智能电表数据采集新型网络结构与传输协议

程瑛颖 ，肖 冀 ，周 峰 ，杨华潇 ，金志刚

（1.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆 401120；2.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072）

数字化工业生产和社会生活对电网的供电可靠性和电能质量提出了很高要求[1]。目前的电网满足不了数字化社会的可靠性需要。对于居民用电来说，其管理控制的信息化水平低，难以高效、实时获取居民用电信息[2]。智能电网是现代化的电力供应系统，能够监控、保护和优化其内部包括智能电表在内的互联元件的运行[3]。国家电网等电力企业已经为大量用户更换为智能电表。

为了实现及时有效的居民用电信息处理和智能用电，需要设计高效、可靠的支持大规模智能电表的网络拓扑结构，设计适合大规模居民电表信息采集的网络传输协议。

1 传统的电表数据采集技术

传统的电量结算是依靠人工定期到现场抄取数据，在实时性、准确性等方面都存在不足。目前部分电力公司使用了基于无线网络的远程抄表系统，通过电力通信网、移动通信网络将电量数据和其它信息实时可靠地采集回来，通过应用具有智能化分析功能的系统软件，实现用户用电量的统计、用电情况的分析及用户的使用状态[4]监控。

国家电网公司已组织进行了智能用电小区的试点工程，通过传感器网络和宽带通信平台，加强用户与电网之间的信息集成共享和实时互动，实现用电的智能化、互动化，提高终端用户用能效率。智能电表是可编程的电表，能根据预先设定时间间隔来测量和储存多种计量值。它还具有内置通信模块，能够接入双向通信系统和数据中心进行信息交流[5]。智能电表具有双向通信功能，支持电表的即时读取、装置干扰等。

另一方面，健全的通信网络也为在线管理和监测电表提供了有效手段。如果所有的电表都可以通过通信网络与电网以及计量检测部门通信，就可以非现场进行电表的状态数据收集、远程诊断，及时发现状态异常和计量故障。

对于正在智能化过程中的用电网络，特别是居民用电，往往并不具备高效、完备的网络通信系统。一般来说，居民小区的户表并不都具备网络连接。因此，需要优化布置具有通信能力的电表以及采用合理的布局，得到用户用电信息和对电表状态等信息进行网络传输与监测。

国际权威组织美国电科院（EPRI）推荐的电表计量间隔是：居民用户1 h，商业和工业用户5 min，变压器采用和商业用户相近的采集频率，中压馈线表5 min，因此，可以取得前所未有的大量的详细系统信息 （电表计量和报警信息）。举例来说，一个5000户的中等规模居民小区，采用10个10 kV变电站，各接入500个用户。假定小区还有50个商业用户，按照上面的计量间隔，每周产生的数据规模计算如下：

商业用户：60/5×24×7×50=约 10 万次采集

居民用户：24×7×5000=约 84 万次采集

变电站：约10万次采集

合计超过100万次。

显然这样的数据量对于只使用电力线载波通信来说过大，需要先通过不同方式将数据传输到集中器，然后采用骨干通信网络传输到数据采集中心/控制中心。

2 支持IPv6和灵活接入的新网络结构

目前比较可行的由用户电表传输信息到集中器（或者到变电站等设施位置接入）有2种主要技术：电力线载波（PLC）和无线网络传输。对于居民用户智能电表数据采集和状态监测来说，采用PLC技术通信容量明显不足，主要原因是PLC是多用户共享带宽。另一方面电力线载波技术难以跨越变压器，这样还需要解决跨越小区变电站等问题才可以接入到连接中高压侧的电网公司的骨干网中。

因此，设计的新接入网络结构主要考虑基于无线网络传输的技术途径。ZigBee技术在电能量信息采集与管理系统中应用较为成功。ZigBee联盟提供了 ZigBee Smart Energy Profile协议集和互操作标准。802.11技术是WLAN的主流技术，通信距离远，可以构成MESH网络，扩大网络的覆盖范围。

通过分析上述不同无线网络技术的传输距离、应用成本和对居民小区电表信息收集和状态估计需要网络物理传输容量的分析和比较，提出综合利用ZigBee和802.11技术，并与骨干网形成三级接入拓扑结构的新网络模型，如表1所示。

