程瑛穎，杜杰，肖冀，周峰

（國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民工業(yè)用電量快速上升。傳統(tǒng)電能抄表方式由抄表員定期到現(xiàn)場抄讀用電數(shù)據(jù)，往往由于人為原因造成抄表不及時(shí)，隨意預(yù)估甚至更改數(shù)據(jù)，進(jìn)而與結(jié)算電量存在較大誤差，對用電情況難以進(jìn)行有效監(jiān)管。這種高成本、低效率的抄表方式也已經(jīng)與社會(huì)發(fā)展的需求嚴(yán)重脫節(jié)。基于上述原因，我國電力系統(tǒng)抄表方式已開始由人工抄表向利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)抄表的方式過渡［1］。

目前已采用的自動(dòng)抄表技術(shù)主要有三類。第一類是利用IC卡事先購買電量，把充值卡插入專用IC電能表用電，但I(xiàn)C卡易損壞且對電能表難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。第二類是利用電力部門現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)抄表，如采用電力載波線的方式進(jìn)行電能數(shù)據(jù)采集，該方式節(jié)約了前期投入成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)了抄表的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性；但長期來說有線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本仍然偏高，且該技術(shù)難以同水、氣表等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，第三類采用現(xiàn)有或重新組建的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線智能抄表的技術(shù)正成為主流發(fā)展方向，該方案具有組網(wǎng)快、造價(jià)低、維護(hù)方便等有線網(wǎng)絡(luò)所不具備的優(yōu)點(diǎn)［2］。

目前提出或正在利用無線通信技術(shù)進(jìn)行抄表的方式各種各樣：有采用手持抄表器與電能表進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無線數(shù)據(jù)讀取的方式；有利用無線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)近程采集的方式；有利用移動(dòng)運(yùn)營商現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電能表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與采集的方式；也有將幾種不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組合，取長補(bǔ)短，利用綜合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用電數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集等等［3］。

文中將研究的電能表主要基于ZigBee短距離低功耗的無線通信技術(shù)，將相鄰區(qū)域內(nèi)的電能表節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)電能表節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與處理（如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障預(yù)警），再將關(guān)鍵數(shù)據(jù)發(fā)送或反饋至電力部門。在未來，該技術(shù)還可以非常容易地實(shí)現(xiàn)水、電、氣三表數(shù)據(jù)聯(lián)合抄讀，進(jìn)一步降低了建設(shè)成本，同時(shí)極大地增加了抄讀效率，最終將會(huì)降低家庭開支和生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

由于智能電能表需要在電網(wǎng)斷電情況下具備監(jiān)測功能，絕大多數(shù)水、氣表也較難就近獲得有線電源，這就需要利用電池等獨(dú)立供電技術(shù)給上述智能表供電；隨著智能電能表在電網(wǎng)中的數(shù)量日益龐大，其自身功耗正變成一項(xiàng)不可忽略的電網(wǎng)損耗量，因此裝置的低功耗運(yùn)行正變得越來越重要［4］。江蘇計(jì)量科學(xué)院的趙波等人著重介紹了一套功耗測量系統(tǒng)軟件，用于智能電能表的功耗測量［5］；山東科技大學(xué)的冀友等人針對多用戶智能電能表進(jìn)行了自身功耗及其功能特點(diǎn)分析，結(jié)果表明多用戶智能電表能顯著降低各個(gè)用戶的平均電能計(jì)量消耗，符合我國國情及低碳生活的價(jià)值觀［6］。本文將重點(diǎn)研究所設(shè)計(jì)的無線電能表功耗，了解其在不同工況下的具體功耗，為后續(xù)軟件智能設(shè)置低功耗運(yùn)行提供一定的依據(jù)。

1 無線電能表軟、硬件設(shè)計(jì)介紹

1.1 無線抄表系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

一般情況下，無線電能抄表系統(tǒng)主要由智能電能表、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及管理服務(wù)器組成。以城市中普遍存在的住宅小區(qū)為例，圖1所示給出了該無線電能抄表系統(tǒng)的基本原理結(jié)構(gòu)圖?？紤]到ZigBee短距離無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成介于樹型拓?fù)浜途W(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和管理服務(wù)器之間通過串行通信的方式進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸，該協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收所有電能表發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行管理?？紤]到傳輸距離問題，所有的智能電能表均設(shè)置成終端設(shè)備，僅與距離最近的路由節(jié)點(diǎn)通信，路由節(jié)點(diǎn)只具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以直接和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信，也可借助其它路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信。

