智能電表網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及通信協(xié)議探討

王 倩，楊經(jīng)林

（國電聊城發(fā)電有限公司，山東 聊城 250023）

0 引言

智能電表是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備之一，承擔(dān)著原始電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)信息繼承、分析優(yōu)化和信息展現(xiàn)的基礎(chǔ)［1］。智能電網(wǎng)的建設(shè)對(duì)智能電表提出了更高的技術(shù)應(yīng)用要求，這依賴于智能電表的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的實(shí)時(shí)性及通信規(guī)約的互操作性。我國是一個(gè)發(fā)展中的國家，地域廣闊、地形復(fù)雜、氣候條件存在著顯著的差異，各地的城鎮(zhèn)規(guī)模還處于發(fā)展中，城市中的建筑物類型繁多，用電設(shè)備和用電方式缺乏規(guī)范，電磁環(huán)境有待凈化。這些因素都會(huì)對(duì)建成信道的通信質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響，這些影響體現(xiàn)在信道擁擠，不能滿足實(shí)時(shí)交互需求；信道容量不足，難以維系大容量、高速信息的交換；誤碼率過高，通信效率低下等。所以比較理性的選擇是因地制宜、區(qū)別對(duì)待［2］。

1 智能電表網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

電能表通信技術(shù)經(jīng)歷了簡(jiǎn)單的本地通信，以及具有遠(yuǎn)程通信能力的電能量自動(dòng)采集（自動(dòng)抄表）系統(tǒng)的發(fā)展歷程。在吸收、借鑒電能量自動(dòng)采集系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，伴隨著智能電網(wǎng)建設(shè)工作的推進(jìn)，智能電表正在步入大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化階段。

對(duì)于配電臺(tái)區(qū)上行通信信道，自動(dòng)抄表系統(tǒng)可采用的通信方式主要有PSTN公用電話網(wǎng)、GPRS無線、GSM無線、光纖等。由于采用的是公網(wǎng)通信，有專業(yè)隊(duì)伍負(fù)責(zé)運(yùn)行、服務(wù)，其通信技術(shù)、設(shè)備等相對(duì)成熟，運(yùn)行可靠性也較好。

對(duì)于配電臺(tái)區(qū)下行通信信道，主要有RS-485總線、低壓電力線載波、無線及其混合方式。下行信道的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性、性價(jià)比、施工難度等，是自動(dòng)采集系統(tǒng)或智能電表通信網(wǎng)絡(luò)成功與否的關(guān)鍵。

1.1 智能電表網(wǎng)絡(luò)對(duì)本地通信的要求

為滿足“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)”以及其他增值服務(wù)的需要，智能電表本地通信網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮并滿足下述要求：

1）通信一次成功率應(yīng)達(dá)到95%以上。

2）環(huán)境適應(yīng)性要滿足全面覆蓋的要求，能廣泛適用于密集的中心城區(qū)、城市郊區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部、小城鎮(zhèn)、農(nóng)村村落、新建住宅、老舊城區(qū)、中小工業(yè)商業(yè)區(qū)等。

3）物理層應(yīng)能自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)免設(shè)置，以盡可能降低調(diào)試及維護(hù)費(fèi)用。

4）通信速率應(yīng)能滿足中小動(dòng)力和工商業(yè)用戶大信息量的傳輸要求。尤其對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，中小動(dòng)力用戶數(shù)量龐大，需要低成本、低運(yùn)行費(fèi)用、快速可靠的本地通信信道。

5）良好的性價(jià)比。本地網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施不僅需要考慮抄表計(jì)費(fèi)，還需要考慮提高用電管理水平和提供增值服務(wù)的能力。

1.2 智能電表網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

低壓電力線載波通信、微功率無線網(wǎng)絡(luò)和基于有線連接的總線通信是當(dāng)前本地網(wǎng)絡(luò)通信采用的三類主要技術(shù)。從全球的AMR和AMI工程應(yīng)用結(jié)果來看，約63%的AMR、AMI用戶采用的是微功率無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其次是電力線載波或其他技術(shù)。

