高級量測技術體系通信協議研究

田世明

（中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

國外20世紀80年代中期開始遠方抄表技術應用，即應用 AMR（automatic meter reading）,該技術利用當時主要的通信技術手段，如無線通信技術、載波通信技術等來遠程完成采集任務，需要電力公司派出工人到當地抄表，免除抄表員進戶抄表給用戶造成的不便。2006年，逐漸開始推行高級量測技術，利用現代通信技術手段，實現雙向通信和實時抄收，為分布式電源接入電網和電動汽車充電的計量、計費、結算、監控提供了條件，并為優化能源管理提供了基礎信息。

高級量測技術體系 （advanced metering infrastructure，AMI）是用來測量、采集、傳送、儲存、分析和應用客戶用電信息，實現需求響應、雙向互動，支持客戶合理用電、節約用電的技術體系。AMI主要包括智能電能表、智能交互終端、通信信道和主站軟件。AMI通信協議是AMI的核心技術之一，下面分別闡述AMI組網技術并分析其通信協議。

2 組網技術

AMI采用固定的雙向通信網絡，能夠每天多次讀取智能電能表，并能把表計信息包括故障報警和裝置干擾報警近于實時地從電表傳到數據中心。常見的通信系統的結構包括分層系統、星狀和網狀網電力線載波，可以采用不同的媒介來向數據中心實施廣域通信，如電力線載波（power line carrier,PLC）、電力線寬帶載波（borad power line carrier，BPL）、銅或光纖、無線射頻、3G/GPRS 等。在分層通信網絡中，局域網（LAN）連接電表和數據集中器，而數據集中器則通過廣域網（wide area network,WAN）和數據中心相連。數據集中器通常在桿塔上、在變電站里或在其他的一些設施上，它們是局域網和廣域網的交匯點。

在局域網中，數據集中器即時或按照預先設定的時間收集或接收附近電表的計量值或信息，再利用廣域網把數據傳到數據中心。數據集中器可以中繼數據中心發給下游電表和用戶的命令和信息。局域網對通信的速率要求不高，因此對它主要的考量是以較低的成本連接用戶。常見的通信方式為PLC、BPL、塔式或網格狀無線射頻網絡。目前，局域網大多采用不開放的私網協議，但正慢慢地向開放式網絡標準（如TCP／IP）發展。

2.1 廣域網（WAN）

WAN主要用于智能臺區管理終端或分布式能源雙向互動終端與主站軟件間的通信。WAN的組成可采用多種通信方式：Internet、光纖、衛星、無線、3G等，通信的網絡基礎技術是TCP/IP。各種不同的通信方式，在主站軟件處進行匯聚。從而可以使AMI的WAN通信具有標準性、開放性。

2.2 局域網（LAN）

在AMI中，LAN主要是指智能臺區管理終端和其所轄的智能電能表間的通信網絡。該層通信主要的技術有電力線載波、微功率無線、ZigBee等。網絡拓撲結構多為總線型、星型或混合型。目前，該層網絡通信主要存在以下問題。

各種通信技術均有其局限性，尚無法很好地解決通信的成功率、實時性等問題。載波技術受限于電網的拓撲結構、電網環境質量、用電設備等諸多因素；微功率無線受限于地理環境、天氣等因素，通信質量無法保證完全滿足要求。

各種通信技術間缺乏互聯互通的通信標準，包括物理層標準和通信協議，導致各種通信技術無法在一個臺區管理終端下LAN的混用。

2.3 家庭局域網

家庭局域網（home area network,HAN）是用戶家庭內部的局域網，連接用戶入不同的用電設備，如智能化的冰箱、空調、智能開關以及相鄰的集中器、由電力公司提供獨立的網關或用戶的設備（如用戶自己的互聯網網關）。迄今為止，HAN的技術規范還在討論和發展之中。但其從網關到戶內顯示器之間的通信技術，主要是無線或電力線載波兩種。主要的標準是ZigBee（無線）、HomePlug（載波）和IPv6，另外Wi-Fi也在標準考慮范圍內。

