高级量测技术体系通信协议研究

2010-03-11田世明

电信科学 2010年3期

田世明

（中国电力科学研究院北京 100192）

1 引言

国外20世纪80年代中期开始远方抄表技术应用，即应用 AMR（automatic meter reading）,该技术利用当时主要的通信技术手段，如无线通信技术、载波通信技术等来远程完成采集任务，需要电力公司派出工人到当地抄表，免除抄表员进户抄表给用户造成的不便。2006年，逐渐开始推行高级量测技术，利用现代通信技术手段，实现双向通信和实时抄收，为分布式电源接入电网和电动汽车充电的计量、计费、结算、监控提供了条件，并为优化能源管理提供了基础信息。

高级量测技术体系（advanced metering infrastructure，AMI）是用来测量、采集、传送、储存、分析和应用客户用电信息，实现需求响应、双向互动，支持客户合理用电、节约用电的技术体系。AMI主要包括智能电能表、智能交互终端、通信信道和主站软件。AMI通信协议是AMI的核心技术之一，下面分别阐述AMI组网技术并分析其通信协议。

2 组网技术

AMI采用固定的双向通信网络，能够每天多次读取智能电能表，并能把表计信息包括故障报警和装置干扰报警近于实时地从电表传到数据中心。常见的通信系统的结构包括分层系统、星状和网状网电力线载波，可以采用不同的媒介来向数据中心实施广域通信，如电力线载波（power line carrier,PLC）、电力线宽带载波（borad power line carrier，BPL）、铜或光纤、无线射频、3G/GPRS 等。在分层通信网络中，局域网（LAN）连接电表和数据集中器，而数据集中器则通过广域网（wide area network,WAN）和数据中心相连。数据集中器通常在杆塔上、在变电站里或在其他的一些设施上，它们是局域网和广域网的交汇点。

在局域网中，数据集中器即时或按照预先设定的时间收集或接收附近电表的计量值或信息，再利用广域网把数据传到数据中心。数据集中器可以中继数据中心发给下游电表和用户的命令和信息。局域网对通信的速率要求不高，因此对它主要的考量是以较低的成本连接用户。常见的通信方式为PLC、BPL、塔式或网格状无线射频网络。目前，局域网大多采用不开放的私网协议，但正慢慢地向开放式网络标准（如TCP／IP）发展。

2.1 广域网（WAN）

WAN主要用于智能台区管理终端或分布式能源双向互动终端与主站软件间的通信。WAN的组成可采用多种通信方式：Internet、光纤、卫星、无线、3G等，通信的网络基础技术是TCP/IP。各种不同的通信方式，在主站软件处进行汇聚。从而可以使AMI的WAN通信具有标准性、开放性。

2.2 局域网（LAN）

在AMI中，LAN主要是指智能台区管理终端和其所辖的智能电能表间的通信网络。该层通信主要的技术有电力线载波、微功率无线、ZigBee等。网络拓扑结构多为总线型、星型或混合型。目前，该层网络通信主要存在以下问题。

各种通信技术均有其局限性，尚无法很好地解决通信的成功率、实时性等问题。载波技术受限于电网的拓扑结构、电网环境质量、用电设备等诸多因素；微功率无线受限于地理环境、天气等因素，通信质量无法保证完全满足要求。

各种通信技术间缺乏互联互通的通信标准，包括物理层标准和通信协议，导致各种通信技术无法在一个台区管理终端下LAN的混用。

2.3 家庭局域网

家庭局域网（home area network,HAN）是用户家庭内部的局域网，连接用户入不同的用电设备，如智能化的冰箱、空调、智能开关以及相邻的集中器、由电力公司提供独立的网关或用户的设备（如用户自己的互联网网关）。迄今为止，HAN的技术规范还在讨论和发展之中。但其从网关到户内显示器之间的通信技术，主要是无线或电力线载波两种。主要的标准是ZigBee（无线）、HomePlug（载波）和IPv6，另外Wi-Fi也在标准考虑范围内。

此外，无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）的研究也方兴未艾。在HAN中，如果采用WSN，可以实现家庭中各种智能家电的数据交互，为HAN的实现增添更多的通信方式，扶助实现智能家庭的环境感知、智能控制。

