智能電表數據采集新型網絡結構與傳輸協議

程瑛穎 ，肖 冀 ，周 峰 ，楊華瀟 ，金志剛

（1.國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401120；2.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072）

數字化工業生產和社會生活對電網的供電可靠性和電能質量提出了很高要求[1]。目前的電網滿足不了數字化社會的可靠性需要。對于居民用電來說，其管理控制的信息化水平低，難以高效、實時獲取居民用電信息[2]。智能電網是現代化的電力供應系統，能夠監控、保護和優化其內部包括智能電表在內的互聯元件的運行[3]。國家電網等電力企業已經為大量用戶更換為智能電表。

為了實現及時有效的居民用電信息處理和智能用電，需要設計高效、可靠的支持大規模智能電表的網絡拓撲結構，設計適合大規模居民電表信息采集的網絡傳輸協議。

1 傳統的電表數據采集技術

傳統的電量結算是依靠人工定期到現場抄取數據，在實時性、準確性等方面都存在不足。目前部分電力公司使用了基于無線網絡的遠程抄表系統，通過電力通信網、移動通信網絡將電量數據和其它信息實時可靠地采集回來，通過應用具有智能化分析功能的系統軟件，實現用戶用電量的統計、用電情況的分析及用戶的使用狀態[4]監控。

國家電網公司已組織進行了智能用電小區的試點工程，通過傳感器網絡和寬帶通信平臺，加強用戶與電網之間的信息集成共享和實時互動，實現用電的智能化、互動化，提高終端用戶用能效率。智能電表是可編程的電表，能根據預先設定時間間隔來測量和儲存多種計量值。它還具有內置通信模塊，能夠接入雙向通信系統和數據中心進行信息交流[5]。智能電表具有雙向通信功能，支持電表的即時讀取、裝置干擾等。

另一方面，健全的通信網絡也為在線管理和監測電表提供了有效手段。如果所有的電表都可以通過通信網絡與電網以及計量檢測部門通信，就可以非現場進行電表的狀態數據收集、遠程診斷，及時發現狀態異常和計量故障。

對于正在智能化過程中的用電網絡，特別是居民用電，往往并不具備高效、完備的網絡通信系統。一般來說，居民小區的戶表并不都具備網絡連接。因此，需要優化布置具有通信能力的電表以及采用合理的布局，得到用戶用電信息和對電表狀態等信息進行網絡傳輸與監測。

國際權威組織美國電科院（EPRI）推薦的電表計量間隔是：居民用戶1 h，商業和工業用戶5 min，變壓器采用和商業用戶相近的采集頻率，中壓饋線表5 min，因此，可以取得前所未有的大量的詳細系統信息 （電表計量和報警信息）。舉例來說，一個5000戶的中等規模居民小區，采用10個10 kV變電站，各接入500個用戶。假定小區還有50個商業用戶，按照上面的計量間隔，每周產生的數據規模計算如下：

商業用戶：60/5×24×7×50=約 10 萬次采集

居民用戶：24×7×5000=約 84 萬次采集

變電站：約10萬次采集

合計超過100萬次。

顯然這樣的數據量對于只使用電力線載波通信來說過大，需要先通過不同方式將數據傳輸到集中器，然后采用骨干通信網絡傳輸到數據采集中心/控制中心。

2 支持IPv6和靈活接入的新網絡結構

目前比較可行的由用戶電表傳輸信息到集中器（或者到變電站等設施位置接入）有2種主要技術：電力線載波（PLC）和無線網絡傳輸。對于居民用戶智能電表數據采集和狀態監測來說，采用PLC技術通信容量明顯不足，主要原因是PLC是多用戶共享帶寬。另一方面電力線載波技術難以跨越變壓器，這樣還需要解決跨越小區變電站等問題才可以接入到連接中高壓側的電網公司的骨干網中。

因此，設計的新接入網絡結構主要考慮基于無線網絡傳輸的技術途徑。ZigBee技術在電能量信息采集與管理系統中應用較為成功。ZigBee聯盟提供了 ZigBee Smart Energy Profile協議集和互操作標準。802.11技術是WLAN的主流技術，通信距離遠，可以構成MESH網絡，擴大網絡的覆蓋范圍。

通過分析上述不同無線網絡技術的傳輸距離、應用成本和對居民小區電表信息收集和狀態估計需要網絡物理傳輸容量的分析和比較，提出綜合利用ZigBee和802.11技術，并與骨干網形成三級接入拓撲結構的新網絡模型，如表1所示。

