摘 要:高级量测体系(AMI)是智能电网的重要组成部分和基石。为了更好地利用智能电网技术进行节能减排,基于AMI框架的家庭终端能耗管理系统,提出了一种以ZigBee技术构建家庭节能网络的方法,通过家庭智能用电网络,用户可根据电网负荷及分时电价规划用电,达到节能目的。
关键词:智能电网;AMI;家庭用电;节能;ZigBee
进入21世纪以来,全球资源短缺日益严重,低碳节能成为经济发展的重要内容并成为世界各国的共识。智能电网[1]作为当今世界电力系统发展变革的最新动向,以传统电网为基础,融合计算机、通信、传感等多种技术于一身,具有数字化、自动化、信息化和互动化等基本特征[2-4],在节能减排领域有着举足轻重的作用[5-6]。
高级量测系统AMI[7](Advanced Metering Infrastructure)是智能电网技术的重要组成部分,它是一个用来测量、收集、储存、分析和运用用户用电信息的完整网络和系统[8]。AMI的建立为用户和电网的双向全面互动提供了平台和技术支持,实现了电网与用户之间的信息双向传递,为电网的负荷预测及用户侧的智能节电提供了极大的帮助。
目前,针对AMI系统的研究还不够深入,家庭终端的研究主要集中在智能表计、智能开关等方面,缺乏以节能为核心的家庭网络系统探索。本文提出了一种以ZigBee技术构建家庭节能网络的方法,通过获取当前电网负荷信息和分时电价,自动采集能耗信息,多途径显示并实现自动节能控制。
1 AMI概述
1.1 AMI发展现状
提出智能电网概念的美国电力科学研究院(EPRI)认为,智能电网的发展首先应该实行远程自动抄表系统(AMR),即分时计价、自动停电管理、需求规划等,而这正是AMI的雏形。美国国家能源技术实验室(NETL)提出了智能电网的4个部分,包括高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)及高级资产管理(AAM)。其中也将AMI作为智能电网发展的基础。目前,世界各国都在积极部署该领域的发展。
2009年初,美国政府在《经济复兴计划进度报告》中提出,到2012年新增4 000万个智能电表,同时投资40多亿美元进行电网现代化、智能化改造。欧盟和日本政府也计划到2020年将智能电表覆盖率提高到80%。目前,意大利、瑞典等国已经淘汰普通电表,全部采用智能电表,完成AMI的部署。英国、法国、德国预计在未来10年内完成AMI的部署。西班牙、法国还通过专门的法律规范AMI系统建设。
在2010年发布的中国政府“十二五”规划中,智能电网被列为重点发展对象,从2011年到2015年,将在全国范围内安装2.3亿块智能电表。同时,相应的计量、通信标准也在加紧制定中。
1.2 AMI的组成
AMI系统主要包括智能电表、通信网络、计量数据管理系统(MDMS)、家庭网络(HAN)4个部分,其结构如图1所示。
(1)智能电表。与传统电表相比,智能电表增加了与电网的双向通信、用户信息管理、计量信息管理、用电量监测等功能模块。它具有以下功能:精确测量家庭用电数值;显示分时电价;电费预付及余额提醒;电能质量检测;数据记录与储存;窃电保护;防止高额电价或者为需求相应服务的负荷峰值限制;与家中其他智能设备通信。
(2)通信网络。通信网络为电力公司、用户及相关设备之间的双向信息传输提供了物理架构。它具有开放式的双向通信规约,但同时也必须保证信息的安全性和可靠性。通信媒介包括电力载波、电力线宽带、铜线或者光纤、集中或者分布式无线射频、因特网等。
(3)计量数据管理系统(MDMS)。MDMS是一个带有分析功能的数据库,它能和智能电网架构中的很多信息系统进行交互,如用户信息系统(CIS)、账单系统、停电及预警管理系统、电能质量检测系统、负荷预测系统、变压器负荷管理系统等。MDMS能对AMI体系中的数据进行合法性验证、编辑、评估及管理,确保这些数据的准确性和完整性。
(4)家庭网络(HAN)。家庭网络通过与室内用户管理终端进行交互,把智能电表与家庭内的电气设备连接起来,使得用户能根据当前电网信息,积极参与需求响应或电力负荷调整。家庭网络应该具有以下功能:实时向用户显示电能的使用情况和价格信息;根据用户的设置对电价信息进行反馈;根据用户需求设置能耗或负荷控制峰值;根据用户设定自动调节负荷;用户主动干预功能。
