歐盟高級計量架構OPEN meter標準體系介紹

陶維青 沙 磊

(1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.安徽科大智能電網技術有限公司，合肥 230088)

2007年1月，歐洲委員會采用了能量和氣候改變方案，該方案的主要目標是：到2020年，溫室氣體排放量必須減少20%，在歐洲能源體系中，可再生能源必須占20%，同時歐洲主要能源消耗量必須減少20%。

本地電表供給管理被看作是實現這個目標的重要環節。電表供給管理可以通過智能抄表、電力電子控制技術、現代通信方法和日益增加的有意識的用戶的參與來實現和加強。智能電表是一種新型信息通信技術(ICT)的基礎設施，可以用來提高能量使用效率。智能抄表允許電力用戶在電力市場運作中扮演一個更加主動的角色，同時允許分布式網絡在電力系統運作中提供更多的幫助，使電力網絡變成“智能電網”。抄表服務將在新的網絡中代替網關，這會對能量供應產生重要的影響。因此，抄表服務的技術支撐模塊AMR/AMI(Automatic Meter Reading/Automated Metering Infrastructure)的作用越來越顯而易見。它為供應者和使用者提供了溝通的橋梁，提升了用電效率，減少了發電成本，并減少浪費和消耗[1]。

隨著遠程抄表系統被廣泛應用，計量讀數設備之間的相互協作有了更高的要求：要求不同的計量設備(電表、氣表及水泵等)統一到相同的數據讀取方式下。Open Metering System(OMS)協議正是為了解決上述要求產生的。其中第三部分規范的制定是電力標準發展的一個重要里程碑。現在OMS群體的主要目標是把這些工作納入歐洲規范當中去[2]。

1 OPEN meter工程介紹①

OPEN meter工程的主要目標是為AMI確定一系列標準，以便在相關利益人的共識基礎上支持抄表。后期，工程擴展到現存的AMI體系中的標準差異，同時也涉及智能抄表中的其他方面(如必要政策、智能抄表功能、通信系統、工程和數據格式)。最初的標準在歐洲和國際標準體系中制定，所以它們也在OPEN meter體系中。

2008年，歐洲智能抄表團隊承認在歐洲乃至全球范圍內，高級抄表基礎設施的普及存在一些障礙：缺乏一系列廣泛的、可接受的且開放的智能抄表標準，而且在抄表和控制領域中，由不同生產商制造的系統和設備間的互操作性缺少保證。

歐洲委員會也承認這個障礙，同時CEN的EC、CENELEC和ETSI發布了M/441指令試圖克服這個障礙。這個指令的目標是為具有互操作性的可用儀表發展開放框架。

標準化組織邀請OPEN meter工程參加標準化發布工作。OPEN meter工程從2009年啟動，于2011年順利完成。OPEN meter工程探究和處理的是把AMI擴展為歐洲等級，面臨的主要問題是缺乏一系列廣泛被接受的開放的標準以確保系統和設備間的互操作性，同時缺乏歐洲國家電表、氣表、水表和熱表的協調管理[2]。OPEN meter的主要貢獻是交付了3個開放標準說明。這3個說明仍然在M/441指令下工作。同時，這3個說明已經在工程框架中被發展和確認。

最早從事制定OPEN meter系統的是協會和通信制造商中的3家公司：Figawa、KNX和ZVEI。他們的主要目標是制定一個開放的、獨立的、彼此協作的設備和界面規格，使得電、氣、水和熱的通信一體化，主要工作是撰寫詳細的規范。

2 OPEN meter系統框架

現存的OPEN meter工程結構基于歐洲標準體系M/441智能抄表規約[3，4]，如圖1所示。在這個結構中，中央系統和通信網關相連，轉移數據從中央系統到網關，網關另一端和智能電表相連。

圖1 歐洲智能抄表標準M/441框架

在OPEN meter工程結構中，所有的網關任務都被集中到電表上的原因有：

a. 電表是唯一可以直接和主電力供應網絡相連的儀表，其他儀表大部分是電池供電，易出現掉電導致的數據丟失等問題；

b. 電表的影響力和滲透力高于其他儀表。Act 2009.72強調到2020年80%的歐盟用戶都將使用智能電表；

c. 電表是唯一和主電網相連的儀表，且能夠使用PLC技術把電網當做通信網絡使用。

OPEN meter工程框架如圖2所示。

在這個框架中，電表又被稱作通信集線器，主要測量產生和消耗的電能。通過一個MI4接口接收和發送其他非電氣儀表的相關數據給中央系統或通過MI5接口發送給用戶室內顯示設備(IHD)。電表/通信集線器受中央系統遠程管理，可以使用MI2接口通過WAN直接實現，也可以使用MI1接口通過LAN間接實現。為了方便維護和使用，可以通過本地接口MI3和操作維護手持設備(如手持單元HHU)相連。在一個家庭用戶中，電表主要使用MI1(或MI2)和MI4接口，其他接口可選擇性配置，這樣便于減小電表成本。

