物联网（Zigbee）合同能源管理
周 中1 张 婷2
上海安科瑞电气股份有限公司 上海 嘉定 201801
1 概述
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为Zigbee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。
由于Zigbee的优越特性，基于Zigbee技术的无线组网是一种比较合适的下行信道的实现手段。适合应用于一些短距离的无线网络的组网，例如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络，适用于企业内部能耗监测及管理系统，尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中。而若将其与成熟的工业以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，与后台管理主站组成一个完整的集抄和监控系统，则可以为远程管理提供一个有效的解决方案。Zigbee与其他最后一公里通讯技术比较见表1。
Zigbee与其他“最后一公里”技术的比较 表1
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|
PLC |
RS485 |
Zigbee无线 |
|
建网难度 |
简单 |
困难 |
简单 |
|
一次性投资 |
小 |
一般 |
较大 |
|
运行维护 |
困难 |
比较困难 |
容易 |
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通信速度 |
低 |
高 |
高 |
|
可靠性 |
差 |
一般 |
好 |
|
实时监控 |
不能 |
能 |
能 |
2 Zigbee技术特点
Zigbee协议基于IEEE 802.15.4标准，从2004年发布Zigbee V1．0到最新的增加了Zigbee-PRO扩展指令集的Zigbee2006版本，ZIGBEE功能不断强大。Zigbee具备强大的设备联网功能(见图2)，它支持3种主要的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。与目前普遍应用的wi-Fi、Bluetooth等短距离无线通讯技术相比较，Zigbee的特点主要有：
图2 Zigbee网络拓扑分类
(1)工作周期短、收发信息功耗较低，并且RFD(Reduced Function Device，简化功能器件)采用了休眠模式，不工作时都可以进入睡眠模式。
(2)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4 KB代码。
(3)低速率、短延时。Zigbee的最大通信速率达到250 kb／s(工作在2．4 GHz时)，满足低速率传输数据的应用需求。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距离，高容量。传输范围一般介于10～100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3 km。这指的是相邻节点间的距离，若通过路由和节点间通信的接力，扩展后达到几百米甚至几公里。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构。由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。
(5)高可靠性和高安全性。Zigbee的媒体接入控制层(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。Zigbee还提供了3级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AdvancedEncryption Standard，AES)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
(6)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(Industrial Scientific Medical，ISM)频段，分别为2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
3 Zigbee性能参数
Zigbee采集器/终端主要参数见表3。
表3
|
型号 参 数 |
ANEZB-485
Zigbee采集器 |
ANEZB-GTW
Zigbee网络终端 |
|
无线 |
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频率范围 |
2.41GHz~2.48GHz |
|
RF信道 |
16 |
|
接收灵敏度 |
-94dbm |
|
发射功率 |
-27dbm~25dbm |
|
天 线 |
外置SMA天线 |
|
网络拓扑 |
网状 |
|
寻址方式 |
IEEE802.15.4/Zigbee标准地址 |
|
网络容量 |
最大255个节点 |
|
通信接口 |
|
通信接口 |
RS485 |
工业以太网 |
|
波特率 |
9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选； |
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通信协议 |
MODBUS-RTU协议 |
|
LED指示 |
|
网络状态指示 |
绿灯 |
|
POWER指示 |
红灯 |
|
数据指示 |
绿灯 |
|
电源 |
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辅助电源 |
220V AC |
|
功耗 |
4W |
|
电磁兼容 |
浪涌电压4000V |
|
快速瞬变群脉冲4000V |
|
静电8000V |