此外，無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）的研究也方興未艾。在HAN中，如果采用WSN，可以實現家庭中各種智能家電的數據交互，為HAN的實現增添更多的通信方式，扶助實現智能家庭的環境感知、智能控制。

3 通信協議

3.1 廣域網通信協議

3.1.1 目前主流的通信協議體系

本節重點分析常見的國際標準及國家電網公司用電信息采集系統的通信協議。

（1）遠動通信協議體系（IEC 60870-5系列）

IEC 60870-5系列包括以下3種：

·IEC 60870-5-101，遠動設備及系統—基本遠動任務配套標準（101規約）；

·IEC 60870-5-103，遠動設備及系統—繼保設備信息接口配套標準（103規約）；

·IEC 60870-5-104，遠動設備及系統—應用101于TCP/IP協議上網絡訪問（104規約）。

該協議體系主要用于變電站和電網調度中心間的通信，且我國已將101、103定為電力行業標準即DL/T 667-1999和 DL/T 634-1997。

該系列標準未采用面向對象的設計思想，數據類型固定，功能確定，靈活性較差。

（2）計算機數據通信協議體系（IEC 60870-6系列）

IEC 60870-6系列主要包括以下3種：

·IEC 60870-6，遠控設備和系統—含TASE.2（遠方控制應用服務元素）；

·IEC 60870-6-503 TASE.2，服務定義和協議描述；

·IEC 60870-6-802 TASE.2，對象模型。

該協議體系由IEC TC57 WG07工作組負責制定，主要用于電力系統控制中的計算機數據通信，其中又以基于ISO 9506 MMS（制造報文規范）的TASE.2廣泛應用。

目前該標準被用于電網調度中心之間的通信。

（3）變電站數據通信協議體系（IEC 61850）

IEC 61850最初是針對變電站站內網絡通信的協議，但由于變電站內、變電站與電網調度中心、調度中心之間各種協議的不兼容，需要協議轉換才可連接，TC57感到有必要從信息源（變電站的過程層）直到電網調度中心之間采用統一的通信協議，數據對象統一建模和IEC61970CIM（通用信息模型）協調一致，于是在2000年的SPAG會議上決定以IEC61850為基礎建立無縫遠動通信體系結構。

該系列標準支持更廣泛的應用：數據建模，自我描述服務，整定服務，先進的通信模型和服務，靈活性、復用性好，可以適應未來新技術的變化，生命周期長。為此，在高級量測技術體系中有很好的應用前景。

（4）能量管理系統的編程接口（IEC 61970）

IEC 61970主要包括兩種：

· CIM，公共信息模型；

· CIS，組件接口規范。

IEC 61970協議的兩個支柱是公共信息模型（common information model，CIM） 和 組 件 接 口 規 范 （component interface specification,CIS）。CIM公共信息模型定義了信息交換內容的語義，CIS組件接口規范規定了信息交換的語法。CIM是整個IEC 61970協議框架的基礎和核心。IEC 61970系列標準提出了電力系統資源的概念。它描述了電力系統所有對象的邏輯結構和關系，構成電力系統網絡拓撲結構的主要節點，通過這些節點的連接，構成電力系統基本的網架結構。

該系列標準應運用于各個控制中心之間。

（5）用電信息采集系統通信協議（Q/GDW 376）

Q/GDW 376協議體系包括兩種：

· Q/GDW 376.1，主站與采集終端通信協議；

· Q/GDW 376.2，集中器本地通信模塊接口協議。

國家電網公司對國內外采集系統的建設應用現狀進行了全面調研和分析，并充分結合通信、微處理器等技術的發展，制定了國網公司的企標Q/GDW 376于2009年底正式頒布，其規定了系統主站和采集終端間數據傳輸細則及集中器與載波通信模塊間數據的傳輸細則，功能明確，可操作性強。

目前，該系列標準主要運用于國家電網公司的用電信息采集系統中。

3.1.2 主流通信協議體系比對

智能電力設備通過廣域網和數據中心相連，其協議要求全雙工的傳輸模式，靈活，易于擴展。目前，在電力行業中各類信息采集與監控系統在通信協議方面采用的主流標準比較見表1。

