ZigBee物联网无线网络电能管理系统设计与选型方案.docx
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ZigBee物联网无线网络电能管理系统设计与选型方案
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ZigBee(物联网)无线网络电能管理系统设计与选型方案
ZigBee(物联网)无线网络电能管理系统设计与选型方案
发布日期:
2011-2-1614:
43:
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所属频道:
电网 关键词:
ZigBee 无线网络 电能管理系统
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☝PRS/CDM✌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。
☪♓♑B♏♏与其他最后一公里通讯技术比较见表1。
∙
载波
RS485
☪♓♑B♏♏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
通信速度
低
高
高
可靠性
差
一般
好
实时监控
不能
能
能
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙表1∙☪♓♑B♏♏与其他❽最后一公里❾技术的比较∙∙∙∙∙∙
2.☪♓♑B♏♏技术特点
☪♓♑B♏♏协议基于✋☜☜☜802.15.4标准,从2004年发布☪♓♑B♏♏✞1.0到最新的增加了☪♓♑B♏♏-PRO扩展指令集的☪♓♑B♏♏2006版本,☪✋☝B☜☜功能不断强大。
☪♓♑B♏♏具备强大的设备联网功能☎见图1✆,它支持3种主要的自组织无线网络类型,即星型结构☎S♦♋❒✆、网状结构☎M♏♦♒✆和树型结构☎C●◆♦♦♏❒❆❒♏♏✆,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♦♓-☞♓、B●◆♏♦☐☐♦♒等短距离无线通讯技术相比较,☪♓♑B♏♏的特点主要有:
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙图1∙☪♓♑B♏♏网络拓扑分类
☎1✆工作周期短、收发信息功耗较低,并且R☞D☎R♏♎◆♍♏♎☞◆⏹♍♦♓☐⏹D♏v♓♍♏,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4KB代码。
☎3✆低速率、短延时。
☪♓♑B♏♏的最大通信速率达到250k♌/♦☎工作在2.4☝☟z时✆,满足低速率传输数据的应用需求。
☪♓♑B♏♏的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15❍♦,节点连接进入网络只需30❍♦,进一步节省了电能。
相比较,蓝牙需3~10S、W♓-☞♓需3S。
☎4✆近距离,高容量。
传输范围一般介于10~100❍,在增加R☞发射功率后,亦可增加到1❞3k❍。
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。
☪♓♑B♏♏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。
☪♓♑B♏♏的媒体接入控制层☎M♏♎♓◆❍✌♍♍♏♦♦C☐⏹♦❒☐●,M✌C✆采用CSM✌/C✌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。
☪♓♑B♏♏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☎✌♎v♋⏹♍♏♎☜⏹♍❒⍓☐♦♓☐⏹S♦♋⏹♎♋❒♎,✌☜S✆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☎✋⏹♎◆♦♦❒♓♋●S♍♓♏⏹♦♓♐♓♍M♏♎♓♍♋●,✋SM✆频段,分别为2.4☝☟z☎全球✆、915M☟z☎美国✆和868M☟z☎欧洲✆。
3☪♓♑B♏♏(物联网)无线网络电能管理系统表计的选型方案
应用场合
∙
型号
主要功能
高压重要回路或低压进线柜
✌CR330☜☹☟
☹CD显示、全电参量测量(✞、✋、P、✈、P☞、☞、S);四象限电能计量、复费率电能统计;❆☟D◆,❆☟D♓、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;4D✋+3DO(DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警);RS485通讯接口、M☐♎♌◆♦协议或D☹/❆645规约
低压联络柜、出线柜
✌CR220☜☹
☹CD显示、全电参量测量(✞、✋、P、✈、P☞、☞);四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计;4D✋+2DO;RS485通讯接口、M☐♎♌◆♦协议
动力柜
✌CR120☜☹
☹CD显示、全电参量测量(✞、✋、P、✈、P☞、☞);四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计;4D✋+2DO;RS485通讯接口、M☐♎♌◆♦协议
D❆SD1352
☎✌D☹3000✆
☹CD显示、全电参量测量(✞、✋、P、✈、P☞、☞、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✆✌、5☎20✆✌、10☎40✆✌、20☎80✆✌可选、RS485通讯接口、M☐♎♌◆♦协议或D☹/❆645规约可选
照明箱
D❆S☞1352
☎✌D☹300✆
电流规格1.5☎6✆✌、
5☎20✆✌、10☎40✆✌、20☎80✆✌可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、M☐♎♌◆♦协议或D☹/❆645规约可选
三相电能计量
DDS☞1352
☎✌D☹100✆
电流、电压测量;单相电能计量
DDSD1352
电流规格10☎60✆✌、可编程、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、M☐♎♌◆♦协议或D☹/❆645规约可选
全电参量测量
(✋、✞、P、✈、S、P☞、☞)
单相电能计量
数据无线传输
✌☠☜☪B-485☪✋☝B☜☜采集器
采集来自485总线上的数据、完成485信号转成无线信号、导轨式安装
✌☠☜☪B-☝❆W☪✋☝B☜☜网络终端
接收来自以太网上的数据、完成以太网信号转成无线信号、导轨式安装
3.1☪♓♑B♏♏采集器/终端主要参数见表2。
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙表2
∙∙∙∙∙∙型号∙∙参数
✌☠☜☪B-485
☪♓♑B♏♏采集器
✌☠☜☪B-☝❆W
☪♓♑B♏♏网络终端
无线
频率范围
2.41☝☟z❞2.48☝☟z
R☞信道
16
接收灵敏度
-94♎♌❍
发射功率
-27♎♌❍❞25♎♌❍
天∙线
