田世明

（中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

國外20世紀80年代中期開始遠方抄表技術(shù)應(yīng)用，即應(yīng)用 AMR（automatic meter reading）,該技術(shù)利用當時主要的通信技術(shù)手段，如無線通信技術(shù)、載波通信技術(shù)等來遠程完成采集任務(wù)，需要電力公司派出工人到當?shù)爻恚獬韱T進戶抄表給用戶造成的不便。2006年，逐漸開始推行高級量測技術(shù)，利用現(xiàn)代通信技術(shù)手段，實現(xiàn)雙向通信和實時抄收，為分布式電源接入電網(wǎng)和電動汽車充電的計量、計費、結(jié)算、監(jiān)控提供了條件，并為優(yōu)化能源管理提供了基礎(chǔ)信息。

高級量測技術(shù)體系 （advanced metering infrastructure，AMI）是用來測量、采集、傳送、儲存、分析和應(yīng)用客戶用電信息，實現(xiàn)需求響應(yīng)、雙向互動，支持客戶合理用電、節(jié)約用電的技術(shù)體系。AMI主要包括智能電能表、智能交互終端、通信信道和主站軟件。AMI通信協(xié)議是AMI的核心技術(shù)之一，下面分別闡述AMI組網(wǎng)技術(shù)并分析其通信協(xié)議。

2 組網(wǎng)技術(shù)

AMI采用固定的雙向通信網(wǎng)絡(luò)，能夠每天多次讀取智能電能表，并能把表計信息包括故障報警和裝置干擾報警近于實時地從電表傳到數(shù)據(jù)中心。常見的通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括分層系統(tǒng)、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)電力線載波，可以采用不同的媒介來向數(shù)據(jù)中心實施廣域通信，如電力線載波（power line carrier,PLC）、電力線寬帶載波（borad power line carrier，BPL）、銅或光纖、無線射頻、3G/GPRS 等。在分層通信網(wǎng)絡(luò)中，局域網(wǎng)（LAN）連接電表和數(shù)據(jù)集中器，而數(shù)據(jù)集中器則通過廣域網(wǎng)（wide area network,WAN）和數(shù)據(jù)中心相連。數(shù)據(jù)集中器通常在桿塔上、在變電站里或在其他的一些設(shè)施上，它們是局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的交匯點。

在局域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)集中器即時或按照預(yù)先設(shè)定的時間收集或接收附近電表的計量值或信息，再利用廣域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)集中器可以中繼數(shù)據(jù)中心發(fā)給下游電表和用戶的命令和信息。局域網(wǎng)對通信的速率要求不高，因此對它主要的考量是以較低的成本連接用戶。常見的通信方式為PLC、BPL、塔式或網(wǎng)格狀無線射頻網(wǎng)絡(luò)。目前，局域網(wǎng)大多采用不開放的私網(wǎng)協(xié)議，但正慢慢地向開放式網(wǎng)絡(luò)標準（如TCP／IP）發(fā)展。

2.1 廣域網(wǎng)（WAN）

WAN主要用于智能臺區(qū)管理終端或分布式能源雙向互動終端與主站軟件間的通信。WAN的組成可采用多種通信方式：Internet、光纖、衛(wèi)星、無線、3G等，通信的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)技術(shù)是TCP/IP。各種不同的通信方式，在主站軟件處進行匯聚。從而可以使AMI的WAN通信具有標準性、開放性。

2.2 局域網(wǎng)（LAN）

在AMI中，LAN主要是指智能臺區(qū)管理終端和其所轄的智能電能表間的通信網(wǎng)絡(luò)。該層通信主要的技術(shù)有電力線載波、微功率無線、ZigBee等。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)多為總線型、星型或混合型。目前，該層網(wǎng)絡(luò)通信主要存在以下問題。

各種通信技術(shù)均有其局限性，尚無法很好地解決通信的成功率、實時性等問題。載波技術(shù)受限于電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)環(huán)境質(zhì)量、用電設(shè)備等諸多因素；微功率無線受限于地理環(huán)境、天氣等因素，通信質(zhì)量無法保證完全滿足要求。

