基于ZigBee的智能电表网络化发展及应用*

丁明瑞，施松新,，左广巍

（1.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074；2.东莞华中科技大学制造工程研究院广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞 523808）

基于ZigBee的智能电表网络化发展及应用*

丁明瑞1，施松新1,2，左广巍2

（1.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074；2.东莞华中科技大学制造工程研究院广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞 523808）

随着我国配电系统自动化水平的不断提高以及ZigBee的应用，使电表基于ZigBee网络通信成为了可能，同时也为智能电表的网络化打下了坚实的基础。智能电表为用户智能化终端的发展指引了明确的方向，智能电表的普及将使得智能电网的高效性、安全性得到更充分的体现。针对智能电表的网络化进行了探讨，了解我国智能电表的网络化应用的发展，并对其应用作了简单介绍。

智能电表；双向通信；ZigBee；网络化

0 引言

根据2010年第六次人口普查结果，我国有4亿户家庭，排除办公楼宇、工厂、医院、学校等场合的用电，国内至少有4亿电表需要抄表统计电量，以及繁琐的用户缴费流程，因此亟需智能电表的自动化、智能化、网络化来代替人工劳动，为人们带来简便舒适的生活。其智能化又能为电量的合理利用发挥关键作用，在资源紧缺而又环境污染严重的今天，智能电表的普及尤为必要。

智能电表是2009年国家电网公司提出的概念，智能电表支持双向计量、阶梯电价、网络互动等实际的需求，为智能家居智能小区的实现提供了技术支持。因为与智能电表配套的信息网络制约着其功能的实现，所以目前我国虽然已经完成了从机械式电表到电子式电表的转变，但智能电表依然没有大范围的普及。智能电表具有形如自动测量、数据处理、故障提示、单位换算等普通电表没有的功能，而且还具有人机互动功能，配有操作面板和显示器，可以说具有了一定的人工智能[1]。

1 智能电表网络化的基础

早在2007年12月初，国家发改委就发布了标准编号为“DL/T 614-2007”的《多功能电能表》和编号为“DL/T 645-2007”的《多功能电能表通信协议》两个行业标准，标准，2009年10月，国家电网发布了智能电表新的标准，新标准提高了智能电表通信、计量等技术要求。

智能电表是由传统电表发展而来，是智能电网重要的智能终端。传统的用户终端电表是电磁式的，安装在用户端，用于计量用户的用电量，计量单位为度（kWh）。智能电表不同于一般的多功能表电能表，除能够测量电度(kWh)和无功电度(kvarh)外，还可测量电流、电压、功率、无功功率、功率因数频率和谐波含量等电力品质参数，因为它含有形如一台微型计算机的微控制器（MCU），有更丰富的双向通信和智能控制等一些更加自动化和智能化的功能[2]。

通讯是智能电表与电网之间数据传送与接收的渠道，所以对智能电表远程通信功能的要求就必须很高。智能电网数据采集的基本设备之一就是智能电表，原始数据采集与传输都是其完成的。在通信的过程中，微控制器可以简洁地实现智能电网供电系统和用户之间可靠的高级电能管理，比如除了查看最基本的每月电量，用户还可以按时间点、时间段甚至按耗电器材分别查看不同的电费和电能使用情况[3]，用户可根据终端进行自助查询、缴费、断电等操作，为电能的高效管理提供了保障。

2 ZigBee技术

ZigBee技术是一种针对传感器网络设计的距离短、复杂度低、能耗低、成本低廉的双向无线网络通信技术，是一种基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee协议规范使用了IEEE 802.15.4定义的物理层（PHY）和媒体介访问层（MAC），并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构。ZigBee协议的体系结构如图1所示。其中MAC层（媒体介访问层）主要功能包括信道接入、结构数据收发、时隙管理等；PHY层（物理层）主要有启闭无线收发器、检测信道能量、检测链路质量以及通过物理信道收发数据包等功能；NWK层（网络层）主要用于ZigBee的连接组网、管理数据和网络维护等；APL层（应用层）主要为ZigBee技术的应用提供模型[4]。

电表通信分为上行通道及下行通道，上行通道为实现抄表、数据计量等功能将数据传送到电能中心。ZigBee的智能能源标准就是针对智能电网的建设而设计的。下行通道将电网信息传送到用户端，实现远程控制的功能。用户的电能表依靠ZigBee技术组成网络，先将数据传输至具有ZigBee接口的服务网关，然后通过以太网传送至管理中心，管理中心再对数据进行整合。在如今电网智能化的背景下，电能表需要具有通信的功能，在众多与电表相关的通信技术中，ZigBee技术由于其低成本、低功耗以及易于维护的特点非常适合电能表通信中[5]。

