智能電表數(shù)據(jù)采集新型網(wǎng)絡結構與傳輸協(xié)議

程瑛穎 ，肖 冀 ，周 峰 ，楊華瀟 ，金志剛

（1.國網(wǎng)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(shù)字化工業(yè)生產(chǎn)和社會生活對電網(wǎng)的供電可靠性和電能質量提出了很高要求[1]。目前的電網(wǎng)滿足不了數(shù)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(wǎng)是現(xiàn)代化的電力供應系統(tǒng)，能夠監(jiān)控、保護和優(yōu)化其內部包括智能電表在內的互聯(lián)元件的運行[3]。國家電網(wǎng)等電力企業(yè)已經(jīng)為大量用戶更換為智能電表。

為了實現(xiàn)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(guī)模智能電表的網(wǎng)絡拓撲結構，設計適合大規(guī)模居民電表信息采集的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。

1 傳統(tǒng)的電表數(shù)據(jù)采集技術

傳統(tǒng)的電量結算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡的遠程抄表系統(tǒng)，通過電力通信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡將電量數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件，實現(xiàn)用戶用電量的統(tǒng)計、用電情況的分析及用戶的使用狀態(tài)[4]監(jiān)控。

國家電網(wǎng)公司已組織進行了智能用電小區(qū)的試點工程，通過傳感器網(wǎng)絡和寬帶通信平臺，加強用戶與電網(wǎng)之間的信息集成共享和實時互動，實現(xiàn)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(jù)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(tǒng)和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡也為在線管理和監(jiān)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(wǎng)絡與電網(wǎng)以及計量檢測部門通信，就可以非現(xiàn)場進行電表的狀態(tài)數(shù)據(jù)收集、遠程診斷，及時發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常和計量故障。

對于正在智能化過程中的用電網(wǎng)絡，特別是居民用電，往往并不具備高效、完備的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。一般來說，居民小區(qū)的戶表并不都具備網(wǎng)絡連接。因此，需要優(yōu)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(tài)等信息進行網(wǎng)絡傳輸與監(jiān)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(yè)和工業(yè)用戶5 min，變壓器采用和商業(yè)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(tǒng)信息 （電表計量和報警信息）。舉例來說，一個5000戶的中等規(guī)模居民小區(qū)，采用10個10 kV變電站，各接入500個用戶。假定小區(qū)還有50個商業(yè)用戶，按照上面的計量間隔，每周產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模計算如下：

商業(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)郊衅?，然后采用骨干通信網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集中心/控制中心。

2 支持IPv6和靈活接入的新網(wǎng)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(wǎng)絡傳輸。對于居民用戶智能電表數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)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(qū)變電站等問題才可以接入到連接中高壓側的電網(wǎng)公司的骨干網(wǎng)中。

因此，設計的新接入網(wǎng)絡結構主要考慮基于無線網(wǎng)絡傳輸?shù)募夹g途徑。ZigBee技術在電能量信息采集與管理系統(tǒng)中應用較為成功。ZigBee聯(lián)盟提供了 ZigBee Smart Energy Profile協(xié)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(wǎng)絡，擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

通過分析上述不同無線網(wǎng)絡技術的傳輸距離、應用成本和對居民小區(qū)電表信息收集和狀態(tài)估計需要網(wǎng)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(wǎng)形成三級接入拓撲結構的新網(wǎng)絡模型，如表1所示。

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

新的網(wǎng)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(shù)據(jù)收集、遠程控制和管理?？紤]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(xié)議的網(wǎng)絡協(xié)調器 （作為初級數(shù)據(jù)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?shù)介g隔5個樓層的數(shù)據(jù)集中設備上，因此計劃每5層設置1個802.11的初級集中器?？紤]到集中器有2類方式接入到骨干網(wǎng)，因此其布置位置需要認真考慮。對于直接接入有線骨干網(wǎng)的802.11集中器，位置應方便網(wǎng)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(jù)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(shù)據(jù)集中器的互聯(lián)，也避免了對用戶家庭無線上網(wǎng)業(yè)務的干擾。

這樣的多級接入方式還有以下優(yōu)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(wǎng)關。這使得骨干網(wǎng)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(wǎng)絡是租用電信運營商的無線廣域網(wǎng)連接各個集中器，后期電網(wǎng)企業(yè)自行建設了光纖骨干網(wǎng)時，可以只進行網(wǎng)絡配置修改和替換部分骨干集中器的網(wǎng)絡接口。另一方面，計量裝置的網(wǎng)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(qū)部分戶表升級改造，通信模式由ZigBee到初級集中區(qū)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(wǎng)絡。2）可以在不同設備采用不同的網(wǎng)絡技術，因地制宜，降低整體成本?？紤]到未來智能電網(wǎng)的需要和電網(wǎng)中電表的數(shù)量巨大，國外研究機構和一些電網(wǎng)公司已經(jīng)在電表的通信模塊上使用IPv6技術。