各種通信技術(shù)間缺乏互聯(lián)互通的通信標準，包括物理層標準和通信協(xié)議，導(dǎo)致各種通信技術(shù)無法在一個臺區(qū)管理終端下LAN的混用。

2.3 家庭局域網(wǎng)

家庭局域網(wǎng)（home area network,HAN）是用戶家庭內(nèi)部的局域網(wǎng)，連接用戶入不同的用電設(shè)備，如智能化的冰箱、空調(diào)、智能開關(guān)以及相鄰的集中器、由電力公司提供獨立的網(wǎng)關(guān)或用戶的設(shè)備（如用戶自己的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)）。迄今為止，HAN的技術(shù)規(guī)范還在討論和發(fā)展之中。但其從網(wǎng)關(guān)到戶內(nèi)顯示器之間的通信技術(shù)，主要是無線或電力線載波兩種。主要的標準是ZigBee（無線）、HomePlug（載波）和IPv6，另外Wi-Fi也在標準考慮范圍內(nèi)。

此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）的研究也方興未艾。在HAN中，如果采用WSN，可以實現(xiàn)家庭中各種智能家電的數(shù)據(jù)交互，為HAN的實現(xiàn)增添更多的通信方式，扶助實現(xiàn)智能家庭的環(huán)境感知、智能控制。

3 通信協(xié)議

3.1 廣域網(wǎng)通信協(xié)議

3.1.1 目前主流的通信協(xié)議體系

本節(jié)重點分析常見的國際標準及國家電網(wǎng)公司用電信息采集系統(tǒng)的通信協(xié)議。

（1）遠動通信協(xié)議體系（IEC 60870-5系列）

IEC 60870-5系列包括以下3種：

·IEC 60870-5-101，遠動設(shè)備及系統(tǒng)—基本遠動任務(wù)配套標準（101規(guī)約）；

·IEC 60870-5-103，遠動設(shè)備及系統(tǒng)—繼保設(shè)備信息接口配套標準（103規(guī)約）；

·IEC 60870-5-104，遠動設(shè)備及系統(tǒng)—應(yīng)用101于TCP/IP協(xié)議上網(wǎng)絡(luò)訪問（104規(guī)約）。

該協(xié)議體系主要用于變電站和電網(wǎng)調(diào)度中心間的通信，且我國已將101、103定為電力行業(yè)標準即DL/T 667-1999和 DL/T 634-1997。

該系列標準未采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，數(shù)據(jù)類型固定，功能確定，靈活性較差。

（2）計算機數(shù)據(jù)通信協(xié)議體系（IEC 60870-6系列）

IEC 60870-6系列主要包括以下3種：

·IEC 60870-6，遠控設(shè)備和系統(tǒng)—含TASE.2（遠方控制應(yīng)用服務(wù)元素）；

·IEC 60870-6-503 TASE.2，服務(wù)定義和協(xié)議描述；

·IEC 60870-6-802 TASE.2，對象模型。

該協(xié)議體系由IEC TC57 WG07工作組負責制定，主要用于電力系統(tǒng)控制中的計算機數(shù)據(jù)通信，其中又以基于ISO 9506 MMS（制造報文規(guī)范）的TASE.2廣泛應(yīng)用。

目前該標準被用于電網(wǎng)調(diào)度中心之間的通信。

（3）變電站數(shù)據(jù)通信協(xié)議體系（IEC 61850）

IEC 61850最初是針對變電站站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)議，但由于變電站內(nèi)、變電站與電網(wǎng)調(diào)度中心、調(diào)度中心之間各種協(xié)議的不兼容，需要協(xié)議轉(zhuǎn)換才可連接，TC57感到有必要從信息源（變電站的過程層）直到電網(wǎng)調(diào)度中心之間采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模和IEC61970CIM（通用信息模型）協(xié)調(diào)一致，于是在2000年的SPAG會議上決定以IEC61850為基礎(chǔ)建立無縫遠動通信體系結(jié)構(gòu)。

