面向電力雙向互動業務的數據接入技術研究

汪梁 趙輝 王曉東 楊永標 王金明

摘 要：為了提高電網和用戶之間的雙向互動能力，文章充分調研現有的電力業務數據接入通信技術和通信協議，針對電力業務種類繁多，標準不兼容等問題，把高級量測體系引入電力通信體系。介紹了高級量測體系的組成及其拓展，詳細闡述了各個組成部分的功能，重點分析了用戶戶內網絡（HAN）、鄰域網（LAN）、廣域網（WAN）等采用的通信技術及其對應的通信協議，并提出了通信協議IP化思想。最后，文章以大用戶業務為例，詳細介紹了在高級量測體系框架下，電力雙向互動業務數據接入的部署策略，具有較大的實際意義。

關鍵詞：雙向互動；高級量測體系；數據接入

2009年，國家電網公司發布了“智能電網”計劃，以實現電力業務信息流、業務流和電力流三個方面的一體化運行為主要特征。在智能電網的用電環節上，主要以智能用電與互動化技術為導向，以高速、安全的數據通信網絡為支撐，應用于智能家居、智能大用戶服務、電動汽車充換電管理、分布式發電/儲能監控、需求側管理與能效評估等方面[1][2]。智能用電的建設，有助于電網和用戶的互動，使用戶用電更加靈活，對電力公司服務的滿意度更高。

電力業務種類繁多，其所需的通信技術和組網方式各不相同，為將這些業務數據納入統一的電網和用戶服務平臺，需要平臺的通信架構能夠很好地滿足各種電力業務終端設備接入以及信息交換。把高級量測體系（Advanced Metering Infrastructure， AMI）引入電力通信組網架構中，可很好地使電網和用戶雙向的信息流、電力流能夠在不同的智能設備和業務系統之間相互交換。

文章研究在高級量測體系的框架下，電力雙向互動業務數據接入的通信技術及其相應的組網方案。

1 雙向互動業務數據接入通信系統組成

高級量測體系（AMI）是測量、采集、分析和應用電力用戶用電信息的網絡和系統，是智能電網的重要組成部分。AMI的重要組成部分有：智能電表、通信網絡、量測數據管理系統（MDMS）和用戶戶內網絡/前端局域網（HAN/PAN）[3]。

為更好地滿足電力業務接入的需要，需對AMI體系進行拓展，把通信網絡細分為：鄰域網（LAN）和廣域網（WAN），各自承擔著不同的任務。具體來說，LAN將多個智能電表連接到統一的數據集中器。WAN將多個LAN連接起來，可以借助電力專網或運營商公網，將已集中的雙向互動數據接入MDMS。基于AMI的雙向互動用電數據接入通信架構中，對電網和用戶雙向互動起支撐部件有：戶內網感知設備、智能電表、數據集中器、量測數據管理系統、雙向互動平臺/終端等。

1.1 戶內網感知設備

戶內網感知設備主要包括智能插座、各類傳感器及其他智能終端設備。主要采集電量和溫度等非電量數據，上傳給智能電表或其他的監控終端，也充當用戶需求側響應和其他操作命令的執行機構。

1.2 智能電表

智能電表具有雙向通信功能，支持電能表的及時讀取、竊電監測和需求側管理等。智能電表連接電力公司和用戶戶內網，充當通信網關，便于用戶近乎實時查看其用電信息、戶內智能設備的狀態和電價信息。

1.3 數據集中器

數據集中器統一集中、存儲和轉發多個智能電表的用電數據，包括分類用電實時信息、故障檢測信息、設備運行數據等。并將上述信息通過WAN網絡傳輸至電力公司，也可以向HAN網絡執行機構轉發上游命令指令，起到連接LAN和WAN的橋梁作用。

1.4 量測數據管理系統

MDMS中含有一個實時數據庫及分析工具，對數據集中器上傳的數據進行分析并且可通過企業總線上傳數據至雙向服務平臺，也可以下達命令給數據集中器以控制智能電表及其他HAN內設備。

1.5 雙向互動服務平臺/終端

電力用戶通過雙向互動平臺完成與供電公司互動，實現各類業務各自的具體任務，平臺主要形式有：以手機應用為主的APP，以微信業務為主OTT和基于網頁發布的服務HTML等形式。雙向互動終端主要由移動終端和PC終端實現，可用以太網和Wi-Fi通過互聯網，或用GSM/GPRS同雙向互動平臺交換數據，完成雙向互動功能。

2 雙向互動業務組網通信技術

2.1 HAN網絡通信組網技術

HAN由帶有傳感器和執行器的智能設備、智能表計和電能監控管理系統組成。HAN網絡主要通過智能表計把智能感知設備連接起來，采集電量和非電量數據，處于現場采集地位，使得用戶能根據電力公司的需要，積極參與需求側響應或電力市場。

