摘    要：隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，無線智能管理系統(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,；無線技術(shù)；配電系統(tǒng),；電能管理

0　 引言
　　隨著范圍內(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)，即后1公里內(nèi)的通信方式,。ZigBee技術(shù)作為種新興的短距離,、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是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)成為了個(gè)熱點(diǎn),。本文主要介紹款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)中種非常理想的通信方式,。它適用于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)^[1]                            
　　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信號轉(zhuǎn)RS485信號的模塊稱為ZigBee采集模塊，它負(fù)責(zé)和下面電表之間的通信；而ZigBee信號轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號的模塊稱為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，同個(gè)中的網(wǎng)絡(luò)容量大為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,，它大可以支持20dbm的功率放大功能。   

　　　　　　　圖2　ZigBee通信模塊                                  

3　 基于ZigBee配電管理系統(tǒng)的應(yīng)用                          
　　ZigBee配電管理系統(tǒng)對提高電能利用效率,、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,。對用電系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)特別是耗能設(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^[2],。

圖3　基于ZigBee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^[3][4] ,。                               
　　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)的型號及監(jiān)測的回路,，其中主要監(jiān)測的對象有各個(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,。

圖4　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信圖

　　圖5為該廠區(qū)進(jìn)線回路配電圖,，圖上顯示的參數(shù)都是主站軟件通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采集的各回路電力參數(shù)。圖6是廠區(qū)幾個(gè)主要配電柜的配電柜中K1柜的配電圖,。圖上詳細(xì)顯示了K1配電柜各個(gè)回路的電力參數(shù)值,，便于管理員更詳細(xì)的了解工廠的用電情況。

圖5　進(jìn)線回路配電圖

圖6　K1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所示,，它記錄了某段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況,，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。

圖7　某段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)

圖8　各回路電能匯總

　　通過基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)的建立,，系統(tǒng)對整個(gè)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行監(jiān)測,，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)每塊儀表所用的電能,。并可以通過工序能耗分析，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),，從而制定來年的節(jié)能方案。通過每年根據(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,，終到達(dá)節(jié)能減排的效果。

4　 總結(jié)
　　基于ZigBee無線網(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的布線難度大、成本高和升級維護(hù)困難等問題,。
　　系統(tǒng)對整個(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,。

參考文獻(xiàn)
[1] 江蘇安科瑞電器制造有限公司產(chǎn)品手冊.2010.08版
[2] 郭丹, 李俊芳.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表, 2009, （04）
[3] 陳堂,，配電系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)[M].電力出版社，2004
[4] 周中,、任致程,，電力電測數(shù)字儀表原理與應(yīng)用指南.中國電力出版社，2007

作者簡介
周中（1967-）,，男,，本科，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏x表原理與應(yīng)用,；
蘇峰（1983-）,，男，碩士研究生,，工程師,，主要研究方向?yàn)閆igBee技術(shù)和電能檢測技術(shù)；

公司地址：江蘇省江陰市南閘鎮(zhèn)東盟路5號  ：214405 

：  

：徐玉麗 

：

主 頁：http://ipd.acrel.cn/