摘  要: 高級(jí)量測(cè)體系(AMI)是智能電網(wǎng)的重要組成部分和基石。為了更好地利用智能電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行節(jié)能減排,基于AMI框架的家庭終端能耗管理系統(tǒng),提出了一種以ZigBee技術(shù)構(gòu)建家庭節(jié)能網(wǎng)絡(luò)的方法,通過家庭智能用電網(wǎng)絡(luò),用戶可根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷及分時(shí)電價(jià)規(guī)劃用電,達(dá)到節(jié)能目的。
關(guān)鍵詞: 智能電網(wǎng);AMI;家庭用電;節(jié)能;ZigBee

　進(jìn)入21世紀(jì)以來,全球資源短缺日益嚴(yán)重,低碳節(jié)能成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要內(nèi)容并成為世界各國的共識(shí)。智能電網(wǎng)[1]作為當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動(dòng)向,以傳統(tǒng)電網(wǎng)為基礎(chǔ),融合計(jì)算機(jī)、通信、傳感等多種技術(shù)于一身,具有數(shù)字化、自動(dòng)化、信息化和互動(dòng)化等基本特征[2-4],在節(jié)能減排領(lǐng)域有著舉足輕重的作用[5-6]。
高級(jí)量測(cè)系統(tǒng)AMI[7](Advanced Metering Infrastructure)是智能電網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分,它是一個(gè)用來測(cè)量、收集、儲(chǔ)存、分析和運(yùn)用用戶用電信息的完整網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)[8]。AMI的建立為用戶和電網(wǎng)的雙向全面互動(dòng)提供了平臺(tái)和技術(shù)支持,實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)與用戶之間的信息雙向傳遞,為電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)及用戶側(cè)的智能節(jié)電提供了極大的幫助。
　目前,針對(duì)AMI系統(tǒng)的研究還不夠深入,家庭終端的研究主要集中在智能表計(jì)、智能開關(guān)等方面,缺乏以節(jié)能為核心的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)探索。本文提出了一種以ZigBee技術(shù)構(gòu)建家庭節(jié)能網(wǎng)絡(luò)的方法,通過獲取當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷信息和分時(shí)電價(jià),自動(dòng)采集能耗信息,多途徑顯示并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)能控制。
1 AMI概述
1.1 AMI發(fā)展現(xiàn)狀
　提出智能電網(wǎng)概念的美國電力科學(xué)研究院(EPRI)認(rèn)為,智能電網(wǎng)的發(fā)展首先應(yīng)該實(shí)行遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)(AMR),即分時(shí)計(jì)價(jià)、自動(dòng)停電管理、需求規(guī)劃等,而這正是AMI的雛形。美國國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(NETL)提出了智能電網(wǎng)的4個(gè)部分,包括高級(jí)量測(cè)體系(AMI)、高級(jí)配電運(yùn)行(ADO)、高級(jí)輸電運(yùn)行(ATO)及高級(jí)資產(chǎn)管理(AAM)。其中也將AMI作為智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。目前,世界各國都在積極部署該領(lǐng)域的發(fā)展。
　2009年初,美國政府在《經(jīng)濟(jì)復(fù)興計(jì)劃進(jìn)度報(bào)告》中提出,到2012年新增4 000萬個(gè)智能電表,同時(shí)投資40多億美元進(jìn)行電網(wǎng)現(xiàn)代化、智能化改造。歐盟和日本政府也計(jì)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(jīng)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(yù)計(jì)在未來10年內(nèi)完成AMI的部署。西班牙、法國還通過專門的法律規(guī)范AMI系統(tǒng)建設(shè)。
　在2010年發(fā)布的中國政府“十二五”規(guī)劃中,智能電網(wǎng)被列為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象,從2011年到2015年,將在全國范圍內(nèi)安裝2.3億塊智能電表。同時(shí),相應(yīng)的計(jì)量、通信標(biāo)準(zhǔn)也在加緊制定中。
1.2 AMI的組成
　AMI系統(tǒng)主要包括智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(MDMS)、家庭網(wǎng)絡(luò)(HAN)4個(gè)部分,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　(1)智能電表。與傳統(tǒng)電表相比,智能電表增加了與電網(wǎng)的雙向通信、用戶信息管理、計(jì)量信息管理、用電量監(jiān)測(cè)等功能模塊。它具有以下功能:精確測(cè)量家庭用電數(shù)值;顯示分時(shí)電價(jià);電費(fèi)預(yù)付及余額提醒;電能質(zhì)量檢測(cè);數(shù)據(jù)記錄與儲(chǔ)存;竊電保護(hù);防止高額電價(jià)或者為需求相應(yīng)服務(wù)的負(fù)荷峰值限制;與家中其他智能設(shè)備通信。
