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周 中¹  張 婷²

上海安科瑞電氣股份有限公司  上海 嘉定 201801

1 概述

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為Zigbee，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

由于Zigbee的優(yōu)越特性，基于Zigbee技術(shù)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測及管理系統(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。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠(yuǎn)程管理提供一個有效的解決方案。Zigbee與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見表1。

 Zigbee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較            表1

	PLC	RS485	Zigbee無線
建網(wǎng)難度	簡單	困難	簡單
一次性投資	小	一般	較大
運(yùn)行維護(hù)	困難	比較困難	容易
通信速度	低	高	高
可靠性	差	一般	好
實(shí)時監(jiān)控	不能	能	能

2 Zigbee技術(shù)特點(diǎn)

Zigbee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布Zigbee V1．0到最新的增加了Zigbee-PRO擴(kuò)展指令集的Zigbee2006版本，ZIGBEE功能不斷強(qiáng)大。Zigbee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖2)，它支持3種主要的自組織無線網(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。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術(shù)相比較，Zigbee的特點(diǎn)主要有：

(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時都可以進(jìn)入睡眠模式。

(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼。

(3)低速率、短延時。Zigbee的最大通信速率達(dá)到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。

(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，若通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，擴(kuò)展后達(dá)到幾百米甚至幾公里。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)。

(5)高可靠性和高安全性。Zigbee的媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。Zigbee還提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

3 Zigbee性能參數(shù)

Zigbee采集器/終端主要參數(shù)見表3。

                                                                           表3

型號   參 數(shù)	ANEZB-485 Zigbee采集器	ANEZB-GTW Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端
無線
頻率范圍	2.41GHz~2.48GHz
RF信道	16
接收靈敏度	-94dbm
發(fā)射功率	-27dbm~25dbm
天  線	外置SMA天線
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/div>	網(wǎng)狀
尋址方式	IEEE802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn)地址
網(wǎng)絡(luò)容量	最大255個節(jié)點(diǎn)
通信接口
通信接口	RS485	工業(yè)以太網(wǎng)
波特率	9600bps（默認(rèn)）、4800bps、2400bps、1200bps可選；
通信協(xié)議	MODBUS-RTU協(xié)議
LED指示
網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示	綠燈
POWER指示	紅燈
數(shù)據(jù)指示	綠燈
電源
輔助電源	220V AC
功耗	4W
電磁兼容	浪涌電壓4000V
	快速瞬變?nèi)好}沖4000V
	靜電8000V
機(jī)械尺寸	89×76×74mm
工作溫度	-20℃~65℃
儲藏溫度	-40℃~85℃

4 Zigbee接線方式

4.1 Zigbee采集器 見圖4.1

              

4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端 見圖4.2

           

5 外形與安裝尺寸(mm)

5.1 Zigbee采集器 見圖5.1。

5.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端 見圖5.2。

 

5.3 安裝方式

采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，見圖5.3。

 

6 合同能源管理的意義

合同能源管理是發(fā)達(dá)國家普遍推行的、運(yùn)用市場手段促進(jìn)節(jié)能的服務(wù)機(jī)制。節(jié)能服務(wù)公司與用戶簽訂能源管理合同，為用戶提供節(jié)能診斷、融資、改造等服務(wù)，并以節(jié)能效益分享方式回收投資和獲得合理利潤，可以大大降低用能單位節(jié)能改造的資金和技術(shù)風(fēng)險，充分調(diào)動用能單位節(jié)能改造的積極性，是行之有效的節(jié)能措施。根據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》和《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》（國發(fā)〔2006〕28號）、《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國發(fā)〔2007〕15號）等文件精神，加快推行合同能源管理，促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展是必然趨勢。

安科瑞合同能源管理系統(tǒng)結(jié)合自身產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用現(xiàn)場總線或無線通訊中的一種或多種結(jié)合的最優(yōu)化的組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程變配電監(jiān)控、電能集抄與質(zhì)量管理，同時也為用戶節(jié)約了大量的一次投入成本。公司研發(fā)的系統(tǒng)組態(tài)平臺集成了國內(nèi)外多種工業(yè)現(xiàn)場通訊規(guī)約，如IEC60870-5-101/102/103/104、CANBus、PorfiBus、DNP、CDT、ModBus等，以及最新的IEC61850通訊體系，可支持大量的第三方智能化設(shè)備或進(jìn)口設(shè)備的接入，先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)支持信息共享和Web發(fā)布，解決了配電監(jiān)控信息孤島的難題。專家報表的自動生成大大減輕了值班人員的工作量，提高節(jié)能管理的工作效率。