3 通信协议

3.1 广域网通信协议

3.1.1 目前主流的通信协议体系

本节重点分析常见的国际标准及国家电网公司用电信息采集系统的通信协议。

（1）远动通信协议体系（IEC 60870-5系列）

IEC 60870-5系列包括以下3种：

·IEC 60870-5-101，远动设备及系统—基本远动任务配套标准（101规约）；

·IEC 60870-5-103，远动设备及系统—继保设备信息接口配套标准（103规约）；

·IEC 60870-5-104，远动设备及系统—应用101于TCP/IP协议上网络访问（104规约）。

该协议体系主要用于变电站和电网调度中心间的通信，且我国已将101、103定为电力行业标准即DL/T 667-1999和 DL/T 634-1997。

该系列标准未采用面向对象的设计思想，数据类型固定，功能确定，灵活性较差。

（2）计算机数据通信协议体系（IEC 60870-6系列）

IEC 60870-6系列主要包括以下3种：

·IEC 60870-6，远控设备和系统—含TASE.2（远方控制应用服务元素）；

·IEC 60870-6-503 TASE.2，服务定义和协议描述；

·IEC 60870-6-802 TASE.2，对象模型。

该协议体系由IEC TC57 WG07工作组负责制定，主要用于电力系统控制中的计算机数据通信，其中又以基于ISO 9506 MMS（制造报文规范）的TASE.2广泛应用。

目前该标准被用于电网调度中心之间的通信。

（3）变电站数据通信协议体系（IEC 61850）

IEC 61850最初是针对变电站站内网络通信的协议，但由于变电站内、变电站与电网调度中心、调度中心之间各种协议的不兼容，需要协议转换才可连接，TC57感到有必要从信息源（变电站的过程层）直到电网调度中心之间采用统一的通信协议，数据对象统一建模和IEC61970CIM（通用信息模型）协调一致，于是在2000年的SPAG会议上决定以IEC61850为基础建立无缝远动通信体系结构。

该系列标准支持更广泛的应用：数据建模，自我描述服务，整定服务，先进的通信模型和服务，灵活性、复用性好，可以适应未来新技术的变化，生命周期长。为此，在高级量测技术体系中有很好的应用前景。

（4）能量管理系统的编程接口（IEC 61970）

IEC 61970主要包括两种：

· CIM，公共信息模型；

· CIS，组件接口规范。

IEC 61970协议的两个支柱是公共信息模型（common information model，CIM）和组件接口规范（component interface specification,CIS）。CIM公共信息模型定义了信息交换内容的语义，CIS组件接口规范规定了信息交换的语法。CIM是整个IEC 61970协议框架的基础和核心。IEC 61970系列标准提出了电力系统资源的概念。它描述了电力系统所有对象的逻辑结构和关系，构成电力系统网络拓扑结构的主要节点，通过这些节点的连接，构成电力系统基本的网架结构。

该系列标准应运用于各个控制中心之间。

（5）用电信息采集系统通信协议（Q/GDW 376）

Q/GDW 376协议体系包括两种：

· Q/GDW 376.1，主站与采集终端通信协议；

· Q/GDW 376.2，集中器本地通信模块接口协议。

国家电网公司对国内外采集系统的建设应用现状进行了全面调研和分析，并充分结合通信、微处理器等技术的发展，制定了国网公司的企标Q/GDW 376于2009年底正式颁布，其规定了系统主站和采集终端间数据传输细则及集中器与载波通信模块间数据的传输细则，功能明确，可操作性强。

目前，该系列标准主要运用于国家电网公司的用电信息采集系统中。

3.1.2 主流通信协议体系比对

智能电力设备通过广域网和数据中心相连，其协议要求全双工的传输模式，灵活，易于扩展。目前，在电力行业中各类信息采集与监控系统在通信协议方面采用的主流标准比较见表1。

3.1.3 适用于AMI的通信协议体系

（1）IEC 61850

IEC 61850系列标准吸收了多种国际先进的新技术，并且引用了多个领域内的其他国际标准，是世界上第一个用于变电站自动化系统信息模型和信息交换的全球性标准。从1995年IECTC57开始宣布实施IEC 61850标准项目，到2003年颁布成为世界上惟一的变电站自动化领域的国家标准，经过世界各地的研究机构、设备供应商以及各大电力公司的努力，近年来，IEC 61850应用于变电站自动化系统已经成熟。在电力系统中，新上的变电站自动化系统，已基本上采用基于IEC 61850间隔层或过程层的系统；而基于传统IEC 60870-5-103和DNP3协议的系统逐渐移植至IEC 61850系统已成为必然的趋势。据统计，到2008年底，世界上已有超过1000座覆盖从中压配电变电站到超高压变电站投入运行。

表1 主流通信协议比对表

实际上，仅仅在1995年IEC 61850项目开始后的几年时间，公用事业和供应商的非变电站相关应用领域的专家就已经开始认识到采用单一的国际标准对电力能源供应系统以及IEC 61850强大的内容和实施方法的好处。目前，IEC 61850标准也正在不断拓展其应用范围，除了已经颁布的IEC 61400-25标准以外，其他变电站以外的拓展应用标准已在制定之中，这些标准应用包括电网电能质量监测、线路保护、变电站之间以及变电站和调度中心之间的信息交换、电力设备的状态监视、分布式能源（DER）水电站监控等。

随着协议的成熟和发展，IEC 61850标准第二版的名称也由“变电站内通信网络和系统”改为“电力自动化的通信网络和系统”，明确地将其覆盖范围扩展到了变电站以外的所有公用电力应用领域。

