接32个表；由于MODBUS地址有限，整个ZigBee子网中最多能连接255个表；为了保障通信连接的可靠性，有的时候要视环境和距离的情况，需要多加几个路由功能的网络节点（ZigBee采集器配置成路由功能)，以保证有些孤远节点的通信正常；另外考虑到无线网络的拥塞度和实时性传输，建议整个子网中的无线节点(即ZigBee采集器）的个数不应大于60个，这样能保证网络中的通信质量。每个ZigBee子网都有各自的ID识别和频段的划分,这样可以帮助扩充更多的表计数。图4 ZigBee无线集抄系统单个子网组成示意图5 应用实例图5。1为ZigBee能源管理系统，远程通信网络采用工业以太网络,网络中电表的通信协议采用MODBUSRTU协议。整个系统中监控主机通过以太网按照TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网络中心节点，网络中心节点再通过单点对多点的通信模式，以广播的方式把命令数据帧传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器,通过ZigBee采集器传递给485总线上的各个表计,如果表计的地址与命令帧中所涉及的地址吻合，则做出相应的数据回复,通过原路返回给监控主机。整个系统可以监测整个厂区或整幢楼宇等的各个分项的电能计量，譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生产线的耗电量等等,还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比，以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已达到节能减耗的效果。目前整个系统在江苏安科瑞实施运行,按照分项计量的原则，把厂区内的各路进线和出线进行分项计量，图5.2就是该厂区的配电图，整个系统对所有的进线回路进行监控,并全部使用ZigBee采集模块进行数据采集监控，其中包含电流、电压、电能等参数，及一些简单的开关量的控制。系统还对一些支路进行监视,譬如生产线、办公楼、空调等等进行全方位的监视，这样方便工厂了解各项数据，以便制定更详细的节能方案。图5.1 ZigBee能源管理系统图5.2 厂区配电图该项目整个ZigBee能源管理系统采用的无线模块为21个，包括各类表记82个块。图5.3为ZigBee能源管理系统中的通信图，它列出了整个系统包含的所有表计。其中配电室的14个表通过485总线连接到一个ZigBee采集模块进行无线通信，各个空调插座由于比较分散，各采用一个ZigBee采集模块，等等。具体视表计的离散情况，集中在一起的用485总线连接一个模块,分散的分别连接一个模块.以这样的方式比较灵活，减少布线带来的困难。图5。3 ZigBee能源管理系统通信图 整个系统运行良好，已经在现场运行了一段时间。图5。4为一段时间内主进线电流趋势图，它实时反映了工厂这段时间内的电流情况,从而反映整个厂区的负荷情况.图5。4 一段时间内主进线电流趋势图图5。5为一段时间内的进线回路各项参数的具体数值，它详细地记录了进线回路三相电压、电流、有功电能、无功能电能、功率因素、频率参数.整个厂区各回路电能汇总如图5.6所示，它记录了一段时间内各个回路的耗电情况,包括各回路进行柜的总电能及分支电能。图5。5 一段时间内的进线回路各项参数 图5.6 各回路电能汇总6 系统报价单位：元（RMB）名称型号单位面价备注监控主机IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外设台8500均可用户自备，以当时市场价格为准，该报价仅供参考显示器三星19寸液晶显示器台3000三星22寸液晶显示器台3800打印机HP LaserJet 1020 A4台2500EPSON-LQ1600KIIIH A3台4000UPS电源山特C1KS台5000山特C2KS台6500通讯机柜1200600600面30002200600600面5000通讯转换扩展卡ACRNET-PCI/4块3000扩展卡串口服务器ACRNETPORT(2口）只3000串口服务器串口服务器ACRNETPORT（4口)只5500通讯前置机ACRNETUC02(2口)只4000通讯前置机通讯前置机ACRNET-UC04(4口)只6000通讯前置机ACRNET-UC08（8口）只11500通讯管理机ACRHMI台30000人机界面组网设备网络交换机EDS208台3000局域组网网络交换机EDS408台8500监控软件Acrel监控组态软件V6。0系统组态软件图形组态软件电能管理软件数据库软件套3万设备数量1104万设备数量11206万设备数量21408万设备数量418010万元以上设备数量80以上双机版套单机价格1。5数据转发每+1用户套3000Web发布每+1用户(总用户数5)套5000ZigBee无线模块ANEZB485台1200ANEZB-GTW台1500电力仪表ACR330ELH台4860ACR220ELH台4280ACR120ELH台3580导轨式安装电表DTSD1352台2050DTSF1352台1200DDSF1352台600DDSD1352台2950注：ZigBee无线模块、电力仪表、导轨式安装电表可按上述报价的70优惠供应。7 结束语ZigBee技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的一个，ZigBee（物联网）无线网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域.作者简介:1、 徐霜,研究方向为电能管理技术 Tel：[phone] Fax：[phone] Email:acrelxs。163。com12