表1 三級接入網絡實施建議Tab.1 Three-tier access Network

新的網絡接入結構將在居民電表上普遍安裝低成本的ZigBee通信模塊，利用其進行短距離的數據收集、遠程控制和管理。考慮到建筑物內的Zig-Bee信號傳輸遮擋等問題，還需要在部分居民智能電表或者戶外的智能電表箱處增設ZigBee與802.11雙協議的網絡協調器 （作為初級數據集中器）。因為建筑的樓板對無線信號的屏蔽更嚴重，很難直接通過ZigBee通信模塊來傳輸到間隔5個樓層的數據集中設備上，因此計劃每5層設置1個802.11的初級集中器。考慮到集中器有2類方式接入到骨干網，因此其布置位置需要認真考慮。對于直接接入有線骨干網的802.11集中器，位置應方便網線施工。對于需要通過802.11其它集中器接入或者中繼的，需要選擇無線信號干擾少的位置，并且根據附近居民用戶家庭使用的WLAN設備的頻道情況，盡可能選擇與其不同的非交疊信道 （例如802.11b中1，6，11是非交疊信道）。這樣既保證了多個初級802.11數據集中器的互聯，也避免了對用戶家庭無線上網業務的干擾。

這樣的多級接入方式還有以下優勢：1）初級集中器成為計量裝置的通信模式與骨干集中器通信模式的網關。這使得骨干網絡變化時，對計量裝置的通信模塊和接口的影響幾乎可以忽略。例如，初期骨干網絡是租用電信運營商的無線廣域網連接各個集中器，后期電網企業自行建設了光纖骨干網時，可以只進行網絡配置修改和替換部分骨干集中器的網絡接口。另一方面，計量裝置的網絡通信模式修改或者更換裝置對于骨干沒有影響。例如，某小區部分戶表升級改造，通信模式由ZigBee到初級集中區改為電力線載波通訊。只需將初級集中器替換或者升級為支持電力線載波即可，不需要改變初級集中器和骨干網絡。2）可以在不同設備采用不同的網絡技術，因地制宜，降低整體成本。考慮到未來智能電網的需要和電網中電表的數量巨大，國外研究機構和一些電網公司已經在電表的通信模塊上使用IPv6技術。

仍以5000戶的中等規模居民小區為例，具有10個10 kV變電站，每個變電站接入500個用戶，小區還有50個商業用戶。假定50個商戶在一個單獨的2層建筑中，500戶居民分布在5個100戶的25層高層建筑中。按照上面的網絡架構和實施建議，需要的網絡設備如下：

50個商戶：每戶1個ZigBee模塊，共需要1個初級集中器。

每個居民樓（100戶）：每戶1個ZigBee模塊，需要5個初級集中器（25層/5=5個）。

整體小區接入1個骨干集中器。

因此，共需要5050個ZigBee通信模塊；6個初級集中器；1個骨干集中器。

Zigbee模塊的價格在幾十元，初級集中器的價格為千元級別，骨干集中器價格約萬元。因此，上述小區采集網絡的通信設備成本約為20～30萬元。考慮到設備的設計使用壽命為8～10年，年設備成本只有2～3萬元，每戶設備成本低至幾十元，遠遠低于人工抄表成本，并且可以獲得實時負荷數據和電網可靠性數據，還可以進一步進行遠程負荷管理與控制。

3 基于SNMP的電表信息采集協議

在上述靈活、高效的智能電表接入網絡建設后，還需有高效、可靠的智能電表數據傳輸協議對電表狀態、用電信息等進行實時傳輸。現行的電能表通信協議各種規范很不統一，主流表計規約是DL/T 645及其各種擴展版本；系統規約有浙江（廣東）的系統規約、國電的系統規約、上海系統規約、DL/T 719-2000（IEC 60870-5-102）以及各種派生版本的102規約等[6]。IEC 62056《電能計量—用于抄表、費率和負荷控制的數據交換》系列國際標準的出現解決了上述問題，從通信的角度定義了對象標識（OBSI），建立了儀表的接口模型，統一了基于開放系統互聯模型要求的通訊協議—設備語言報文規范（DLMS）。因此，以IEC62056為基礎與標準來進行信息采集。考慮到電表會有較大的數量，未來將采用IPv6協議，基于SNMPv6協議來設計電表的數據采集和管理協議。

論文的基本思路就是將所有電表和集中器都看作網絡設備，通過管理機制收集信息，且電表可在發生各種事件時主動通知集中器。具體方法是：將按照固定時間間隔的計量信息通過輪詢來發送；將狀態變化、可能的故障信息和其他異常信息作為Trap來發送。

