物聯(lián)網（ZigBee）合同能源管理

周 中¹張 婷²
上海安科瑞電氣股份有限公司  上海 嘉定 201801

　　隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現了面向低成本設備無線聯(lián)網要求的技術，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯(lián)網。
　　由于ZigBee的*特性，基于ZigBee技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現手段。適合應用于一些短距離的無線網絡的組網，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓和工廠等無線抄表網絡，適用于企業(yè)內部能耗監(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)以太網和GPRS/CDMA上行信道結合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個的解決方案。ZigBee與其他zui后一公里通信技術比較見表1。

表1　ZigBee與其他“zui后一公里”技術的比較    

　　ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到的增加了ZigBee-PRO擴展指令集的ZigBee2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。ZigBee具備強大的設備聯(lián)網功能（見圖1），它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構（Star）、網狀結構（Mesh）和樹型結構（Cluster Tree），特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通信技術相比較，ZigBee的特點主要有。

圖1　Zigbee網絡拓撲分類　　

　　（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，不工作時都可以進入睡眠模式。
　　（2）低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的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)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。
　　（3）低速率、短延時。ZigBee的zui大通信速率達到250 kb／s（工作在2．4 GHz時），滿足低速率傳輸數據的應用需求。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需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)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，zui多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
　　（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的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級安全模式，包括無安全設定、使用接人控制清單防止非法獲取數據以及采用加密標準（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。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段，分別為2．4 GHz（）、915 MHz（美國）和868 MHz（歐洲）。
 

ZigBee性能參數
　　ZigBee采集器/終端主要參數見表2。

表2

合同能源管理的意義
　　合同能源管理是發(fā)達國家普遍推行的、運用市場手段節(jié)能的服務機制。節(jié)能服務公司與用戶簽訂能源管理合同，為用戶提供節(jié)能診斷、融資和改造等服務，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風險，充分調動用能單位節(jié)能改造的積性，是行之的節(jié)能措施。根據《中華人民共和國節(jié)約能源法》和《國務院關于加強節(jié)能工作的決定》（國發(fā)〔2006〕28號）、《國務院關于印發(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，節(jié)能服務產業(yè)發(fā)展是必然趨勢。
　　安科瑞合同能源管理系統(tǒng)結合自身產品研發(fā)優(yōu)勢，根據現場實際情況采用現場總線或無線通信中的一種或多種結合的*化的組網方式，實現遠程變配電監(jiān)控、電能集抄與質量管理，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)平臺集成了外多種工業(yè)現場通訊規(guī)約，如IEC60870-5-101/102/103/104、CANBus、PorfiBus、DNP、CDT和ModBus等，以及的IEC61850通信體系，可支持大量的第三方智能化設備或進口設備的接入，的系統(tǒng)架構支持信息共享和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。

能源管理系統(tǒng)計量體系宜選電力儀表
　　建立合同能源管理系統(tǒng)，應先建立計量體系。數據先于決策，節(jié)能始于計量。為了不重復投資，造成浪費，能源管理系統(tǒng)應與配電系統(tǒng)一體化，直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數據。
　　電能計量宜采用電力儀表作為內部管理電表，不宜用收費電表。收費電表與電力儀表之比較見表3。在電能管理中，供電部門一般會在總進線處安裝收費電表。考慮內部電能計量與節(jié)能管理的需要，在用戶安裝收費電表的基礎上安裝電力儀表，用于內部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區(qū)的分項電能數據的采集，通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項計量。

表3　收費電表與電力儀表之比較

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ZiBbee的定位是短距離的通信，應用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓和工廠等無線抄表網絡時，它所考慮的因素相對要少。
　　ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個子網組成的整個系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結構的組成一樣，主要由上行網絡工業(yè)以太網和下行網絡ZigBee無線局域網絡組成。整個子網主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網絡終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網絡電力儀表等，它們與ZigBee采集器之間采用RS485通信，采用MODBUS通信協(xié)議；ZigBee采集器下面zui多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個ZigBee子網中zui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絡節(jié)點（ZigBee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節(jié)點的通信正常；另外考慮到無線網絡的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網中的無線節(jié)點（即ZigBee采集器）的個數不應大于60個，這樣能保證網絡中的通信質量。每個ZigBee子網都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數。

基于ZigBee合同能源管理系統(tǒng)的應用實例
　　圖2為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠程通信網絡采用工業(yè)以太網絡，網絡中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過以太網按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數據傳遞給ZigBee網絡中心節(jié)點，網絡中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳遞給ZigBee無線網絡中的各個ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個表計，如果表計的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應的數據回復，通過原路返回給監(jiān)控主機。

圖2　ZigBee能源管理系統(tǒng)

　　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的電能計量，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室的耗電量和各條生產線的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內的各個分項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的能耗，以制定出往后能耗管理方案，以達到節(jié)能減耗的效果。
　　目前整個系統(tǒng)在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計量的原則，把廠區(qū)內的各路進線和出線進行分項計量，廠區(qū)的配電系統(tǒng)對所有的進線回路進行監(jiān)控，并全部使用Zigbee采集模塊進行數據采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓和電能等參數及一些簡單的開關量的控制。系統(tǒng)還對一些支路進行監(jiān)視，譬如生產線、辦公樓和空調等等進行的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項數據，以便制定更詳細的節(jié)能方案。
　　該項目整個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。其中配電室的14個表通過485總線連接到一個ZigBee采集模塊進行無線通信，各個空調插座由于比較分散，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。這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。
　　整個系統(tǒng)運行良好，已經在現場運行了一段時間。實時反映了工廠這段時間內的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負荷情況。

結束語
　　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制。通過Zigbee無線模塊與電力儀表建立能源管理的計量體系，可以減少重復投資，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)園和廣州亞運會網球中心等項目中運行，取得了較好的社會效益和經濟效益。

　　文章來源于：《電氣時代》2011年第1期。

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