ZigBee无线模块在电能管理系统中的应用解析.docx

1、ZigBee无线模块在电能管理系统中的应用解析ZigBee 无线模块在电能管理系统中的应用谢昕东 1 康小华 2 苏峰 3(1.淄博建筑设计院 山东淄博 255000(2.江西省建筑设计研究总院天津分院 天津市 300457(3.上海安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801摘 要:随着无线技术的速度发展, 无线抄表系统得到了迅速的发展。 作为短距离无线通信 一员的ZigBee技术也得到迅速发展, 基于ZigBee的无线网络电能管理系统也成为一个非常理 想无线抄表系统。 本文介绍了基于ZigBee无线通信模块的设计, 包括软硬件设计。 本文还介 绍了模块在ZigBee无线电能管理系统中使用

2、情况及整个系统运行情况。关键词:ZigBee,通信模块,无线技术,电能管理系统Application of ZigBee Wireless Model in energy Management SystemXIE xindong1 KANG xiaohua2 SU Feng3(1.Zibo Institute of Architectural Design and Research, Zibo 255000,China;2.Tianjin Branch,Jiangxi Province Architectural & Design General Institute,Tianjin300457

3、,China;3.Shanghai Acrel Co.,Shanghai201801,ChinaAbstract:By the rapid development of the wireless technology, the wireless meter system development become fast. ZigBee ,as one of the small distance wireless technology, also develops quickly. This paper introduced the design of ZigBee wireless commun

4、ication model, including the design of hardware and software. this paper also introduced the models application in ZigBee wireless energy management system and the work state of this energy management system.Key Word: ZigBee; Communication Model, Wireless Technology; energy Management System1 引言随着全球

5、范围内智能电网建设正逐步 展开, 用户端是智能电网重要组成部分,用 户端的核心内容包括智能配电与能量管理、 智能电器、 用电安全、 电力计量等多个方面。 目前能量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, 从而达到满足系统性能和投资 回报的要求。目前工业以太网、电力线载波 及无线短距离通信被认为是AMR自动抄表系 统可用的解决方案。 其中无线短距离通信是 一个很好的本地通信网络的解决方案, 工业 以太网、 GPRS及CDMA等远距离通信可以作为 远程通信网络, 以这样方式的混合组网被公 认为一种很好的解决方案。 随着一种新兴的 短距离、 低速率无线网络

6、技术ZigBee技术的 兴起, 基于ZigBee技术的本地无线自动抄表 系统成为了一个热点。 本文主要介绍了一款 基于ZigBee技术无线模块的设计及其在 ZigBee无线自动抄表系统中的应用。2 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。3 ZigBee无线模

7、块的设计本文设计的 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 无线模块的技术指标如表 1所示。表 1 ZigBee无线模块的技术指标 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;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。图 1 ZigBee模块侧视图3.1 硬件设计ZigBe

8、e无线通信模块主要由开关电源 部分、 ZigBee无线传输部分及接口转换部分 组成,其原理框图如图2所示。图2 ZigBee通信模块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, 把交流电源转换成我们需要的直 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,它的原理图 如图3所示;功率放大器采用SKY65336,它 最大可以支持20dbm的功率放大功能,其原 理图如图4所示; 信号转换电路分RS485转换 电路和以太网转换电路, 其中以太网部分采图3 MC1

9、3213原理图 图4 SKY65336原理图3.2 软件设计如图5所示为ZigBee模块网络建立的流程图,整个ZigBee网络是由中心节点(即ZigBee网络终端模块发起组建的,当网络建立成功后,此时在同一个网络频段上,并且拥有和ZigBee相同网络ID的ZigBee采集模块可以自动加入此ZigBee网络, 并且每个ZigBee采集模块获得各自独立的网络地址。此时,整个ZigBee网络建立成功,可以准备数据的收发, ZigBee网络终端通过广播的方式传输数据。图5 ZigBee模块网络建立流程图如图6所示为ZigBee采集模块数据传输 的流程图。首先ZigBee采集模块接收来自 ZigBee网

10、络终端模块的数据。 然后判断是不 是传递给自己的数据, 如果是自己的数据则 上传相关的回复数据, 如果不是则按照自己 发现的路由表中的地址以广播的方式转发 来自ZigBee网络终端模块的数据。 最后完成 所有工作后进入休眠模式,等待下次的访 问。图6 ZigBee采集模块数据传输流程图 ZigBee采集模块及ZigBee网络终端都 是采用透明传输, 即直接把以太网的数据转 换成ZigBee信号,其中不会增加多余数据, 只把数据部分转发,自动去掉帧头、帧尾; RS485信号转换ZigBee信号也是一样的原 理。4 基于 ZigBee 电能管理系统的 应用如图7所示为ZigBee电能管理系统,本

