基于ZigBee无线通信的电能表及其功耗研究

程瑛颖，杜杰，肖冀，周峰

（国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123）

0 引 言

随着我国经济的发展，居民工业用电量快速上升。传统电能抄表方式由抄表员定期到现场抄读用电数据，往往由于人为原因造成抄表不及时，随意预估甚至更改数据，进而与结算电量存在较大误差，对用电情况难以进行有效监管。这种高成本、低效率的抄表方式也已经与社会发展的需求严重脱节。基于上述原因，我国电力系统抄表方式已开始由人工抄表向利用网络技术进行自动抄表的方式过渡［1］。

目前已采用的自动抄表技术主要有三类。第一类是利用IC卡事先购买电量，把充值卡插入专用IC电能表用电，但IC卡易损坏且对电能表难以做到实时监控。第二类是利用电力部门现有的有线网络抄表，如采用电力载波线的方式进行电能数据采集，该方式节约了前期投入成本同时实现了抄表的实时性、准确性；但长期来说有线网络的建设成本仍然偏高，且该技术难以同水、气表等设备进行数据融合。随着无线通信技术的迅猛发展，第三类采用现有或重新组建的无线网络实现无线智能抄表的技术正成为主流发展方向，该方案具有组网快、造价低、维护方便等有线网络所不具备的优点［2］。

目前提出或正在利用无线通信技术进行抄表的方式各种各样：有采用手持抄表器与电能表进行点对点无线数据读取的方式；有利用无线局域网实现电能表数据近程采集的方式；有利用移动运营商现有的移动蜂窝网络进行电能表数据远程传输与采集的方式；也有将几种不同技术标准的无线网络进行组合，取长补短，利用综合网络进行用电数据的远程采集等等［3］。

文中将研究的电能表主要基于ZigBee短距离低功耗的无线通信技术，将相邻区域内的电能表节点组成无线传感器网络，进而实现各个电能表节点的数据实时监测与处理（如数据存储、故障预警），再将关键数据发送或反馈至电力部门。在未来，该技术还可以非常容易地实现水、电、气三表数据联合抄读，进一步降低了建设成本，同时极大地增加了抄读效率，最终将会降低家庭开支和生产成本，实现资源的优化配置。

由于智能电能表需要在电网断电情况下具备监测功能，绝大多数水、气表也较难就近获得有线电源，这就需要利用电池等独立供电技术给上述智能表供电；随着智能电能表在电网中的数量日益庞大，其自身功耗正变成一项不可忽略的电网损耗量，因此装置的低功耗运行正变得越来越重要［4］。江苏计量科学院的赵波等人着重介绍了一套功耗测量系统软件，用于智能电能表的功耗测量［5］；山东科技大学的冀友等人针对多用户智能电能表进行了自身功耗及其功能特点分析，结果表明多用户智能电表能显著降低各个用户的平均电能计量消耗，符合我国国情及低碳生活的价值观［6］。本文将重点研究所设计的无线电能表功耗，了解其在不同工况下的具体功耗，为后续软件智能设置低功耗运行提供一定的依据。

1 无线电能表软、硬件设计介绍

1.1 无线抄表系统整体设计方案

一般情况下，无线电能抄表系统主要由智能电能表、ZigBee无线传感器网络及管理服务器组成。以城市中普遍存在的住宅小区为例，图1所示给出了该无线电能抄表系统的基本原理结构图。考虑到ZigBee短距离无线传输的特点，该无线传感器网络设计成介于树型拓扑和网型拓扑结构之间的一种拓扑结构。网络中的协调器节点和管理服务器之间通过串行通信的方式进行命令和数据传输，该协调器节点负责接收所有电能表发送过来的数据并进行管理。考虑到传输距离问题，所有的智能电能表均设置成终端设备，仅与距离最近的路由节点通信，路由节点只具有数据转发功能，可以直接和协调器节点通信，也可借助其它路由节点和协调器节点通信。

服务器是整个无线传感器网络的管理者，它可以实时监控各个电能表的读数，将数据实时或压缩存储下来，为实行阶梯电价提供有力的技术支持；另外服务器还可以将关键数据通过互联网传送至电力管理部门，为电力部门调整电力电量平衡提供大数据支持，进而提高电网的用电效率。

图1 城市住宅小区无线抄表系统基本结构图Fig.1 Basic structure diagram of wirelessmeter reading system for urban residential quarters

1.2 无线电能表硬件设计介绍

在目前技术条件下，ZigBee无线传感器网络已经获得了很多应用，其中路由节点、协调器节点均有较为成熟的设计方案可供本系统选择。相对而言，无线电能表则属于较新的领域，需要进一步测试完善相关技术方案。图2给出了一种典型无线电能表的设计方案，值得注意的是，该设计方案主要计量220 V家庭单相电能，若涉及到380 V三相电能计量，设计方案中仅需将计量芯片更换升级为三相电能计量芯片［7］。

图2 无线电能表硬件结构框图Fig.2 Block diagram of hardware structure of wireless electric energy meter

该无线电能表的核心功能有电能计量、数据处理、信息显示、数据存储以及无线通信。其中电能计量选择美国某公司生产的专用芯片ADE7755，它能够将有功功率的信息以不同频率的脉冲信号输出，并且能够在较大的温度变化范围内维持较高的测量精度，是一款性能、质量可靠的产品［8］。

ADE7755计量得到有功功率数值时，芯片CF端会输出相应的高频脉冲，该脉冲经光电隔离元件输入微处理器模块进行计数，微处理器模块根据换算关系换算成用电功率信息。本文为简化硬件设计，微处理模块直接选用集成有射频模块的CC2430，该芯片现属于某公司旗下的产品，内部集成了增强型工业标准的8051内核和CC2420射频核心。若为了降低硬件成本，微处理器模块和射频模块也可分别独立开发，基本性能可不受影响。