該系列標準支持更廣泛的應(yīng)用：數(shù)據(jù)建模，自我描述服務(wù)，整定服務(wù)，先進的通信模型和服務(wù)，靈活性、復(fù)用性好，可以適應(yīng)未來新技術(shù)的變化，生命周期長。為此，在高級量測技術(shù)體系中有很好的應(yīng)用前景。

（4）能量管理系統(tǒng)的編程接口（IEC 61970）

IEC 61970主要包括兩種：

· CIM，公共信息模型；

· CIS，組件接口規(guī)范。

IEC 61970協(xié)議的兩個支柱是公共信息模型（common information model，CIM） 和 組 件 接 口 規(guī) 范 （component interface specification,CIS）。CIM公共信息模型定義了信息交換內(nèi)容的語義，CIS組件接口規(guī)范規(guī)定了信息交換的語法。CIM是整個IEC 61970協(xié)議框架的基礎(chǔ)和核心。IEC 61970系列標準提出了電力系統(tǒng)資源的概念。它描述了電力系統(tǒng)所有對象的邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系，構(gòu)成電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點，通過這些節(jié)點的連接，構(gòu)成電力系統(tǒng)基本的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

該系列標準應(yīng)運用于各個控制中心之間。

（5）用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議（Q/GDW 376）

Q/GDW 376協(xié)議體系包括兩種：

· Q/GDW 376.1，主站與采集終端通信協(xié)議；

· Q/GDW 376.2，集中器本地通信模塊接口協(xié)議。

國家電網(wǎng)公司對國內(nèi)外采集系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)用現(xiàn)狀進行了全面調(diào)研和分析，并充分結(jié)合通信、微處理器等技術(shù)的發(fā)展，制定了國網(wǎng)公司的企標Q/GDW 376于2009年底正式頒布，其規(guī)定了系統(tǒng)主站和采集終端間數(shù)據(jù)傳輸細則及集中器與載波通信模塊間數(shù)據(jù)的傳輸細則，功能明確，可操作性強。

目前，該系列標準主要運用于國家電網(wǎng)公司的用電信息采集系統(tǒng)中。

3.1.2 主流通信協(xié)議體系比對

智能電力設(shè)備通過廣域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心相連，其協(xié)議要求全雙工的傳輸模式，靈活，易于擴展。目前，在電力行業(yè)中各類信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)在通信協(xié)議方面采用的主流標準比較見表1。

3.1.3 適用于AMI的通信協(xié)議體系

（1）IEC 61850

IEC 61850系列標準吸收了多種國際先進的新技術(shù)，并且引用了多個領(lǐng)域內(nèi)的其他國際標準，是世界上第一個用于變電站自動化系統(tǒng)信息模型和信息交換的全球性標準。從1995年IECTC57開始宣布實施IEC 61850標準項目，到2003年頒布成為世界上惟一的變電站自動化領(lǐng)域的國家標準，經(jīng)過世界各地的研究機構(gòu)、設(shè)備供應(yīng)商以及各大電力公司的努力，近年來，IEC 61850應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)成熟。在電力系統(tǒng)中，新上的變電站自動化系統(tǒng)，已基本上采用基于IEC 61850間隔層或過程層的系統(tǒng)；而基于傳統(tǒng)IEC 60870-5-103和DNP3協(xié)議的系統(tǒng)逐漸移植至IEC 61850系統(tǒng)已成為必然的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，到2008年底，世界上已有超過1000座覆蓋從中壓配電變電站到超高壓變電站投入運行。

表1 主流通信協(xié)議比對表

實際上，僅僅在1995年IEC 61850項目開始后的幾年時間，公用事業(yè)和供應(yīng)商的非變電站相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的專家就已經(jīng)開始認識到采用單一的國際標準對電力能源供應(yīng)系統(tǒng)以及IEC 61850強大的內(nèi)容和實施方法的好處。目前，IEC 61850標準也正在不斷拓展其應(yīng)用范圍，除了已經(jīng)頒布的IEC 61400-25標準以外，其他變電站以外的拓展應(yīng)用標準已在制定之中，這些標準應(yīng)用包括電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、線路保護、變電站之間以及變電站和調(diào)度中心之間的信息交換、電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、分布式能源（DER）水電站監(jiān)控等。