表1 三级接入网络实施建议Tab.1 Three-tier access Network

新的网络接入结构将在居民电表上普遍安装低成本的ZigBee通信模块，利用其进行短距离的数据收集、远程控制和管理。考虑到建筑物内的Zig-Bee信号传输遮挡等问题，还需要在部分居民智能电表或者户外的智能电表箱处增设ZigBee与802.11双协议的网络协调器 （作为初级数据集中器）。因为建筑的楼板对无线信号的屏蔽更严重，很难直接通过ZigBee通信模块来传输到间隔5个楼层的数据集中设备上，因此计划每5层设置1个802.11的初级集中器。考虑到集中器有2类方式接入到骨干网，因此其布置位置需要认真考虑。对于直接接入有线骨干网的802.11集中器，位置应方便网线施工。对于需要通过802.11其它集中器接入或者中继的，需要选择无线信号干扰少的位置，并且根据附近居民用户家庭使用的WLAN设备的频道情况，尽可能选择与其不同的非交叠信道 （例如802.11b中1，6，11是非交叠信道）。这样既保证了多个初级802.11数据集中器的互联，也避免了对用户家庭无线上网业务的干扰。

这样的多级接入方式还有以下优势：1）初级集中器成为计量装置的通信模式与骨干集中器通信模式的网关。这使得骨干网络变化时，对计量装置的通信模块和接口的影响几乎可以忽略。例如，初期骨干网络是租用电信运营商的无线广域网连接各个集中器，后期电网企业自行建设了光纤骨干网时，可以只进行网络配置修改和替换部分骨干集中器的网络接口。另一方面，计量装置的网络通信模式修改或者更换装置对于骨干没有影响。例如，某小区部分户表升级改造，通信模式由ZigBee到初级集中区改为电力线载波通讯。只需将初级集中器替换或者升级为支持电力线载波即可，不需要改变初级集中器和骨干网络。2）可以在不同设备采用不同的网络技术，因地制宜，降低整体成本。考虑到未来智能电网的需要和电网中电表的数量巨大，国外研究机构和一些电网公司已经在电表的通信模块上使用IPv6技术。

仍以5000户的中等规模居民小区为例，具有10个10 kV变电站，每个变电站接入500个用户，小区还有50个商业用户。假定50个商户在一个单独的2层建筑中，500户居民分布在5个100户的25层高层建筑中。按照上面的网络架构和实施建议，需要的网络设备如下：

50个商户：每户1个ZigBee模块，共需要1个初级集中器。

每个居民楼（100户）：每户1个ZigBee模块，需要5个初级集中器（25层/5=5个）。

整体小区接入1个骨干集中器。

因此，共需要5050个ZigBee通信模块；6个初级集中器；1个骨干集中器。

Zigbee模块的价格在几十元，初级集中器的价格为千元级别，骨干集中器价格约万元。因此，上述小区采集网络的通信设备成本约为20～30万元。考虑到设备的设计使用寿命为8～10年，年设备成本只有2～3万元，每户设备成本低至几十元，远远低于人工抄表成本，并且可以获得实时负荷数据和电网可靠性数据，还可以进一步进行远程负荷管理与控制。

3 基于SNMP的电表信息采集协议

在上述灵活、高效的智能电表接入网络建设后，还需有高效、可靠的智能电表数据传输协议对电表状态、用电信息等进行实时传输。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[6]。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，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）。因此，以IEC62056为基础与标准来进行信息采集。考虑到电表会有较大的数量，未来将采用IPv6协议，基于SNMPv6协议来设计电表的数据采集和管理协议。

论文的基本思路就是将所有电表和集中器都看作网络设备，通过管理机制收集信息，且电表可在发生各种事件时主动通知集中器。具体方法是：将按照固定时间间隔的计量信息通过轮询来发送；将状态变化、可能的故障信息和其他异常信息作为Trap来发送。

通过对电表计量等数据的性质和作用的分析可以知道，不同数据的可靠性要求不同，而且优先级也不同。这就为我们合理利用网络传输能力，减少Trap次数，压缩轮询数据包的发送数量带来了可能。关键方法就是Trap合并机制，将重要性不高的Trap不是生成时就马上发送和处理，而且延迟一段预先设定的方式，每个PDU只包括1个Trap消息，其格式如下：时间，和此时段内再次产生的trap合并起来一起发送。这样就可以减少发送数据包的次数，减少对信道的占用，大大降低数据传输对网络资源的影响。一般的trap发送的报文格式如下：

