ZigBee无线模块在电能管理系统中的应用

1 　引言
　　随着全球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
　　ZigBee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，其中以太网部分采用周立功的IPORT以太网模块。

图3　MC13213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。

图7　ZigBee电能管理系统

　　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方案。

图8　厂区配电图

　　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。

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