隨著協(xié)議的成熟和發(fā)展，IEC 61850標準第二版的名稱也由“變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”改為“電力自動化的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)”，明確地將其覆蓋范圍擴展到了變電站以外的所有公用電力應(yīng)用領(lǐng)域。

①IEC 61850的特點

用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模技術(shù)UML；

采用分布、分層的結(jié)構(gòu)體系；

使用抽象通信服務(wù)接口ACSI和特殊通信服務(wù)映射SCSM技術(shù)；

抽象建模與具體實現(xiàn)的獨立，服務(wù)與通信網(wǎng)絡(luò)獨立，適用于TCP、OSI、TP等多種傳送協(xié)議；

實現(xiàn)智能電子設(shè)備間的互操作性；

提供自我描述的數(shù)據(jù)對象及其服務(wù)；

具有面向未來的、開放的體系結(jié)構(gòu)，能夠定義其他領(lǐng)域的任何新的邏輯節(jié)點和公共數(shù)據(jù)。

所以IEC 61850靈活性、復(fù)用性好，可以適應(yīng)未來新技術(shù)的變化，生命周期長。

② IEC 61850 與 IEC 870-5-101、IEC 870-5-104、IEC 870-5-103、TASE2.0 的比較

以上所有標準均可為SCADA相關(guān)設(shè)備提供服務(wù)來交換基本實時信息（比如，單點狀態(tài)和控制，周期性和突發(fā)性報告，查詢等）；

只有IEC 61850可以提供關(guān)于采樣和跳閘命令的實時信息交換；

大部分標準功能確定，不可改變 （IEC 870-5-101、IEC 870-5-103、IEC 870-5-104、TASE2.0），只有 IEC 61850支持更廣泛的應(yīng)用：數(shù)據(jù)建模，自我描述服務(wù)，整定服務(wù)，先進的通信模型和服務(wù)；

IEC 870-5-101、IEC 870-5-103、TASE2.0 已廣泛應(yīng)用到實際中并有了大量產(chǎn)品，IEC 870-5-104也有一些產(chǎn)品，而IEC 61850在變電站系統(tǒng)中也有一定的應(yīng)用。

IEC 61850已成為IEC關(guān)于未來無縫遠控通信體系結(jié)構(gòu)的主推方案，其余標準會逐步向IEC 61850過渡。

在 IEC 61850標準制定過程中SIEMENS、ABB、ALSTOM等廠家與規(guī)約同步推出各自實驗室試驗產(chǎn)品，并進行互操作性試驗。西門子在2004年4月與瑞士的AVAG電力公司簽訂了全球第一個真正使用IEC 61850標準的變電站自動化系統(tǒng)合同：Winznauschachen變電站項目，并在同年11月底順利投運，截至2005年2月底，西門子已簽了124個使用IEC 61850標準的項目。2006年，華北電網(wǎng)的南橋變電站監(jiān)控系統(tǒng)中使用了基于IEC 61850標準的監(jiān)控系統(tǒng)。目前，IEC 61850標準廣泛使用在各類變電站，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)及其他公用事業(yè)系統(tǒng)中。

IEC 61850具有良好的可擴展性和體系結(jié)構(gòu)，而高級量測技術(shù)體系需要采用統(tǒng)一的平臺和模型進行信息的雙向交互，數(shù)據(jù)集中和共享，以實現(xiàn)智能電力設(shè)備和系統(tǒng)的互操作，這兩者的設(shè)計思路是一致的。美國標準化研究院和國家電網(wǎng)公司發(fā)布的標準規(guī)劃中已將IEC 61850作為智能電網(wǎng)啟動標準之一，在高級量測技術(shù)體系中，該標準必將成為主要標準之一。

