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物聯網（Zigbee）合同能源管理
1 概述
隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技術，稱之為Zigbee，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網。
由于Zigbee的優越特性，基于Zigbee技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現手段。適合應用于一些短距離的無線網絡的組網，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網絡，適用于企業內部能耗監測及管理系統，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統中。而若將其與成熟的工業以太網和GPRS/CDMA上行信道結合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監控系統，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。Zigbee與其他最后一公里通訊技術比較見表1。
Zigbee與其他“最后一公里”技術的比較 表1
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PLC |
RS485 |
Zigbee無線 |
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建網難度 |
簡單 |
困難 |
簡單 |
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一次性投資 |
小 |
一般 |
較大 |
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運行維護 |
困難 |
比較困難 |
容易 |
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通信速度 |
低 |
高 |
高 |
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可靠性 |
差 |
一般 |
好 |
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實時監控 |
不能 |
能 |
能 |
Zigbee協議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發布Zigbee V1．0到最新的增加了Zigbee-PRO擴展指令集的Zigbee2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。Zigbee具備強大的設備聯網功能(見圖2)，它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術相比較，Zigbee的特點主要有：
圖2 Zigbee網絡拓撲分類
(1)工作周期短、收發信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。
(2)低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時。Zigbee的最大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數據的應用需求。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需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發射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節點間的距離，若通過路由和節點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構。由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點。
(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的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。Zigbee還提供了3級安全模式，包括無安全設定、使用接人控制清單防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
(6)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
3 Zigbee性能參數
Zigbee采集器/終端主要參數見表3。
表3
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型號 參 數 |
ANEZB-485
Zigbee采集器 |
ANEZB-GTW
Zigbee網絡終端 |
|
無線 |
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頻率范圍 |
2.41GHz~2.48GHz |
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RF信道 |
16 |
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接收靈敏度 |
-94dbm |
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發射功率 |
-27dbm~25dbm |
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天 線 |
外置SMA天線 |
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網絡拓撲 |
網狀 |
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尋址方式 |
IEEE802.15.4/Zigbee標準地址 |
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網絡容量 |
最大255個節點 |
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通信接口 |
|
通信接口 |
RS485 |
工業以太網 |
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波特率 |
9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps可選； |
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通信協議 |
MODBUS-RTU協議 |
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LED指示 |
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網絡狀態指示 |
綠燈 |
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POWER指示 |
紅燈 |
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數據指示 |