服務(wù)器是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理者，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)電能表的讀數(shù)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或壓縮存儲(chǔ)下來，為實(shí)行階梯電價(jià)提供有力的技術(shù)支持；另外服務(wù)器還可以將關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送至電力管理部門，為電力部門調(diào)整電力電量平衡提供大數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而提高電網(wǎng)的用電效率。

圖1 城市住宅小區(qū)無線抄表系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure diagram of wirelessmeter reading system for urban residential quarters

1.2 無線電能表硬件設(shè)計(jì)介紹

在目前技術(shù)條件下，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)獲得了很多應(yīng)用，其中路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均有較為成熟的設(shè)計(jì)方案可供本系統(tǒng)選擇。相對而言，無線電能表則屬于較新的領(lǐng)域，需要進(jìn)一步測試完善相關(guān)技術(shù)方案。圖2給出了一種典型無線電能表的設(shè)計(jì)方案，值得注意的是，該設(shè)計(jì)方案主要計(jì)量220 V家庭單相電能，若涉及到380 V三相電能計(jì)量，設(shè)計(jì)方案中僅需將計(jì)量芯片更換升級(jí)為三相電能計(jì)量芯片［7］。

圖2 無線電能表硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of hardware structure of wireless electric energy meter

該無線電能表的核心功能有電能計(jì)量、數(shù)據(jù)處理、信息顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及無線通信。其中電能計(jì)量選擇美國某公司生產(chǎn)的專用芯片ADE7755，它能夠?qū)⒂泄β实男畔⒁圆煌l率的脈沖信號(hào)輸出，并且能夠在較大的溫度變化范圍內(nèi)維持較高的測量精度，是一款性能、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品［8］。

ADE7755計(jì)量得到有功功率數(shù)值時(shí)，芯片CF端會(huì)輸出相應(yīng)的高頻脈沖，該脈沖經(jīng)光電隔離元件輸入微處理器模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)，微處理器模塊根據(jù)換算關(guān)系換算成用電功率信息。本文為簡化硬件設(shè)計(jì)，微處理模塊直接選用集成有射頻模塊的CC2430，該芯片現(xiàn)屬于某公司旗下的產(chǎn)品，內(nèi)部集成了增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051內(nèi)核和CC2420射頻核心。若為了降低硬件成本，微處理器模塊和射頻模塊也可分別獨(dú)立開發(fā)，基本性能可不受影響。

另外，為了方便用戶讀取電能表讀數(shù)，無線電能表還設(shè)計(jì)了一液晶顯示模塊。模塊內(nèi)部額外集成了脈沖指示燈、跳閘指示燈、報(bào)警指示燈等發(fā)光二極管。其中脈沖指示燈用來指示用戶的瞬時(shí)用電功率，用電負(fù)荷越大，指示燈閃爍頻率越快；當(dāng)用戶不用電時(shí)，指示燈不亮。跳閘指示燈用來表示電能表處于拉閘不通電狀態(tài)。報(bào)警指示燈用來表示電能表處于報(bào)警狀態(tài)，相關(guān)故障或報(bào)警項(xiàng)的信息碼則通過液晶顯示屏顯示。

對于電源管理模塊，當(dāng)電網(wǎng)有電時(shí)，通過開關(guān)電源提供電能，同時(shí)備用4節(jié)干電池確保在斷電情況下電能表仍能正常工作。為確保各模塊能夠穩(wěn)定工作，后續(xù)電路選用線性穩(wěn)壓芯片LT1763-3和LT1763-5分別提供正3 V和正5 V電壓給CC2430模塊和液晶顯示、電能計(jì)量模塊供電。線性穩(wěn)壓芯片的最大輸出電流均為500 mA，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1.3 無線電能表軟件設(shè)計(jì)介紹

圖3所示為無線電能表主程序流程圖，在上電初始化之后，電能表將對電能進(jìn)行計(jì)量，若沒有有功功率，將根據(jù)默認(rèn)參數(shù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)僅有液晶顯示模塊和微處理器模塊在低功耗狀態(tài)下工作，相關(guān)參數(shù)可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)重新配置。若有功功率不為0，則液晶顯示模塊將實(shí)時(shí)指示瞬時(shí)功率，并顯示累積消耗的電能數(shù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

系統(tǒng)初始化包括CC2430微處理器和射頻模塊初始化，ADE7755計(jì)量芯片初始化，ZigBee入網(wǎng)初始化等，所需時(shí)間較長。因此初始化之前要禁止微處理器所有的中斷響應(yīng)，初始化結(jié)束后開全局中斷。