（2）Q/GDW 376

按照堅強智能電網(wǎng)的總體要求，保證智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)范有序推進，規(guī)范統(tǒng)一用電信息采集系統(tǒng)及主站、采集終端、通信單元的功能配置、型式結(jié)構(gòu)、性能指標、通信協(xié)議、安全認證、檢驗方法、建設(shè)及運行管理等。在國家電網(wǎng)公司“電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)研究”項目研究成果基礎(chǔ)上，國家電網(wǎng)公司營銷部組織對國內(nèi)外采集系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用現(xiàn)狀進行調(diào)研和分析，并充分結(jié)合通信技術(shù)、微處理器技術(shù)、制造工藝等技術(shù)的發(fā)展，全面梳理國內(nèi)外用電信息采集系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)標準，制定了《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)》系列標準。

Q/GDW376是《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)》系列標準之一，它規(guī)定了電能信息采集與管理系統(tǒng)中主站和終端之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷健?shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則，集中器與下行通信模塊的本地接口協(xié)議。

Q/GDW376根據(jù)用電信息采集系統(tǒng)的特點，制定了相關(guān)的數(shù)據(jù)及操作方式，功能明確，智能電力設(shè)備和系統(tǒng)的互操作簡單、便捷。在智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，Q/GDW 376已經(jīng)成為國家電網(wǎng)公司系列標準之一，在高級量測技術(shù)體系中，該標準有很廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 局域網(wǎng)LAN接入通信協(xié)議

智能電力設(shè)備與智能測控單元之間采用局域網(wǎng)進行信息交互，再利用廣域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)中心。常見的組網(wǎng)方式采用PLC、BPL等。局域網(wǎng)大多采用私網(wǎng)協(xié)議。通信協(xié)議方面，ISO/IEC 16485是智能樓宇方面的標準；GB/Z 20965來源于ISO/IEC 14543-3，主要是智能家居和樓宇信息控制網(wǎng)絡(luò)方面的標準；IEC 62056是抄表、直接負荷控制等本地數(shù)據(jù)交換、對象建模及服務(wù)標準。這些標準需要通過影射到骨干通信協(xié)議中。

3.3 家庭局域網(wǎng)

家庭局域網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)或用戶入口把智能電能表和用戶戶內(nèi)可控電器或裝置連接起來，主要采用無線或PLC。美國電科院宣布的美國智能電網(wǎng)建設(shè)的第一批標準中和家庭局域網(wǎng)相關(guān)的標準有：Open HAN（家庭區(qū)域網(wǎng)（HAN）設(shè)備通信、測量和控制）；ZigBee/Home Plug Smart Energy Profile（家庭區(qū)域網(wǎng)設(shè)備通信和信息模型）。這些協(xié)議正在標準化過程中。

3.4 面向過程的通信協(xié)議向面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議演進

目前，IEC 61850已經(jīng)深入到配用電側(cè)的分布式能源管理與控制，由于其優(yōu)良特性，正在研究以IEC 61850為基礎(chǔ)制定需求響應(yīng)、電動汽車充電設(shè)備相關(guān)標準。IEC 62056也是面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議，是國內(nèi)外一些先進的電能表必選的通信協(xié)議。幾種可能的演進策略介紹如下。

·Q/GDW 376增加適應(yīng)IEC 62056的數(shù)據(jù)對象和過程的能力，使得Q/GDW 376更適應(yīng)AMI更多數(shù)據(jù)類型及互動業(yè)務(wù)的需求。

·選擇IEC 62056作為一種行業(yè)標準，要求智能電能表支持該協(xié)議，同時要求智能電能支持遠程直抄。

·長期來說，應(yīng)統(tǒng)一到IEC 61850通信協(xié)議體系上，實現(xiàn)IEC 62056及Q/GDW 376終端通信協(xié)議向IEC 61850的映射，逐步過渡到統(tǒng)一的面向?qū)ο笸ㄐ艆f(xié)議。

4 結(jié)束語

本文對高級量測技術(shù)體系通信協(xié)議進行了全面深入的研究，分析了高級量測技術(shù)體系通信協(xié)議的特點，提出了高級量測技術(shù)體系通信協(xié)議的演進策略。高級量測技術(shù)體系通信協(xié)議體系中多種通信協(xié)議的映射方法和測試方法還需進一步研究。