摘  要: 高級量測體系(AMI)是智能電網的重要組成部分和基石。為了更好地利用智能電網技術進行節能減排,基于AMI框架的家庭終端能耗管理系統,提出了一種以ZigBee技術構建家庭節能網絡的方法,通過家庭智能用電網絡,用戶可根據電網負荷及分時電價規劃用電,達到節能目的。
關鍵詞: 智能電網;AMI;家庭用電;節能;ZigBee

　進入21世紀以來,全球資源短缺日益嚴重,低碳節能成為經濟發展的重要內容并成為世界各國的共識。智能電網[1]作為當今世界電力系統發展變革的最新動向,以傳統電網為基礎,融合計算機、通信、傳感等多種技術于一身,具有數字化、自動化、信息化和互動化等基本特征[2-4],在節能減排領域有著舉足輕重的作用[5-6]。
高級量測系統AMI[7](Advanced Metering Infrastructure)是智能電網技術的重要組成部分,它是一個用來測量、收集、儲存、分析和運用用戶用電信息的完整網絡和系統[8]。AMI的建立為用戶和電網的雙向全面互動提供了平臺和技術支持,實現了電網與用戶之間的信息雙向傳遞,為電網的負荷預測及用戶側的智能節電提供了極大的幫助。
　目前,針對AMI系統的研究還不夠深入,家庭終端的研究主要集中在智能表計、智能開關等方面,缺乏以節能為核心的家庭網絡系統探索。本文提出了一種以ZigBee技術構建家庭節能網絡的方法,通過獲取當前電網負荷信息和分時電價,自動采集能耗信息,多途徑顯示并實現自動節能控制。
1 AMI概述
1.1 AMI發展現狀
　提出智能電網概念的美國電力科學研究院(EPRI)認為,智能電網的發展首先應該實行遠程自動抄表系統(AMR),即分時計價、自動停電管理、需求規劃等,而這正是AMI的雛形。美國國家能源技術實驗室(NETL)提出了智能電網的4個部分,包括高級量測體系(AMI)、高級配電運行(ADO)、高級輸電運行(ATO)及高級資產管理(AAM)。其中也將AMI作為智能電網發展的基礎。目前,世界各國都在積極部署該領域的發展。
　2009年初,美國政府在《經濟復興計劃進度報告》中提出,到2012年新增4 000萬個智能電表,同時投資40多億美元進行電網現代化、智能化改造。歐盟和日本政府也計劃到2020年將智能電表覆蓋率提高到80%。目前,意大利、瑞典等國已經淘汰普通電表,全部采用智能電表,完成AMI的部署。英國、法國、德國預計在未來10年內完成AMI的部署。西班牙、法國還通過專門的法律規范AMI系統建設。
　在2010年發布的中國政府“十二五”規劃中,智能電網被列為重點發展對象,從2011年到2015年,將在全國范圍內安裝2.3億塊智能電表。同時,相應的計量、通信標準也在加緊制定中。
1.2 AMI的組成
　AMI系統主要包括智能電表、通信網絡、計量數據管理系統(MDMS)、家庭網絡(HAN)4個部分,其結構如圖1所示。

　(1)智能電表。與傳統電表相比,智能電表增加了與電網的雙向通信、用戶信息管理、計量信息管理、用電量監測等功能模塊。它具有以下功能:精確測量家庭用電數值;顯示分時電價;電費預付及余額提醒;電能質量檢測;數據記錄與儲存;竊電保護;防止高額電價或者為需求相應服務的負荷峰值限制;與家中其他智能設備通信。
　(2)通信網絡。通信網絡為電力公司、用戶及相關設備之間的雙向信息傳輸提供了物理架構。它具有開放式的雙向通信規約,但同時也必須保證信息的安全性和可靠性。通信媒介包括電力載波、電力線寬帶、銅線或者光纖、集中或者分布式無線射頻、因特網等。
　(3)計量數據管理系統(MDMS)。MDMS是一個帶有分析功能的數據庫,它能和智能電網架構中的很多信息系統進行交互,如用戶信息系統(CIS)、賬單系統、停電及預警管理系統、電能質量檢測系統、負荷預測系統、變壓器負荷管理系統等。MDMS能對AMI體系中的數據進行合法性驗證、編輯、評估及管理,確保這些數據的準確性和完整性。
　(4)家庭網絡(HAN)。家庭網絡通過與室內用戶管理終端進行交互,把智能電表與家庭內的電氣設備連接起來,使得用戶能根據當前電網信息,積極參與需求響應或電力負荷調整。家庭網絡應該具有以下功能:實時向用戶顯示電能的使用情況和價格信息;根據用戶的設置對電價信息進行反饋;根據用戶需求設置能耗或負荷控制峰值;根據用戶設定自動調節負荷;用戶主動干預功能。
1.3 AMI的優勢
　AMI的實施對電力公司、用戶的價值是不言而喻的。(1)用自動抄表取代人工上門抄表,有利于信息化管理,同時省去人力;電費預付,方便客戶和電網公司。(2)電網公司能夠遠程接通和斷開某些用戶負載,可有效進行能耗管理。(3)收集區域全面細致的用電數據,為電網調度提供系統范圍內的負荷預測。(4)電網出現故障時能快速定位。電能質量可以實時在線監測。(5)通過傳遞電網負荷及實時電價信息,引導用戶錯峰耗能,減少對系統發、輸、配環節中的固定資產投資,優化資源配置,提高系統效率。(6)為用戶側分布式發電的接入提供條件。(7)為智能電網其他系統的建立和發展提供幫助。