　(2)通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)為電力公司、用戶及相關(guān)設(shè)備之間的雙向信息傳輸提供了物理架構(gòu)。它具有開放式的雙向通信規(guī)約,但同時(shí)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(wǎng)等。
　(3)計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(MDMS)。MDMS是一個(gè)帶有分析功能的數(shù)據(jù)庫,它能和智能電網(wǎng)架構(gòu)中的很多信息系統(tǒng)進(jìn)行交互,如用戶信息系統(tǒng)(CIS)、賬單系統(tǒng)、停電及預(yù)警管理系統(tǒng)、電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)、變壓器負(fù)荷管理系統(tǒng)等。MDMS能對(duì)AMI體系中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合法性驗(yàn)證、編輯、評(píng)估及管理,確保這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。
　(4)家庭網(wǎng)絡(luò)(HAN)。家庭網(wǎng)絡(luò)通過與室內(nèi)用戶管理終端進(jìn)行交互,把智能電表與家庭內(nèi)的電氣設(shè)備連接起來,使得用戶能根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)信息,積極參與需求響應(yīng)或電力負(fù)荷調(diào)整。家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有以下功能:實(shí)時(shí)向用戶顯示電能的使用情況和價(jià)格信息;根據(jù)用戶的設(shè)置對(duì)電價(jià)信息進(jìn)行反饋;根據(jù)用戶需求設(shè)置能耗或負(fù)荷控制峰值;根據(jù)用戶設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷;用戶主動(dòng)干預(yù)功能。
1.3 AMI的優(yōu)勢(shì)
　AMI的實(shí)施對(duì)電力公司、用戶的價(jià)值是不言而喻的。(1)用自動(dòng)抄表取代人工上門抄表,有利于信息化管理,同時(shí)省去人力;電費(fèi)預(yù)付,方便客戶和電網(wǎng)公司。(2)電網(wǎng)公司能夠遠(yuǎn)程接通和斷開某些用戶負(fù)載,可有效進(jìn)行能耗管理。(3)收集區(qū)域全面細(xì)致的用電數(shù)據(jù),為電網(wǎng)調(diào)度提供系統(tǒng)范圍內(nèi)的負(fù)荷預(yù)測(cè)。(4)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)能快速定位。電能質(zhì)量可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。(5)通過傳遞電網(wǎng)負(fù)荷及實(shí)時(shí)電價(jià)信息,引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰耗能,減少對(duì)系統(tǒng)發(fā)、輸、配環(huán)節(jié)中的固定資產(chǎn)投資,優(yōu)化資源配置,提高系統(tǒng)效率。(6)為用戶側(cè)分布式發(fā)電的接入提供條件。(7)為智能電網(wǎng)其他系統(tǒng)的建立和發(fā)展提供幫助。

2 家庭智能用電系統(tǒng)
　家庭用電與AMI系統(tǒng)最緊密的關(guān)聯(lián)就在于雙向的信息交互。電能的使用存在著嚴(yán)重不均現(xiàn)象,在用電高峰期,電網(wǎng)負(fù)荷大、電價(jià)高,供能緊張,而在用電低谷期,設(shè)備閑置,經(jīng)濟(jì)性差。因此,及時(shí)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整電器使用,錯(cuò)峰耗能,可以優(yōu)化資源利用,降低電能消耗。
　當(dāng)前,家庭網(wǎng)絡(luò)存在以下幾個(gè)盲區(qū):(1)雖然智能電表能提供電網(wǎng)及家庭用電信息,但是人們很少去主動(dòng)關(guān)注電表。電表的信息顯示及預(yù)警需要新的途徑。(2)智能電表在獲取單個(gè)電器用電量時(shí),經(jīng)濟(jì)性差。(3)缺乏結(jié)合AMI的智能化的家電控制系統(tǒng),普通智能家居節(jié)能效果一般。
因此,將智能電表的信息采集出來,經(jīng)由多種途徑顯示,并通過家庭無線網(wǎng)絡(luò)按照預(yù)定的規(guī)則自動(dòng)控制家電運(yùn)行,智能電網(wǎng)的家庭終端也能實(shí)現(xiàn)智能化節(jié)能操作。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)
　AMI體系要求各個(gè)系統(tǒng)模塊之間持續(xù)、有效地?zé)o線通信,因此選擇一種合適的無線通信技術(shù)非常重要。目前的短距離無線通信主要有紅外、藍(lán)牙、WiFi以及ZigBee技術(shù),紅外以及藍(lán)牙由于受到傳輸距離的限制不符合要求,WiFi對(duì)于技術(shù)的要求過高,也不是最佳選擇,因此,可選用ZigBee技術(shù)作為該體系的無線通信技術(shù)。
　ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[9]制定的一種短距離、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。它專注于低速率傳輸控制,網(wǎng)絡(luò)容量大,時(shí)延短,采用AES-128加密算法,網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充性強(qiáng),單個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的有效覆蓋范圍為10~75 m,能夠覆蓋普通的家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,同時(shí)可以采用路由器延長傳播距離。ZigBee協(xié)議棧是在OSI 7層結(jié)構(gòu)上建立起來的,為了簡(jiǎn)化協(xié)議,它主要由4層構(gòu)成,包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟規(guī)定,MAC層和物理層規(guī)范由IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定。目前ZigBee技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為開發(fā)片上系統(tǒng),提高經(jīng)濟(jì)性,降低能耗,增強(qiáng)傳輸速度。

　由于ZigBee技術(shù)的特點(diǎn),其在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最廣闊的十大技術(shù)之一。目前,ZigBee技術(shù)在工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、汽車自動(dòng)化、家庭網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用,其中,智能家居網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制,已經(jīng)成為ZigBee芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2 電表信息讀取
　智能電表都自帶有數(shù)字通道,通過單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令,可以得到表內(nèi)信息。當(dāng)前,我國智能電表已經(jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)化的通信規(guī)約,即《中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645——1997多功能電能表通信規(guī)約》,里面詳細(xì)介紹了電表測(cè)量的數(shù)據(jù)格式和對(duì)應(yīng)的命令碼。
單片機(jī)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(wǎng)方便、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn),ZigBee采用RS-232總線,因此兩者之間需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器,如圖4所示。

2.3 能耗信息的顯示
　為了方便用戶關(guān)注能耗信息,應(yīng)該采用多終端顯示的方式。用電量經(jīng)由單片機(jī)采集后傳輸?shù)浇K端ZigBee,經(jīng)由協(xié)調(diào)器發(fā)送到相應(yīng)的顯示終端,如控制屏、電視、網(wǎng)頁、手機(jī)等。電視可由AV通道傳輸并顯示。手機(jī)通過GSM模塊發(fā)送。網(wǎng)頁顯示可將系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連入網(wǎng)絡(luò)。預(yù)警及報(bào)警信息可同時(shí)傳輸。
2.4 人機(jī)交互系統(tǒng)
　觸摸屏控制方式已成為當(dāng)下的熱門。家庭網(wǎng)絡(luò)也可采用觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)接口設(shè)備。觸摸屏由ARM芯片控制。同時(shí)采用ARM芯片作為網(wǎng)關(guān),通過按下觸摸屏上的相應(yīng)圖標(biāo)向協(xié)調(diào)器發(fā)送相應(yīng)的指令,協(xié)調(diào)器將指令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的終端設(shè)備,終端設(shè)備再返回?cái)?shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器,最終發(fā)送給ARM網(wǎng)關(guān),顯示在觸摸屏和其他終端,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與終端控制。ARM網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)信息采集與顯示、家電自動(dòng)和手動(dòng)控制的核心部件。
2.5 智能開關(guān)
　智能開關(guān)是系統(tǒng)終端的重要設(shè)備,一方面,它采集家用電器的用電信息,并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息顯示,使每一個(gè)用電細(xì)節(jié)能清晰明了;另一方面,它通過系統(tǒng)設(shè)定的控制方案,自動(dòng)開關(guān)電器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)能控制。智能開關(guān)結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

　傳感器的迅速發(fā)展,使得每一個(gè)家用電器的用電量都可以得到精確的計(jì)量,這將為智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)家庭用電智能控制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。電器設(shè)備的各種耗電參數(shù),如有功功率、無功功率、視在功率以及有效值計(jì)算,都可以通過ADI公司的高精度三相電能計(jì)量芯片ADE7878來實(shí)現(xiàn)。該芯片帶有2路脈沖輸出功能和1個(gè)串行接口,集成了二階Σ-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電路、溫度傳感器,以及所有進(jìn)行有功、無功和視在電能計(jì)量、有效值計(jì)量所需的信號(hào)處理元件。