Version communityPDU TypeEnterpriseAgent Addr GEN Trap Spec Trap Time StampVBs…

其中PDU Type，Agent Addr等字段，对于从同一个设备发送的来说，都是相同的，如果合并发送的话，就只需要发送一次，减少了不必要数据占用的网络带宽等资源。合并的Trap包需要进行少量改动，使得管理者能够拆分开不同的trap原始消息进行处理和保存。采用的方法是使用trap中原来未使用的字段放置信息，并且修改Viriablebindings来指示不同trap的位置信息。修改后的主要处理流程如下。

（1）按照计量要求，动态确定数据优先级，并将数据按照优先级分类。根据电能计量中心的远程控制信息和规则，对智能电表需要通过网络采集的数据分配不同优先级。将固定间隔的电量计量数据分类为一般优先级；将终端报警信息分类为重要信息；将终端故障和掉电状态信息分类为紧急信息。

（2）将计量装置已经分类的数据转换为SNMP报告报文格式。首先将报文采用LZW算法进行压缩，然后将压缩后的数据与优先级信息一起封装为SNMP报告报文。

（3）进行自适应信息报文合并与传输。进一步分成下面的步骤。

步骤1计量装置信息需要通过网络采集时，进行判断。如果是一般优先级信息，启动定时器转到步骤4，否则转到步骤2；

步骤2判断是否重要信息。如果是，就发送信息，并且请求接收方发送接收回执，然后返回步骤1，否则转到步骤3；

步骤3发送紧急信息；

步骤4判断定时器是否超时，如果没有超时，转回到步骤1。如果超时，将超时前的所有一般信息合并为一个整体的SNMP报告报文，进行发送。处理流程如图1所示。

图1 电表计量数据处理流程Fig.1 Flow chart of metering processing

在传统的trap中每个消息都需要发送到管理者，其数据部分为86字节，还需要增加50字节的报文头部信息。

对于上面讨论的小区来说，如果其中5%的信息会发生事件需要发送trap，就需要每天产生大约50万个trap报文。如果直接传输就是：

500000×136字节=68000000字节≈68 MB

假定其中的消息重要性和及时性要求分成3级，并且比例为紧急∶一般∶不紧急=1∶2∶7

可以为紧急消息增加确认和优先标志，一般不改变，不紧急的消息每5个合并成1字节报文。这样不紧急消息合并为960字节报文，通过LZW算法平均可用将该报文压缩掉2/3，实际发送的报文为320字节。

可以计算新数据采集协议发送的数据数量：

50万报文分成5万个紧急的，10万个一般的，35万个不紧急的被合并为7万个报文。

合计的报文数量由50万个减少到22万个，传输的数据量减少为原来的40%左右。

4 结语

为了有效实现智能电表的通信，对电能进行实时、可靠计量，设计了高效、灵活、低成本的居民用户接入数据传输网络新结构。在保证接入覆盖的同时，提高了系统的灵活性与可扩展性，支持底层协议转换和新的IPv6协议。另一方面，提出了基于SNMP的传输协议，将计量装置的采集数据分类为多个类别，根据重要性程度进行分级和传输。在保证有效传输的同时，减少了网络带宽资源的占用，实现了可靠性和经济性的同时提升。

[1]余贻鑫，栾文鹏.智能电网述评[J].中国电机工程学报，2009，29（34）：1-8.

[2]栾文鹏.高级量测体系[J].南方电网技术，2009，3（2）：6-10.

[3]金志刚，刘佳.物联网让电网更智能[J].河北省科学院学报，2011，28（3）：5-9，42.

[4]余贻鑫，刘博，栾文鹏.非侵入式居民电力负荷监测与分解技术[J].南方电网技术，2013，7（4）：1-5.

[5]康伦.基于ZigBee的智能电表系统设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[6]孟珺遐，朱宁辉，白晓民，等.基于DL/T645—2007协议的智能电表嵌入式通信软件研发[J].电网技术，2010，34（9）：7-12.