2 家庭智能用電系統
　家庭用電與AMI系統最緊密的關聯就在于雙向的信息交互。電能的使用存在著嚴重不均現象,在用電高峰期,電網負荷大、電價高,供能緊張,而在用電低谷期,設備閑置,經濟性差。因此,及時根據電網負荷調整電器使用,錯峰耗能,可以優化資源利用,降低電能消耗。
　當前,家庭網絡存在以下幾個盲區:(1)雖然智能電表能提供電網及家庭用電信息,但是人們很少去主動關注電表。電表的信息顯示及預警需要新的途徑。(2)智能電表在獲取單個電器用電量時,經濟性差。(3)缺乏結合AMI的智能化的家電控制系統,普通智能家居節能效果一般。
因此,將智能電表的信息采集出來,經由多種途徑顯示,并通過家庭無線網絡按照預定的規則自動控制家電運行,智能電網的家庭終端也能實現智能化節能操作。該系統的結構如圖2所示。

2.1 信息傳輸網絡
　AMI體系要求各個系統模塊之間持續、有效地無線通信,因此選擇一種合適的無線通信技術非常重要。目前的短距離無線通信主要有紅外、藍牙、WiFi以及ZigBee技術,紅外以及藍牙由于受到傳輸距離的限制不符合要求,WiFi對于技術的要求過高,也不是最佳選擇,因此,可選用ZigBee技術作為該體系的無線通信技術。
　ZigBee技術是基于IEEE802.15.4標準[9]制定的一種短距離、低功耗的無線網絡通信協議。它專注于低速率傳輸控制,網絡容量大,時延短,采用AES-128加密算法,網絡擴充性強,單個節點設備的有效覆蓋范圍為10~75 m,能夠覆蓋普通的家庭網絡環境,同時可以采用路由器延長傳播距離。ZigBee協議棧是在OSI 7層結構上建立起來的,為了簡化協議,它主要由4層構成,包括應用層、網絡層、MAC層和物理層。協議棧結構如圖3所示。其中應用層和網絡層規范由ZigBee聯盟規定,MAC層和物理層規范由IEEE802.15.4協議規定。目前ZigBee技術的發展趨勢為開發片上系統,提高經濟性,降低能耗,增強傳輸速度。

　由于ZigBee技術的特點,其在2004年就被列為當今世界發展最快、市場前景最廣闊的十大技術之一。目前,ZigBee技術在工業控制、工業無線定位、汽車自動化、家庭網絡、樓宇自動化、醫療監護等領域具有良好的應用,其中,智能家居網絡和工業控制,已經成為ZigBee芯片的主要應用領域。
2.2 電表信息讀取
　智能電表都自帶有數字通道,通過單片機發送相應指令,可以得到表內信息。當前,我國智能電表已經有了標準化的通信規約,即《中華人民共和國電力行業標準DL/T 645——1997多功能電能表通信規約》,里面詳細介紹了電表測量的數據格式和對應的命令碼。
單片機與智能電表的連接可采用RS-485總線。它具有連接方便、抗干擾性能好、組網方便、傳輸速率高的優點,ZigBee采用RS-232總線,因此兩者之間需要一個轉換器,如圖4所示。

