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1ZigBee无线模块的技术指标
图1ZigBee模块侧视图
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2ZigBee通信模块
图3MC13213原理图
图4SKY65336原理图
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
图6 ZigBee采集模块数据传输流程图
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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7ZigBee电能管理系统
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
图9ZigBee无线电能管理系统通信图
图10一段时间内主进线电流趋势图
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
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。
文章来源于:《电气传动自动化》2011年3期。
参考文献:
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