綠燈 |
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電源 |
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輔助電源 |
220V AC |
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功耗 |
4W |
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電磁兼容 |
浪涌電壓4000V |
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快速瞬變群脈沖4000V |
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靜電8000V |
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機械尺寸 |
89×76×74mm |
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工作溫度 |
-20℃~65℃ |
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儲藏溫度 |
-40℃~85℃ |
4 Zigbee接線方式
4.1 Zigbee采集器 見圖4.1
4.2 Zigbee網絡終端 見圖4.2
圖4.2 ANEZG-GTW網絡終端接線圖
5 外形與安裝尺寸(mm)
5.1 Zigbee采集器 見圖5.1。
圖5.1 ANEZB-485采集器外形及尺寸
5.2 Zigbee網絡終端 見圖5.2。
圖5.2 ANEZB-GTW網絡終端外形及尺寸
5.3 安裝方式
采用35mm標準導軌安裝，見圖5.3。
圖5.3 Zigbee模塊安裝方式
6 合同能源管理的意義
合同能源管理是發達國家普遍推行的、運用市場手段促進節能的服務機制。節能服務公司與用戶簽訂能源管理合同，為用戶提供節能診斷、融資、改造等服務，并以節能效益分享方式回收投資和獲得合理利潤，可以大大降低用能單位節能改造的資金和技術風險，充分調動用能單位節能改造的積極性，是行之有效的節能措施。根據《中華人民共和國節約能源法》和《國務院關于加強節能工作的決定》（國發〔2006〕28號）、《國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》（國發〔2007〕15號）等文件精神，加快推行合同能源管理，促進節能服務產業發展是必然趨勢。
安科瑞合同能源管理系統結合自身產品研發優勢，根據現場實際情況采用現場總線或無線通訊中的一種或多種結合的最優化的組網方式，實現遠程變配電監控、電能集抄與質量管理，同時也為用戶節約了大量的一次投入成本。公司研發的系統組態平臺集成了國內外多種工業現場通訊規約，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備或進口設備的接入，先進的系統架構支持信息共享和Web發布，解決了配電監控信息孤島的難題。專家報表的自動生成大大減輕了值班人員的工作量，提高節能管理的工作效率。
7 能源管理系統計量體系宜選電力儀表
建立合同能源管理系統，應先建立計量體系。數據先于決策，節能始于計量。為了不重復投資，造成浪費，能源管理系統應與配電系統一體化，直接在配電系統中采集能耗數據。
電能計量宜采用電力儀表作為內部管理電表，不宜用收費電表。在電能管理中，供電部門一般會在總進線處安裝收費電表。考慮內部電能計量與節能管理的需要，在用戶安裝收費電表的基礎上安裝電力儀表，用于內部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區的分項電能數據的采集，通過后臺電能管理系統完成電能分項計量。
表7 收費電表與電力儀表之比較
8 合同能源管理表計的選型方案
8.1 高壓回路或低壓進線回路選ACR330ELH儀表
該表為電能質量分析儀表，主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數、電話波形因子、電流K系數、電壓與電流不平衡度計算；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T645規約。外形尺寸：120×120mm，開孔尺寸：108×108mm。適用于高壓重要回路或低壓進線柜，見圖8.1。
8.2 低壓聯絡或出線回路選ACR220ELH電力儀表
該表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議。外形尺寸：96×96mm，開孔尺寸：88×88mm。適用于低壓聯絡柜、出線柜，見圖8.2。
8.3 動力柜、照明箱選ACR120EL電力儀表或導軌式電表
ACR120EL電力儀表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；2DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議。外形尺寸：開孔尺寸80×80mm，開孔尺寸72×72mm。適用于動力柜，見圖8.3。
DTSD1352導軌式電表主要功能：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數。適用于動力柜，見圖8.4。
DTSF1352導軌式電表主要功能：電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數。適用于照明箱的三相電能計量，見圖8.5。
照明箱DDSF1352電表主要功能：電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：76×89×74mm，4模數。適用于照明箱的電流、電壓測量；單相電能計量，見圖8.6。
9 Zigbee無線抄表解決方案
不管是有線還是無線，抄表系統總會受到環境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案。基于Zigbee抄表系統也不會脫離這個約束，它也會由環境、距離和場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，應用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網絡時，它所考慮的因素相對要少。
圖9為Zigbee無線集抄系統單個子網組成示意圖，整個系統前面闡述的系統體系結構的組成一樣，主要由上行網絡工業以太網和下行網絡Zigbee無線局域網絡組成。整個子網主要由電表、Zigbee采集器以及Zigbee網絡終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網絡電力儀表等，它們與Zigbee采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUS通信協議；Zigbee采集器下面最多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個Zigbee子網中最多能連接255個表；為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網絡節點（Zigbee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節點的通信正常；另外考慮到無線網絡的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網中的無線節點（即Zigbee采集器）的個數不應大于60個，這樣能保證網絡中的通信質量。每個Zigbee子網都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數。