2.3 能耗信息的顯示
　為了方便用戶關注能耗信息,應該采用多終端顯示的方式。用電量經由單片機采集后傳輸到終端ZigBee,經由協調器發送到相應的顯示終端,如控制屏、電視、網頁、手機等。電視可由AV通道傳輸并顯示。手機通過GSM模塊發送。網頁顯示可將系統通過以太網連入網絡。預警及報警信息可同時傳輸。
2.4 人機交互系統
　觸摸屏控制方式已成為當下的熱門。家庭網絡也可采用觸摸屏作為系統的人機接口設備。觸摸屏由ARM芯片控制。同時采用ARM芯片作為網關,通過按下觸摸屏上的相應圖標向協調器發送相應的指令,協調器將指令發送給對應的終端設備,終端設備再返回數據給協調器,最終發送給ARM網關,顯示在觸摸屏和其他終端,從而實現數據的采集與終端控制。ARM網關是實現信息采集與顯示、家電自動和手動控制的核心部件。
2.5 智能開關
　智能開關是系統終端的重要設備,一方面,它采集家用電器的用電信息,并通過ZigBee網絡進行信息顯示,使每一個用電細節能清晰明了;另一方面,它通過系統設定的控制方案,自動開關電器,實現自動節能控制。智能開關結構示意如圖5所示。

　傳感器的迅速發展,使得每一個家用電器的用電量都可以得到精確的計量,這將為智能電網實現家庭用電智能控制打下堅實基礎。電器設備的各種耗電參數,如有功功率、無功功率、視在功率以及有效值計算,都可以通過ADI公司的高精度三相電能計量芯片ADE7878來實現。該芯片帶有2路脈沖輸出功能和1個串行接口,集成了二階Σ-D模數轉換器、數字積分器、基準電路、溫度傳感器,以及所有進行有功、無功和視在電能計量、有效值計量所需的信號處理元件。
　ADE7878的特點是:(1)高精度;(2)支持EN 50470-1、EN 50470-3、IEC 62053-21、IEC 62053-22和IEC 62053-23標準;(3)與三相、三線或四線(三角形或Y形)及其他三相配置兼容;(4)測量各相及整個系統的總(基波和諧波)有功/無功/視在功率和基波有功/無功功率,支持電流變壓器和di/dt電流傳感器等。該芯片能很好地滿足系統對用電量的測量要求。
　家電的智能控制有自動和手動兩種。自動控制是根據用戶提前設置好的控制策略,在達到相應條件時,自動控制開關。例如,電網負荷小、電價較低時,熱水器自動投入運行,而電價高時,熱水器暫時關停等。手動控制則是用戶通過網關直接操作。家用電器設備控制系統流程如圖6所示。

3 系統工作方式及通信模式
　ARM模塊作為主控單元和人機接口,帶有觸摸屏顯示,可以制成手持終端,使用QT軟件編寫觸摸屏上的顯示界面,當ARM模塊通過串口接收ZigBee終端模塊發給ZigBee協調器的采集數據時,先將接收到的外部采集數據存儲在ARM模塊內部已經建立的一個數據庫當中,然后當ARM觸摸屏需要顯示相應的數據時,將從這個數據庫當中提取數據;同時當用戶點擊ARM觸摸屏來控制設備時,觸摸屏會將點擊的這個操作轉化為指令傳輸到數據庫內,數據庫將指令翻譯成串口設備可以識別的指令,這個指令被串口設備識別后,串口設備會將指令打包發送給ZigBee協調器,協調器識別后會將指令發送給被操作的ZigBee終端,被操作的ZigBee終端根據指令的要求控制與它相連的設備,完成設備的遠程操作。同時在Linux系統內搭建WEB服務器,可以通過以太網對信息進行遠程監控和管理。
　ZigBee支持的通信方式有直接地址通信模式、間接地址模式、廣播模式和組模式。家庭網絡可采用直接地址通信模式。在協調器建立網絡、終端設備加入網絡的同時,發送自己的地址信息給相應的設備進行存儲,同時當某一設備要讀取數據信息的時候,發送的指令碼是攜帶該設備的地址信息,當終端設備處理完畢、返回數據信息的時候,將向該地址的設備發送數據。這種方式保證了無線傳感網絡的穩定性,同時也降低了能耗。
　AMI體系是用戶與電力部門之間的橋梁。通過雙向的信息傳輸,用戶可以根據實時負荷及分時電價合理安排家庭用電。原本側重于舒適性及安全性的智能家居網絡,在智能電表的信息溝通下,能在低碳環保領域呈現出更大的價值。本文提出了一種在AMI體系下利用ZigBee技術構建家庭節能網絡的方案。該方案的重點是電網及家庭能耗信息的獲取及顯示,信息的獲取對用戶的決策將具有很大參考價值。而電視、手機、網頁的全方位顯示,將信息的披露做到沒有盲區。同時,設計的智能開關為家電的智能化控制打下了基礎,家電的自動控制過濾掉了用戶因為疏忽和偷懶造成電能浪費的可能,方便省力。利用ZigBee技術的穩定性、低功耗等優勢,使該網絡的可靠性得到增強。總之,該系統力圖增強AMI體系下用戶的節能意愿和行動,為低碳環保的生活方式提供便捷。
參考文獻
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