1）低壓載波通信。由于220 V/380 V低壓配電網(wǎng)的阻抗及衰減特性與高壓電網(wǎng)截然不同，在高壓電網(wǎng)應(yīng)用成熟的載波技術(shù)，在低壓配電網(wǎng)幾乎無法使用。配電網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶，高級(jí)計(jì)量系統(tǒng)、服務(wù)的對(duì)象也是電力用戶，如果能將已建成的巨大的配電網(wǎng)資源利用起來，用于數(shù)據(jù)采集和信息傳輸，對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)有著重大的意義。

低壓電力線載波通信載波信號(hào)頻率范圍為3～500 kHz，電力公司使用的頻率范圍為 3～95 kHz，其中3～9 kHz一般用于語音傳輸。為了在有限的頻帶內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸出去，各種各樣的調(diào)制與解調(diào)方式被應(yīng)用到低壓電力線載波方案中，常見的有鍵控頻移、鍵控幅移、鍵控相移和Chirp跳頻。

國內(nèi)應(yīng)用比較多的載波通信芯片產(chǎn)品主要來自于意法半導(dǎo)體公司、埃斯朗（Echelon）公司、北京福星曉程公司和青島東軟公司。

意法半導(dǎo)體公司產(chǎn)品的解決方案是較為經(jīng)典的FSK調(diào)制的電力線載波收發(fā)器，對(duì)基于電力線信道的自動(dòng)抄表（AMR）的興起做出重大貢獻(xiàn)。其載波中心頻率可編程，有8個(gè)頻率可供選擇，頻率范圍滿足歐洲、北美、中國等標(biāo)準(zhǔn)；有4種通信波特率可編程選擇。ST Micro electronics公司作為芯片級(jí)供應(yīng)商，其載波芯片與外部采用無線通信協(xié)議的位傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要外部處理器（MCU）進(jìn)行通信協(xié)議的處理和中繼路由算法的實(shí)現(xiàn)。

埃斯朗（Echelon）公司產(chǎn)品的解決方案采用窄帶雙頻自動(dòng)切換通信技術(shù)，利用數(shù)字信號(hào)處理的方法克服噪聲干擾和校正信號(hào)相位畸變現(xiàn)象，并通過前向糾錯(cuò)對(duì)突發(fā)位錯(cuò)誤進(jìn)行糾正。PL3120芯片自身支持LonWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了OSI的七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對(duì)于高速的雙絞線、同軸電纜、光纖、無線通信介質(zhì)是適合的，但對(duì)于低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娏€信道來說，由于協(xié)議復(fù)雜、數(shù)據(jù)吞吐量大，可能導(dǎo)致效率降低。

北京福星曉程公司產(chǎn)品的解決方案的特點(diǎn)是芯片集成度較高，將電力線載波信號(hào)收發(fā)器、MCU以及計(jì)量和控制功能集成在一個(gè)芯片中，是一款SOC級(jí)的芯片。考慮到數(shù)據(jù)交換、通信協(xié)議處理、中繼路由計(jì)算等均須由MCU處理，所以MCU的負(fù)擔(dān)較重，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求與通信系統(tǒng)的響應(yīng)之間存在沖突。

青島東軟公司產(chǎn)品的解決方案通過高效、自適應(yīng)、全自動(dòng)的配電網(wǎng)絡(luò)中繼路由算法，自動(dòng)感知配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)地自適應(yīng)配電網(wǎng)絡(luò)的變化，保證了通信系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定。其載波芯片由三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)是基于高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（HDLC），具有信息幀的長(zhǎng)度可變、地址域長(zhǎng)度可擴(kuò)充性、幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制等功能，提高了主站與從站之間數(shù)據(jù)交換能力。

