智能电表网络通信技术及通信协议探讨

王倩;杨经林

【摘 要】This article embarks from the intelligent electric instrument network to the communication request, introduced the low-voltage power line carrier communication, micro-power wireless communication and RS-485 bus communication mode, and their advantages and disadvantages. To the current question that the communication protocol norm of the electric energy meter is not unified, introduced the IEC 62056 ＂Power Measurement - for meter reading, tariff and load control data exchange,＂ a series of international standards. This standard has unified the communication agreement based on that the interconnected model of open system requires Communications equipment language newspaper （DLMS norms ）.%从智能电表网络对通信技术的要求出发，对低压电力线载波通信、微功率无线通信和RS-485总线通信方式以及优缺点进行介绍。针对现行的电能表通信协议规范不统一的问题，介绍IEC62056《电能计量-用于抄表、费率和负荷控制的数据交换》系列国际标准，这一标准统一了基于开放系统互联模型要求的通讯协议-设备语言报文规范（DLMS）。 【期刊名称】《山东电力技术》 【年(卷),期】2012(000)001 【总页数】4页(P41-44)

【关键词】智能电表;网络通信;通信协议

【作 者】王倩;杨经林

【作者单位】国电聊城发电有限公司,山东聊城250023;国电聊城发电有限公司,山东聊城250023 【正文语种】中 文 【中图分类】TM72 0 引言

智能电表是智能电网数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务，是实现信息继承、分析优化和信息展现的基础［1］。智能电网的建设对智能电表提出了更高的技术应用要求，这依赖于智能电表的网络通信技术的实时性及通信规约的互操作性。我国是一个发展中的国家，地域广阔、地形复杂、气候条件存在着显著的差异，各地的城镇规模还处于发展中，城市中的建筑物类型繁多，用电设备和用电方式缺乏规范，电磁环境有待净化。这些因素都会对建成信道的通信质量产生重要的影响，这些影响体现在信道拥挤，不能满足实时交互需求；信道容量不足，难以维系大容量、高速信息的交换；误码率过高，通信效率低下等。所以比较理性的选择是因地制宜、区别对待［2］。 1 智能电表网络通信技术

电能表通信技术经历了简单的本地通信，以及具有远程通信能力的电能量自动采集（自动抄表）系统的发展历程。在吸收、借鉴电能量自动采集系统工程经验的基础上，伴随着智能电网建设工作的推进，智能电表正在步入大规模联网的网络化阶段。 对于配电台区上行通信信道，自动抄表系统可采用的通信方式主要有PSTN公用电话网、GPRS无线、GSM无线、光纤等。由于采用的是公网通信，有专业队伍

负责运行、服务，其通信技术、设备等相对成熟，运行可靠性也较好。

对于配电台区下行通信信道，主要有RS-485总线、低压电力线载波、无线及其混合方式。下行信道的选择直接关系到系统的可靠性、性价比、施工难度等，是自动采集系统或智能电表通信网络成功与否的关键。 1.1 智能电表网络对本地通信的要求

为满足“全覆盖、全采集、全预付费”以及其他增值服务的需要，智能电表本地通信网络在设计时应考虑并满足下述要求： 1）通信一次成功率应达到95%以上。

2）环境适应性要满足全面覆盖的要求，能广泛适用于密集的中心城区、城市郊区、城乡结合部、小城镇、农村村落、新建住宅、老旧城区、中小工业商业区等。 3）物理层应能自动完成网络构建，现场网络节点免设置，以尽可能降低调试及维护费用。

4）通信速率应能满足中小动力和工商业用户大信息量的传输要求。尤其对于经济发达地区，中小动力用户数量庞大，需要低成本、低运行费用、快速可靠的本地通信信道。

5）良好的性价比。本地网络的实施不仅需要考虑抄表计费，还需要考虑提高用电管理水平和提供增值服务的能力。 1.2 智能电表网络通信技术

低压电力线载波通信、微功率无线网络和基于有线连接的总线通信是当前本地网络通信采用的三类主要技术。从全球的AMR和AMI工程应用结果来看，约63%的AMR、AMI用户采用的是微功率无线网络通信技术，其次是电力线载波或其他技术。

