歐盟高級計(jì)量架構(gòu)OPEN meter標(biāo)準(zhǔn)體系介紹

陶維青 沙 磊

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009；2.安徽科大智能電網(wǎng)技術(shù)有限公司，合肥 230088)

2007年1月，歐洲委員會采用了能量和氣候改變方案，該方案的主要目標(biāo)是：到2020年，溫室氣體排放量必須減少20%，在歐洲能源體系中，可再生能源必須占20%，同時(shí)歐洲主要能源消耗量必須減少20%。

本地電表供給管理被看作是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。電表供給管理可以通過智能抄表、電力電子控制技術(shù)、現(xiàn)代通信方法和日益增加的有意識的用戶的參與來實(shí)現(xiàn)和加強(qiáng)。智能電表是一種新型信息通信技術(shù)(ICT)的基礎(chǔ)設(shè)施，可以用來提高能量使用效率。智能抄表允許電力用戶在電力市場運(yùn)作中扮演一個(gè)更加主動的角色，同時(shí)允許分布式網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)運(yùn)作中提供更多的幫助，使電力網(wǎng)絡(luò)變成“智能電網(wǎng)”。抄表服務(wù)將在新的網(wǎng)絡(luò)中代替網(wǎng)關(guān)，這會對能量供應(yīng)產(chǎn)生重要的影響。因此，抄表服務(wù)的技術(shù)支撐模塊AMR/AMI(Automatic Meter Reading/Automated Metering Infrastructure)的作用越來越顯而易見。它為供應(yīng)者和使用者提供了溝通的橋梁，提升了用電效率，減少了發(fā)電成本，并減少浪費(fèi)和消耗[1]。

隨著遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，計(jì)量讀數(shù)設(shè)備之間的相互協(xié)作有了更高的要求：要求不同的計(jì)量設(shè)備(電表、氣表及水泵等)統(tǒng)一到相同的數(shù)據(jù)讀取方式下。Open Metering System(OMS)協(xié)議正是為了解決上述要求產(chǎn)生的。其中第三部分規(guī)范的制定是電力標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑?，F(xiàn)在OMS群體的主要目標(biāo)是把這些工作納入歐洲規(guī)范當(dāng)中去[2]。

1 OPEN meter工程介紹①

OPEN meter工程的主要目標(biāo)是為AMI確定一系列標(biāo)準(zhǔn)，以便在相關(guān)利益人的共識基礎(chǔ)上支持抄表。后期，工程擴(kuò)展到現(xiàn)存的AMI體系中的標(biāo)準(zhǔn)差異，同時(shí)也涉及智能抄表中的其他方面(如必要政策、智能抄表功能、通信系統(tǒng)、工程和數(shù)據(jù)格式)。最初的標(biāo)準(zhǔn)在歐洲和國際標(biāo)準(zhǔn)體系中制定，所以它們也在OPEN meter體系中。

2008年，歐洲智能抄表團(tuán)隊(duì)承認(rèn)在歐洲乃至全球范圍內(nèi)，高級抄表基礎(chǔ)設(shè)施的普及存在一些障礙：缺乏一系列廣泛的、可接受的且開放的智能抄表標(biāo)準(zhǔn)，而且在抄表和控制領(lǐng)域中，由不同生產(chǎn)商制造的系統(tǒng)和設(shè)備間的互操作性缺少保證。

歐洲委員會也承認(rèn)這個(gè)障礙，同時(shí)CEN的EC、CENELEC和ETSI發(fā)布了M/441指令試圖克服這個(gè)障礙。這個(gè)指令的目標(biāo)是為具有互操作性的可用儀表發(fā)展開放框架。

標(biāo)準(zhǔn)化組織邀請OPEN meter工程參加標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)布工作。OPEN meter工程從2009年啟動，于2011年順利完成。OPEN meter工程探究和處理的是把AMI擴(kuò)展為歐洲等級，面臨的主要問題是缺乏一系列廣泛被接受的開放的標(biāo)準(zhǔn)以確保系統(tǒng)和設(shè)備間的互操作性，同時(shí)缺乏歐洲國家電表、氣表、水表和熱表的協(xié)調(diào)管理[2]。OPEN meter的主要貢獻(xiàn)是交付了3個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)說明。這3個(gè)說明仍然在M/441指令下工作。同時(shí)，這3個(gè)說明已經(jīng)在工程框架中被發(fā)展和確認(rèn)。

最早從事制定OPEN meter系統(tǒng)的是協(xié)會和通信制造商中的3家公司：Figawa、KNX和ZVEI。他們的主要目標(biāo)是制定一個(gè)開放的、獨(dú)立的、彼此協(xié)作的設(shè)備和界面規(guī)格，使得電、氣、水和熱的通信一體化，主要工作是撰寫詳細(xì)的規(guī)范。

2 OPEN meter系統(tǒng)框架

現(xiàn)存的OPEN meter工程結(jié)構(gòu)基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系M/441智能抄表規(guī)約[3，4]，如圖1所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，中央系統(tǒng)和通信網(wǎng)關(guān)相連，轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)從中央系統(tǒng)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)另一端和智能電表相連。

