智能電表網絡通信技術及通信協議探討

王 倩，楊經林

（國電聊城發電有限公司，山東 聊城 250023）

0 引言

智能電表是智能電網數據采集的基本設備之一，承擔著原始電能數據采集、計量和傳輸的任務，是實現信息繼承、分析優化和信息展現的基礎［1］。智能電網的建設對智能電表提出了更高的技術應用要求，這依賴于智能電表的網絡通信技術的實時性及通信規約的互操作性。我國是一個發展中的國家，地域廣闊、地形復雜、氣候條件存在著顯著的差異，各地的城鎮規模還處于發展中，城市中的建筑物類型繁多，用電設備和用電方式缺乏規范，電磁環境有待凈化。這些因素都會對建成信道的通信質量產生重要的影響，這些影響體現在信道擁擠，不能滿足實時交互需求；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、區別對待［2］。

1 智能電表網絡通信技術

電能表通信技術經歷了簡單的本地通信，以及具有遠程通信能力的電能量自動采集（自動抄表）系統的發展歷程。在吸收、借鑒電能量自動采集系統工程經驗的基礎上，伴隨著智能電網建設工作的推進，智能電表正在步入大規模聯網的網絡化階段。

對于配電臺區上行通信信道，自動抄表系統可采用的通信方式主要有PSTN公用電話網、GPRS無線、GSM無線、光纖等。由于采用的是公網通信，有專業隊伍負責運行、服務，其通信技術、設備等相對成熟，運行可靠性也較好。

對于配電臺區下行通信信道，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系到系統的可靠性、性價比、施工難度等，是自動采集系統或智能電表通信網絡成功與否的關鍵。

1.1 智能電表網絡對本地通信的要求

為滿足“全覆蓋、全采集、全預付費”以及其他增值服務的需要，智能電表本地通信網絡在設計時應考慮并滿足下述要求：

1）通信一次成功率應達到95%以上。

2）環境適應性要滿足全面覆蓋的要求，能廣泛適用于密集的中心城區、城市郊區、城鄉結合部、小城鎮、農村村落、新建住宅、老舊城區、中小工業商業區等。

3）物理層應能自動完成網絡構建，現場網絡節點免設置，以盡可能降低調試及維護費用。

4）通信速率應能滿足中小動力和工商業用戶大信息量的傳輸要求。尤其對于經濟發達地區，中小動力用戶數量龐大，需要低成本、低運行費用、快速可靠的本地通信信道。

5）良好的性價比。本地網絡的實施不僅需要考慮抄表計費，還需要考慮提高用電管理水平和提供增值服務的能力。

1.2 智能電表網絡通信技術

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

1）低壓載波通信。由于220 V/380 V低壓配電網的阻抗及衰減特性與高壓電網截然不同，在高壓電網應用成熟的載波技術，在低壓配電網幾乎無法使用。配電網已經進入千家萬戶，高級計量系統、服務的對象也是電力用戶，如果能將已建成的巨大的配電網資源利用起來，用于數據采集和信息傳輸，對于建設資源節約型社會有著重大的意義。

低壓電力線載波通信載波信號頻率范圍為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將數據傳輸出去，各種各樣的調制與解調方式被應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。

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

意法半導體公司產品的解決方案是較為經典的FSK調制的電力線載波收發器，對基于電力線信道的自動抄表（AMR）的興起做出重大貢獻。其載波中心頻率可編程，有8個頻率可供選擇，頻率范圍滿足歐洲、北美、中國等標準；有4種通信波特率可編程選擇。ST Micro electronics公司作為芯片級供應商，其載波芯片與外部采用無線通信協議的位傳輸模式進行數據交換，需要外部處理器（MCU）進行通信協議的處理和中繼路由算法的實現。

埃斯朗（Echelon）公司產品的解決方案采用窄帶雙頻自動切換通信技術，利用數字信號處理的方法克服噪聲干擾和校正信號相位畸變現象，并通過前向糾錯對突發位錯誤進行糾正。PL3120芯片自身支持LonWorks網絡協議，LonWorks控制網絡協議是第一個實現了OSI的七層網絡協議，對于高速的雙絞線、同軸電纜、光纖、無線通信介質是適合的，但對于低速數據傳輸的電力線信道來說，由于協議復雜、數據吞吐量大，可能導致效率降低。

北京福星曉程公司產品的解決方案的特點是芯片集成度較高，將電力線載波信號收發器、MCU以及計量和控制功能集成在一個芯片中，是一款SOC級的芯片。考慮到數據交換、通信協議處理、中繼路由計算等均須由MCU處理，所以MCU的負擔較重，應用系統對實時性的要求與通信系統的響應之間存在沖突。

青島東軟公司產品的解決方案通過高效、自適應、全自動的配電網絡中繼路由算法，自動感知配電網絡拓撲結構，動態地自適應配電網絡的變化，保證了通信系統的可靠和穩定。其載波芯片由三層網絡構成，其中數據鏈路層的設計是基于高級數據鏈路控制協議（HDLC），具有信息幀的長度可變、地址域長度可擴充性、幀中繼轉發機制等功能，提高了主站與從站之間數據交換能力。