圖2 OPEN meter系統框架

運營和維護設備即手持設備(如HHU)，一般用于安裝或維護電表。可以通過MI3接口將現場和儀表相連，它們通過CI3接口對數據集中器進行配置。為了防止數據集中器和中央系統的通信接口MI2出現連接故障，手持設備需要具備讀取水表、氣表和電表數據的能力。

數據集中器(DC)是電表/通信集線器和中央系統之間的媒介設備。它的主要功能是從電表/通信集線器直接獲取數據，或從水表、氣表間接獲取數據，或從用戶側終端設備獲取數據，通過CI2接口發送到WAN。中央系統發送控制命令及網絡重組命令等通過數據集中器利用CI1-MI1接口發送給電表/通信集線器。這是整個系統最常用的通信路徑，因此通信的可靠性和安全性需要尤其注意。同時，DC通過CI3接口和手持設備相連，以便執行本地任務。DC還可以通過CI4接口選擇性地連接外部智能電網組件等，以便在未來的智能電網應用中開發、利用。當需要控制、監視分布式變壓器或與其通信時，即可使用這個接口。

遺留系統包含技術和市場系統，如電信企業計費系統(Billing)、停電管理系統(OMS)、能量管理系統(EMS)及分布式管理系統(DMS)等，其功能是引導應用程序。通過SI3接口實現和中央系統的通信。中央系統統籌管理所有AMI中相關的數據，如通過WAN中的SI1和SI2接口配置、控制和使用系統中所有的單元。

MUMI1-MI4接口的存在，是抄表系統完成多表合一目標的重要環節。通信接口可以使用的技術、協議和模型有很多，具體見表1。

表1 被選用的技術和協議概覽

3 系統接口框架和系統測試

每一層的接口有自身的實現結構框架，采用OSI模型結構。各層采用不同的協議完成各自功能。下面就OPEN meter中接口使用最頻繁、通信作用最重要的MI1-CI1為例，具體闡述其實現過程和各層功能。MI1-CI1接口框架如圖3所示。

圖3 MI1-CI1結構

在此接口，CENELEC A頻段的PLC技術有兩種可供選擇：IEC 61334-5-1、S-FSK PRIME。 在S-FSK方式下工作時，協議使用三層OSI緊縮模型，這3層分別是應用層(包含應用、表示和會話功能)、數據鏈路層(包含MAC層和LLC層)和物理層。

物理層在分布式網絡中提供設備和物理傳送媒介之間的接口。它使用二進制傳輸，以低壓分布式網絡為傳輸媒介，將MAC協議數據單元(MPDUs)傳遞給一個平行的MAC子層。同時，物理層允許MAC子層實體請求一個新的同步和被告知的電力線同步狀態的變化，這些服務是提供給本地的MAC子層的。

數據鏈路層由兩個子層組成：介質訪問控制(MAC)子層和邏輯鏈路控制(LLC)子層。MAC子層處理物理信道訪問權，同時提供物理設備尋址，為LLC子層提供MA-Data服務和MA-Sync指示服務。MA-Data服務允許LLC子層與其他LLC子層之間交換LLC數據單元；MA-Sync指示服務指系統管理應用(SMAE)獲取同步信息，配置設備狀態。

無連接傳輸模式LLC子層提供設備內的應用實體尋址、模糊數據發送和要求數據回應功能。應用層使用COSEM體系，提供COSEM應用進程(AP)服務，并使用無連接傳輸模式LLC子層提供的功能。

COSEM模型抄表設備可作為一個單個的含有一系列邏輯單元的物理設備。每個邏輯單元都是抄表設備功能性的子集。每個物理設備都必須有自己的物理地址和MAC地址，這些地址可在生產制造時分配(靜態地址)，或者在注冊入網時分配(動態地址)[5]。

工作在PRIME PLC結構下時，使用的OSI模型子層包括：應用層(應用、表示和會話功能)、IP網絡層、TCP傳輸層(基于PRMIE和TCP/IP包裝DLMS/COSEM的IPV4配置文件)、PRIME數據鏈路層(由MAC層、CPCS和相應的SSCS組成)和PRIME物理層

