基于ZigBee的智能電表網絡化發展及應用*

丁明瑞，施松新,，左廣巍

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.東莞華中科技大學制造工程研究院廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞 523808）

基于ZigBee的智能電表網絡化發展及應用*

丁明瑞1，施松新1,2，左廣巍2

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.東莞華中科技大學制造工程研究院廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞 523808）

隨著我國配電系統自動化水平的不斷提高以及ZigBee的應用，使電表基于ZigBee網絡通信成為了可能，同時也為智能電表的網絡化打下了堅實的基礎。智能電表為用戶智能化終端的發展指引了明確的方向，智能電表的普及將使得智能電網的高效性、安全性得到更充分的體現。針對智能電表的網絡化進行了探討，了解我國智能電表的網絡化應用的發展，并對其應用作了簡單介紹。

智能電表；雙向通信；ZigBee；網絡化

0 引言

根據2010年第六次人口普查結果，我國有4億戶家庭，排除辦公樓宇、工廠、醫院、學校等場合的用電，國內至少有4億電表需要抄表統計電量，以及繁瑣的用戶繳費流程，因此亟需智能電表的自動化、智能化、網絡化來代替人工勞動，為人們帶來簡便舒適的生活。其智能化又能為電量的合理利用發揮關鍵作用，在資源緊缺而又環境污染嚴重的今天，智能電表的普及尤為必要。

智能電表是2009年國家電網公司提出的概念，智能電表支持雙向計量、階梯電價、網絡互動等實際的需求，為智能家居智能小區的實現提供了技術支持。因為與智能電表配套的信息網絡制約著其功能的實現，所以目前我國雖然已經完成了從機械式電表到電子式電表的轉變，但智能電表依然沒有大范圍的普及。智能電表具有形如自動測量、數據處理、故障提示、單位換算等普通電表沒有的功能，而且還具有人機互動功能，配有操作面板和顯示器，可以說具有了一定的人工智能[1]。

1 智能電表網絡化的基礎

早在2007年12月初，國家發改委就發布了標準編號為“DL/T 614-2007”的《多功能電能表》和編號為“DL/T 645-2007”的《多功能電能表通信協議》兩個行業標準，標準，2009年10月，國家電網發布了智能電表新的標準，新標準提高了智能電表通信、計量等技術要求。

智能電表是由傳統電表發展而來，是智能電網重要的智能終端。傳統的用戶終端電表是電磁式的，安裝在用戶端，用于計量用戶的用電量，計量單位為度（kWh）。智能電表不同于一般的多功能表電能表，除能夠測量電度(kWh)和無功電度(kvarh)外，還可測量電流、電壓、功率、無功功率、功率因數頻率和諧波含量等電力品質參數，因為它含有形如一臺微型計算機的微控制器（MCU），有更豐富的雙向通信和智能控制等一些更加自動化和智能化的功能[2]。

通訊是智能電表與電網之間數據傳送與接收的渠道，所以對智能電表遠程通信功能的要求就必須很高。智能電網數據采集的基本設備之一就是智能電表，原始數據采集與傳輸都是其完成的。在通信的過程中，微控制器可以簡潔地實現智能電網供電系統和用戶之間可靠的高級電能管理，比如除了查看最基本的每月電量，用戶還可以按時間點、時間段甚至按耗電器材分別查看不同的電費和電能使用情況[3]，用戶可根據終端進行自助查詢、繳費、斷電等操作，為電能的高效管理提供了保障。

2 ZigBee技術

ZigBee技術是一種針對傳感器網絡設計的距離短、復雜度低、能耗低、成本低廉的雙向無線網絡通信技術，是一種基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。ZigBee協議規范使用了IEEE 802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體介訪問層（MAC），并在此基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）架構。ZigBee協議的體系結構如圖1所示。其中MAC層（媒體介訪問層）主要功能包括信道接入、結構數據收發、時隙管理等；PHY層（物理層）主要有啟閉無線收發器、檢測信道能量、檢測鏈路質量以及通過物理信道收發數據包等功能；NWK層（網絡層）主要用于ZigBee的連接組網、管理數據和網絡維護等；APL層（應用層）主要為ZigBee技術的應用提供模型[4]。

電表通信分為上行通道及下行通道，上行通道為實現抄表、數據計量等功能將數據傳送到電能中心。ZigBee的智能能源標準就是針對智能電網的建設而設計的。下行通道將電網信息傳送到用戶端，實現遠程控制的功能。用戶的電能表依靠ZigBee技術組成網絡，先將數據傳輸至具有ZigBee接口的服務網關，然后通過以太網傳送至管理中心，管理中心再對數據進行整合。在如今電網智能化的背景下，電能表需要具有通信的功能，在眾多與電表相關的通信技術中，ZigBee技術由于其低成本、低功耗以及易于維護的特點非常適合電能表通信中[5]。