2 無線電能表功耗模型與測試

2.1 功耗模型

在無線電能表運(yùn)行過程中，利用泰克公司的TCPA300放大器和TCP312A探頭，結(jié)合示波器觀察電源輸出端電流，如圖4所示。由于模擬電網(wǎng)中沒有電流通過，電能表會(huì)自動(dòng)休眠5.12 s，然后再次監(jiān)測計(jì)量電網(wǎng)有用功率并與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信。

圖3 無線電能表主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart of wireless electric energymeter

圖4 電源輸出電流波形圖Fig.4 Power output currentwaveform diagram

圖4的電流波形表明在電壓為6 V的情況下，電能表大概有三種類型的功耗：休眠功耗Ps約0.06W，電能計(jì)量狀態(tài)下功耗Pa約0.45 W，無線通信狀態(tài)下功耗Pc約0.78W。其中無線通信的時(shí)長tc約0.5 s，是固定值。休眠時(shí)間間隔ts及電能連續(xù)計(jì)量時(shí)間ta可通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到相應(yīng)命令進(jìn)行配置。

根據(jù)上述分析，式（1）給出了無線電能表的平均功耗表達(dá)式，若計(jì)量得到的有功功率不為0，則ts為0，T表示電能表的循環(huán)工作周期。由于各狀態(tài)功耗及無線通信時(shí)間可估算得到，因此電能表的平均功耗僅與休眠時(shí)間間隔ts及電能連續(xù)計(jì)量時(shí)間ta有關(guān)。值得注意的是，由于示波器采樣率隨時(shí)間軸的增大而減小，圖4中電能表在連續(xù)計(jì)量期間，相當(dāng)一部分電流峰值沒有被測出，因此實(shí)際功耗會(huì)比模型中預(yù)估的功耗要高。

2.2 功耗測試

在功耗測試實(shí)驗(yàn)中，模擬電源選用4個(gè)最大電壓25 V，容值0.22 F的電解電容并聯(lián)。首先由穩(wěn)壓電源給電容組充電至V0等于20 V，然后斷開電容組輸入端，接通其輸出端和穩(wěn)壓芯片的輸入端，監(jiān)測電容端的電壓變化，記錄下電能表工作t等于5分鐘時(shí)，電容端的電壓值V1，通過式（3）即可計(jì)算得出無線電能表的實(shí)際功耗，其中Cstor為電解電容并聯(lián)后的容值。

圖5所示即為無線電能表在不同工作狀態(tài)下的平均功耗曲線圖，實(shí)線為通過式（1）計(jì)算得到的理論功耗值，黑色菱形標(biāo)記為實(shí)驗(yàn)測得的功耗值。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有功功率為0時(shí)（圖5（a）所示），適當(dāng)延長電能表的休眠時(shí)間可以有效地降低電能表功耗。該功耗可以優(yōu)化至0.1 W以下，此時(shí)若電網(wǎng)斷電，電能表理論最大工作時(shí)長可達(dá)到42小時(shí)。但應(yīng)說明的是，該結(jié)論僅從功耗優(yōu)化角度給出，實(shí)際當(dāng)電能表節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間過長，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體通信質(zhì)量將顯著降低，甚至出現(xiàn)無法正常通信的狀況。在實(shí)際功耗優(yōu)化時(shí)應(yīng)綜合考慮無線通信質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體功耗、電能計(jì)量精度等各個(gè)因素。

通過圖5（b）、（c）可以看出，當(dāng)電網(wǎng)有電且用戶用電時(shí)，計(jì)量得到的有功功率大于0，此時(shí)電能表功耗較大，在0.45 W～0.57 W之間。圖5中，相對于理論功耗值，實(shí)測功耗整體偏高，原因之一即為電能表計(jì)量狀態(tài)下估算的理論功耗值偏低。另外本實(shí)驗(yàn)采用示波器直接觀察并測量電解電容Cstor兩端的電壓值，通過式（3）可以看出電壓測量引入的誤差將會(huì)導(dǎo)致功耗計(jì)算出現(xiàn)較大誤差。

圖5 電能表平均功耗曲線圖Fig.5 Average power consumption curve of the watt-hourmeter

3 結(jié)束語

本文提出了一種典型的基于ZigBee低功耗無線通信技術(shù)的智能電能表設(shè)計(jì)方案，廣泛用于普通家庭用電的測量。通過觀察電能表在不同工作狀態(tài)下的功耗情況，建立了其理論功耗模型，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明，經(jīng)過低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)的電能表，其最大功耗不超過0.57W，最低功耗低至0.1W，具體功耗可通過軟件設(shè)置簡單優(yōu)化。另外上述功耗在任何工作狀態(tài)下均超過國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的功耗，具有較高的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用價(jià)值。