2）微功率無線網(wǎng)絡(luò)。微功率無線指使用433 MHz/470 MHz/780 MHz/2.4 GHz頻率、發(fā)射功率小于等于50 mW的無線射頻通信。國家電網(wǎng)電能量信息采集與管理系統(tǒng)中把利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的通信組網(wǎng)方式叫做微功率無線組網(wǎng)。微功率無線通信的特點(diǎn)是微功耗、自組網(wǎng)、雙向?qū)崟r(shí)通信、標(biāo)準(zhǔn)化、便于移動(dòng)、適合嵌入式安裝，可方便地嵌入到抄表設(shè)備、電能表以及用電電器中。缺點(diǎn)是點(diǎn)與點(diǎn)之間傳輸距離較短，無線信號(hào)易受障礙物阻擋［3］。

微功率無線組網(wǎng)的靈活組網(wǎng)方式可以擴(kuò)展到智能用電領(lǐng)域。通過支持無線組網(wǎng)的電能表、采集設(shè)備和用電電器，可以方便的給用戶提供實(shí)時(shí)的負(fù)荷曲線，分時(shí)電價(jià)，各電器實(shí)時(shí)、每日、每月耗電量（電費(fèi)）的顯示；還可以遠(yuǎn)方設(shè)定時(shí)段、電價(jià)、定時(shí)控制方案，更可以提供語音、數(shù)據(jù)、視頻的信息。

ZigBee技術(shù)是微功率無線組網(wǎng)在電能量信息采集與管理系統(tǒng)中應(yīng)用最成功的。ZigBee網(wǎng)絡(luò)分為4層，自下向上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）。如圖1所示，物理層和媒體訪問控制層使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟確定。每一層向它的上層提供數(shù)據(jù)或管理服務(wù)。ZigBee的應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層（APS）、設(shè)備對(duì)象（ZDO）和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象組成。

ZigBee聯(lián)盟提供了ZigBee Smart Energy Profile這一具有互操作性的協(xié)議集和開放的互操作標(biāo)準(zhǔn)，并以此判斷智能電表和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，為智能電表、現(xiàn)有的ZigBee家庭網(wǎng)絡(luò)及商用建筑網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)公司的智能互動(dòng)連接提供了最后的關(guān)鍵一步。從而由為電力公司服務(wù)升級(jí)為全社會(huì)普遍關(guān)注的節(jié)約能源和能源有效利用服務(wù)。

圖 1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)分層

3）RS-485總線。RS-485總線數(shù)據(jù)傳輸方式因技術(shù)成熟，工作可靠，在國內(nèi)應(yīng)用普遍。RS-485總線方案適合應(yīng)用于集中裝表的現(xiàn)場(chǎng)，可以大大節(jié)約成本。

RS-485總線組網(wǎng)方案在應(yīng)用中需要注意：對(duì)于分散安裝的電能表施工較困難；如果運(yùn)行過程中線路出現(xiàn)損壞，維護(hù)工作量大；需要考慮線路防雷。

RS-485總線的優(yōu)點(diǎn)：更換和維護(hù)成本低，不受表計(jì)廠家限制；可以利用具有RS-485接口的資源，方便實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；集中裝表的小區(qū)和有布線槽的小區(qū)，施工非常方便；電能表和線路正常情況下，通信成功率100%。

2 智能電表通信協(xié)議

智能電表通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和互操作性是針對(duì)協(xié)議層面而言的，所以采用統(tǒng)一、開放、科學(xué)的通信協(xié)議是確保智能電表通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互操作的技術(shù)保障。而現(xiàn)行的電能表通信協(xié)議各種規(guī)范很不統(tǒng)一，主流表計(jì)規(guī)約是DL/T 645及其各種擴(kuò)展版本；系統(tǒng)規(guī)約有浙江（廣東）的系統(tǒng)規(guī)約、國電的系統(tǒng)規(guī)約、上海系統(tǒng)規(guī)約、DL/T 719-2000（IEC 60870-5-102）以及各種派生版本的102規(guī)約等。這使得在電能表集成應(yīng)用的過程中帶來了許多規(guī)約轉(zhuǎn)換的問題，難以實(shí)現(xiàn)互操作，嚴(yán)重制約了未來智能電網(wǎng)下電量信息的高度智能化應(yīng)用［4］。IEC 62056《電能計(jì)量—用于抄表、費(fèi)率和負(fù)荷控制的數(shù)據(jù)交換》系列國際標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了上述問題，該標(biāo)準(zhǔn)采用對(duì)象標(biāo)識(shí)、對(duì)象建模、對(duì)象訪問和服務(wù)、通信介質(zhì)接入方式等方法，從通信的角度定義了對(duì)象標(biāo)識(shí)（OBSI），建立了儀表的接口模型，統(tǒng)一了基于開放系統(tǒng)互聯(lián)模型要求的通訊協(xié)議—設(shè)備語言報(bào)文規(guī)范（DLMS）。