另外，为了方便用户读取电能表读数，无线电能表还设计了一液晶显示模块。模块内部额外集成了脉冲指示灯、跳闸指示灯、报警指示灯等发光二极管。其中脉冲指示灯用来指示用户的瞬时用电功率，用电负荷越大，指示灯闪烁频率越快；当用户不用电时，指示灯不亮。跳闸指示灯用来表示电能表处于拉闸不通电状态。报警指示灯用来表示电能表处于报警状态，相关故障或报警项的信息码则通过液晶显示屏显示。

对于电源管理模块，当电网有电时，通过开关电源提供电能，同时备用4节干电池确保在断电情况下电能表仍能正常工作。为确保各模块能够稳定工作，后续电路选用线性稳压芯片LT1763-3和LT1763-5分别提供正3 V和正5 V电压给CC2430模块和液晶显示、电能计量模块供电。线性稳压芯片的最大输出电流均为500 mA，满足系统设计要求。

1.3 无线电能表软件设计介绍

图3所示为无线电能表主程序流程图，在上电初始化之后，电能表将对电能进行计量，若没有有功功率，将根据默认参数进入休眠状态，此时仅有液晶显示模块和微处理器模块在低功耗状态下工作，相关参数可以通过协调器节点重新配置。若有功功率不为0，则液晶显示模块将实时指示瞬时功率，并显示累积消耗的电能数，同时将数据通过无线的方式发送至网络服务器进行存储和分析。

系统初始化包括CC2430微处理器和射频模块初始化，ADE7755计量芯片初始化，ZigBee入网初始化等，所需时间较长。因此初始化之前要禁止微处理器所有的中断响应，初始化结束后开全局中断。

2 无线电能表功耗模型与测试

2.1 功耗模型

在无线电能表运行过程中，利用泰克公司的TCPA300放大器和TCP312A探头，结合示波器观察电源输出端电流，如图4所示。由于模拟电网中没有电流通过，电能表会自动休眠5.12 s，然后再次监测计量电网有用功率并与路由节点进行无线通信。

图3 无线电能表主程序流程图Fig.3 Main program flow chart of wireless electric energymeter

图4 电源输出电流波形图Fig.4 Power output currentwaveform diagram

图4的电流波形表明在电压为6 V的情况下，电能表大概有三种类型的功耗：休眠功耗Ps约0.06W，电能计量状态下功耗Pa约0.45 W，无线通信状态下功耗Pc约0.78W。其中无线通信的时长tc约0.5 s，是固定值。休眠时间间隔ts及电能连续计量时间ta可通过协调器节点发送到相应命令进行配置。

根据上述分析，式（1）给出了无线电能表的平均功耗表达式，若计量得到的有功功率不为0，则ts为0，T表示电能表的循环工作周期。由于各状态功耗及无线通信时间可估算得到，因此电能表的平均功耗仅与休眠时间间隔ts及电能连续计量时间ta有关。值得注意的是，由于示波器采样率随时间轴的增大而减小，图4中电能表在连续计量期间，相当一部分电流峰值没有被测出，因此实际功耗会比模型中预估的功耗要高。

2.2 功耗测试

在功耗测试实验中，模拟电源选用4个最大电压25 V，容值0.22 F的电解电容并联。首先由稳压电源给电容组充电至V0等于20 V，然后断开电容组输入端，接通其输出端和稳压芯片的输入端，监测电容端的电压变化，记录下电能表工作t等于5分钟时，电容端的电压值V1，通过式（3）即可计算得出无线电能表的实际功耗，其中Cstor为电解电容并联后的容值。

图5所示即为无线电能表在不同工作状态下的平均功耗曲线图，实线为通过式（1）计算得到的理论功耗值，黑色菱形标记为实验测得的功耗值。通过比较可以发现，当有功功率为0时（图5（a）所示），适当延长电能表的休眠时间可以有效地降低电能表功耗。该功耗可以优化至0.1 W以下，此时若电网断电，电能表理论最大工作时长可达到42小时。但应说明的是，该结论仅从功耗优化角度给出，实际当电能表节点休眠时间过长，无线传感器网络的整体通信质量将显著降低，甚至出现无法正常通信的状况。在实际功耗优化时应综合考虑无线通信质量、网络系统整体功耗、电能计量精度等各个因素。

通过图5（b）、（c）可以看出，当电网有电且用户用电时，计量得到的有功功率大于0，此时电能表功耗较大，在0.45 W～0.57 W之间。图5中，相对于理论功耗值，实测功耗整体偏高，原因之一即为电能表计量状态下估算的理论功耗值偏低。另外本实验采用示波器直接观察并测量电解电容Cstor两端的电压值，通过式（3）可以看出电压测量引入的误差将会导致功耗计算出现较大误差。

图5 电能表平均功耗曲线图Fig.5 Average power consumption curve of the watt-hourmeter

3 结束语

本文提出了一种典型的基于ZigBee低功耗无线通信技术的智能电能表设计方案，广泛用于普通家庭用电的测量。通过观察电能表在不同工作状态下的功耗情况，建立了其理论功耗模型，并通过实验进行了验证。研究表明，经过低功耗优化设计的电能表，其最大功耗不超过0.57W，最低功耗低至0.1W，具体功耗可通过软件设置简单优化。另外上述功耗在任何工作状态下均超过国家标准所规定的功耗，具有较高的经济应用价值。