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机械尺寸 |
89×76×74mm |
|
工作温度 |
-20℃~65℃ |
|
储藏温度 |
-40℃~85℃ |
4 Zigbee接线方式
4.1 Zigbee采集器 见图4.1
图4.1 ANEZB-485采集器接线
4.2 Zigbee网络终端 见图4.2
图4.2 ANEZG-GTW网络终端接线图
5 外形与安装尺寸(mm)
5.1 Zigbee采集器 见图5.1。
图5.1 ANEZB-485采集器外形及尺寸
5.2 Zigbee网络终端 见图5.2。
图5.2 ANEZB-GTW网络终端外形及尺寸
5.3 安装方式
采用35mm标准导轨安装，见图5.3。
图5.3 Zigbee模块安装方式
6 合同能源管理的意义
合同能源管理是发达国家普遍推行的、运用市场手段促进节能的服务机制。节能服务公司与用户签订能源管理合同，为用户提供节能诊断、融资、改造等服务，并以节能效益分享方式回收投资和获得合理利润，可以大大降低用能单位节能改造的资金和技术风险，充分调动用能单位节能改造的积极性，是行之有效的节能措施。根据《中华人民共和国节约能源法》和《国务院关于加强节能工作的决定》（国发〔2006〕28号）、《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发〔2007〕15号）等文件精神，加快推行合同能源管理，促进节能服务产业发展是必然趋势。
安科瑞合同能源管理系统结合自身产品研发优势，根据现场实际情况采用现场总线或无线通讯中的一种或多种结合的最优化的组网方式，实现远程变配电监控、电能集抄与质量管理，同时也为用户节约了大量的一次投入成本。公司研发的系统组态平台集成了国内外多种工业现场通讯规约，如IEC60870-5-101/102/103/104、CANBus、PorfiBus、DNP、CDT、ModBus等，以及最新的IEC61850通讯体系，可支持大量的第三方智能化设备或进口设备的接入，先进的系统架构支持信息共享和Web发布，解决了配电监控信息孤岛的难题。专家报表的自动生成大大减轻了值班人员的工作量，提高节能管理的工作效率。
7 能源管理系统计量体系宜选电力仪表
建立合同能源管理系统，应先建立计量体系。数据先于决策，节能始于计量。为了不重复投资，造成浪费，能源管理系统应与配电系统一体化，直接在配电系统中采集能耗数据。
电能计量宜采用电力仪表作为内部管理电表，不宜用收费电表。在电能管理中，供电部门一般会在总进线处安装收费电表。考虑内部电能计量与节能管理的需要，在用户安装收费电表的基础上安装电力仪表，用于内部电能管理。因此用户可自主选择采购，但应注意制造商是否有电力仪表（电能部分）的计量许可证。电力仪表可以完成对各回路、各功能区的分项电能数据的采集，通过后台电能管理系统完成电能分项计量。
表7 收费电表与电力仪表之比较
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内容 |
收费电表 |
电力仪表 |
|
外形图 |
|
 
|
|
安装方式 |
挂壁式安装，应单独设置电表箱，不易安装在低压柜、动力箱、照明箱内 |
导轨式安装，易安装在动力箱、照明箱内 |
嵌入式安装，易安装在低压柜、动力箱的门板上 |
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通讯规约 |
DL/T645规约与配电系统不兼容 |
Modbus协议或DL/T645规约， Modbus协议可与配电系统兼容 |
8 合同能源管理表计的选型方案
8.1 高压回路或低压进线回路选ACR330ELH仪表
该表为电能质量分析仪表，主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO（DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约。外形尺寸：120×120mm，开孔尺寸：108×108mm。适用于高压重要回路或低压进线柜，见图8.1。
8.2 低压联络或出线回路选ACR220ELH电力仪表
该表主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：96×96mm，开孔尺寸：88×88mm。适用于低压联络柜、出线柜，见图8.2。
8.3 动力柜、照明箱选ACR120EL电力仪表或导轨式电表
ACR120EL电力仪表主要功能有：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；2DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议。外形尺寸：开孔尺寸80×80mm，开孔尺寸72×72mm。适用于动力柜，见图8.3。
DTSD1352导轨式电表主要功能：LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于动力柜，见图8.4。
DTSF1352导轨式电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：126×89×74mm，7模数。适用于照明箱的三相电能计量，见图8.5。
照明箱DDSF1352电表主要功能：电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选。外形尺寸：76×89×74mm，4模数。适用于照明箱的电流、电压测量；单相电能计量，见图8.6。
9 Zigbee无线抄表解决方案
不管是有线还是无线，抄表系统总会受到环境、距离和场合等因素的影响而各有其不同的解决方案。基于Zigbee抄表系统也不会脱离这个约束，它也会由环境、距离和场合等因素的影响而异，有不同的解决方案。由于Zigbee的定位是短距离的通信，应用于写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络时，它所考虑的因素相对要少。