2）微功率無線網絡。微功率無線指使用433 MHz/470 MHz/780 MHz/2.4 GHz頻率、發射功率小于等于50 mW的無線射頻通信。國家電網電能量信息采集與管理系統中把利用無線傳感網絡技術的通信組網方式叫做微功率無線組網。微功率無線通信的特點是微功耗、自組網、雙向實時通信、標準化、便于移動、適合嵌入式安裝，可方便地嵌入到抄表設備、電能表以及用電電器中。缺點是點與點之間傳輸距離較短，無線信號易受障礙物阻擋［3］。

微功率無線組網的靈活組網方式可以擴展到智能用電領域。通過支持無線組網的電能表、采集設備和用電電器，可以方便的給用戶提供實時的負荷曲線，分時電價，各電器實時、每日、每月耗電量（電費）的顯示；還可以遠方設定時段、電價、定時控制方案，更可以提供語音、數據、視頻的信息。

ZigBee技術是微功率無線組網在電能量信息采集與管理系統中應用最成功的。ZigBee網絡分為4層，自下向上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網絡層（NWK）和應用層（APL）。如圖1所示，物理層和媒體訪問控制層使用IEEE 802.15.4標準，而網絡層和應用層由ZigBee聯盟確定。每一層向它的上層提供數據或管理服務。ZigBee的應用層由應用支持子層（APS）、設備對象（ZDO）和制造商定義的應用對象組成。

ZigBee聯盟提供了ZigBee Smart Energy Profile這一具有互操作性的協議集和開放的互操作標準，并以此判斷智能電表和ZigBee網絡的互聯，為智能電表、現有的ZigBee家庭網絡及商用建筑網絡和電網公司的智能互動連接提供了最后的關鍵一步。從而由為電力公司服務升級為全社會普遍關注的節約能源和能源有效利用服務。

圖 1 ZigBee網絡分層

3）RS-485總線。RS-485總線數據傳輸方式因技術成熟，工作可靠，在國內應用普遍。RS-485總線方案適合應用于集中裝表的現場，可以大大節約成本。

RS-485總線組網方案在應用中需要注意：對于分散安裝的電能表施工較困難；如果運行過程中線路出現損壞，維護工作量大；需要考慮線路防雷。

RS-485總線的優點：更換和維護成本低，不受表計廠家限制；可以利用具有RS-485接口的資源，方便實現互聯；集中裝表的小區和有布線槽的小區，施工非常方便；電能表和線路正常情況下，通信成功率100%。

2 智能電表通信協議

智能電表通信網絡的互聯和互操作性是針對協議層面而言的，所以采用統一、開放、科學的通信協議是確保智能電表通信網絡實現互聯、互操作的技術保障。而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。這使得在電能表集成應用的過程中帶來了許多規約轉換的問題，難以實現互操作，嚴重制約了未來智能電網下電量信息的高度智能化應用［4］。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，該標準采用對象標識、對象建模、對象訪問和服務、通信介質接入方式等方法，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）。

2.1 IEC 62056標準體系構成

IEC 62056標準體系整體上分為兩部分，一部分是與通信協議、介質無關的電能計量配套技術規范COSEM；另一部分是依賴開放系統互連參考模型和IEC 61334制定的通信協議模型，即DLMS。IEC 62056標準體系目前共包括六部分，如圖2所示。

圖2 IEC 62056標準體系

2.2 IEC 62056提供的互聯性和互操作性的技術保障

要抄表就要與關聯儀表信息模型通信，要實現互操作性通信所用的語言必須是通用的公共語言，IEC 62056 DLMS規約為此提供了技術保障。只要按照IEC 62056標準設計、生產電能表，不同制造商提供的電能表產品就可以實現互聯和互操作。采用DLMS協議的采集系統如圖3所示。

圖3 采用DLMS協議的采集系統

DLMS/COSEM采用面向對象的解決方案，定義了能耗儀表的信息模型——COSEM對象模型，用標準化方式對消息內容進行格式化。這樣，抄表主機便能以相同的格式獲取儀表數據，而與制造商和能源類型無關。

服務器與客戶機應用進程之間的互操作性和互聯性是儀表數據交換的基礎。為了使服務器和客戶機之間具有互操作性，必須保證雙方處于相同的應用連接環境中。IEC 62056制定了簡化的三層通信模型，在通信介質中傳輸COSEM對象模型，如圖4所示。COSEM應用層完成對COSEM對象的屬性和方法的訪問，將信息轉換為字節串，通過低層通信協議在對等的應用層之間傳送這些信息，實現了對象模型與低層通信協議隔離。對于各種類型的通信介質，只需更換與其配套的底層通信協議，不會影響COSEM應用層及對象模型。COSEM應用層提供了標準的面向連接的應用控制服務元素ACSE服務來協商建立應用連接，一旦建立了應用連接，雙方即在約定好的應用連接環境中交換數據。一個客戶機可以和一個服務器，也可以和多個具有不同應用環境的不同服務器建立應用連接，進行互操作。

圖4 IEC 62056三層通信模型

3 結語

智能電網的建設和國情決定了我國需要構建不同的通信技術，不同的通信介質相互補充，混合組網的智能電表通信網絡。另外還需要積極利用GPRS、IPV6、三網融合等新的通信技術不斷加強和完善智能電表網絡通信系統。IEC 62056標準在我國的應用還需要進一步推進，科學、統一的通信協議是智能電表網絡的必然選擇。