基于ZIGBEE无线网络的电表集抄系统 DTSD1352
概述
当前,全球范围内智能电网建设正逐步展开,供电公司在构建新一代AMI(先进计量体系)系统时,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。这些AMI系统要求包括:直接与每个表计通讯的高可靠性双向信道、极高的单次抄读成功率、实时快速的系统响应、足够的数据带宽、远程断/送电、无卡远程预付费、未来费率的远程调整等。当然,重要的是可以通过降低线损、提高效率而获得很高的投资回报。
尽管目前国内涉及自动抄表领域的厂家很多,并且产品复杂多样,但通过综合比较发现,自动抄表系统的基本构架如图1。
图1 自动抄表系统的基本构架
其中,上位机是放置在管理部门或监控中心的计算机系统;集中器是区域集中数据的装置;采集器是分区采集电表数据的装置。这个系统组网方案中,上段信道可以采用有线市话、无线通信(包括GPRS/CDMA)、光纤通信等等,这些信道的可靠性勿庸置疑。然而现在自动抄表系统的通信问题多出在下段信道,也就是从集中器到电表这一段。这一段信道用量大,争论也激烈。
现有的一些所谓的“后一公里”技术,例如:低压电力线载波(PLC),RS485有线通讯都存在各种各样的弊端。(见表1)
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。
表1. ZIGBEE与其他“后一公里”技术的比较
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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 |
通信速度 |
低 |
高 |
高 |
可靠性 |
差 |
一般 |
好 |
实时监控 |
不能 |
能 |
能 |
ZIGBEE技术特点 DTSD1352
ZIGBEE协议基于IEEE 802.15.4标准,从2004年发布ZIGBEE V1.0到新的增加了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~
(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)。
ZIGBEE无线通信抄表系统的体系结构 DTSD1352
图3为无线通信抄表系统网络拓扑图,整个网络主要由四部分组成:计量仪表、本地无线通信网络、远方通信网络以及数据交换设备。ZIGBEE无线通信抄表系统的体系结构也继承了无线通信抄表系统,它的结构与无线抄表系统大致一样,整个网络也由计量仪表、ZIGBEE采集器(负责与计量仪表之间的通信)、ZIGBEE网络终端(负责与上层通讯网络的对接,譬如工业太网等)、上层通信网络和数据交换存储设备。ZIGBEE无线通信抄表系统一般采用的组网方式是MESH的网状网络,MESH网络能更好得保证通信质量,保证单一节点出现故障时不影响其他节点通信状态。
图3 无线网络拓扑图
ZIGBEE无线抄表的解决方案 DTSD1352
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。
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采集器下面多可以连接32个表;由于MODBUS地址有限,整个ZIGBEE子网中多能连接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4 ZIGBEE无线集抄系统单个子网组成示意图 DTSD1352
4.5 性能参数
型 号 参 数 |
ANEZB-485 ZIGBEE采集器 |
ANEZB-GTW ZIGBEE网络终端 |
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无线 |
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频率范围 |
2.41GHz~2.48GHz |
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RF信道 |
16 |
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接收灵敏度 |
-94dbm |
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发射功率 |
-27dbm~25dbm |
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天 线 |
外置SMA天线 |
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网络拓扑 |
网状 |
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寻址方式 |
IEEE802.15.4/ZIGBEE标准地址 |
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网络容量 |
大255个节点 |
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通信接口 |
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通信接口 |
RS485 |
工业以太网 |
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波特率 |
9600bps(默认)、4800bps、2400bps、1200bps可选; |
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通信协议 |
MODBUS-RTU协议 |
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LED指示 |
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网络状态指示 |
绿灯 |
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POWER指示 |
红灯 |
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数据指示 |
绿灯 |
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电源 |
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辅助电源 |
220V AC |
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功耗 |
4W |
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电磁兼容 |
浪涌电压4000V |
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快速瞬变群脉冲4000V |
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静电8000V |
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机械尺寸 |
89*76*74 |
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工作温度 |
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储藏温度 |
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电能管理选型方案
应用场合 |
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型号 |
主要功能 |
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高压重要回路或低压进线柜 |
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ACR330ELH |
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 |
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低压联络柜、出线柜 |
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ACR220EL |
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、大需量统计;4DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议 |
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动力柜 |
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ACR120EL |
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、大需量统计;2DI+2DO;RS485通讯接口、Modbus协议 |
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DTSD1352 (ADL3000) |
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、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 |
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照明箱 |
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DTSF1352 (ADL300) |
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 |
三相电能计量 |
DDSF1352 (ADL100) |
电流、电压测量;单相电能计量 |
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DDS1352 (ADL10) |
电流规格5(30)A、电能脉冲输出、LED同步指示 |
单相电能计量 |
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