图9为Zigbee无线集抄系统单个子网组成示意图，整个系统前面阐述的系统体系结构的组成一样，主要由上行网络工业以太网和下行网络Zigbee无线局域网络组成。整个子网主要由电表、Zigbee采集器以及Zigbee网络终端组成。电表可以采用ACREL的1352系列卡式电能表和ACR网络电力仪表等，它们与Zigbee采集器之间采用RS485通讯，采用MODBUS通信协议；Zigbee采集器下面最多可以连接32个表；由于MODBUS地址有限，整个Zigbee子网中最多能连接255个表；为了保障通信连接的可靠性，有的时候要视环境和距离的情况，需要多加几个路由功能的网络节点（Zigbee采集器配置成路由功能），以保证有些孤远节点的通信正常；另外考虑到无线网络的拥塞度和实时性传输，建议整个子网中的无线节点（即Zigbee采集器）的个数不应大于60个，这样能保证网络中的通信质量。每个Zigbee子网都有各自的ID识别和频段的划分，这样可以帮助扩充更多的表计数。
图9 Zigbee无线集抄系统单个子网组成示意图
10 基于Zigbee合同能源管理系统的应用实例
图10.1为Zigbee能源管理系统，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。
目前整个系统在江苏安科瑞实施运行，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10.2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10.1 Zigbee能源管理系统
图10.2 厂区配电图
该项目整个Zigbee能源管理系统采用的无线模块为21个，包括各类表记82个块。图10.3为Zigbee能源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10.3 Zigbee能源管理系统通信图
整个系统运行良好，已经在现场运行了一段时间。图10.4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10.4 一段时间内主进线电流趋势图
图10.5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10.6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10.5 一段时间内的进线回路各项参数
图10.6 各回路电能汇总
11 系统报价
单位：元（RMB）
|
名称 |
型号 |
单位 |
面价 |
备注 |
|
监控主机 |
IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外设 |
台 |
8500 |
均可用户自备，以当时市场价格为准，该报价仅供参考 |
|
显示器 |
三星19寸液晶显示器 |
台 |
3000 |
|
三星22寸液晶显示器 |
台 |
3800 |
|
打印机 |
HP LaserJet 1020 A4 |
台 |
2500 |
|
EPSON-LQ1600KIIIH A3 |
台 |
4000 |
|
UPS电源 |
山特C1KS |
台 |
5000 |
|
山特C2KS |
台 |
6500 |
|
通讯机柜 |
1200×600×600 |
面 |
3000 |
|
2200×600×600 |
面 |
5000 |
|
通讯转换 |
扩展卡ACRNET-PCI/4 |
块 |
3000 |
扩展卡 |
|
串口服务器ACRNET-PORT(2口) |
只 |
3000 |
串口服务器 |
|
串口服务器ACRNET-PORT(4口) |
只 |
5500 |
|
通讯前置机ACRNET-UC02(2口) |
只 |
4000 |
通讯前置机 |
|
通讯前置机ACRNET-UC04(4口) |
只 |
6000 |
|
通讯前置机ACRNET-UC08(8口) |
只 |
11500 |
|
通讯管理机ACRHMI |
台 |
30000 |
人机界面 |
|
组网设备 |
网络交换机EDS-208 |
台 |
3000 |
局域组网 |
|
网络交换机EDS-408 |
台 |
8500 |
|
监控软件 |
Acrel监控组态软件V6.0 |
系统组态软件
图形组态软件
电能管理软件
数据库软件 |
套 |
3万 |
设备数量1～10 |
|
4万 |
设备数量11～20 |
|
6万 |
设备数量21～40 |
|
8万 |
设备数量41～80 |
|
10万元以上 |
设备数量80以上 |
|
双机版 |
|
套 |
|
单机价格×1.5 |
|
数据转发 |
每+1用户 |
套 |
3000 |
|
|
Web发布 |
每+1用户（总用户数≤5） |
套 |
5000 |
|
|
Zigbee
无线模块 |
ANEZB-485 |
台 |
1200 |
|
|
ANEZB-GTW |
台 |
1500 |
|
|
电力仪表 |
ACR330ELH |
台 |
4860 |
|
|
ACR220ELH |
台 |
4280 |
|
|
ACR120ELH |
台 |
3580 |
|
|
导轨式安装电表 |
DTSD1352 |
台 |
2050 |
|
|
DTSF1352 |
台 |
1200 |
|
|
DDSF1352 |
台 |
600 |
|
注：Zigbee无线模块、电力仪表、导轨式安装电表可按上述报价的70%优惠供应。
12 结束语
能源日益紧张，节能降耗是社会发展的必然选择，而合同能源管理系统为用户提供了一个良好机制。通过Zigbee无线模块与电力仪表建立能源管理的计量体系，可以减少重复投资，省掉布线，使用户电力智能监控与能源管理一体化。系统在世博VIP酒店、苏州创业园、广州亚运会网球中心等项目中运行，取得了较好的社会效益和经济效益。
作者简介：
1、 周中，研究方向为能源管理系统、变配电智能监控技术 Tel:021-69158336 13301683907
Fax:69158330 Email:ACREL002@VIP.163.COM
2、 张婷，研究方向为变配电智能监控技术
