部署智能电表可以节省能源并降低成本

Brian Blum，德州仪器 (TI) 低功耗RF事业部 ZigBee 产品营销工程师

自 2004 年发布第一个规范以来，ZigBee 标准现在已经发展成熟到能够获得全世界认可的地步，并开始在市场上发挥举足轻重的作用。ZigBee 提供了一款高性价比、基于多种标准的无线网络解决方案，该解决方案支持以低数据速率、低功耗网络通信为重点的技术。

到目前为止大多数 ZigBee 产品和部署仍然保持着一定的专属性，它们作为系统出售而非连接公共网络的某种设备。最近人们对于高级电表架构 (AMI)，或者更具体的说对智能能源管理的关注，是开放 ZigBee 标准使其成为真正可互操作的全球标准的契机，而这正是人们数年来所一直呼吁的。

图 1 ZigBee 网状网络

那么，什么是 AMI，ZigBee 又如何提供一款解决方案呢？

“维基百科”对高级电表架构 (AMI) 的定义是“按照要求或事先定义的方案通过各种通信媒介从一些先进设备（例如：电表、煤气计和/或水表等）对能源使用情况进行测量、收集和分析的系统。该架构包括硬件、软件、通信、与消费类电子相关的系统以及计量表数据管理软件。”

国家和地方政府要求一些电力公司制定支持动态定价的商业模型，以此来努力降低能源消耗和成本，并利用负载控制和需求响应来减少系统的峰值能源需求，在这种情况下 AMI 计划便应运而生了。其最初想法是向能源用户提供信息，鼓励他们节约能源，让他们对家中消耗能源的方式更加负责。很显然，该 AMI 计划远远不止是部署 ZigBee 标准那么简单，但是就本文而言，我将只重点阐述 ZigBee 在 AMI 计划中的作用。

作为一种标准，ZigBee 以及 802.15.4 标准的 PHY 和 MAC 协议详细规定了应用通信的网络。这就是说，ZigBee 只提供了框架，而并没有详细规定或者限制通信的内容。所有添加到 AMI 网络的 ZigBee 设备都将遵循相同的规则，即基于点对点原则进行网络发现、网络加入、网络安全和建立链接（绑定）。但是，就全面互操作性而言，仅仅是执行相同的组网标准还不够。为了确保所有设备都“讲”同一种语言，还必须在应用层实现一致性。在 ZigBee 标准中，其被称为公共文件。

ZigBee 智能能源管理

为了支持 AMI，ZigBee 联盟定义并认可了智能能源管理文件。在一个由电表及自动调温器厂商、电力公司和其他相关各方组成的委员会内部对该文件细则进行了讨论，并最终确定了下来。“ZigBee 智能能源管理”为电力企业提供了一种和众多“智能”设备及装置通信的安全机制，从而实现了家庭能源管理。

根据少数服从多数的原则，智能能源管理文件对电表、需求响应及负载控制、定价、文本通信及通知、安全和支持设备清单等进行了定义。更具体的讲，该文件定义了允许那些设备可以添加到 AMI 网络（例如：家庭用能源显示设备的网关、电表、水表、煤气表、自动恒温器、负载控制设备等），以及这些仪表之间必须支持的必要的或可选的通信。AMI 的一个重要部分就是对实时定价的支持，这样便可以在一定的间隔时间内（例如：15 分钟）获得账单。

在需求高峰期间能源生产的成本大大增加（当电厂以接近最大效率运行时它就需要花费更多的资金来发更多的电）。因此，相对于今天统一费率的定价，建立和提供按时段定价既有利于电力企业也有利于消费者。时段定价意味着消费者的用电账单可以反映其实际用电费用。

对于那些想要省钱的人来说，关掉不用的电灯、拔下闲置电器的电源插头、外出时调低恒温计设置，以及在电价便宜时段（及非用电高峰期）使用一些不那么重要的电器，例如：洗碗机和洗衣机等，都可以受益于时段定价。这种用电方式的改变也会给电力企业带来好处。全体消费者的这种行为可以降低电的峰值消耗，并避免对于高成本（及低效益）发电的需求。

智能能源管理网络

AMI 和智能能源管理的运用既节省费用又有利于环保，而时段定价仅仅只是个开始。为了再进一步优化能源消费，智能能源管理还可支持事件计划安排以及对智能应用的外部控制，可基于计时定价重启（适用于 HVAC 系统）或者关闭（适用于水泵）这些应用。就智能能源管理而言，其包括负载控制设备，可以由用户或者电力企业直接远程控制。智能能源管理还将其扩展至一个被称为 OpenHAN 的更大的范围。

OpenHAN 的主要功能是支持电力企业和家庭局域网 (HAN) 之间的双向通信。在一些建议方案中（对此还未最终定案），电力企业会对电表保持一种专有的通信基础结构，其将作为 ZigBee 智能能源管理网络的网关。该网络包括诸如上述一些设备，并支持一个负载与能源管理系统，而该负载与能源管理系统又包括智能能源管理网络中的负载控制器，以及连接单独存在的家庭自动化 (HA) 网络。

图 2 ZigBee 智能能源管理家庭网络

整套系统提供对用电数据及定价的直接访问，并支持负载控制集成和可靠的按需降载双向通信。另外，它还保证能够利用未来产品及设备扩展 OpenHAN 的功能，这些产品和设备可以充分利用来自电力企业的数据。在这种情况下，智能能源管理网络基本由电力企业控制，而 HA 网络则保持对消费者开放。新型设备可以整合到该系统中，并基于服务提供商所提供的服务向电力企业注册。

虽然并非是首次试验性部署的一部分，也不是智能能源管理的核心，但是电力企业部署的这种架构将会成为未来智能能源管理技术的起点。我们可以想象在不远的将来，我们的洗衣机、干衣机、洗碗机、冰箱、水泵、灯具、空调、电视和其他电子设备以及无数其他家庭设备，都将连接到这个网络，可根据时间自动地开启和关闭，并在电价极高时关闭或者重启。

在此情况下，一些设备将会由户主来控制，一些由电力企业控制，而其他的设备则可通过电力企业拥有控制权而户主也可手动控制的可选服务来控制，但是一些诸如医疗设备之类的重要设备将除外。

为了努力实现这一远景目标，2006 年 11 月[1]的卡特威尔 AMR 报告 (Chartwell AMR Report) 预计未来四年内 AMI 技术将使自动电表的销量翻一番。美国有 1 亿个家庭，因此这一技术在美国会拥有广大的市场。通过部署 AMI 和智能电表，可以极大地节省能源和费用。

尽管最初主要是针对美国市场，但是智能能源管理也有望成为一个全球性标准，而其最先考虑是成为欧洲和亚洲市场的解决方案。由于油价和电价几乎每天都在创新高，以及对煤资源枯竭及环境恶化的关注日益增长，我们可能会看到在不远的将来对于 AMI 和其他形式智能能源效益技术的需求将不断增加。ZigBee 就是这样一种可以带来无限可能的技术。

参考书目

[1] 2006 年卡特威尔 AMR 报告 (Chartwell AMR Report)，第 11 版，2006 年11 月。

如欲了解有关 ZigBee 解决方案的更多详情，敬请访问：www.ti.com.cn/zigbee。

作者简介：

Brian M. Blum 现任 TI ZigBee 产品营销工程师，主要负责 802.15.4 和 ZigBee 低功耗 RF 产品线。他毕业于弗吉尼亚大学 (University of Virginia)，获计算机科学硕士学位，研究方向为无线传感器网络。