　ADE7878的特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn);(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(cè)量各相及整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)對(duì)用電量的測(cè)量要求。
　家電的智能控制有自動(dòng)和手動(dòng)兩種。自動(dòng)控制是根據(jù)用戶提前設(shè)置好的控制策略,在達(dá)到相應(yīng)條件時(shí),自動(dòng)控制開關(guān)。例如,電網(wǎng)負(fù)荷小、電價(jià)較低時(shí),熱水器自動(dòng)投入運(yùn)行,而電價(jià)高時(shí),熱水器暫時(shí)關(guān)停等。手動(dòng)控制則是用戶通過網(wǎng)關(guān)直接操作。家用電器設(shè)備控制系統(tǒng)流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)工作方式及通信模式
　ARM模塊作為主控單元和人機(jī)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(dāng)ARM模塊通過串口接收ZigBee終端模塊發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器的采集數(shù)據(jù)時(shí),先將接收到的外部采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ARM模塊內(nèi)部已經(jīng)建立的一個(gè)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中,然后當(dāng)ARM觸摸屏需要顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí),將從這個(gè)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中提取數(shù)據(jù);同時(shí)當(dāng)用戶點(diǎn)擊ARM觸摸屏來控制設(shè)備時(shí),觸摸屏?xí)Ⅻc(diǎn)擊的這個(gè)操作轉(zhuǎn)化為指令傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫內(nèi),數(shù)據(jù)庫將指令翻譯成串口設(shè)備可以識(shí)別的指令,這個(gè)指令被串口設(shè)備識(shí)別后,串口設(shè)備會(huì)將指令打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器識(shí)別后會(huì)將指令發(fā)送給被操作的ZigBee終端,被操作的ZigBee終端根據(jù)指令的要求控制與它相連的設(shè)備,完成設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。同時(shí)在Linux系統(tǒng)內(nèi)搭建WEB服務(wù)器,可以通過以太網(wǎng)對(duì)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)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(wǎng)絡(luò)可采用直接地址通信模式。在協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)、終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的同時(shí),發(fā)送自己的地址信息給相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ),同時(shí)當(dāng)某一設(shè)備要讀取數(shù)據(jù)信息的時(shí)候,發(fā)送的指令碼是攜帶該設(shè)備的地址信息,當(dāng)終端設(shè)備處理完畢、返回?cái)?shù)據(jù)信息的時(shí)候,將向該地址的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式保證了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,同時(shí)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(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷及分時(shí)電價(jià)合理安排家庭用電。原本側(cè)重于舒適性及安全性的智能家居網(wǎng)絡(luò),在智能電表的信息溝通下,能在低碳環(huán)保領(lǐng)域呈現(xiàn)出更大的價(jià)值。本文提出了一種在AMI體系下利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建家庭節(jié)能網(wǎng)絡(luò)的方案。該方案的重點(diǎn)是電網(wǎng)及家庭能耗信息的獲取及顯示,信息的獲取對(duì)用戶的決策將具有很大參考價(jià)值。而電視、手機(jī)、網(wǎng)頁的全方位顯示,將信息的披露做到?jīng)]有盲區(qū)。同時(shí),設(shè)計(jì)的智能開關(guān)為家電的智能化控制打下了基礎(chǔ),家電的自動(dòng)控制過濾掉了用戶因?yàn)槭韬龊屯祽性斐呻娔芾速M(fèi)的可能,方便省力。利用ZigBee技術(shù)的穩(wěn)定性、低功耗等優(yōu)勢(shì),使該網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到增強(qiáng)?？傊?該系統(tǒng)力圖增強(qiáng)AMI體系下用戶的節(jié)能意愿和行動(dòng),為低碳環(huán)保的生活方式提供便捷。
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