1）低压载波通信。由于220 V/380 V低压配电网的阻抗及衰减特性与高压电网截然不同，在高压电网应用成熟的载波技术，在低压配电网几乎无法使用。配电网已

经进入千家万户，高级计量系统、服务的对象也是电力用户，如果能将已建成的巨大的配电网资源利用起来，用于数据采集和信息传输，对于建设资源节约型社会有着重大的意义。

低压电力线载波通信载波信号频率范围为3～500 kHz，电力公司使用的频率范围为 3～95 kHz，其中3～9 kHz一般用于语音传输。为了在有限的频带内将数据传输出去，各种各样的调制与解调方式被应用到低压电力线载波方案中，常见的有键控频移、键控幅移、键控相移和Chirp跳频。

国内应用比较多的载波通信芯片产品主要来自于意法半导体公司、埃斯朗（Echelon）公司、北京福星晓程公司和青岛东软公司。

意法半导体公司产品的解决方案是较为经典的FSK调制的电力线载波收发器，对基于电力线信道的自动抄表（AMR）的兴起做出重大贡献。其载波中心频率可编程，有8个频率可供选择，频率范围满足欧洲、北美、中国等标准；有4种通信波特率可编程选择。ST Micro electronics公司作为芯片级供应商，其载波芯片与外部采用无线通信协议的位传输模式进行数据交换，需要外部处理器（MCU）进行通信协议的处理和中继路由算法的实现。

埃斯朗（Echelon）公司产品的解决方案采用窄带双频自动切换通信技术，利用数字信号处理的方法克服噪声干扰和校正信号相位畸变现象，并通过前向纠错对突发位错误进行纠正。PL3120芯片自身支持LonWorks网络协议，LonWorks控制网络协议是第一个实现了OSI的七层网络协议，对于高速的双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信介质是适合的，但对于低速数据传输的电力线信道来说，由于协议复杂、数据吞吐量大，可能导致效率降低。

北京福星晓程公司产品的解决方案的特点是芯片集成度较高，将电力线载波信号收发器、MCU以及计量和控制功能集成在一个芯片中，是一款SOC级的芯片。考虑到数据交换、通信协议处理、中继路由计算等均须由MCU处理，所以MCU的

负担较重，应用系统对实时性的要求与通信系统的响应之间存在冲突。

青岛东软公司产品的解决方案通过高效、自适应、全自动的配电网络中继路由算法，自动感知配电网络拓扑结构，动态地自适应配电网络的变化，保证了通信系统的可靠和稳定。其载波芯片由三层网络构成，其中数据链路层的设计是基于高级数据链路控制协议（HDLC），具有信息帧的长度可变、地址域长度可扩充性、帧中继转发机制等功能，提高了主站与从站之间数据交换能力。

2）微功率无线网络。微功率无线指使用433 MHz/470 MHz/780 MHz/2.4 GHz频率、发射功率小于等于50 mW的无线射频通信。国家电网电能量信息采集与管理系统中把利用无线传感网络技术的通信组网方式叫做微功率无线组网。微功率无线通信的特点是微功耗、自组网、双向实时通信、标准化、便于移动、适合嵌入式安装，可方便地嵌入到抄表设备、电能表以及用电电器中。缺点是点与点之间传输距离较短，无线信号易受障碍物阻挡［3］。

微功率无线组网的灵活组网方式可以扩展到智能用电领域。通过支持无线组网的电能表、采集设备和用电电器，可以方便的给用户提供实时的负荷曲线，分时电价，各电器实时、每日、每月耗电量（电费）的显示；还可以远方设定时段、电价、定时控制方案，更可以提供语音、数据、视频的信息。

ZigBee技术是微功率无线组网在电能量信息采集与管理系统中应用最成功的。ZigBee网络分为4层，自下向上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）。如图1所示，物理层和媒体访问控制层使用IEEE 802.15.4标准，而网络层和应用层由ZigBee联盟确定。每一层向它的上层提供数据或管理服务。ZigBee的应用层由应用支持子层（APS）、设备对象（ZDO）和制造商定义的应用对象组成。

ZigBee联盟提供了ZigBee Smart Energy Profile这一具有互操作性的协议集和开放的互操作标准，并以此判断智能电表和ZigBee网络的互联，为智能电表、现

有的ZigBee家庭网络及商用建筑网络和电网公司的智能互动连接提供了最后的关键一步。从而由为电力公司服务升级为全社会普遍关注的节约能源和能源有效利用服务。

图 1 ZigBee网络分层

3）RS-485总线。RS-485总线数据传输方式因技术成熟，工作可靠，在国内应用普遍。RS-485总线方案适合应用于集中装表的现场，可以大大节约成本。 RS-485总线组网方案在应用中需要注意：对于分散安装的电能表施工较困难；如果运行过程中线路出现损坏，维护工作量大；需要考虑线路防雷。

