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江蘇安科瑞電器制造有限公司
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當(dāng)前,范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)正逐步展開,供電公司在構(gòu)建新一代AMI(*計量體系)系統(tǒng)時,都會考慮采用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)的方式,以克服現(xiàn)有技術(shù)固有的一些不足,從而達到滿足系統(tǒng)性能和投資回報的要求。這些AMI系統(tǒng)要求包括:直接與每個表計通訊的高可靠性雙向信道、*的單次抄讀成功率、實時快速的系統(tǒng)響應(yīng)、足夠的數(shù)據(jù)帶寬遠程斷/送電、無卡遠程預(yù)付費、未來費率的遠程調(diào)整等。當(dāng)然,Z重要的是可以通過降低線損
1.1 概述
當(dāng)前,范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)正逐步展開,供電公司在構(gòu)建新一代AMI(*計量體系)系統(tǒng)時,都會考慮采用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)的方式,以克服現(xiàn)有技術(shù)固有的一些不足,從而達到滿足系統(tǒng)性能和投資回報的要求。這些AMI系統(tǒng)要求包括:直接與每個表計通訊的高可靠性雙向信道、*的單次抄讀成功率、實時快速的系統(tǒng)響應(yīng)、足夠的數(shù)據(jù)帶寬遠程斷/送電、無卡遠程預(yù)付費、未來費率的遠程調(diào)整等。當(dāng)然,zui重要的是可以通過降低線損、提高效率而獲得很高的投資回報。
盡管目前國內(nèi)涉及自動抄表領(lǐng)域的廠家很多,并且產(chǎn)品復(fù)雜多樣,但通過綜合比較發(fā)現(xiàn),自動抄表系統(tǒng)的基本構(gòu)架如圖。
其中,上位機是放置在管理部門或監(jiān)控中心的計算機系統(tǒng);集中器是區(qū)域集中數(shù)據(jù)的裝置;采集器是分區(qū)采集電表數(shù)據(jù)的裝置。這個系統(tǒng)組網(wǎng)方案中,上段信道可以采用有線市話、無線通信(包括GPRS/CDMA)、光纖通信等等,這些信道的可靠性勿庸置疑。然而現(xiàn)在自動抄表系統(tǒng)的通信問題多出在下段信道,也就是從集中器到電表這一段。這一段信道用量大,爭論也zui激烈。
現(xiàn)有的一些所謂的“zui后一公里”技術(shù),例如:低壓電力線載波(PLC),RS485有線通訊都存在各種各樣的弊端。(見表1)
隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù),稱之為ZIGBEE,它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù),主要適合于自動控制、遠程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
由于ZIGBEE的*特性,基于ZIGBEE技術(shù)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng),例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò),適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測及管理系統(tǒng),尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合,與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng),則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。
表1. ZIGBEE與其他“zui后一公里”技術(shù)的比較
1.2 ZIGBEE技術(shù)特點
ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),從2004年發(fā)布ZIGBEE V1.0到的增加了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(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖2),它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型,即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree),特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術(shù)相比較,ZIGBEE的特點主要有:
圖2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?/span>
(1)工作周期短、收發(fā)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(xié)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(jié)點需要32KB代碼,子功能節(jié)點少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時。ZIGBEE的zui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(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。ZIGBEE的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進一步節(jié)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(fā)射功率后,亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離,若通過路由和節(jié)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,zui多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical,ISM)頻段,分別為2.4 GHz()、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
1.3 ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
圖3為無線通信抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D,整個網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成:計量儀表、本地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、遠方通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也繼承了無線通信抄表系統(tǒng),它的結(jié)構(gòu)與無線抄表系統(tǒng)大致一樣,整個網(wǎng)絡(luò)也由計量儀表、ZIGBEE采集器(負(fù)責(zé)與計量儀表之間的通信)、ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端(負(fù)責(zé)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對接,譬如工業(yè)太網(wǎng)等)、上層通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換存儲設(shè)備。ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),MESH網(wǎng)絡(luò)能更好得保證通信質(zhì)量,保證單一節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響其他節(jié)點通信狀態(tài)。
圖3 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
1.4 ZIGBEE無線抄表的解決方案
不管是有線還是無線,抄表系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案?;赯IGBEE抄表系統(tǒng)也不會脫離這個約束,它也會由環(huán)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(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時,它所考慮的因素相對要少。
圖4為ZIGBEE無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖,整個系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成一樣,主要由上行網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò)ZIGBEE無線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個子網(wǎng)主要由電表、ZIGBEE采集器以及ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡(luò)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(xié)議;ZIGBEE采集器下面zui多可以連接32個表;由于MODBUS地址有限,整個ZIGBEE子網(wǎng)中zui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(huán)境和距離的情況,需要多加幾個路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(ZIGBEE采集器配置成路由功能),以保證有些孤遠節(jié)點的通信正常;另外考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實時性傳輸,建議整個子網(wǎng)中的無線節(jié)點(即ZIGBEE采集器)的個數(shù)不應(yīng)大于60個,這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個ZIGBEE子網(wǎng)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(shù)。
圖4 ZIGBEE無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖
1.5 性能參數(shù)
1.6接線方式
1.6.1 ZIGBEE采集器
1.6.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端
1.7外形與安裝尺寸(mm)
1.7.1 ZIGBEE采集器
1.7.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端
1.7.3 安裝方式
采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝
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