1.3 AMI的优势
AMI的实施对电力公司、用户的价值是不言而喻的。(1)用自动抄表取代人工上门抄表,有利于信息化管理,同时省去人力;电费预付,方便客户和电网公司。(2)电网公司能够远程接通和断开某些用户负载,可有效进行能耗管理。(3)收集区域全面细致的用电数据,为电网调度提供系统范围内的负荷预测。(4)电网出现故障时能快速定位。电能质量可以实时在线监测。(5)通过传递电网负荷及实时电价信息,引导用户错峰耗能,减少对系统发、输、配环节中的固定资产投资,优化资源配置,提高系统效率。(6)为用户侧分布式发电的接入提供条件。(7)为智能电网其他系统的建立和发展提供帮助。
2 家庭智能用电系统
家庭用电与AMI系统最紧密的关联就在于双向的信息交互。电能的使用存在着严重不均现象,在用电高峰期,电网负荷大、电价高,供能紧张,而在用电低谷期,设备闲置,经济性差。因此,及时根据电网负荷调整电器使用,错峰耗能,可以优化资源利用,降低电能消耗。
当前,家庭网络存在以下几个盲区:(1)虽然智能电表能提供电网及家庭用电信息,但是人们很少去主动关注电表。电表的信息显示及预警需要新的途径。(2)智能电表在获取单个电器用电量时,经济性差。(3)缺乏结合AMI的智能化的家电控制系统,普通智能家居节能效果一般。
因此,将智能电表的信息采集出来,经由多种途径显示,并通过家庭无线网络按照预定的规则自动控制家电运行,智能电网的家庭终端也能实现智能化节能操作。该系统的结构如图2所示。
2.1 信息传输网络
AMI体系要求各个系统模块之间持续、有效地无线通信,因此选择一种合适的无线通信技术非常重要。目前的短距离无线通信主要有红外、蓝牙、WiFi以及ZigBee技术,红外以及蓝牙由于受到传输距离的限制不符合要求,WiFi对于技术的要求过高,也不是最佳选择,因此,可选用ZigBee技术作为该体系的无线通信技术。
ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准[9]制定的一种短距离、低功耗的无线网络通信协议。它专注于低速率传输控制,网络容量大,时延短,采用AES-128加密算法,网络扩充性强,单个节点设备的有效覆盖范围为10~75 m,能够覆盖普通的家庭网络环境,同时可以采用路由器延长传播距离。ZigBee协议栈是在OSI 7层结构上建立起来的,为了简化协议,它主要由4层构成,包括应用层、网络层、MAC层和物理层。协议栈结构如图3所示。其中应用层和网络层规范由ZigBee联盟规定,MAC层和物理层规范由IEEE802.15.4协议规定。目前ZigBee技术的发展趋势为开发片上系统,提高经济性,降低能耗,增强传输速度。
由于ZigBee技术的特点,其在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大技术之一。目前,ZigBee技术在工业控制、工业无线定位、汽车自动化、家庭网络、楼宇自动化、医疗监护等领域具有良好的应用,其中,智能家居网络和工业控制,已经成为ZigBee芯片的主要应用领域。
2.2 电表信息读取
智能电表都自带有数字通道,通过单片机发送相应指令,可以得到表内信息。当前,我国智能电表已经有了标准化的通信规约,即《中华人民共和国电力行业标准DL/T 645——1997多功能电能表通信规约》,里面详细介绍了电表测量的数据格式和对应的命令码。
单片机与智能电表的连接可采用RS-485总线。它具有连接方便、抗干扰性能好、组网方便、传输速率高的优点,ZigBee采用RS-232总线,因此两者之间需要一个转换器,如图4所示。
2.3 能耗信息的显示
为了方便用户关注能耗信息,应该采用多终端显示的方式。用电量经由单片机采集后传输到终端ZigBee,经由协调器发送到相应的显示终端,如控制屏、电视、网页、手机等。电视可由AV通道传输并显示。手机通过GSM模块发送。网页显示可将系统通过以太网连入网络。预警及报警信息可同时传输。
2.4 人机交互系统
触摸屏控制方式已成为当下的热门。家庭网络也可采用触摸屏作为系统的人机接口设备。触摸屏由ARM芯片控制。同时采用ARM芯片作为网关,通过按下触摸屏上的相应图标向协调器发送相应的指令,协调器将指令发送给对应的终端设备,终端设备再返回数据给协调器,最终发送给ARM网关,显示在触摸屏和其他终端,从而实现数据的采集与终端控制。ARM网关是实现信息采集与显示、家电自动和手动控制的核心部件。