仍以5000戶的中等規(guī)模居民小區(qū)為例，具有10個10 kV變電站，每個變電站接入500個用戶，小區(qū)還有50個商業(yè)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(wǎng)絡架構和實施建議，需要的網(wǎng)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(qū)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(qū)采集網(wǎng)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(shù)據(jù)和電網(wǎng)可靠性數(shù)據(jù)，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(xié)議

在上述靈活、高效的智能電表接入網(wǎng)絡建設后，還需有高效、可靠的智能電表數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對電表狀態(tài)、用電信息等進行實時傳輸。現(xiàn)行的電能表通信協(xié)議各種規(guī)范很不統(tǒng)一，主流表計規(guī)約是DL/T 645及其各種擴展版本；系統(tǒng)規(guī)約有浙江（廣東）的系統(tǒng)規(guī)約、國電的系統(tǒng)規(guī)約、上海系統(tǒng)規(guī)約、DL/T 719-2000（IEC 60870-5-102）以及各種派生版本的102規(guī)約等[6]。IEC 62056《電能計量—用于抄表、費率和負荷控制的數(shù)據(jù)交換》系列國際標準的出現(xiàn)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(tǒng)一了基于開放系統(tǒng)互聯(lián)模型要求的通訊協(xié)議—設備語言報文規(guī)范（DLMS）。因此，以IEC62056為基礎與標準來進行信息采集?？紤]到電表會有較大的數(shù)量，未來將采用IPv6協(xié)議，基于SNMPv6協(xié)議來設計電表的數(shù)據(jù)采集和管理協(xié)議。

論文的基本思路就是將所有電表和集中器都看作網(wǎng)絡設備，通過管理機制收集信息，且電表可在發(fā)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(fā)送；將狀態(tài)變化、可能的故障信息和其他異常信息作為Trap來發(fā)送。

通過對電表計量等數(shù)據(jù)的性質和作用的分析可以知道，不同數(shù)據(jù)的可靠性要求不同，而且優(yōu)先級也不同。這就為我們合理利用網(wǎng)絡傳輸能力，減少Trap次數(shù)，壓縮輪詢數(shù)據(jù)包的發(fā)送數(shù)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(fā)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(chǎn)生的trap合并起來一起發(fā)送。這樣就可以減少發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)，減少對信道的占用，大大降低數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡資源的影響。一般的trap發(fā)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(fā)送的來說，都是相同的，如果合并發(fā)送的話，就只需要發(fā)送一次，減少了不必要數(shù)據(jù)占用的網(wǎng)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(tài)確定數(shù)據(jù)優(yōu)先級，并將數(shù)據(jù)按照優(yōu)先級分類。根據(jù)電能計量中心的遠程控制信息和規(guī)則，對智能電表需要通過網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)分配不同優(yōu)先級。將固定間隔的電量計量數(shù)據(jù)分類為一般優(yōu)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(tài)信息分類為緊急信息。

（2）將計量裝置已經(jīng)分類的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與優(yōu)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(wǎng)絡采集時，進行判斷。如果是一般優(yōu)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(fā)送信息，并且請求接收方發(fā)送接收回執(zhí)，然后返回步驟1，否則轉到步驟3；

步驟3發(fā)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(fā)送。處理流程如圖1所示。

圖1 電表計量數(shù)據(jù)處理流程Fig.1 Flow chart of metering processing

在傳統(tǒng)的trap中每個消息都需要發(fā)送到管理者，其數(shù)據(jù)部分為86字節(jié)，還需要增加50字節(jié)的報文頭部信息。

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

500000×136字節(jié)=68000000字節(jié)≈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(yōu)先標志，一般不改變，不緊急的消息每5個合并成1字節(jié)報文。這樣不緊急消息合并為960字節(jié)報文，通過LZW算法平均可用將該報文壓縮掉2/3，實際發(fā)送的報文為320字節(jié)。

可以計算新數(shù)據(jù)采集協(xié)議發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)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(shù)量由50萬個減少到22萬個，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減少為原來的40%左右。

4 結語

為了有效實現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡新結構。在保證接入覆蓋的同時，提高了系統(tǒng)的靈活性與可擴展性，支持底層協(xié)議轉換和新的IPv6協(xié)議。另一方面，提出了基于SNMP的傳輸協(xié)議，將計量裝置的采集數(shù)據(jù)分類為多個類別，根據(jù)重要性程度進行分級和傳輸。在保證有效傳輸?shù)耐瑫r，減少了網(wǎng)絡帶寬資源的占用，實現(xiàn)了可靠性和經(jīng)濟性的同時提升。

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

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[5]康倫.基于ZigBee的智能電表系統(tǒng)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(xié)議的智能電表嵌入式通信軟件研發(fā)[J].電網(wǎng)技術，2010，34（9）：7-12.