11、文远程通信网络采用工业以太网络, 网络中 电表的通信协议采用MODBUS-RTU协议。 整个 系统中监控主机通过以太网按照TCP/IP协 议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网 络中心节点, 网络中心节点再通过单点对多 点的通信模式, 以广播的方式把命令数据帧 传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采 集器,通过ZigBee采集器传递给485总线上 的各个表计, 如果表计的地址与命令帧中所 涉及的地址吻合,则做出相应的数据回复, 通过原路返回给监控主机。整个系统可以监测整个厂区或整幢楼 宇等的各个分项的电能计量, 譬如一个厂区 路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生 产线

12、的耗电量等等, 还可以以报表的形式分 析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗 占总能耗的百分比, 以便工厂了解这段时间 里的各个分项的能耗, 以制定出往后能耗管 理方案,已达到节能减耗的效果。目前整个系统在江阴某制造企业实施 运行, 按照分项计量的原则,把厂区内的各 路进线和出线进行分项计量,图8就是该厂 区的配电图, 整个系统对所有的进线回路进 行监控, 并全部使用ZigBee采集模块进行数 据采集监控,其中包含电流、电压、电能等 参数, 及一些简单的开关量的控制。系统还 对一些支路进行监视, 譬如生产线、 办公楼、 空调等等进行全方位的监视, 这样方便工厂 了解各项数据,以便制定更详细的节能

13、方 案。图7 ZigBee电能管理系统目前, 整个ZigBee无线电能管理系统采用的无线模块为21个,包括各类表记82个块。图9为ZigBee无线电能管理系统中的通信图,它列出了整个系统包含的所有表计。其中配电室的14个表通过485总线连接到一个ZigBee采集模块进行无线通信, 各个空调插座由于比较分散, 各采用一个ZigBee采集模块,等等。具体视表计的离散情况,集中在一起的用485总线连接一个模块,分散的分别连接一个模块。以这样的方式比较灵 活,减少布线带来的困难。 图8 厂区配电图图9 ZigBee无线电能管理系统通信图 整个系统运行良好, 已经在现场运行了 一段时间。 图10为一段时

14、间内主进线电流趋 势图, 它实时反映了工厂这段时间内的电流 情况,从而反映整个厂区的负荷情况。图10 一段时间内主进线电流趋势图 图11所示为一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12所示, 它记录了一段时间内各个 回路的耗电情况, 包括各回路进行柜的总电 能及分支电能。图11 一段时间内的进线回路各项参数图12 各回路电能汇总5 总结随着无线通信及ZigBee技术的迅速发 展, 基于ZigBee的电能管理系统也将渐渐得 到人们的关注。 ZigBee可以很好的解决有线 通

15、信方式布线难度大、成本高、不易维护和 升级等问题,而且组网灵活性很高,在电能 管理系统中应用前景非常广泛, 而且在智能 电网领域内也有着广泛的应用前景。 本文介绍的ZigBee无线模块在ZigBee 无线电能系统中得到了成功的应用, 整个系 统很好地对厂区中各路进线回路进行了监 测,并能真实的反映厂区的负荷情况,将为 节能减排做出应有的贡献。 而为了使ZigBee 无线电能管理系统能更好地发挥它的优势, 还需不断优化系统中的软硬件设备。文章来源于:电气传动自动化 2011年 3期。参考文献:1王权平,王莉. 通讯世界,2003(4. 2江修波. ZigBee技术及其应用. 低压电 器,2005(7.3常猛,杨小林,刘钊. ZigBee技术及其在 智能电网中的应用. 建筑电气,2010(4. 4吕震庭,曹建. ZigBee技术在电力设备在 线 监 测 系 统 中 的 应 用 . 电 子 测 量 技 术,2008,31(2:191-1945胡平平,王东兴,王晶杰. ModBus 协议在 无线监控系统中的应用. 计算机工程与应 用, 2005, 41(17: 211-214.作者简介:苏锋(1983-,男,硕士,工程师, 就职于上海安科瑞电气股份有限公司, 研究 方向为ZigBee技术和电能检测技术。