RS-485总线的优点：更换和维护成本低，不受表计厂家限制；可以利用具有RS-485接口的资源，方便实现互联；集中装表的小区和有布线槽的小区，施工非常方便；电能表和线路正常情况下，通信成功率100%。 2 智能电表通信协议

智能电表通信网络的互联和互操作性是针对协议层面而言的，所以采用统一、开放、科学的通信协议是确保智能电表通信网络实现互联、互操作的技术保障。而现行的电能表通信协议各种规范很不统一，主流表计规约是DL/T 645及其各种扩展版本；系统规约有浙江（广东）的系统规约、国电的系统规约、上海系统规约、DL/T 719-2000（IEC 60870-5-102）以及各种派生版本的102规约等。这使得在电能表集成应用的过程中带来了许多规约转换的问题，难以实现互操作，严重制约了未来智能电网下电量信息的高度智能化应用［4］。IEC 62056《电能计量—用于抄表、费率和负荷控制的数据交换》系列国际标准的出现解决了上述问题，该标准采用对象标识、对象建模、对象访问和服务、通信介质接入方式等方法，从通信的角度定义了对象标识（OBSI），建立了仪表的接口模型，统一了基于开放系统互联模型要求的通讯协议—设备语言报文规范（DLMS）。 2.1 IEC 62056标准体系构成

IEC 62056标准体系整体上分为两部分，一部分是与通信协议、介质无关的电能计量配套技术规范COSEM；另一部分是依赖开放系统互连参考模型和IEC 61334制定的通信协议模型，即DLMS。IEC 62056标准体系目前共包括六部分，如图2所示。

图2 IEC 62056标准体系

2.2 IEC 62056提供的互联性和互操作性的技术保障

要抄表就要与关联仪表信息模型通信，要实现互操作性通信所用的语言必须是通用的公共语言，IEC 62056 DLMS规约为此提供了技术保障。只要按照IEC 62056标准设计、生产电能表，不同制造商提供的电能表产品就可以实现互联和互操作。采用DLMS协议的采集系统如图3所示。 图3 采用DLMS协议的采集系统

DLMS/COSEM采用面向对象的解决方案，定义了能耗仪表的信息模型——COSEM对象模型，用标准化方式对消息内容进行格式化。这样，抄表主机便能以相同的格式获取仪表数据，而与制造商和能源类型无关。

服务器与客户机应用进程之间的互操作性和互联性是仪表数据交换的基础。为了使服务器和客户机之间具有互操作性，必须保证双方处于相同的应用连接环境中。IEC 62056制定了简化的三层通信模型，在通信介质中传输COSEM对象模型，如图4所示。COSEM应用层完成对COSEM对象的属性和方法的访问，将信息转换为字节串，通过低层通信协议在对等的应用层之间传送这些信息，实现了对象模型与低层通信协议隔离。对于各种类型的通信介质，只需更换与其配套的底层通信协议，不会影响COSEM应用层及对象模型。COSEM应用层提供了标准的面向连接的应用控制服务元素ACSE服务来协商建立应用连接，一旦建立了应用连接，双方即在约定好的应用连接环境中交换数据。一个客户机可以和一个服务器，也可以和多个具有不同应用环境的不同服务器建立应用连接，进行互操作。

图4 IEC 62056三层通信模型 3 结语

智能电网的建设和国情决定了我国需要构建不同的通信技术，不同的通信介质相互补充，混合组网的智能电表通信网络。另外还需要积极利用GPRS、IPV6、三网融合等新的通信技术不断加强和完善智能电表网络通信系统。IEC 62056标准在我国的应用还需要进一步推进，科学、统一的通信协议是智能电表网络的必然选择。 参考文献

【相关文献】

［1］王思彤，周晖，袁瑞铭，等.智能电表的概念及应用［J］.电网技术，2010（04）：18-23. ［2］宗建华.智能电能表［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［3］杨万里，秦毅.短距离微功率无线组网AMI技术的探讨［J］.电测与仪表，2010（03）：1-5. ［4］黄伟，李澄，崔宇昊，等.IEC 62056标准在电能计量领域的应用研究［J］.江苏电机工程，2010（01）：24-27.

［5］杨晓西.计量仪表和抄表系统的设计与IEC 62056标准［J］.电测与仪表，2005（11）：37-41.