进入21世纪以来，构建安全、稳定、高效、经济的智能电网已成为国内电力研究的重点。智能电网高级量测体系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）的实施是实现智能电网的第一步，也是智能电网中用户互动参与的核心。无线网络技术借着智能电网这一发展契机融入其中，丰富了智能电网的系统结构；同时无线网络技术也将智能电网的感知和应用进一步延伸。但是无线通信方式的引入使得AMI系统遭受网络信息安全威胁的可能性大大增加。因此，研究基于安全的无线AMI系统具有重要现实意义。本文以此为出发点，主要研究工作如下：首先，针对传统CSMA/CA机制难以直接满足无线AMI系统苛刻的能耗要求，提出了基于时间片的通信机制来克服这一难题，并将随机密钥加密技术应用于时间片通信机制中，为无线AMI系统提供了一种新的通信方案。该方案能有效避免网络数据碰撞，从而降低网络能耗；同时，采用的随机密钥切换机制允许减少密钥编码位数但不降低密钥的安全度，从而进一步降低了节点加密带来的能耗损失。通过利用NS2软件对网络攻击和节点能耗等进行仿真，结果验证了该方案的可行性。其次，本文设计了适用于无线AMI系统的网络协议框架，并制定了相应的系统安全措施，建立了基于时间片随机密钥技术的安全无线AMI系统架构；并设计与开发了基于IEEE802.11的A型无线采集节点、基于IEEE802.15.4的B型无线采集节点、兼容两种协议的无线接入网关，以及应用OPC技术的无线AMI数据管理服务器。最后，将本文研究开发的安全无线AMI系统应用于智能电网终端的智能小区以及扩展应用到钢铁工业冷轧生产车间，进一步实际验证了以时间片为通信机制、随机密钥为加密方法的安全无线AMI系统工作的可行性和有效性。