图1 ZigBee协议体系结构

3 智能电表的ZigBee通讯功能

模块化、智能化、网络化是智能电表的发展趋势。目前，可利用的通信网络有：电力线载波网(PLC)、光纤与同轴电缆网(HFC)、固定电话网(PSTN)、无线移动网(GSM/GPRS/CDMA)等[4]。其中，通信领域的前沿技术ZigBee无线传感器网络(WSN)在智能家居、智能小区、工业自动化等领域具有十分广泛的应用前景，在智能电网的数据传输过程中也发挥了不可替代的作用。

未来智能电网的核心是安全、高速和节能的通信技术的应用，从而为广大终端用户和电力公司之间提供双向的互动网络。智能电表的网络化通信的示意图如图2所示。

ZigBee无线通信的方式为电能远程监测系统提供渠道，并利用Internet网络实时在线监测现场数据。管理中心控制多台服务器仪表的数据通过网关和以太网读入，最后将数据汇集到管理中心实现远程控制。电能表通过网关接入以太网利用局域网与服务中心的服务器相连，将各电能表节点以RS485串行通信的计量数据进行远程远程。以太网网关采用8位MCU+专用网络接口芯片为主体的系统结构，串行通信接口采用RS485，并以Modbus为通信协议，对各个电表节点的主从式点对点的串行通信[6]，并通过网络把数据上传给应用层，应用层的处理中心完成数据的处理，最终向用户提供网络服务，并且支持计算机、平板电脑、手机等多种客户端终端设备，可随时供用户监测个人用电情况以及其他服务[7]。

图2 网络化通信示意图

4 智能电表网络化的应用

智能电表在实际应用的过程中，必须要以用户需求的角度来进行发展，比如可以本地管理控制、远程管理控制、双向管理和双向通信，才能为个人家庭用户的用电情况智能化联网提供保证，其实际应用如下。

（1）自助服务，用户通过智能电表的客户端能够准确、实时的处理费用问题获取消费明细，具体到某一天甚至是更短时间内的、各种设备之间各自的用电情况，耗电规律、消费曲线等都可以查询，简化了流程，提供成本更低、更加灵活简便的付费方式。

（2）电力公司实时监测电能质量和供电状况，从而快速响应用户投诉和疑难解答，并提前采取相应措施预防因电能质量而引发的问题；根据用电情况划分用电高峰，提醒用户合理用电。

（3）智能电表的网络化应用还为智能家居提供了保障，智能电表的远程控制功能是其网络化应用的真实体现，智能电表具有传统电表所无法企及的对智能家电设备的控制功能。利用与智能电表相连的智能终端可以直接进行智能家电的启停控制、模式设定等各种管理，从而实现家庭自动化和家电等设备的远程控制等。

（4）现阶段我国抄表模式还很大程度上依赖人工，特别在不发达地区，网络化、自动化的集中抄表模式才仅普及在少数发达地区。利用智能电表的成本低，数据传输准确，适应复杂环境的特征可以进行GPRS远程自动抄表，从而能够实时地检测用户的用电信息。智能远程抄表不仅能够解决人工抄表工作效率低、漏抄、估抄以及人身安全隐患方面的问题，为电力部门提供准确、高效的数据，而且还能够改善电力部门的管理、节省人力物力、提高工作效率。

5 结语

本文简单介绍了基于ZigBee技术的智能电表网络化的实现与应用，其发展与技术的成熟给人们的生活工作带来深远的影响，极大的提高了人们的生活水平。随着科技的进步，对仪表系统的要求也在不断提高，复杂的工业化现场促使仪表朝着网络化、智能化等更高的要求发展，智能电表的优势也将越来越明显。在持续不断的研究过程中，也为水、气、热等生活计量领域的研究提供一些借鉴和参考，更多的为人们的生活提供便利。随着我国对智能电网建设的大量投入，智能电表网络化的优势逐步显现，其普及范围将越来越广，越来越多的用户将会选择智能电表。

［1］王思彤，周晖，袁瑞铭，等.智能电表的概念及应用［J］.电网技术，2010，34（4）：17-23.

［2］静恩波.基于嵌入式系统的智能电表设计与研究［J］.低压电器，2011（3）：26-30.

［3］李保玮.智能电表简介［J］.装备机械，2010（3）：70-73.

［4］张聪.基于ZigBee技术的智能电表的研究与设计［D］.上海：上海交通大学，2010.

［5］邹杨.具有ZigBee通讯功能电能表的研究与设计［D］.长沙：湖南大学，2011.

［6］李大鹏，王祁.三相复费率网络化智能电能表的研制［J］.仪器仪表学报，2006，27（6）：1811-1812.

［7］孙薇，钦道理，于凤芹.基于物联网架构的校园电能监测系统设计［J］.电工电气，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，硕士。研究领域：机电一体化。 (编辑：向 飞)

*广东省重点实验室建设项目（编号：2011A060901026）；东莞市科技计划项目（编号：2011108102058）

2014－03－19