圖9 Zigbee無線集抄系統單個子網組成示意圖
10 基于Zigbee合同能源管理系統的應用實例
圖10.1為Zigbee能源管理系統，遠程通信網絡采用工業以太網絡，網絡中電表的通信協議采用MODBUS-RTU協議。整個系統中監控主機通過以太網按照TCP/IP協議把MODBUS-RTU命令數據傳遞給Zigbee網絡中心節點，網絡中心節點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳遞給Zigbee無線網絡中的各個Zigbee采集器，通過Zigbee采集器傳遞給485總線上的各個表計，如果表計的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應的數據回復，通過原路返回給監控主機。
整個系統可以監測整個廠區或整幢樓宇等的各個分項的電能計量，譬如一個廠區路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生產線的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內的各個分項能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時間里的各個分項的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達到節能減耗的效果。
目前整個系統在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計量的原則，把廠區內的各路進線和出線進行分項計量，圖10.2就是該廠區的配電圖，整個系統對所有的進線回路進行監控，并全部使用Zigbee采集模塊進行數據采集監控，其中包含電流、電壓、電能等參數，及一些簡單的開關量的控制。系統還對一些支路進行監視，譬如生產線、辦公樓、空調等等進行全方位的監視，這樣方便工廠了解各項數據，以便制定更詳細的節能方案。
該項目整個Zigbee能源管理系統采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖10.3為Zigbee能源管理系統中的通信圖，它列出了整個系統包含的所有表計。其中配電室的14個表通過485總線連接到一個Zigbee采集模塊進行無線通信，各個空調插座由于比較分散，各采用一個Zigbee采集模塊，等等。具體視表計的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個模塊，分散的分別連接一個模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。
圖10.3 Zigbee能源管理系統通信圖
整個系統運行良好，已經在現場運行了一段時間。圖10.4為一段時間內主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內的電流情況，從而反映整個廠區的負荷情況。
圖10.5為一段時間內的進線回路各項參數的具體數值，它詳細地記錄了進線回路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數。整個廠區各回路電能匯總如圖10.6所示，它記錄了一段時間內各個回路的耗電情況，包括各回路進行柜的總電能及分支電能。
11 系統報價
單位：元（RMB）
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名稱 |
型號 |
單位 |
面價 |
備注 |
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監控主機 |
IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外設 |
臺 |
8500 |
均可用戶自備，以當時市場價格為準，該報價僅供參考 |
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顯示器 |
三星19寸液晶顯示器 |
臺 |
3000 |
|
三星22寸液晶顯示器 |
臺 |
3800 |
|
打印機 |
HP LaserJet 1020 A4 |
臺 |
2500 |
|
EPSON-LQ1600KIIIH A3 |
臺 |
4000 |
|
UPS電源 |
山特C1KS |
臺 |
5000 |
|
山特C2KS |
臺 |
6500 |
|
通訊機柜 |
1200×600×600 |
面 |
3000 |
|
2200×600×600 |
面 |
5000 |
|
通訊轉換 |
擴展卡ACRNET-PCI/4 |
塊 |
3000 |
擴展卡 |
|
串口服務器ACRNET-PORT(2口) |
只 |
3000 |
串口服務器 |
|
串口服務器ACRNET-PORT(4口) |
只 |
5500 |
|
通訊前置機ACRNET-UC02(2口) |
只 |
4000 |
通訊前置機 |
|
通訊前置機ACRNET-UC04(4口) |
只 |
6000 |
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通訊前置機ACRNET-UC08(8口) |
只 |
11500 |
|
通訊管理機ACRHMI |
臺 |
30000 |
人機界面 |
|
組網設備 |
網絡交換機EDS-208 |
臺 |
3000 |
局域組網 |
|
網絡交換機EDS-408 |
臺 |
8500 |
|
監控軟件 |
Acrel監控組態軟件V6.0 |
系統組態軟件
圖形組態軟件
電能管理軟件
數據庫軟件 |
套 |
3萬 |
設備數量1～10 |
|
4萬 |
設備數量11～20 |
|
6萬 |
設備數量21～40 |
|
8萬 |
設備數量41～80 |
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10萬元以上 |
設備數量80以上 |
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雙機版 |
|
套 |
|
單機價格×1.5 |
|
數據轉發 |
每+1用戶 |
套 |
3000 |
|
|
Web發布 |
每+1用戶（總用戶數≤5） |
套 |
5000 |
|
|
Zigbee
無線模塊 |
ANEZB-485 |
臺 |
1200 |
|
|
ANEZB-GTW |
臺 |
1500 |
|
|
電力儀表 |
ACR330ELH |
臺 |
4860 |
|
|
ACR220ELH |
臺 |
4280 |
|
|
ACR120ELH |
臺 |
3580 |
|
|
導軌式安裝電表 |
DTSD1352 |
臺 |
2050 |
|
|
DTSF1352 |
臺 |
1200 |
|
|
DDSF1352 |
臺 |
600 |
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注：Zigbee無線模塊、電力儀表、導軌式安裝電表可按上述報價的70%優惠供應。
12 結束語
能源日益緊張，節能降耗是社會發展的必然選擇，而合同能源管理系統為用戶提供了一個良好機制。通過Zigbee無線模塊與電力儀表建立能源管理的計量體系，可以減少重復投資，省掉布線，使用戶電力智能監控與能源管理一體化。系統在世博VIP酒店、蘇州創業園、廣州亞運會網球中心等項目中運行，取得了較好的社會效益和經濟效益。
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