ZigBee(物联网)无线网络电能管理系统设计与选型方案

1、ZigBee (物联网)无线网络电能管理系统设计与选型方案发布日期：2011-2-16 14:43:57 ( 阅 334次)所属频道：电网 关键词：ZigBee无线网络 电能管理系统1 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

2、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/CDM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2. ZigBee技术特点ZigBee协议基于IEEE 802.15.4标准，从2004年发布ZigBee V1 . 0到最新的 增加了 Z

3、igBee-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wi-Fi、Bluetooth等短距离无线通讯技术相比较，ZigBee的特点主要有：（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。低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/

4、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。 低速率、短延时。ZigBee的最大通信速率达到250 kb/s（工作在2. 4 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。 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。ZigBe

5、e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。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勺碰撞避免机制，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。免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗 （Industrial Scientif

6、ic Medical，ISM）频段，分别为 2. 4 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；THDu THDi、2-31高压重要回次各次谐波分量；电压波峰系数、电路或低压进线柜话波形因子、电流K系数、电压与电ACR330ELH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故过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约L

7、CD显示、全电参量测量（U、I、P、低压联络柜、出线柜ACR220ELQ 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LCD显示、全电参量测量（U、I、P、ACR120ELQ 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LCD显示、全电参量测量（U、I、P、DTSD1352(ADL3000)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、Modb

8、us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 电能计量电流规格10(60)A、可编程、复费率电能统计、DDSD1352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ANEZB-485ZIGBEE采集器米集来自485总线上的数据、完成48

9、5信号转成无线信号、导轨式安装ZIGBEE网终端ANEZB-GTW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ANEZB-485ANEZB-GTW号参数ZigBee采集器ZigBee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

10、协议MODBUS-RTU 议LED指示网络状态指示绿灯POWE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89X 76x 74mm工作温度-20 C 65°C储藏温度-40 C 85C3.2 ZigBee采集器 见图3.2L NL N A B电源RS485图3.2 ANEZB-485采集器接线3.3 ZigBee网络终端见图3.33L N电源RJ45以太网接口图3.3 ANEZG-GTV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

11、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ACRE的1352系列卡式电能表和ACR网络电力仪表等，它们与Zig

12、Bee 采集器之间采用RS485通讯，采用MODBUfi信协议；ZigBee采集器下面最多可 以连接32个表；由于MODBU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

13、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MODBUS-RTU议。整个系统中监控主机通过以太网按照 TCP/IP 协议把MODBUS-RTU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

14、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

15、。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

16、的电流情况，从而反映整个厂区的负荷情况。1漣帆电进廿強图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。:«iigt11Tj't - 4f-i* .d*li * T '1 d iff、w 7 ' na 匚 h '匚耳> !MJ- L-i- _ j |1 ' B订壬丘和丘r t-Rii j *:_R, JYii

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20、-MSii"川MrH鼻MriJIML1fHlVTUl|-«*a« mBWM1HUHH. |:i4图工6各回跆电能汇总、26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/166XDVD/KB+MS/D-Li nk530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1200 X 600 X 600面30002200 X