ZigBee技术在用户端配电系统中的设计与应用

        0. 引言
        随着全球范围内智能电网建设逐步展开，作为智能电网用户的配电系统智能化管理也越来越重要。目前用户端配电管理系统都会考虑采用多种通信技术混合组网的方式，以克服现有技术固有的一些不足，其中工业以太网、GPRS及CDMA等作为远程通信网络；无线短距离通信、载波等作为短程通信网络，即最后1公里内的通信方式。ZigBee技术作为一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，是一种很好的短距离通信方式。它有很多优点，譬如低功耗、高可靠性，以及自组网功能等等，使它能在短距离通信方面有着很大的发展空间。因此，基于ZigBee技术的无线自动抄表系统成为了一个热点。本文主要介绍一款ZigBee技术无线模块及基于ZigBee无线网络在工厂配电管理系统中的应用。
        1. ZigBee技术的特点
        ZigBee无线技术的特点是低耗电、低成本、低数据速率、短距离、通信可靠性高。它的网络拓扑主要支持3种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。这使ZigBee技术在低耗电、低成本、低数据速率、可靠性强的无线抄表系统中发挥巨大的作用。
        目前，电能管理系统中运用的另外一些通信方式如低压电力线载波（PLC），RS485有线通讯都存在各种各样的弊端。表1列出了ZigBee与其他通信技术的比较，从表1中可以看出ZigBee技术优势比较明显。ZigBee技术是电能管理系统中一种非常理想的通信方式。它适用于一些短距离无线电能管理系统通信方式的实现手段，例如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线电能管理系统，尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中。
        表1  ZIGBEE与其他信技术的比较

        2. ZigBee无线模块的设计                            
        ZigBee无线模块是ZigBee无线配电管理系统中的主要组成部分，它在整个网络中担当通信的衔接作用，它负责把网络中所有电表的通信连接起来，方便各个电表把数据上传给主站（即电能管理中心）。
        本文设计的ZigBee无线模块采用导轨式安装的安装方式，可以方便地安装在35mm的标准导轨上，这使模块能灵活的安装在各类配电箱、配电柜中。其外观侧视图如图1所示。

        ZigBee无线模块分为两类，其中ZigBee信号转RS485信号的模块称为ZigBee采集模块，它负责和下面电表之间的通信；而ZigBee信号转以太网信号的模块称为ZigBee网络终端，它是整个ZigBee网络的组网发起者，即ZigBee网络中的中心节点。ZigBee无线模块的技术参数如下：1）采用AC220V输入；2）工作频率范围为2.41GHz~2.48GHz，RF信道为16，接收灵敏度为-94dbm，发射功率为-27dbm~25dbm；3）采用Mesh网状网，实现自组网的功能，寻址方式采用IEEE802.15.4/ZigBee标准地址，同一个中的网络容量最大为255个；4）可以配置无线网络的ID、网络通道，扩充网络的容量。
        ZigBee无线模块的原理框图如图2所示，它主要由开关电源部分、ZigBee无线传输部分及接口转换部分组成。开关电源电路部分主要采用美国PI公司TOP221Y（TOPSwitch），使用反激式功率变换电路，把交流电源转换成直流电源；无线传输部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，内部带有MCU芯片和无线收发器；功率放大器采用SKY65336，它最大可以支持20dbm的功率放大功能。    

                     
        3. 基于ZigBee配电管理系统的应用                          
        ZigBee配电管理系统对提高电能利用效率、实现节能减排、降低生产成，为分布式能源的利用具有重要意义。对用电系统各个环节特别是重点耗能设备用电情况进行实时检测计量、数据采集、汇总分析、纵横比较等，发现电能使用不合理之处，通过人工干预或自动控制的方法进行改进，优化用能设备，提高电能的使用效率。而且采用ZigBee无线网络的形式使整个用户端电能管理系统的设计更加灵活，更加方便，不需要额外的铺设通信电缆线，减少了人力成本。另外也可以建立与智能家具的通信，可以更方便地控制用电负荷，已达到低碳经济、节约性社会的效果。
        图3为基于ZigBee配电管理系统系统框图，整个系统由一个ZigBee网络终端和若干个ZigBee采集器组成。ZigBee网络终端是整个ZigBee网络的协调者（ZigBee中心节点），它是整个ZigBee网络的发起者，它还负责与配电管理中心的数据交互，主要采用以太网、GPRS或CDMA等远距离通信方式。ZigBee采集器在ZigBee网络中起到采集数据和网络路由的作用，每个ZigBee采集器的485总线上最多能连接32个表计。系统中所有表计和主站软件都是采用MODBUS-RTU通信协议来通信的。          

                              
        目前，基于ZigBee无线网络配电管理系统在江苏江阴某仪表制造企业实施运行。系统采用电能分项计量的原则，监测生产工艺中的各个流程以及工厂各个用电回路的用电情况，以报表或曲线的方式进行统计显示。整个ZigBee无线网络配电管理系统使用的无线模块为21个，使用的表计为82块。

        图4为ZigBee无线网络配电管理系统的通信框图，它详细的列出了82块表计的型号及监
        测的回路，其中主要监测的对象有各个开关柜、控制柜进出回路的用电情况，生产工艺中的各个工艺流程的用电情况，各条生产线用电情况，办公室的用电情况及各个空调回路的用电情况等等。通过这些统计分析，让管理人员充分了解整个工厂的用能情况，通过统计分析找出不合理用能因数，提出合理整改意见和措施。

        图5为该厂区进线回路配电图，图上显示的参数都是主站软件通过ZigBee无线网络采集的各回路电力参数。图6是厂区几个主要配电柜的配电柜中K1柜的配电图。图上详细显示了K1配电柜各个回路的电力参数值，便于管理员更详细的了解工厂的用电情况。   

                                 
        图7为某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8所示，它记录了某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。

        通过基于ZigBee无线网络配电管理系统的建立，系统对整个生产工艺流程进行监测，为公司每年生产仪表的能耗进行统计分析，分析出本年度生产每一块仪表所用的电能。并可以通过工序能耗分析，分析每道工序年度具体用电情况，并依据这些信息找出能耗比较高的环节，从而制定来年的节能方案。通过每年根据系统采取的节能措施，达到每年仪表平均生产能耗逐年下降的目的，最终到达节能减排的效果。
        4. 总结
        基于ZigBee无线网络配电管理系统组网方式比较灵活，而且有效减少了布线工作量，解决了有线通信方式带来的布线难度大、成本高和升级维护困难等问题。
        系统对整个厂区或整幢楼宇进行电能分项计量，详细地统计出各个分项的能耗，还可以以报表的形式分析每年各个分项能耗占总能耗的百分比，以便公司了解每年各个分项的能耗，为以后制定节能措施提供依据，从而达到节能减耗的效果。