物聯(lián)網(wǎng)(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(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、遠程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
由于ZigBee的*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、宿舍樓和工廠等無線抄表網(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(shù)比較見表1。
表1 ZigBee與其他“zui后一公里”技術(shù)的比較
| 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(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1),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等短距離無線通信技術(shù)相比較,ZigBee的特點主要有。
圖1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲分類
?。?)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(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)點連接進入網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。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。
?。?)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(wù)預(yù)留了時隙,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(xué)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(shù)
ZigBee采集器/終端主要參數(shù)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(wù)機制。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、融資和改造等服務(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)能改造的積性,是行之的節(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,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)場實際情況采用現(xiàn)場總線或無線通信中的一種或多種結(jié)合的*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和ModBus等,以及的IEC61850通信體系,可支持大量的第三方智能化設(shè)備或進口設(shè)備的接入,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。
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(yīng)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(fù)投資,造成浪費,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)。
電能計量宜采用電力儀表作為內(nèi)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??紤]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(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?;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ZiBbee的定位是短距離的通信,應(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓和工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時,它所考慮的因素相對要少。
ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成的整個系統(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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(luò)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(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,這樣可以幫助擴充更多的表計數(shù)。
基于ZigBee合同能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實例
圖2為ZigBee能源管理系統(tǒng),遠程通信網(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,網(wǎng)絡(luò)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(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,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(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù),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(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,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(nèi)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(shù)據(jù)采集監(jiān)控,其中包含電流、電壓和電能等參數(shù)及一些簡單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對一些支路進行監(jiān)視,譬如生產(chǎn)線、辦公樓和空調(diào)等等進行的監(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。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。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(jīng)在現(xiàn)場運行了一段時間。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。
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(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)園和廣州亞運會網(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。
文章來源于:《電氣時代》2011年第1期。
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