HAN網絡組網通信技術主要分為有限通信技術和無線通信技術兩種。有線通信主要有LonWorks、PLC、CAN、BACnet、HomePlug以及傳統的Ethernet、X10等通信協議，無線通信主要有ZigBee、RFID、Wi-Fi、6LowPAN等。HAN網絡的組網方式十分豐富，不同電力業務對象組網的最大區別就在于其HAN網絡組網方式的不同。

2.2 LAN網絡通信組網技術

LAN是連接多個HAN和電力、信息分配的個人服務連接之間的一個或多個網絡，其特點是：距離在20-1000m，現場情況較復雜，通信實時性要求不高。

LAN網絡接入協議主要是私網協議，主要目的是接入核心網，主要采用PLC/DPL，RS485，EPON網絡接入技術等有線通信技術和WiMAX，Wi-Fi/ZigBee等無線通信技術。在電力雙向互動業務中，以PLC、RS485總線以及EPON為主，無線通信方式為補充[4]。

2.3 WAN網絡通信組網技術

WAN將多個分布式系統或通信孤島連接起來，統一接入電力公司通信專網，充當HAN、LAN和電力公司網絡間的橋梁。

WAN網絡的特點為：距離遠、大數據量的實時交互、高可靠、低延時，通常是用公用網絡或電力專用網絡。常見的廣域網通信方式由光纖通信、中壓載波等有線通信方式和230MHz無線專網、GPRS無線公網等無線通信技術。綜合考慮成本、容量、通信實時性、可靠性及安全性等因素，雙向互動業務的廣域網通信應以光纖專網和無線公網為主，230MHz無線專網和電力線載波為輔[4]。

3 通信協議IP化

不同的通信協議一般來說是不兼容的，為使采用不同的通信協議的上傳量測數據和下達控制指令能夠順利讀取，有必要統一進行規約轉換。TCP/IP協議普遍適用于公網和專網中，且在全球范圍內具有標準型，因此，基于IP的網絡可實現不同廠家的智能電網設備的互操作。

此外，IP協議是一種可擴展的技術，一旦智能設備接入IP網絡，將會得到一個IP地址，此外，IP技術的強大路由能力也為通信的可靠性提供了保障。所以，通信協議IP化將是一個非常高效合理的途徑。

4 大用戶數據接入實例

電網與大用戶進行互動，主要是針對50kVA及以上的工業用戶，該類用戶的數量相對較小，但是在整個用電量中的比重較高，對互動的需求也比較特殊。大用戶雙向互動服務體系主要有三部分組成：電力公司、大用戶和兩者之間的通信網絡。圖1給出了大用戶數據接入組網方案。

HAN網絡中，由智能插座采集用電信息，通過Wi-Fi或ZigBee網絡連接智能電表并由各種專用傳感器采集必要的狀態信息，通過無線傳感網上傳至智能電表。智能電表既充當計量設備，也充當網關。

大用戶LAN網絡連接智能電表和數據集中器，以分類、儲存、轉發大用戶用電數據，可選擇RS485技術和PLC等有線通信技術和ZigBee、WiMAX等無線通信技術。若電表比較密集則采用RS485，相對分散時建議采用PLC技術。數據集中器將采集到的數據統一IP化，再連接至核心網，也可以中繼量測數據管理系統下達給HAN網絡和用戶的命令。

當數據集中器距離MDMS距離較近時，可以選用電力光纖專網，其安全性、實時性和可靠性都很高。當距離較遠時，數據集中器可以借助無線公網GPRS或GSM等移動通信技術，再由電力專網轉接至MDMS。

MDMS根據數據庫將數據分析結果借助企業總線上傳給雙向互動服務平臺，包括用電信息通知、多渠道繳費、節電服務、用電報修等業務服務。用戶可以利用手機、PC通過GPRS或互聯網查詢、辦理業務。

5 結束語

文章調研大量電力雙向互動業務的實際需要，結合電力業務數據接入的組網選擇，把高級量測體系引入電力數據接入組網。文章給出了AMI架構下的數據接入組網方案，可以有效地提高電力通信的效率和電網用戶雙向互動服務程度。隨著數據融合和數據匯集技術的發展，基于AMI的智能用電技術必將迎來更大程度的發展，必將帶領電力產業升級，朝著智能電網的目標更近一步。

參考文獻

[1]李同智.靈活互動智能用電的技術內涵及發展方向[J].電力系統自動化，2012，36（2）：11-17.

[2]黃莉，衛志農，韋延方，等.智能用電互動體系和運營模式研究[J].電網技術，2013，37（8）：2230-2237.

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

[4]王彥璋，李海冬.關于電力通信網絡系統建設方案的研究[J].數字技術與應用，2012（7）：38-38.