丁明瑞，施松新,，左廣巍

（1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞 523808）

基于ZigBee的智能電表網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展及應(yīng)用*

丁明瑞1，施松新1,2，左廣巍2

（1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.東莞華中科技大學(xué)制造工程研究院廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞 523808）

隨著我國(guó)配電系統(tǒng)自動(dòng)化水平的不斷提高以及ZigBee的應(yīng)用，使電表基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信成為了可能，同時(shí)也為智能電表的網(wǎng)絡(luò)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。智能電表為用戶智能化終端的發(fā)展指引了明確的方向，智能電表的普及將使得智能電網(wǎng)的高效性、安全性得到更充分的體現(xiàn)。針對(duì)智能電表的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行了探討，了解我國(guó)智能電表的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，并對(duì)其應(yīng)用作了簡(jiǎn)單介紹。

智能電表；雙向通信；ZigBee；網(wǎng)絡(luò)化

0 引言

根據(jù)2010年第六次人口普查結(jié)果，我國(guó)有4億戶家庭，排除辦公樓宇、工廠、醫(yī)院、學(xué)校等場(chǎng)合的用電，國(guó)內(nèi)至少有4億電表需要抄表統(tǒng)計(jì)電量，以及繁瑣的用戶繳費(fèi)流程，因此亟需智能電表的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化來(lái)代替人工勞動(dòng)，為人們帶來(lái)簡(jiǎn)便舒適的生活。其智能化又能為電量的合理利用發(fā)揮關(guān)鍵作用，在資源緊缺而又環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，智能電表的普及尤為必要。

智能電表是2009年國(guó)家電網(wǎng)公司提出的概念，智能電表支持雙向計(jì)量、階梯電價(jià)、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)等實(shí)際的需求，為智能家居智能小區(qū)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。因?yàn)榕c智能電表配套的信息網(wǎng)絡(luò)制約著其功能的實(shí)現(xiàn)，所以目前我國(guó)雖然已經(jīng)完成了從機(jī)械式電表到電子式電表的轉(zhuǎn)變，但智能電表依然沒(méi)有大范圍的普及。智能電表具有形如自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、故障提示、單位換算等普通電表沒(méi)有的功能，而且還具有人機(jī)互動(dòng)功能，配有操作面板和顯示器，可以說(shuō)具有了一定的人工智能[1]。

1 智能電表網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)

早在2007年12月初，國(guó)家發(fā)改委就發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為“DL/T 614-2007”的《多功能電能表》和編號(hào)為“DL/T 645-2007”的《多功能電能表通信協(xié)議》兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)，2009年10月，國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布了智能電表新的標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)提高了智能電表通信、計(jì)量等技術(shù)要求。

智能電表是由傳統(tǒng)電表發(fā)展而來(lái)，是智能電網(wǎng)重要的智能終端。傳統(tǒng)的用戶終端電表是電磁式的，安裝在用戶端，用于計(jì)量用戶的用電量，計(jì)量單位為度（kWh）。智能電表不同于一般的多功能表電能表，除能夠測(cè)量電度(kWh)和無(wú)功電度(kvarh)外，還可測(cè)量電流、電壓、功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)頻率和諧波含量等電力品質(zhì)參數(shù)，因?yàn)樗行稳缫慌_(tái)微型計(jì)算機(jī)的微控制器（MCU），有更豐富的雙向通信和智能控制等一些更加自動(dòng)化和智能化的功能[2]。

通訊是智能電表與電網(wǎng)之間數(shù)據(jù)傳送與接收的渠道，所以對(duì)智能電表遠(yuǎn)程通信功能的要求就必須很高。智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一就是智能電表，原始數(shù)據(jù)采集與傳輸都是其完成的。在通信的過(guò)程中，微控制器可以簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)供電系統(tǒng)和用戶之間可靠的高級(jí)電能管理，比如除了查看最基本的每月電量，用戶還可以按時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段甚至按耗電器材分別查看不同的電費(fèi)和電能使用情況[3]，用戶可根據(jù)終端進(jìn)行自助查詢、繳費(fèi)、斷電等操作，為電能的高效管理提供了保障。

2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的距離短、復(fù)雜度低、能耗低、成本低廉的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是一種基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE 802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體介訪問(wèn)層（MAC），并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）架構(gòu)。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中MAC層（媒體介訪問(wèn)層）主要功能包括信道接入、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)收發(fā)、時(shí)隙管理等；PHY層（物理層）主要有啟閉無(wú)線收發(fā)器、檢測(cè)信道能量、檢測(cè)鏈路質(zhì)量以及通過(guò)物理信道收發(fā)數(shù)據(jù)包等功能；NWK層（網(wǎng)絡(luò)層）主要用于ZigBee的連接組網(wǎng)、管理數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等；APL層（應(yīng)用層）主要為ZigBee技術(shù)的應(yīng)用提供模型[4]。

電表通信分為上行通道及下行通道，上行通道為實(shí)現(xiàn)抄表、數(shù)據(jù)計(jì)量等功能將數(shù)據(jù)傳送到電能中心。ZigBee的智能能源標(biāo)準(zhǔn)就是針對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)而設(shè)計(jì)的。下行通道將電網(wǎng)信息傳送到用戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。用戶的電能表依靠ZigBee技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò)，先將數(shù)據(jù)傳輸至具有ZigBee接口的服務(wù)網(wǎng)關(guān)，然后通過(guò)以太網(wǎng)傳送至管理中心，管理中心再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。在如今電網(wǎng)智能化的背景下，電能表需要具有通信的功能，在眾多與電表相關(guān)的通信技術(shù)中，ZigBee技術(shù)由于其低成本、低功耗以及易于維護(hù)的特點(diǎn)非常適合電能表通信中[5]。