外置SM✌天线
网络拓扑
网状
寻址方式
✋☜☜☜802.15.4/☪♓♑B♏♏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
9600♌☐♦(默认)、4800♌☐♦、2400♌☐♦、1200♌☐♦可选;
通信协议
MODB✞S-R❆✞协议
☹☜D指示
网络状态指示
绿灯
POW☜R指示
红灯
数据指示
绿灯
电源
辅助电源
220✞✌C
功耗
4W
电磁兼容
浪涌电压4000✞
快速瞬变群脉冲4000✞
静电8000✞
机械尺寸
89×76×74❍❍
工作温度
-20℃❞65℃
储藏温度
-40℃❞85℃
3.2☪♓♑B♏♏采集器见图3.2
∙∙∙∙∙∙∙∙图3.2✌☠☜☪B-485采集器接线
3.3☪♓♑B♏♏网络终端见图3.3
∙∙∙∙∙∙∙∙图3.3✌☠☜☪☝-☝❆W网络终端接线图
4☪♓♑B♏♏(物联网)无线网络电能管理系统
不管是有线还是无线,电能管理系统总会受到环境、距离和场合等因素的影响而各有其不同的解决方案。
基于☪♓♑B♏♏(物联网)无线网络电能管理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☪♓♑B♏♏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4为☪♓♑B♏♏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☪♓♑B♏♏无线局域网络组成。
整个子网主要由电表、☪♓♑B♏♏采集器以及☪♓♑B♏♏网络终端组成。
电表可以采用✌CR☜☹的1352系列卡式电能表和✌CR网络电力仪表等,它们与☪♓♑B♏♏采集器之间采用RS485通讯,采用MODB✞S通信协议;☪♓♑B♏♏采集器下面最多可以连接32个表;由于MODB✞S地址有限,整个☪♓♑B♏♏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(☪♓♑B♏♏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☪♓♑B♏♏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☪♓♑B♏♏子网都有各自的✋D识别和频段的划分,这样可以帮助扩充更多的表计数。
∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙图4∙☪♓♑B♏♏无线集抄系统单个子网组成示意图
5应用实例
图5.1为☪♓♑B♏♏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MODB✞S-R❆✞协议。
整个系统中监控主机通过以太网按照❆CP/✋P协议把MODB✞S-R❆✞命令数据传递给☪♓♑B♏♏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☪♓♑B♏♏无线网络中的各个☪♓♑B♏♏采集器,通过☪♓♑B♏♏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5.2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☪♓♑B♏♏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5.2厂区配电图
该项目整个☪♓♑B♏♏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5.3为☪♓♑B♏♏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☪♓♑B♏♏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☪♓♑B♏♏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5.3☪♓♑B♏♏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5.4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5.4一段时间内主进线电流趋势图
图5.5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5.6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。
6系统报价∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙单位:
元(RMB)
名称
型号
单位
面价
备注
监控主机
✋PC610☟/P✋✞2.8☝/1☝/120☝/166⌧D✞D/KB+MS/D-☹♓⏹k530+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
☟P☹♋♦♏❒☺♏♦1020✌4
台
2500
☜PSO☠-☹✈1600K✋✋✋☟✌3
台
4000
✞PS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✌CR☠☜❆-PC✋/4
块
3000
扩展卡
串口服务器✌CR☠☜❆-POR❆☎2口✆
只
3000
串口服务器
串口服务器✌CR☠☜❆-POR❆☎4口✆
只
5500
通讯前置机✌CR☠☜❆-✞C02☎2口✆
只
4000
通讯前置机
通讯前置机✌CR☠☜❆-✞C04☎4口✆
只
6000
通讯前置机✌CR☠☜❆-✞C08☎8口✆
只
11500
通讯管理机✌CR☟M✋
台
30000
人机界面
组网设备
网络交换机☜DS-208
台
3000
局域组网
网络交换机☜DS-408
台
8500
监控软件
✌♍❒♏●监控组态软件✞6.0
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
∙
W♏♌发布
每+1用户(总用户数≤5)
套
5000
∙
☪♓♑B♏♏
无线模块
✌☠☜☪B-485
台
1200
∙
✌☠☜☪B-☝❆W
台
1500
∙
电力仪表
✌CR330☜☹☟
台
4860
∙
✌CR220☜☹☟
台
4280
∙
✌CR120☜☹☟
台
3580
∙
导轨式安装电表
D❆SD1352
台
2050
∙
D❆S☞1352
台
1200
∙
DDS☞1352
台
600
∙
DDSD1352
台
2950
∙
注:
☪♓♑B♏♏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。
7结束语
☪♓♑B♏♏技术在2004年就被列为当今世界发展最快,市场前景最广阔的十大最新技术中的一个,☪♓♑B♏♏(物联网)无线网络省电、可靠、成本低、容量大、安全,可广泛应用于各种自动控制领域。
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- ZigBee 联网 无线网络 电能 管理 系统 设计 选型 方案