3.1.3 適用于AMI的通信協議體系

（1）IEC 61850

IEC 61850系列標準吸收了多種國際先進的新技術，并且引用了多個領域內的其他國際標準，是世界上第一個用于變電站自動化系統信息模型和信息交換的全球性標準。從1995年IECTC57開始宣布實施IEC 61850標準項目，到2003年頒布成為世界上惟一的變電站自動化領域的國家標準，經過世界各地的研究機構、設備供應商以及各大電力公司的努力，近年來，IEC 61850應用于變電站自動化系統已經成熟。在電力系統中，新上的變電站自動化系統，已基本上采用基于IEC 61850間隔層或過程層的系統；而基于傳統IEC 60870-5-103和DNP3協議的系統逐漸移植至IEC 61850系統已成為必然的趨勢。據統計，到2008年底，世界上已有超過1000座覆蓋從中壓配電變電站到超高壓變電站投入運行。

表1 主流通信協議比對表

實際上，僅僅在1995年IEC 61850項目開始后的幾年時間，公用事業和供應商的非變電站相關應用領域的專家就已經開始認識到采用單一的國際標準對電力能源供應系統以及IEC 61850強大的內容和實施方法的好處。目前，IEC 61850標準也正在不斷拓展其應用范圍，除了已經頒布的IEC 61400-25標準以外，其他變電站以外的拓展應用標準已在制定之中，這些標準應用包括電網電能質量監測、線路保護、變電站之間以及變電站和調度中心之間的信息交換、電力設備的狀態監視、分布式能源（DER）水電站監控等。

隨著協議的成熟和發展，IEC 61850標準第二版的名稱也由“變電站內通信網絡和系統”改為“電力自動化的通信網絡和系統”，明確地將其覆蓋范圍擴展到了變電站以外的所有公用電力應用領域。

①IEC 61850的特點

用面向對象的統一建模技術UML；

采用分布、分層的結構體系；

使用抽象通信服務接口ACSI和特殊通信服務映射SCSM技術；

抽象建模與具體實現的獨立，服務與通信網絡獨立，適用于TCP、OSI、TP等多種傳送協議；

實現智能電子設備間的互操作性；

提供自我描述的數據對象及其服務；

具有面向未來的、開放的體系結構，能夠定義其他領域的任何新的邏輯節點和公共數據。

所以IEC 61850靈活性、復用性好，可以適應未來新技術的變化，生命周期長。

② IEC 61850 與 IEC 870-5-101、IEC 870-5-104、IEC 870-5-103、TASE2.0 的比較

以上所有標準均可為SCADA相關設備提供服務來交換基本實時信息（比如，單點狀態和控制，周期性和突發性報告，查詢等）；

只有IEC 61850可以提供關于采樣和跳閘命令的實時信息交換；

大部分標準功能確定，不可改變 （IEC 870-5-101、IEC 870-5-103、IEC 870-5-104、TASE2.0），只有 IEC 61850支持更廣泛的應用：數據建模，自我描述服務，整定服務，先進的通信模型和服務；

IEC 870-5-101、IEC 870-5-103、TASE2.0 已廣泛應用到實際中并有了大量產品，IEC 870-5-104也有一些產品，而IEC 61850在變電站系統中也有一定的應用。

IEC 61850已成為IEC關于未來無縫遠控通信體系結構的主推方案，其余標準會逐步向IEC 61850過渡。

在 IEC 61850標準制定過程中SIEMENS、ABB、ALSTOM等廠家與規約同步推出各自實驗室試驗產品，并進行互操作性試驗。西門子在2004年4月與瑞士的AVAG電力公司簽訂了全球第一個真正使用IEC 61850標準的變電站自動化系統合同：Winznauschachen變電站項目，并在同年11月底順利投運，截至2005年2月底，西門子已簽了124個使用IEC 61850標準的項目。2006年，華北電網的南橋變電站監控系統中使用了基于IEC 61850標準的監控系統。目前，IEC 61850標準廣泛使用在各類變電站，電能質量監測系統及其他公用事業系統中。