圖1 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

3 智能電表的ZigBee通訊功能

模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是智能電表的發(fā)展趨勢(shì)。目前，可利用的通信網(wǎng)絡(luò)有：電力線載波網(wǎng)(PLC)、光纖與同軸電纜網(wǎng)(HFC)、固定電話網(wǎng)(PSTN)、無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)(GSM/GPRS/CDMA)等[4]。其中，通信領(lǐng)域的前沿技術(shù)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在智能家居、智能小區(qū)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景，在智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中也發(fā)揮了不可替代的作用。

未來(lái)智能電網(wǎng)的核心是安全、高速和節(jié)能的通信技術(shù)的應(yīng)用，從而為廣大終端用戶和電力公司之間提供雙向的互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。智能電表的網(wǎng)絡(luò)化通信的示意圖如圖2所示。

ZigBee無(wú)線通信的方式為電能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供渠道，并利用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。管理中心控制多臺(tái)服務(wù)器儀表的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)和以太網(wǎng)讀入，最后將數(shù)據(jù)匯集到管理中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。電能表通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)利用局域網(wǎng)與服務(wù)中心的服務(wù)器相連，將各電能表節(jié)點(diǎn)以RS485串行通信的計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程。以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用8位MCU+專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片為主體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，串行通信接口采用RS485，并以Modbus為通信協(xié)議，對(duì)各個(gè)電表節(jié)點(diǎn)的主從式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信[6]，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳給應(yīng)用層，應(yīng)用層的處理中心完成數(shù)據(jù)的處理，最終向用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并且支持計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等多種客戶端終端設(shè)備，可隨時(shí)供用戶監(jiān)測(cè)個(gè)人用電情況以及其他服務(wù)[7]。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化通信示意圖

4 智能電表網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用

智能電表在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，必須要以用戶需求的角度來(lái)進(jìn)行發(fā)展，比如可以本地管理控制、遠(yuǎn)程管理控制、雙向管理和雙向通信，才能為個(gè)人家庭用戶的用電情況智能化聯(lián)網(wǎng)提供保證，其實(shí)際應(yīng)用如下。

（1）自助服務(wù)，用戶通過(guò)智能電表的客戶端能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的處理費(fèi)用問(wèn)題獲取消費(fèi)明細(xì)，具體到某一天甚至是更短時(shí)間內(nèi)的、各種設(shè)備之間各自的用電情況，耗電規(guī)律、消費(fèi)曲線等都可以查詢，簡(jiǎn)化了流程，提供成本更低、更加靈活簡(jiǎn)便的付費(fèi)方式。

（2）電力公司實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量和供電狀況，從而快速響應(yīng)用戶投訴和疑難解答，并提前采取相應(yīng)措施預(yù)防因電能質(zhì)量而引發(fā)的問(wèn)題；根據(jù)用電情況劃分用電高峰，提醒用戶合理用電。

（3）智能電表的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用還為智能家居提供了保障，智能電表的遠(yuǎn)程控制功能是其網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的真實(shí)體現(xiàn)，智能電表具有傳統(tǒng)電表所無(wú)法企及的對(duì)智能家電設(shè)備的控制功能。利用與智能電表相連的智能終端可以直接進(jìn)行智能家電的啟?？刂?、模式設(shè)定等各種管理，從而實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化和家電等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等。

（4）現(xiàn)階段我國(guó)抄表模式還很大程度上依賴人工，特別在不發(fā)達(dá)地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的集中抄表模式才僅普及在少數(shù)發(fā)達(dá)地區(qū)。利用智能電表的成本低，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的特征可以進(jìn)行GPRS遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，從而能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)用戶的用電信息。智能遠(yuǎn)程抄表不僅能夠解決人工抄表工作效率低、漏抄、估抄以及人身安全隱患方面的問(wèn)題，為電力部門提供準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)，而且還能夠改善電力部門的管理、節(jié)省人力物力、提高工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了基于ZigBee技術(shù)的智能電表網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，其發(fā)展與技術(shù)的成熟給人們的生活工作帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，極大的提高了人們的生活水平。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)儀表系統(tǒng)的要求也在不斷提高，復(fù)雜的工業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)促使儀表朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化等更高的要求發(fā)展，智能電表的優(yōu)勢(shì)也將越來(lái)越明顯。在持續(xù)不斷的研究過(guò)程中，也為水、氣、熱等生活計(jì)量領(lǐng)域的研究提供一些借鑒和參考，更多的為人們的生活提供便利。隨著我國(guó)對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)的大量投入，智能電表網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)，其普及范圍將越來(lái)越廣，越來(lái)越多的用戶將會(huì)選擇智能電表。

［1］王思彤，周暉，袁瑞銘，等.智能電表的概念及應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（4）：17-23.

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The Network Development and Application of Smart Meter Based on ZigBee

DING Ming-rui1，SHI Song-xin1,2，ZUO Guang-wei2
（1.School of Mechanical Science&Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China；2.DG-HUST Manufacturing Engineering Institute，Guangdong Province Key Lab of Digital Manufacturing Equipment，Dongguan523808，China）

With the continuous improvement of automation in distribution system and application ZigBee，which makes the meter network communications based on ZigBee become possible，and it provides the foundation for smart meters at the same time.The smart meters give clear direction for the development of user's intelligent terminal.The popularity of smart meters will makes the Smart Grid be more efficient and security.This article mainly aims at discussing the network of smart meters，knowing the development of the network application of smart meters and making a simple introduction of its application.

smart meters；bidirectional communication；ZigBee；network

TM933.4

A

1009－9492(2014)09－0049－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.013

丁明瑞，男，1987年生，河南人，碩士。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化。 (編輯：向 飛)

*廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：2011A060901026）；東莞市科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2011108102058）

2014－03－19