1 概述

      隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)。

 

      由于Zigbee的優(yōu)越特性，基于Zigbee技術的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應用于一些短距離的無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡，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有效的解決方案。Zigbee與其他最后一公里通訊技術比較見表1。

 

Zigbee與其他“最后一公里”技術的比較            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
運行維護	困難	比較困難	容易
通信速度	低	高	高
可靠性	差	一般	好
實時監(jiān)控	不能	能	能

 

Zigbee技術特點

      Zigbee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)布Zigbee V1．0到最新的增加了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(wǎng)功能(見圖2)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術相比較，Zigbee的特點主要有：

 

圖2  Zigbee網(wǎng)絡拓撲分類

 

    

　　(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(ReducedFunctionDevice，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4KB代碼。

　　(3)低速率、短延時。Zigbee的最大通信速率達到250kb／s(工作在2．4GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)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(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需3～10S、Wi-Fi需3S。

　　(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。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(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(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(MediumAccessControl，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準(AdvancedEncryptionStandard，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(IndustrialScientificMedical，ISM)頻段，分別為2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。

　　3Zigbee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)絡拓撲	網(wǎng)狀
尋址方式	IEEE802.15.4/Zigbee標準地址
網(wǎng)絡容量	最大255個節(jié)點
通信接口
通信接口	RS485	工業(yè)以太網(wǎng)
波特率	9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps可選；
通信協(xié)議	MODBUS-RTU協(xié)議
LED指示
網(wǎng)絡狀態(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
機械尺寸	89×76×74mm
工作溫度	-20℃~65℃
儲藏溫度	-40℃~85℃

　　4Zigbee接線方式

　　4.1Zigbee采集器見圖4.1

　　4.2Zigbee網(wǎng)絡終端見圖4.2

　　圖4.2ANEZG-GTW網(wǎng)絡終端接線圖

　　5外形與安裝尺寸(mm)

　　5.1Zigbee采集器見圖5.1。

　　圖5.1ANEZB-485采集器外形及尺寸

　　5.2Zigbee網(wǎng)絡終端見圖5.2。

　　圖5.2ANEZB-GTW網(wǎng)絡終端外形及尺寸

　　5.3安裝方式

　　采用35mm標準導軌安裝，見圖5.3。

　　圖5.3Zigbee模塊安裝方式

　　6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、運用市場手段促進節(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、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(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，促進節(jié)能服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展是必然趨勢。

　　安科瑞合同能源管理系統(tǒng)結合自身產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用現(xiàn)場總線或無線通訊中的一種或多種結合的最優(yōu)化的組網(wǎng)方式，實現(xiàn)遠程變配電監(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備或進口設備的接入，先進的系統(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。

　　7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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

　　電能計量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表，不宜用收費電表。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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)的采集，通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項計量。

　　表7收費電表與電力儀表之比較

　　8合同能源管理表計的選型方案

　　8.1高壓回路或低壓進線回路選ACR330ELH儀表

　　圖8.1ACR330ELH電力儀表

　　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）；四象限電能計量、復費率電能統(tǒng)計；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算；電網(wǎng)電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）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線柜，見圖8.1。

　　8.2低壓聯(lián)絡或出線回路選ACR220ELH電力儀表

　　圖8.2ACR220ELH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）；四象限電能計量、復費率電能統(tǒng)計、最大需量統(tǒng)計；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)絡柜、出線柜，見圖8.2。

　　8.3動力柜、照明箱選ACR120EL電力儀表或導軌式電表

　　圖8.3ACR120EL電力儀表

　　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）；四象限電能計量、復費率電能統(tǒng)計、最大需量統(tǒng)計；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8.4DTSD1352導軌式電表

　　DTSD1352導軌式電表主要功能：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統(tǒng)計、最大需量統(tǒng)計；電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數(shù)。適用于動力柜，見圖8.4。

　　圖8.5DTSF1352導軌式電表

　　DTSF1352導軌式電表主要功能：電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統(tǒng)計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數(shù)。適用于照明箱的三相電能計量，見圖8.5。

　　圖8.6DDSF1352導軌式電表

　　照明箱DDSF1352電表主要功能：電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統(tǒng)計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約可選。外形尺寸：76×89×74mm，4模數(shù)。適用于照明箱的電流、電壓測量；單相電能計量，見圖8.6。

　　9Zigbee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?；赯igbee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，應用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡時，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)體系結構的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡Zigbee無線局域網(wǎng)絡組成。整個子網(wǎng)主要由電表、Zigbee采集器以及Zigbee網(wǎng)絡終端組成。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(wǎng)絡的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網(wǎng)中的無線節(jié)點（即Zigbee采集器）的個數(shù)不應大于60個，這樣能保證網(wǎng)絡中的通信質(zhì)量。每個Zigbee子網(wǎng)都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數(shù)。

　　圖9Zigbee無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖

　　10基于Zigbee合同能源管理系統(tǒng)的應用實例

　　圖10.1為Zigbee能源管理系統(tǒng)，遠程通信網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)絡，網(wǎng)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(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給Zigbee網(wǎng)絡中心節(jié)點，網(wǎng)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(shù)據(jù)幀傳遞給Zigbee無線網(wǎng)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(shù)據(jù)回復，通過原路返回給監(jiān)控主機。

　　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、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，已達到節(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(nèi)的各路進線和出線進行分項計量，圖10.2就是該廠區(qū)的配電圖，整個系統(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(shù)據(jù)采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓、電能等參數(shù)，及一些簡單的開關量的控制。系統(tǒng)還對一些支路進行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項數(shù)據(jù)，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。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。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(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。

　　圖10.3Zigbee能源管理系統(tǒng)通信圖

　　整個系統(tǒng)運行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運行了一段時間。圖10.4為一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖，它實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)的負荷情況。

　　圖10.5為一段時間內(nèi)的進線回路各項參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細地記錄了進線回路三相電壓、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)各回路電能匯總如圖10.6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	IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外設		臺	8500	均可用戶自備，以當時市場價格為準，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	HP LaserJet 1020 A4		臺	2500
	EPSON-LQ1600KIIIH A3		臺	4000
UPS電源	山特C1KS		臺	5000
	山特C2KS		臺	6500
通訊機柜	1200×600×600		面	3000
	2200×600×600		面	5000
通訊轉換	擴展卡ACRNET-PCI/4		塊	3000	擴展卡
	串口服務器ACRNET-PORT(2口)		只	3000	串口服務器
	串口服務器ACRNET-PORT(4口)		只	5500
	通訊前置機ACRNET-UC02(2口)		只	4000	通訊前置機
	通訊前置機ACRNET-UC04(4口)		只	6000
	通訊前置機ACRNET-UC08(8口)		只	11500
	通訊管理機ACRHMI		臺	30000	人機界面
組網(wǎng)設備	網(wǎng)絡交換機EDS-208		臺	3000	局域組網(wǎng)
	網(wǎng)絡交換機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	設備數(shù)量1～10
				4萬	設備數(shù)量11～20
				6萬	設備數(shù)量21～40
				8萬	設備數(shù)量41～80
				10萬元以上	設備數(shù)量80以上
	雙機版		套		單機價格×1.5
	數(shù)據(jù)轉發(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、導軌式安裝電表可按上述報價的70%優(yōu)惠供應。

　　12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、廣州亞運會網(wǎng)球中心等項目中運行，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。