7 能源管理系統(tǒng)計(jì)量體系宜選電力儀表

建立合同能源管理系統(tǒng)，應(yīng)先建立計(jì)量體系。數(shù)據(jù)先于決策，節(jié)能始于計(jì)量。為了不重復(fù)投資，造成浪費(fèi)，能源管理系統(tǒng)應(yīng)與配電系統(tǒng)一體化，直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數(shù)據(jù)。

電能計(jì)量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表，不宜用收費(fèi)電表。在電能管理中，供電部門一般會在總進(jìn)線處安裝收費(fèi)電表。考慮內(nèi)部電能計(jì)量與節(jié)能管理的需要，在用戶安裝收費(fèi)電表的基礎(chǔ)上安裝電力儀表，用于內(nèi)部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應(yīng)注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計(jì)量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區(qū)的分項(xiàng)電能數(shù)據(jù)的采集，通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項(xiàng)計(jì)量。

表7 收費(fèi)電表與電力儀表之比較

內(nèi)容	收費(fèi)電表	電力儀表
外形圖
安裝方式	掛壁式安裝，應(yīng)單獨(dú)設(shè)置電表箱，不易安裝在低壓柜、動力箱、照明箱內(nèi)	導(dǎo)軌式安裝，易安裝在動力箱、照明箱內(nèi)	嵌入式安裝，易安裝在低壓柜、動力箱的門板上
通訊規(guī)約	DL/T645規(guī)約與配電系統(tǒng)不兼容	Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約， Modbus協(xié)議可與配電系統(tǒng)兼容

 

8 合同能源管理表計(jì)的選型方案

8.1 高壓回路或低壓進(jìn)線回路選ACR330ELH儀表

該表為電能質(zhì)量分析儀表，主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數(shù)、電話波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電流不平衡度計(jì)算；電網(wǎng)電壓電流正、負(fù)、零序分量（含負(fù)序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約。外形尺寸：120×120mm，開孔尺寸：108×108mm。適用于高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜，見圖8.1。

8.2 低壓聯(lián)絡(luò)或出線回路選ACR220ELH電力儀表

該表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：96×96mm，開孔尺寸：88×88mm。適用于低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜，見圖8.2。

8.3 動力柜、照明箱選ACR120EL電力儀表或?qū)к壥诫姳?nbsp;       

ACR120EL電力儀表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；2DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：開孔尺寸80×80mm，開孔尺寸72×72mm。適用于動力柜，見圖8.3。

圖8.4 DTSD1352導(dǎo)軌式電表

9 Zigbee無線抄表解決方案

不管是有線還是無線，抄表系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案。基于Zigbee抄表系統(tǒng)也不會脫離這個約束，它也會由環(huán)境、距離和場合等因素的影響而異，有不同的解決方案。由于Zigbee的定位是短距離的通信，應(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時，它所考慮的因素相對要少。

圖9為Zigbee無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖，整個系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò)Zigbee無線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個子網(wǎng)主要由電表、Zigbee采集器以及Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表等，它們與Zigbee采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUS通信協(xié)議；Zigbee采集器下面最多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個Zigbee子網(wǎng)中最多能連接255個表；為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（Zigbee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的通信正常；另外考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實(shí)時性傳輸，建議整個子網(wǎng)中的無線節(jié)點(diǎn)（即Zigbee采集器）的個數(shù)不應(yīng)大于60個，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個Zigbee子網(wǎng)都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。

 

10 基于Zigbee合同能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

圖10.1為Zigbee能源管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給Zigbee網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)再通過單點(diǎn)對多點(diǎn)的通信模式，以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中的各個Zigbee采集器，通過Zigbee采集器傳遞給485總線上的各個表計(jì)，如果表計(jì)的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù)，通過原路返回給監(jiān)控主機(jī)。

整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分項(xiàng)的電能計(jì)量，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內(nèi)的各個分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時間里的各個分項(xiàng)的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。

目前整個系統(tǒng)在江蘇安科瑞實(shí)施運(yùn)行，按照分項(xiàng)計(jì)量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進(jìn)線和出線進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，圖10.2就是該廠區(qū)的配電圖，整個系統(tǒng)對所有的進(jìn)線回路進(jìn)行監(jiān)控，并全部使用Zigbee采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓、電能等參數(shù)，及一些簡單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對一些支路進(jìn)行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進(jìn)行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。

