基于ZigBee技術的自動抄表系統(tǒng)在選煤廠的應用

張文斌，高慧玲

(1.河南龍宇能源股份有限公司車集選煤廠，河南永城476600;2.神火集團新莊選煤廠，河南永城476600)

自動抄表系統(tǒng)，簡稱 AMRS(Automatic Meter Reading System)，是一種采用計算機技術和通信技術自動讀取和處理電能數(shù)據(jù)的智能化管理系統(tǒng)，且應用范圍較廣。該系統(tǒng)在車集選煤廠投入使用后，“廠-車間-重點設備”三級計量用電數(shù)據(jù)自動采集，通過GPRS無線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鬟M行統(tǒng)計、分析，在人機可視化操作終端界面動態(tài)化顯示，計量數(shù)據(jù)精確，抄表全程無需人工操作，真正實現(xiàn)選煤廠集約化、精細化、數(shù)字化的民能計量管理模式［1-3］。下面結合該系統(tǒng)在某選煤廠的應用情況，闡明其應用效果。

1 某選煤廠概況

選煤廠屬于永城礦區(qū)，永夏煤田，礦區(qū)中心位置地理坐標為東經(jīng) 116°30′00″，北緯 33°57′00″，車集井田位于永城市東南部，占地面積61.441 2 km2，礦區(qū)中心距市中心5 km。選煤廠處理能力為300萬t/a，屬礦井型動力煤選煤廠，采用“跳汰+浮選”聯(lián)合洗選工藝，煤泥水實現(xiàn)一級閉路循環(huán)。

車集煤礦建有一座15 kV的變電站，選煤廠擁有2個高壓變電所，內(nèi)置5臺變壓器，廠區(qū)共有17個低壓配電室及14臺高壓柜，全部無人值守。選煤廠現(xiàn)有電度表32塊，分布在廠區(qū)各個配電室內(nèi)，配電工作點多面廣，電力管理困難。

2 抄表存在的問題

2.1 電工巡視時間較長

由于選煤廠在原始設計上存在部分缺陷，導致配電室比較分散，工作戰(zhàn)線比較長，尤其是部分配電室處在廠房建筑較高的地方。通常安排一名電工對所有配電區(qū)域進行巡視一遍需要消耗3.8 h，約占去了正常工作日的一半時間。

2.2 抄表數(shù)據(jù)存在誤差

選煤廠現(xiàn)擁有設備600余臺，其中功率處在100 kW以上的高耗能設備占有28%。傳統(tǒng)的人工抄表效率低下，難免出現(xiàn)誤差，且人為抄表不能在同一時刻記錄所有電表讀數(shù)，無法進行精確計量。而且人工抄表時形成的原始數(shù)據(jù)錯誤，造成年初測算各車間的電量定額指標出現(xiàn)偏差，不利于選煤廠的能源管理。

2.3 抄表人力有限

選煤廠共有電氣人員17名，人員結構為:主任1名，技術員1名，電工14名，辦事員1名。他們承擔著選煤廠600余臺電機設備、計算機監(jiān)控、調(diào)度電話、網(wǎng)絡系統(tǒng)、地銷及火車外運計量系統(tǒng)的維護檢修工作，牽涉工作范圍廣，工作業(yè)務種類多，日常業(yè)務量大，技術力量明顯比較薄弱。

3 AMRS改造應用

為解決傳統(tǒng)手工抄表的誤差及不確定性，該選煤廠于2011年10月份進行了電力能源計量系統(tǒng)的改造，主要采用AMRS遠程智能抄表系統(tǒng)和通過ZigBee無線通訊網(wǎng)來實現(xiàn)遠程電抄表。

3.1 ZigBee技術簡介

ZigBee是一種新興介于無線射頻識別和藍牙之間的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee技術的特點和優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:耗電量小，支持多種節(jié)電工作模式;通信可靠，采用碰撞避免和完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，能有效避免數(shù)據(jù)傳輸時的沖突和丟失;數(shù)據(jù)安全，提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能;網(wǎng)絡容量大，一個ZigBee網(wǎng)絡最多支持65 535個設備;網(wǎng)絡自組織修復能力強，節(jié)點能自動感知周圍節(jié)點并確定連接關系，任一節(jié)點發(fā)生故障，網(wǎng)絡都能夠自我修復。

3.2 AMRS結構設計

選煤廠現(xiàn)場的各類儀表分布較分散，集中抄表部署較為困難，且一旦集中器發(fā)生故障，則所連接的所有儀表均不能正常讀取。因此，考慮到選煤廠后期可能擴充待測量的儀表或其他設備數(shù)量，AMRS采用了基于ZigBee技術的MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡。MESH網(wǎng)絡采用多跳式路由通信，以支持擴充網(wǎng)絡容量。