通過對電表計量等數據的性質和作用的分析可以知道，不同數據的可靠性要求不同，而且優先級也不同。這就為我們合理利用網絡傳輸能力，減少Trap次數，壓縮輪詢數據包的發送數量帶來了可能。關鍵方法就是Trap合并機制，將重要性不高的Trap不是生成時就馬上發送和處理，而且延遲一段預先設定的方式，每個PDU只包括1個Trap消息，其格式如下：時間，和此時段內再次產生的trap合并起來一起發送。這樣就可以減少發送數據包的次數，減少對信道的占用，大大降低數據傳輸對網絡資源的影響。一般的trap發送的報文格式如下：

Version communityPDU TypeEnterpriseAgent Addr GEN Trap Spec Trap Time StampVBs…

其中PDU Type，Agent Addr等字段，對于從同一個設備發送的來說，都是相同的，如果合并發送的話，就只需要發送一次，減少了不必要數據占用的網絡帶寬等資源。合并的Trap包需要進行少量改動，使得管理者能夠拆分開不同的trap原始消息進行處理和保存。采用的方法是使用trap中原來未使用的字段放置信息，并且修改Viriablebindings來指示不同trap的位置信息。修改后的主要處理流程如下。

（1）按照計量要求，動態確定數據優先級，并將數據按照優先級分類。根據電能計量中心的遠程控制信息和規則，對智能電表需要通過網絡采集的數據分配不同優先級。將固定間隔的電量計量數據分類為一般優先級；將終端報警信息分類為重要信息；將終端故障和掉電狀態信息分類為緊急信息。

（2）將計量裝置已經分類的數據轉換為SNMP報告報文格式。首先將報文采用LZW算法進行壓縮，然后將壓縮后的數據與優先級信息一起封裝為SNMP報告報文。

（3）進行自適應信息報文合并與傳輸。進一步分成下面的步驟。

步驟1計量裝置信息需要通過網絡采集時，進行判斷。如果是一般優先級信息，啟動定時器轉到步驟4，否則轉到步驟2；

步驟2判斷是否重要信息。如果是，就發送信息，并且請求接收方發送接收回執，然后返回步驟1，否則轉到步驟3；

步驟3發送緊急信息；

步驟4判斷定時器是否超時，如果沒有超時，轉回到步驟1。如果超時，將超時前的所有一般信息合并為一個整體的SNMP報告報文，進行發送。處理流程如圖1所示。

圖1 電表計量數據處理流程Fig.1 Flow chart of metering processing

在傳統的trap中每個消息都需要發送到管理者，其數據部分為86字節，還需要增加50字節的報文頭部信息。

對于上面討論的小區來說，如果其中5%的信息會發生事件需要發送trap，就需要每天產生大約50萬個trap報文。如果直接傳輸就是：

500000×136字節=68000000字節≈68 MB

假定其中的消息重要性和及時性要求分成3級，并且比例為緊急∶一般∶不緊急=1∶2∶7

可以為緊急消息增加確認和優先標志，一般不改變，不緊急的消息每5個合并成1字節報文。這樣不緊急消息合并為960字節報文，通過LZW算法平均可用將該報文壓縮掉2/3，實際發送的報文為320字節。

可以計算新數據采集協議發送的數據數量：

50萬報文分成5萬個緊急的，10萬個一般的，35萬個不緊急的被合并為7萬個報文。

合計的報文數量由50萬個減少到22萬個，傳輸的數據量減少為原來的40%左右。

4 結語

為了有效實現智能電表的通信，對電能進行實時、可靠計量，設計了高效、靈活、低成本的居民用戶接入數據傳輸網絡新結構。在保證接入覆蓋的同時，提高了系統的靈活性與可擴展性，支持底層協議轉換和新的IPv6協議。另一方面，提出了基于SNMP的傳輸協議，將計量裝置的采集數據分類為多個類別，根據重要性程度進行分級和傳輸。在保證有效傳輸的同時，減少了網絡帶寬資源的占用，實現了可靠性和經濟性的同時提升。

[1]余貽鑫，欒文鵬.智能電網述評[J].中國電機工程學報，2009，29（34）：1-8.

[2]欒文鵬.高級量測體系[J].南方電網技術，2009，3（2）：6-10.

[3]金志剛，劉佳.物聯網讓電網更智能[J].河北省科學院學報，2011，28（3）：5-9，42.

[4]余貽鑫，劉博，欒文鵬.非侵入式居民電力負荷監測與分解技術[J].南方電網技術，2013，7（4）：1-5.

[5]康倫.基于ZigBee的智能電表系統設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.

[6]孟珺遐，朱寧輝，白曉民，等.基于DL/T645—2007協議的智能電表嵌入式通信軟件研發[J].電網技術，2010，34（9）：7-12.