①IEC 61850的特点

用面向对象的统一建模技术UML；

采用分布、分层的结构体系；

使用抽象通信服务接口ACSI和特殊通信服务映射SCSM技术；

抽象建模与具体实现的独立，服务与通信网络独立，适用于TCP、OSI、TP等多种传送协议；

实现智能电子设备间的互操作性；

提供自我描述的数据对象及其服务；

具有面向未来的、开放的体系结构，能够定义其他领域的任何新的逻辑节点和公共数据。

所以IEC 61850灵活性、复用性好，可以适应未来新技术的变化，生命周期长。

② IEC 61850 与 IEC 870-5-101、IEC 870-5-104、IEC 870-5-103、TASE2.0 的比较

以上所有标准均可为SCADA相关设备提供服务来交换基本实时信息（比如，单点状态和控制，周期性和突发性报告，查询等）；

只有IEC 61850可以提供关于采样和跳闸命令的实时信息交换；

大部分标准功能确定，不可改变（IEC 870-5-101、IEC 870-5-103、IEC 870-5-104、TASE2.0），只有 IEC 61850支持更广泛的应用：数据建模，自我描述服务，整定服务，先进的通信模型和服务；

IEC 870-5-101、IEC 870-5-103、TASE2.0 已广泛应用到实际中并有了大量产品，IEC 870-5-104也有一些产品，而IEC 61850在变电站系统中也有一定的应用。

IEC 61850已成为IEC关于未来无缝远控通信体系结构的主推方案，其余标准会逐步向IEC 61850过渡。

在 IEC 61850标准制定过程中SIEMENS、ABB、ALSTOM等厂家与规约同步推出各自实验室试验产品，并进行互操作性试验。西门子在2004年4月与瑞士的AVAG电力公司签订了全球第一个真正使用IEC 61850标准的变电站自动化系统合同：Winznauschachen变电站项目，并在同年11月底顺利投运，截至2005年2月底，西门子已签了124个使用IEC 61850标准的项目。2006年，华北电网的南桥变电站监控系统中使用了基于IEC 61850标准的监控系统。目前，IEC 61850标准广泛使用在各类变电站，电能质量监测系统及其他公用事业系统中。

IEC 61850具有良好的可扩展性和体系结构，而高级量测技术体系需要采用统一的平台和模型进行信息的双向交互，数据集中和共享，以实现智能电力设备和系统的互操作，这两者的设计思路是一致的。美国标准化研究院和国家电网公司发布的标准规划中已将IEC 61850作为智能电网启动标准之一，在高级量测技术体系中，该标准必将成为主要标准之一。

（2）Q/GDW 376

按照坚强智能电网的总体要求，保证智能电网建设规范有序推进，规范统一用电信息采集系统及主站、采集终端、通信单元的功能配置、型式结构、性能指标、通信协议、安全认证、检验方法、建设及运行管理等。在国家电网公司“电力用户用电信息采集系统建设研究”项目研究成果基础上，国家电网公司营销部组织对国内外采集系统建设应用现状进行调研和分析，并充分结合通信技术、微处理器技术、制造工艺等技术的发展，全面梳理国内外用电信息采集系统相关技术标准，制定了《电力用户用电信息采集系统》系列标准。

Q/GDW376是《电力用户用电信息采集系统》系列标准之一，它规定了电能信息采集与管理系统中主站和终端之间进行数据传输的帧格式、数据编码及传输规则，集中器与下行通信模块的本地接口协议。

Q/GDW376根据用电信息采集系统的特点，制定了相关的数据及操作方式，功能明确，智能电力设备和系统的互操作简单、便捷。在智能电网建设过程中，Q/GDW 376已经成为国家电网公司系列标准之一，在高级量测技术体系中，该标准有很广阔的应用前景。

3.2 局域网LAN接入通信协议

智能电力设备与智能测控单元之间采用局域网进行信息交互，再利用广域网把数据传回数据中心。常见的组网方式采用PLC、BPL等。局域网大多采用私网协议。通信协议方面，ISO/IEC 16485是智能楼宇方面的标准；GB/Z 20965来源于ISO/IEC 14543-3，主要是智能家居和楼宇信息控制网络方面的标准；IEC 62056是抄表、直接负荷控制等本地数据交换、对象建模及服务标准。这些标准需要通过影射到骨干通信协议中。

3.3 家庭局域网

家庭局域网通过网关或用户入口把智能电能表和用户户内可控电器或装置连接起来，主要采用无线或PLC。美国电科院宣布的美国智能电网建设的第一批标准中和家庭局域网相关的标准有：Open HAN（家庭区域网（HAN）设备通信、测量和控制）；ZigBee/Home Plug Smart Energy Profile（家庭区域网设备通信和信息模型）。这些协议正在标准化过程中。