2.5 智能开关
智能开关是系统终端的重要设备,一方面,它采集家用电器的用电信息,并通过ZigBee网络进行信息显示,使每一个用电细节能清晰明了;另一方面,它通过系统设定的控制方案,自动开关电器,实现自动节能控制。智能开关结构示意如图5所示。
传感器的迅速发展,使得每一个家用电器的用电量都可以得到精确的计量,这将为智能电网实现家庭用电智能控制打下坚实基础。电器设备的各种耗电参数,如有功功率、无功功率、视在功率以及有效值计算,都可以通过ADI公司的高精度三相电能计量芯片ADE7878来实现。该芯片带有2路脉冲输出功能和1个串行接口,集成了二阶Σ-D模数转换器、数字积分器、基准电路、温度传感器,以及所有进行有功、无功和视在电能计量、有效值计量所需的信号处理元件。
ADE7878的特点是:(1)高精度;(2)支持EN 50470-1、EN 50470-3、IEC 62053-21、IEC 62053-22和IEC 62053-23标准;(3)与三相、三线或四线(三角形或Y形)及其他三相配置兼容;(4)测量各相及整个系统的总(基波和谐波)有功/无功/视在功率和基波有功/无功功率,支持电流变压器和di/dt电流传感器等。该芯片能很好地满足系统对用电量的测量要求。
家电的智能控制有自动和手动两种。自动控制是根据用户提前设置好的控制策略,在达到相应条件时,自动控制开关。例如,电网负荷小、电价较低时,热水器自动投入运行,而电价高时,热水器暂时关停等。手动控制则是用户通过网关直接操作。家用电器设备控制系统流程如图6所示。
3 系统工作方式及通信模式
ARM模块作为主控单元和人机接口,带有触摸屏显示,可以制成手持终端,使用QT软件编写触摸屏上的显示界面,当ARM模块通过串口接收ZigBee终端模块发给ZigBee协调器的采集数据时,先将接收到的外部采集数据存储在ARM模块内部已经建立的一个数据库当中,然后当ARM触摸屏需要显示相应的数据时,将从这个数据库当中提取数据;同时当用户点击ARM触摸屏来控制设备时,触摸屏会将点击的这个操作转化为指令传输到数据库内,数据库将指令翻译成串口设备可以识别的指令,这个指令被串口设备识别后,串口设备会将指令打包发送给ZigBee协调器,协调器识别后会将指令发送给被操作的ZigBee终端,被操作的ZigBee终端根据指令的要求控制与它相连的设备,完成设备的远程操作。同时在Linux系统内搭建WEB服务器,可以通过以太网对信息进行远程监控和管理。
ZigBee支持的通信方式有直接地址通信模式、间接地址模式、广播模式和组模式。家庭网络可采用直接地址通信模式。在协调器建立网络、终端设备加入网络的同时,发送自己的地址信息给相应的设备进行存储,同时当某一设备要读取数据信息的时候,发送的指令码是携带该设备的地址信息,当终端设备处理完毕、返回数据信息的时候,将向该地址的设备发送数据。这种方式保证了无线传感网络的稳定性,同时也降低了能耗。
AMI体系是用户与电力部门之间的桥梁。通过双向的信息传输,用户可以根据实时负荷及分时电价合理安排家庭用电。原本侧重于舒适性及安全性的智能家居网络,在智能电表的信息沟通下,能在低碳环保领域呈现出更大的价值。本文提出了一种在AMI体系下利用ZigBee技术构建家庭节能网络的方案。该方案的重点是电网及家庭能耗信息的获取及显示,信息的获取对用户的决策将具有很大参考价值。而电视、手机、网页的全方位显示,将信息的披露做到没有盲区。同时,设计的智能开关为家电的智能化控制打下了基础,家电的自动控制过滤掉了用户因为疏忽和偷懒造成电能浪费的可能,方便省力。利用ZigBee技术的稳定性、低功耗等优势,使该网络的可靠性得到增强。总之,该系统力图增强AMI体系下用户的节能意愿和行动,为低碳环保的生活方式提供便捷。
参考文献
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[5] 孙寿广.低碳经济对电网规划和发展的影响[J].中国电力,2010,43(3):1-4.
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