無線技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

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)無線模塊及基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在工廠配電管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1. ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee無線技術(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。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1 ZIGBEE與其他信技術(shù)的比較

2. ZigBee無線模塊的設(shè)計(jì)

ZigBee無線模塊是ZigBee無線配電管理系統(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，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1所示。

圖1 ZigBee模塊側(cè)視圖

ZigBee無線模塊分為兩類，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。

圖2 ZigBee模塊通信圖

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)議來通信的。

圖3 基于ZigBee的配電管理系統(tǒng)

目前，基于ZigBee無線網(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無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)使用的無線模塊為21個(gè)，使用的表計(jì)為82塊。

圖4 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信圖

圖4為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)的通信框圖，它詳細(xì)的列出了82塊表計(jì)的型號(hào)及監(jiān)

測的回路，其中主要監(jiān)測的對(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)工藝中的各個(gè)工藝流程的用電情況，各條生產(chǎn)線用電情況，辦公室的用電情況及各個(gè)空調(diào)回路的用電情況等等。通過這些統(tǒng)計(jì)分析，讓管理人員充分了解整個(gè)工廠的用能情況，通過統(tǒng)計(jì)分析找出不合理用能因數(shù)，提出合理整改意見和措施。