物理層和S-FSK方式下一樣，提供設備和物理傳送媒介之間的接口，在相鄰的節點間發送和接收MPDUs。PRIME物理層使用CENELEC A頻段的OFDM技術，頻帶范圍為3～95kHz。這在一定程度上限制了電力供應和它們的授權許可。OFDM信號本身含有97個子載波，具有良好的抗頻率選擇性衰落、易于均衡及頻譜利用率高等特點[6]。PRIME物理層數據由MAC層產生，不論這個數據要發送到其他MAC實體，還是使用PHY傳輸命令請求發送一個物理層協議數據單元(PPDU)給遠方的一個或多個PHY，都允許設置開始發送數據的時間。存在一個基本單元通知自身MAC層傳送命令是否被執行和成功。最后，還有一個檢測空的PPDU是否到來的單元。

數據鏈路層中，子網絡就是一個含有兩種節點類型(基本節點和服務節點)的樹形結構。基本節點是樹的根節點，作為主節點提供子網絡聯通性，并管理子網絡的資源和連接。在一個子系統中，只允許有一個基本節點。開始時子網絡只含有這個基本節點，其他節點需要通過一個登記入網進程加入網絡，任何其他子網絡節點都可看做子節點。服務節點是樹的葉子節點，這些節點開始處于無連接狀態，并試圖尋找一個基本節點或者其他任何交換節點以建立一個可連通網絡。服務節點的任務是：通過自身連接整個網絡并傳遞鄰近節點的數據。

會聚層分成兩個子層：公共部分會聚子層(CPCS)和業務特定部分會聚子層(SSCS)。前者提供一系列通用服務，后者包含某應用層的特殊服務。會聚層通常會有若干個SSSC，每個應用對應一個。當SSSC在協議棧中形成，并需要通用部分配合時，才選擇CPCS，并省略那些用不到的部分。

基本上每個接口都采用上述類似的模型來完成自身的功能。這樣，OPEN meter的基本框架就建立起來了。在投放運行之前，需要試驗其實現的可能性。因此，OPEN meter團隊進行了一系列實驗。這個階段工作的主要目標是：

a. 測試早期通信標準的實現原型；

b. 透徹了解所選標準產品；

c. 洞悉OPEN meter高級計量系統組件間的互操作性；

d. 通過對比實驗室測試和室外測試結果，確定被提議的OPEN meter系統。

測試的目的是：確定室外設備能夠達到OPEN meter的要求，同時保證設備間的互操作性。測試主要注重的是PLC技術(S-FSK、PRIME)和上層協議(DLMS/COSEM)，同時，在PLC技術層，后來又加入了G3技術。在測試過程中，同樣對其進行了可操作性研究。

4 系統應用展望

OPEN meter系統的提出為高級計量構架的發展提供了新的動力。其推出的開放的互操作性標準有助于推廣智能抄表，降低投資風險，為將來功能擴展奠定基礎，是實現智能電網的首要步驟。同時，標準化的智能計量架構將加速創新服務的實現，公用事業部門風險的降低將轉化成消費者成本的降低。

隨著OPEN meter系統的發布，主要的PLC系統和技術(SFSK、OFDM和G3)將被廣泛使用。有預測提出，到2020年，歐洲市場中70%～80%的家庭用戶都將安裝智能電表，OFEM技術(PRIME和G3)將在第一批試點安裝的表計中使用。

同時，隨著OPEN meter系統的發展，其可連通性和互操作性得到保證。可以預見，未來的發展中，OPEN meter系統不僅應用于智能抄表系統中。在路燈照明系統中，每個路燈可看做終端設備，受中央系統的控制，可以考慮使用OPEN meter系統作為路燈照明控制系統的框架[7，8]。同時，隨著電動汽車的推廣，電動汽車接入電網充電的規模越來越大，如何系統地管理電動汽車充、放電，實現電動汽車有序協調充電，并在此基礎上實現電網的削峰填谷[9，10]，OPEN meter系統似乎也有可取之處。

5 結束語

簡要介紹了OPEN meter系統的結構框架和每個接口的實現模型，強調了PLC通信在框架結構中的重要作用。介紹了系統MI5接口定義，給我國抄表系統中多表合一的實現提供了模型。最后，歸納了OPEN meter系統的應用展望，提出該系統在路燈照明控制系統及電動汽車并網充電等領域都有很好的應用前景。