 

該項(xiàng)目整個Zigbee能源管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖10.3為Zigbee能源管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個表通過485總線連接到一個Zigbee采集模塊進(jìn)行無線通信，各個空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個Zigbee采集模塊，等等。具體視表計(jì)的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個模塊，分散的分別連接一個模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。

 

整個系統(tǒng)運(yùn)行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運(yùn)行了一段時間。圖10.4為一段時間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢圖，它實(shí)時反映了工廠這段時間內(nèi)的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負(fù)荷情況。

 

圖10.5為一段時間內(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)。整個廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D10.6所示，它記錄了一段時間內(nèi)各個回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。

 

11 系統(tǒng)報價

單位：元（RMB）

名稱	型號		單位	面價	備注
監(jiān)控主機(jī)	IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外設(shè)		臺	8500	均可用戶自備，以當(dāng)時市場價格為準(zhǔn)，該報價僅供參考
顯示器	三星19寸液晶顯示器		臺	3000
	三星22寸液晶顯示器		臺	3800
打印機(jī)	HP LaserJet 1020 A4		臺	2500
	EPSON-LQ1600KIIIH A3		臺	4000
UPS電源	山特C1KS		臺	5000
	山特C2KS		臺	6500
通訊機(jī)柜	1200×600×600		面	3000
	2200×600×600		面	5000
通訊轉(zhuǎn)換	擴(kuò)展卡ACRNET-PCI/4		塊	3000	擴(kuò)展卡
	串口服務(wù)器ACRNET-PORT(2口)		只	3000	串口服務(wù)器
	串口服務(wù)器ACRNET-PORT(4口)		只	5500
	通訊前置機(jī)ACRNET-UC02(2口)		只	4000	通訊前置機(jī)
	通訊前置機(jī)ACRNET-UC04(4口)		只	6000
	通訊前置機(jī)ACRNET-UC08(8口)		只	11500
	通訊管理機(jī)ACRHMI		臺	30000	人機(jī)界面
組網(wǎng)設(shè)備	網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)EDS-208		臺	3000	局域組網(wǎng)
	網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)EDS-408		臺	8500
監(jiān)控軟件	Acrel監(jiān)控組態(tài)軟件V6.0	系統(tǒng)組態(tài)軟件 圖形組態(tài)軟件 電能管理軟件 數(shù)據(jù)庫軟件	套	3萬	設(shè)備數(shù)量1～10
				4萬	設(shè)備數(shù)量11～20
				6萬	設(shè)備數(shù)量21～40
				8萬	設(shè)備數(shù)量41～80
				10萬元以上	設(shè)備數(shù)量80以上
	雙機(jī)版		套		單機(jī)價格×1.5
	數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)	每+1用戶	套	3000
	Web發(fā)布	每+1用戶（總用戶數(shù)≤5）	套	5000
Zigbee 無線模塊	ANEZB-485		臺	1200
	ANEZB-GTW		臺	1500
電力儀表	ACR330ELH		臺	4860
	ACR220ELH		臺	4280
	ACR120ELH		臺	3580
導(dǎo)軌式安裝電表	DTSD1352		臺	2050
	DTSF1352		臺	1200
	DDSF1352		臺	600

注：Zigbee無線模塊、電力儀表、導(dǎo)軌式安裝電表可按上述報價的70%優(yōu)惠供應(yīng)。

 

12 結(jié)束語

能源日益緊張，節(jié)能降耗是社會發(fā)展的必然選擇，而合同能源管理系統(tǒng)為用戶提供了一個良好機(jī)制。通過Zigbee無線模塊與電力儀表建立能源管理的計(jì)量體系，可以減少重復(fù)投資，省掉布線，使用戶電力智能監(jiān)控與能源管理一體化。系統(tǒng)在世博VIP酒店、蘇州創(chuàng)業(yè)園、廣州亞運(yùn)會網(wǎng)球中心等項(xiàng)目中運(yùn)行，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

 

 

1、   周中，研究方向?yàn)槟茉垂芾硐到y(tǒng)、變配電智能監(jiān)控技術(shù)

2、   張婷，研究方向?yàn)樽兣潆娭悄鼙O(jiān)控技術(shù)