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(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無(wú)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(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)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(wú)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(wú)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(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測(cè)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(tái)管理主站組成一個(gè)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(gè)有效的解決方案。ZigBee與其他最后一公里通信技術(shù)比較見(jiàn)表1。

表1　ZigBee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較    

　　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(jiàn)圖1)，它支持3種主要的自組織無(wú)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(shù)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(wú)線通信技術(shù)相比較，ZigBee的特點(diǎn)主要有。

圖1　Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸悺　?/p>

　　(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡(jiǎn)化功能器件)采用了休眠模式，不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。
　　(2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測(cè)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(shí)。ZigBee的最大通信速率達(dá)到250 kb／s(工作在2．4 GHz時(shí))，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(guò)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)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(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。ZigBee還提供了3級(jí)安全模式，包括無(wú)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard，AES)的對(duì)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(guó))和868 MHz(歐洲)。
 

ZigBee性能參數(shù)
 

合同能源管理的意義
　　合同能源管理是發(fā)達(dá)國(guó)家普遍推行的、運(yùn)用市場(chǎng)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(rùn)，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(xiǎn)，充分調(diào)動(dòng)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(guó)節(jié)約能源法》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》（國(guó)發(fā)〔2006〕28號(hào)）、《國(guó)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(guó)發(fā)〔2007〕15號(hào)）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(shì)。
　　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(shì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用現(xiàn)場(chǎng)總線或無(wú)線通信中的一種或多種結(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(shí)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(tái)集成了國(guó)內(nèi)外多種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通訊規(guī)約，如IEC60870-5-101/102/103/104、CANBus、PorfiBus、DNP、CDT和ModBus等，以及最新的IEC61850通信體系，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(bào)表的自動(dòng)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(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。收費(fèi)電表與電力儀表之比較見(jiàn)表3。在電能管理中，供電部門一般會(huì)在總進(jìn)線處安裝收費(fèi)電表?？紤]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(gòu)，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(duì)各回路、各功能區(qū)的分項(xiàng)電能數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)后臺(tái)電能管理系統(tǒng)完成電能分項(xiàng)計(jì)量。

表3　收費(fèi)電表與電力儀表之比較

ZigBee無(wú)線抄表解決方案
　　不管是有線還是無(wú)線，抄表系統(tǒng)總會(huì)受到環(huán)境、距離和場(chǎng)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(huì)脫離這個(gè)約束，它也會(huì)由環(huán)境、距離和場(chǎng)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(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它所考慮的因素相對(duì)要少。
　　ZigBee無(wú)線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成的整個(gè)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(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個(gè)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采集器下面最多可以連接32個(gè)表；由于MODBUS地址有限，整個(gè)ZigBee子網(wǎng)中最多能連接255個(gè)表；為了保障通信連接的可靠性，有的時(shí)候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個(gè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實(shí)時(shí)性傳輸，建議整個(gè)子網(wǎng)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)（即ZigBee采集器）的個(gè)數(shù)不應(yīng)大于60個(gè)，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個(gè)ZigBee子網(wǎng)都有各自的ID識(shí)別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。

基于ZigBee合同能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例
　　圖2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(gè)系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)通過(guò)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(guò)單點(diǎn)對(duì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)ZigBee采集器，通過(guò)ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個(gè)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(guò)原路返回給監(jiān)控主機(jī)。

圖2　ZigBee能源管理系統(tǒng)

　　整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇等的各個(gè)分項(xiàng)的電能計(jì)量，譬如一個(gè)廠區(qū)路燈耗電量、各個(gè)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(bào)表的形式分析該工廠在一段時(shí)時(shí)間內(nèi)的各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時(shí)間里的各個(gè)分項(xiàng)的能耗，以制定出往后能耗管理方案，以達(dá)到節(jié)能減耗的效果。
　　目前整個(gè)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，廠區(qū)的配電系統(tǒng)對(duì)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、電壓和電能等參數(shù)及一些簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對(duì)一些支路進(jìn)行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓和空調(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(gè)ZigBee能源管理系統(tǒng)采用的無(wú)線模塊為21個(gè)，包括各類表記82個(gè)塊。其中配電室的14個(gè)表通過(guò)485總線連接到一個(gè)ZigBee采集模塊進(jìn)行無(wú)線通信，各個(gè)空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個(gè)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(gè)模塊，分散的分別連接一個(gè)模塊。這樣的方式比較靈活，減少布線帶來(lái)的困難。
　　整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了一段時(shí)間。實(shí)時(shí)反映了工廠這段時(shí)間內(nèi)的電流情況，從而反映整個(gè)廠區(qū)的負(fù)荷情況。

結(jié)束語(yǔ)
　　能源日益緊張，節(jié)能降耗是社會(huì)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(gè)良好機(jī)制。通過(guò)Zigbee無(wú)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)園和廣州亞運(yùn)會(huì)網(wǎng)球中心等項(xiàng)目中運(yùn)行，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　文章來(lái)源于：《電氣時(shí)代》2011年第1期。

作者簡(jiǎn)介：
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)

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