IEC 61850具有良好的可擴展性和體系結構，而高級量測技術體系需要采用統一的平臺和模型進行信息的雙向交互，數據集中和共享，以實現智能電力設備和系統的互操作，這兩者的設計思路是一致的。美國標準化研究院和國家電網公司發布的標準規劃中已將IEC 61850作為智能電網啟動標準之一，在高級量測技術體系中，該標準必將成為主要標準之一。

（2）Q/GDW 376

按照堅強智能電網的總體要求，保證智能電網建設規范有序推進，規范統一用電信息采集系統及主站、采集終端、通信單元的功能配置、型式結構、性能指標、通信協議、安全認證、檢驗方法、建設及運行管理等。在國家電網公司“電力用戶用電信息采集系統建設研究”項目研究成果基礎上，國家電網公司營銷部組織對國內外采集系統建設應用現狀進行調研和分析，并充分結合通信技術、微處理器技術、制造工藝等技術的發展，全面梳理國內外用電信息采集系統相關技術標準，制定了《電力用戶用電信息采集系統》系列標準。

Q/GDW376是《電力用戶用電信息采集系統》系列標準之一，它規定了電能信息采集與管理系統中主站和終端之間進行數據傳輸的幀格式、數據編碼及傳輸規則，集中器與下行通信模塊的本地接口協議。

Q/GDW376根據用電信息采集系統的特點，制定了相關的數據及操作方式，功能明確，智能電力設備和系統的互操作簡單、便捷。在智能電網建設過程中，Q/GDW 376已經成為國家電網公司系列標準之一，在高級量測技術體系中，該標準有很廣闊的應用前景。

3.2 局域網LAN接入通信協議

智能電力設備與智能測控單元之間采用局域網進行信息交互，再利用廣域網把數據傳回數據中心。常見的組網方式采用PLC、BPL等。局域網大多采用私網協議。通信協議方面，ISO/IEC 16485是智能樓宇方面的標準；GB/Z 20965來源于ISO/IEC 14543-3，主要是智能家居和樓宇信息控制網絡方面的標準；IEC 62056是抄表、直接負荷控制等本地數據交換、對象建模及服務標準。這些標準需要通過影射到骨干通信協議中。

3.3 家庭局域網

家庭局域網通過網關或用戶入口把智能電能表和用戶戶內可控電器或裝置連接起來，主要采用無線或PLC。美國電科院宣布的美國智能電網建設的第一批標準中和家庭局域網相關的標準有：Open HAN（家庭區域網（HAN）設備通信、測量和控制）；ZigBee/Home Plug Smart Energy Profile（家庭區域網設備通信和信息模型）。這些協議正在標準化過程中。

3.4 面向過程的通信協議向面向對象的通信協議演進

目前，IEC 61850已經深入到配用電側的分布式能源管理與控制，由于其優良特性，正在研究以IEC 61850為基礎制定需求響應、電動汽車充電設備相關標準。IEC 62056也是面向對象的通信協議，是國內外一些先進的電能表必選的通信協議。幾種可能的演進策略介紹如下。

·Q/GDW 376增加適應IEC 62056的數據對象和過程的能力，使得Q/GDW 376更適應AMI更多數據類型及互動業務的需求。

·選擇IEC 62056作為一種行業標準，要求智能電能表支持該協議，同時要求智能電能支持遠程直抄。

·長期來說，應統一到IEC 61850通信協議體系上，實現IEC 62056及Q/GDW 376終端通信協議向IEC 61850的映射，逐步過渡到統一的面向對象通信協議。

4 結束語

本文對高級量測技術體系通信協議進行了全面深入的研究，分析了高級量測技術體系通信協議的特點，提出了高級量測技術體系通信協議的演進策略。高級量測技術體系通信協議體系中多種通信協議的映射方法和測試方法還需進一步研究。