2.1 IEC 62056標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)成

IEC 62056標(biāo)準(zhǔn)體系整體上分為兩部分，一部分是與通信協(xié)議、介質(zhì)無關(guān)的電能計(jì)量配套技術(shù)規(guī)范COSEM；另一部分是依賴開放系統(tǒng)互連參考模型和IEC 61334制定的通信協(xié)議模型，即DLMS。IEC 62056標(biāo)準(zhǔn)體系目前共包括六部分，如圖2所示。

圖2 IEC 62056標(biāo)準(zhǔn)體系

2.2 IEC 62056提供的互聯(lián)性和互操作性的技術(shù)保障

要抄表就要與關(guān)聯(lián)儀表信息模型通信，要實(shí)現(xiàn)互操作性通信所用的語言必須是通用的公共語言，IEC 62056 DLMS規(guī)約為此提供了技術(shù)保障。只要按照IEC 62056標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)電能表，不同制造商提供的電能表產(chǎn)品就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和互操作。采用DLMS協(xié)議的采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 采用DLMS協(xié)議的采集系統(tǒng)

DLMS/COSEM采用面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案，定義了能耗儀表的信息模型——COSEM對(duì)象模型，用標(biāo)準(zhǔn)化方式對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行格式化。這樣，抄表主機(jī)便能以相同的格式獲取儀表數(shù)據(jù)，而與制造商和能源類型無關(guān)。

服務(wù)器與客戶機(jī)應(yīng)用進(jìn)程之間的互操作性和互聯(lián)性是儀表數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。為了使服務(wù)器和客戶機(jī)之間具有互操作性，必須保證雙方處于相同的應(yīng)用連接環(huán)境中。IEC 62056制定了簡(jiǎn)化的三層通信模型，在通信介質(zhì)中傳輸COSEM對(duì)象模型，如圖4所示。COSEM應(yīng)用層完成對(duì)COSEM對(duì)象的屬性和方法的訪問，將信息轉(zhuǎn)換為字節(jié)串，通過低層通信協(xié)議在對(duì)等的應(yīng)用層之間傳送這些信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象模型與低層通信協(xié)議隔離。對(duì)于各種類型的通信介質(zhì)，只需更換與其配套的底層通信協(xié)議，不會(huì)影響COSEM應(yīng)用層及對(duì)象模型。COSEM應(yīng)用層提供了標(biāo)準(zhǔn)的面向連接的應(yīng)用控制服務(wù)元素ACSE服務(wù)來協(xié)商建立應(yīng)用連接，一旦建立了應(yīng)用連接，雙方即在約定好的應(yīng)用連接環(huán)境中交換數(shù)據(jù)。一個(gè)客戶機(jī)可以和一個(gè)服務(wù)器，也可以和多個(gè)具有不同應(yīng)用環(huán)境的不同服務(wù)器建立應(yīng)用連接，進(jìn)行互操作。

圖4 IEC 62056三層通信模型

3 結(jié)語

智能電網(wǎng)的建設(shè)和國情決定了我國需要構(gòu)建不同的通信技術(shù)，不同的通信介質(zhì)相互補(bǔ)充，混合組網(wǎng)的智能電表通信網(wǎng)絡(luò)。另外還需要積極利用GPRS、IPV6、三網(wǎng)融合等新的通信技術(shù)不斷加強(qiáng)和完善智能電表網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。IEC 62056標(biāo)準(zhǔn)在我國的應(yīng)用還需要進(jìn)一步推進(jìn)，科學(xué)、統(tǒng)一的通信協(xié)議是智能電表網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。