車集選煤廠AMRS實施方案可表述為:在廠房內(nèi)的每個配電室設置一個ZigBee終端節(jié)點，通過485線連接所有電表，并在調(diào)度中心設置了一個ZigBee中心節(jié)點，該節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA上傳到廠部集抄中心數(shù)據(jù)庫。如圖1所示。

由圖1可知，ZigBee無線通訊網(wǎng)的通信信道分為上、下兩層，上層為ZigBee中心節(jié)點與集抄中心之間的數(shù)據(jù)通信，下層為ZigBee終端節(jié)點與ZigBee中心節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。通訊方式采用無線GPRS技術進行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣可以大大減少布線的工作量，同時無線抄表也具有更加靈活的使用性。

圖1 AMRS結構示意圖

3.3 AMRS功能實現(xiàn)

AMRS數(shù)據(jù)的采集、通訊過程主要通過節(jié)點來實現(xiàn)，當一個表具端開始運行時，電表便隨之走字，ZigBee模塊進行計數(shù)，當?shù)竭_發(fā)送時間，則發(fā)送數(shù)據(jù)。為了節(jié)約能耗，在計數(shù)器每兩次發(fā)送數(shù)據(jù)之間，設置通信模塊處于休眠狀態(tài)，每次需要定時自動喚醒。由于ZigBee硬件系統(tǒng)在定時喚醒上都有一個時間誤差，所以每次發(fā)送都需要接受調(diào)度中心ZigBee中心節(jié)點發(fā)送來的時間進行校準。當接收到時間校準后，通信模塊重新定時等待下次喚醒，計數(shù)模塊繼續(xù)計數(shù)。

調(diào)度中心ZigBee中心節(jié)點一直處于喚醒狀態(tài)，當接收到ZigBee終端節(jié)點數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)綜合處理，然后將處理過的數(shù)據(jù)傳送到與之連接的GPRS模塊，GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到廠部集抄中心數(shù)據(jù)庫供給人機終端設備，其節(jié)點工作流程如圖2所示。

圖2 電表端節(jié)點和廠區(qū)集中節(jié)點工作流程

3.4 AMRS管理平臺

圖3 AMRS人機操作界面

AMRS管理平臺位于廠部，由搭載了抄表管理軟件的服務器構成。為保障選煤廠數(shù)據(jù)的安全、系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠，管理平臺與移動網(wǎng)絡之間采用了專線連接。抄表管理軟件采用模塊化設計開發(fā)，以利于適量修改或增加新的功能模塊。該軟件具有良好的人機界面，采用多窗口技術和交互式操作手段，畫面的調(diào)用快捷方便，可實現(xiàn)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)報表、圖形分析、數(shù)據(jù)存儲等主要功能。人機操作界面如圖3所示。

4 應用效果

為確保AMRS數(shù)據(jù)采集、傳輸準確率，生產(chǎn)廠家對抄表系統(tǒng)隨機抽取了6臺電能表進行統(tǒng)計試驗，人工抄表與智能抄表的對比數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 人工抄表與智能抄表對比數(shù)據(jù)

由表1顯示，AMRS遠程抄表的準確率可達到99.9%以上，滿足精度要求。同時，采用GPRS技術實現(xiàn)的無線抄表系統(tǒng)，能夠及時掌握選煤廠生產(chǎn)過程的能源消耗，具有良好的實時性和精確度。

5 結束語

AMRS投入實施后，實現(xiàn)了實時動態(tài)上報抄表數(shù)據(jù)，徹底解決了人工抄表時，工作效率低、人力物力消耗量大、電量考核滯后等弊病。更重要的是提高了抄表的準確性、實時性，使電力管理部門能及時準確的獲取數(shù)據(jù)信息，無需架設電纜，節(jié)省了人力物力，極大改善了選煤廠現(xiàn)有節(jié)能減排落后的能源管理方式。

［1］孟凡輝，鄭丹，丁立鑫，等.電力企業(yè)計量裝置管理信息系統(tǒng)的研究［J］.黑龍江電力，2011(4):277-279.

［2］張凈霞，邱立存.放樣測量中的ZigBee無線傳輸系統(tǒng)設計［J］.工礦自動化，2011(11):66-70.

［3］黃慶南，蔡啟仲，章帆.基于ZigBee和GPRS煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.煤炭技術，2011(8):112-114.