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

1 概述

隨著無(wú)線(xiàn)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(xiàn)聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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訊技術(shù)比較見(jiàn)表1。

 Zigbee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較            表1

2 Zigbee技術(shù)特點(diǎn)

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2），它支持3種主要的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)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(xiàn)通訊技術(shù)相比較，Zigbee的特點(diǎn)主要有：

圖2  Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?lèi)

（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(mǎn)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(zhuān)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(chēng)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）。

3 Zigbee性能參數(shù) 

Zigbee采集器/終端主要參數(shù)見(jiàn)表3。

                                                                           表3

4 Zigbee接線(xiàn)方式

4.1 Zigbee采集器 見(jiàn)圖4.1

圖4.1 ANEZB-485采集器接線(xiàn)

4.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端 見(jiàn)圖4.2

圖4.2 ANEZG-GTW網(wǎng)絡(luò)終端接線(xiàn)圖

5 外形與安裝尺寸（mm）

5.1 Zigbee采集器 見(jiàn)圖5.1。

圖5.1 ANEZB-485采集器外形及尺寸

5.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端 見(jiàn)圖5.2。

圖5.2 ANEZB-GTW網(wǎng)絡(luò)終端外形及尺寸

5.3 安裝方式

采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，見(jiàn)圖5.3。

圖5.3 Zigbee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(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(hù)簽訂能源管理合同，為用戶(hù)提供節(jié)能診斷、融資、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(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通訊中的一種或多種結(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(hù)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、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(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(zhuān)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。

7 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。在電能管理中，供電部門(mén)一般會(huì)在總進(jìn)線(xiàn)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(hù)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(hù)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。

8 合同能源管理表計(jì)的選型方案

8.1 高壓回路或低壓進(jìn)線(xiàn)回路選ACR330ELH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(cè)量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數(shù)、電話(huà)波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電流不平衡度計(jì)算；電網(wǎng)電壓電流正、負(fù)、零序分量（含負(fù)序電流）測(cè)量；4DI+3DO（DO3做過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、不平衡報(bào)警）；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約。外形尺寸：120×120mm，開(kāi)孔尺寸：108×108mm。適用于高壓重要回路或低壓進(jìn)線(xiàn)柜，見(jiàn)圖8.1。

8.2 低壓聯(lián)絡(luò)或出線(xiàn)回路選ACR220ELH電力儀表

該表主要功能有：LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：96×96mm，開(kāi)孔尺寸：88×88mm。適用于低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線(xiàn)柜，見(jiàn)圖8.2。

8.3 動(dòng)力柜、照明箱選ACR120EL電力儀表或?qū)к壥诫姳?nbsp;                

ACR120EL電力儀表主要功能有：LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；2DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議。外形尺寸：開(kāi)孔尺寸80×80mm，開(kāi)孔尺寸72×72mm。適用于動(dòng)力柜，見(jiàn)圖8.3。

DTSD1352導(dǎo)軌式電表主要功能：LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、最大需量統(tǒng)計(jì)；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/T 645規(guī)約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數(shù)。適用于動(dòng)力柜，見(jiàn)圖8.4。

DTSF1352導(dǎo)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(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645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(jì)量，見(jiàn)圖8.5。

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(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645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(cè)量；單相電能計(jì)量，見(jiàn)圖8.6。

9 Zigbee無(wú)線(xiàn)抄表解決方案

不管是有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)，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�；�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Zigbee的定位是短距離的通信，應(yīng)用于寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它所考慮的因素相對(duì)要少。

圖9為Zigbee無(wú)線(xiàn)集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖，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(xiàn)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通訊，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(xiàn)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(xiàn)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)。

圖9  Zigbee無(wú)線(xiàn)集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖

10 基于Zigbee合同能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

圖10.1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(xiàn)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(xiàn)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)。

整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)廠(chǎng)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(chǎng)區(qū)路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線(xiàn)的耗電量等等，還可以以報(bào)表的形式分析該工廠(chǎng)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(chǎng)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，已達(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(chǎng)區(qū)內(nèi)的各路進(jìn)線(xiàn)和出線(xiàn)進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，圖10.2就是該廠(chǎng)區(qū)的配電圖，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有的進(jìn)線(xiàn)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、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(xiàn)、辦公樓、空調(diào)等等進(jìn)行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠(chǎng)了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。

圖10.1 Zigbee能源管理系統(tǒng)

圖10.2 廠(chǎng)區(qū)配電圖

該項(xiàng)目整個(gè)Zigbee能源管理系統(tǒng)采用的無(wú)線(xiàn)模塊為21個(gè)，包括各類(lèi)表記82個(gè)塊。圖10.3為Zigbee能源管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個(gè)系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個(gè)表通過(guò)485總線(xiàn)連接到一個(gè)Zigbee采集模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(xiàn)連接一個(gè)模塊，分散的分別連接一個(gè)模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線(xiàn)帶來(lái)的困難。

圖10.3 Zigbee能源管理系統(tǒng)通信圖

    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。圖10.4為一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線(xiàn)電流趨勢(shì)圖，它實(shí)時(shí)反映了工廠(chǎng)這段時(shí)間內(nèi)的電流情況，從而反映整個(gè)廠(chǎng)區(qū)的負(fù)荷情況。

圖10.4 一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線(xiàn)電流趨勢(shì)圖

圖10.5為一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線(xiàn)回路各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細(xì)地記錄了進(jìn)線(xiàn)回路三相電壓、電流、有功電能、無(wú)功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個(gè)廠(chǎng)區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D10.6所示，它記錄了一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。

圖10.5 一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線(xiàn)回路各項(xiàng)參數(shù)

 圖10.6 各回路電能匯總

11 系統(tǒng)報(bào)價(jià)

單位：元（RMB）

注：Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊、電力儀表、導(dǎo)軌式安裝電表可按上述報(bào)價(jià)的70%優(yōu)惠供應(yīng)。

12 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(hù)提供了一個(gè)良好機(jī)制。通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)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(xiàn)，使用戶(hù)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(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。

產(chǎn)品聯(lián)系人：左晨/經(jīng)理助理 Tel: Fax:69158125 Email:jansion1984@.163.com