圖1 ZigBee協議體系結構

3 智能電表的ZigBee通訊功能

模塊化、智能化、網絡化是智能電表的發展趨勢。目前，可利用的通信網絡有：電力線載波網(PLC)、光纖與同軸電纜網(HFC)、固定電話網(PSTN)、無線移動網(GSM/GPRS/CDMA)等[4]。其中，通信領域的前沿技術ZigBee無線傳感器網絡(WSN)在智能家居、智能小區、工業自動化等領域具有十分廣泛的應用前景，在智能電網的數據傳輸過程中也發揮了不可替代的作用。

未來智能電網的核心是安全、高速和節能的通信技術的應用，從而為廣大終端用戶和電力公司之間提供雙向的互動網絡。智能電表的網絡化通信的示意圖如圖2所示。

ZigBee無線通信的方式為電能遠程監測系統提供渠道，并利用Internet網絡實時在線監測現場數據。管理中心控制多臺服務器儀表的數據通過網關和以太網讀入，最后將數據匯集到管理中心實現遠程控制。電能表通過網關接入以太網利用局域網與服務中心的服務器相連，將各電能表節點以RS485串行通信的計量數據進行遠程遠程。以太網網關采用8位MCU+專用網絡接口芯片為主體的系統結構，串行通信接口采用RS485，并以Modbus為通信協議，對各個電表節點的主從式點對點的串行通信[6]，并通過網絡把數據上傳給應用層，應用層的處理中心完成數據的處理，最終向用戶提供網絡服務，并且支持計算機、平板電腦、手機等多種客戶端終端設備，可隨時供用戶監測個人用電情況以及其他服務[7]。

圖2 網絡化通信示意圖

4 智能電表網絡化的應用

智能電表在實際應用的過程中，必須要以用戶需求的角度來進行發展，比如可以本地管理控制、遠程管理控制、雙向管理和雙向通信，才能為個人家庭用戶的用電情況智能化聯網提供保證，其實際應用如下。

（1）自助服務，用戶通過智能電表的客戶端能夠準確、實時的處理費用問題獲取消費明細，具體到某一天甚至是更短時間內的、各種設備之間各自的用電情況，耗電規律、消費曲線等都可以查詢，簡化了流程，提供成本更低、更加靈活簡便的付費方式。

（2）電力公司實時監測電能質量和供電狀況，從而快速響應用戶投訴和疑難解答，并提前采取相應措施預防因電能質量而引發的問題；根據用電情況劃分用電高峰，提醒用戶合理用電。

（3）智能電表的網絡化應用還為智能家居提供了保障，智能電表的遠程控制功能是其網絡化應用的真實體現，智能電表具有傳統電表所無法企及的對智能家電設備的控制功能。利用與智能電表相連的智能終端可以直接進行智能家電的啟停控制、模式設定等各種管理，從而實現家庭自動化和家電等設備的遠程控制等。

（4）現階段我國抄表模式還很大程度上依賴人工，特別在不發達地區，網絡化、自動化的集中抄表模式才僅普及在少數發達地區。利用智能電表的成本低，數據傳輸準確，適應復雜環境的特征可以進行GPRS遠程自動抄表，從而能夠實時地檢測用戶的用電信息。智能遠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題，為電力部門提供準確、高效的數據，而且還能夠改善電力部門的管理、節省人力物力、提高工作效率。

5 結語

本文簡單介紹了基于ZigBee技術的智能電表網絡化的實現與應用，其發展與技術的成熟給人們的生活工作帶來深遠的影響，極大的提高了人們的生活水平。隨著科技的進步，對儀表系統的要求也在不斷提高，復雜的工業化現場促使儀表朝著網絡化、智能化等更高的要求發展，智能電表的優勢也將越來越明顯。在持續不斷的研究過程中，也為水、氣、熱等生活計量領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。隨著我國對智能電網建設的大量投入，智能電表網絡化的優勢逐步顯現，其普及范圍將越來越廣，越來越多的用戶將會選擇智能電表。

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

［2］靜恩波.基于嵌入式系統的智能電表設計與研究［J］.低壓電器，2011（3）：26-30.

［3］李保瑋.智能電表簡介［J］.裝備機械，2010（3）：70-73.

［4］張聰.基于ZigBee技術的智能電表的研究與設計［D］.上海：上海交通大學，2010.

［5］鄒楊.具有ZigBee通訊功能電能表的研究與設計［D］.長沙：湖南大學，2011.

［6］李大鵬，王祁.三相復費率網絡化智能電能表的研制［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：1811-1812.

［7］孫薇，欽道理，于鳳芹.基于物聯網架構的校園電能監測系統設計［J］.電工電氣，2013（12）：13-16.

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。研究領域：機電一體化。 (編輯：向 飛)

*廣東省重點實驗室建設項目（編號：2011A060901026）；東莞市科技計劃項目（編號：2011108102058）

2014－03－19