圖1 歐洲智能抄表標(biāo)準(zhǔn)M/441框架

在OPEN meter工程結(jié)構(gòu)中，所有的網(wǎng)關(guān)任務(wù)都被集中到電表上的原因有：

a. 電表是唯一可以直接和主電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相連的儀表，其他儀表大部分是電池供電，易出現(xiàn)掉電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失等問題；

b. 電表的影響力和滲透力高于其他儀表。Act 2009.72強(qiáng)調(diào)到2020年80%的歐盟用戶都將使用智能電表；

c. 電表是唯一和主電網(wǎng)相連的儀表，且能夠使用PLC技術(shù)把電網(wǎng)當(dāng)做通信網(wǎng)絡(luò)使用。

OPEN meter工程框架如圖2所示。

在這個(gè)框架中，電表又被稱作通信集線器，主要測量產(chǎn)生和消耗的電能。通過一個(gè)MI4接口接收和發(fā)送其他非電氣儀表的相關(guān)數(shù)據(jù)給中央系統(tǒng)或通過MI5接口發(fā)送給用戶室內(nèi)顯示設(shè)備(IHD)。電表/通信集線器受中央系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理，可以使用MI2接口通過WAN直接實(shí)現(xiàn)，也可以使用MI1接口通過LAN間接實(shí)現(xiàn)。為了方便維護(hù)和使用，可以通過本地接口MI3和操作維護(hù)手持設(shè)備(如手持單元HHU)相連。在一個(gè)家庭用戶中，電表主要使用MI1(或MI2)和MI4接口，其他接口可選擇性配置，這樣便于減小電表成本。

圖2 OPEN meter系統(tǒng)框架

運(yùn)營和維護(hù)設(shè)備即手持設(shè)備(如HHU)，一般用于安裝或維護(hù)電表。可以通過MI3接口將現(xiàn)場和儀表相連，它們通過CI3接口對數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行配置。為了防止數(shù)據(jù)集中器和中央系統(tǒng)的通信接口MI2出現(xiàn)連接故障，手持設(shè)備需要具備讀取水表、氣表和電表數(shù)據(jù)的能力。

數(shù)據(jù)集中器(DC)是電表/通信集線器和中央系統(tǒng)之間的媒介設(shè)備。它的主要功能是從電表/通信集線器直接獲取數(shù)據(jù)，或從水表、氣表間接獲取數(shù)據(jù)，或從用戶側(cè)終端設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，通過CI2接口發(fā)送到WAN。中央系統(tǒng)發(fā)送控制命令及網(wǎng)絡(luò)重組命令等通過數(shù)據(jù)集中器利用CI1-MI1接口發(fā)送給電表/通信集線器。這是整個(gè)系統(tǒng)最常用的通信路徑，因此通信的可靠性和安全性需要尤其注意。同時(shí)，DC通過CI3接口和手持設(shè)備相連，以便執(zhí)行本地任務(wù)。DC還可以通過CI4接口選擇性地連接外部智能電網(wǎng)組件等，以便在未來的智能電網(wǎng)應(yīng)用中開發(fā)、利用。當(dāng)需要控制、監(jiān)視分布式變壓器或與其通信時(shí)，即可使用這個(gè)接口。

遺留系統(tǒng)包含技術(shù)和市場系統(tǒng)，如電信企業(yè)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)(Billing)、停電管理系統(tǒng)(OMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)及分布式管理系統(tǒng)(DMS)等，其功能是引導(dǎo)應(yīng)用程序。通過SI3接口實(shí)現(xiàn)和中央系統(tǒng)的通信。中央系統(tǒng)統(tǒng)籌管理所有AMI中相關(guān)的數(shù)據(jù)，如通過WAN中的SI1和SI2接口配置、控制和使用系統(tǒng)中所有的單元。

MUMI1-MI4接口的存在，是抄表系統(tǒng)完成多表合一目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。通信接口可以使用的技術(shù)、協(xié)議和模型有很多，具體見表1。

表1 被選用的技術(shù)和協(xié)議概覽

3 系統(tǒng)接口框架和系統(tǒng)測試

每一層的接口有自身的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框架，采用OSI模型結(jié)構(gòu)。各層采用不同的協(xié)議完成各自功能。下面就OPEN meter中接口使用最頻繁、通信作用最重要的MI1-CI1為例，具體闡述其實(shí)現(xiàn)過程和各層功能。MI1-CI1接口框架如圖3所示。

圖3 MI1-CI1結(jié)構(gòu)

在此接口，CENELEC A頻段的PLC技術(shù)有兩種可供選擇：IEC 61334-5-1、S-FSK PRIME。 在S-FSK方式下工作時(shí)，協(xié)議使用三層OSI緊縮模型，這3層分別是應(yīng)用層(包含應(yīng)用、表示和會話功能)、數(shù)據(jù)鏈路層(包含MAC層和LLC層)和物理層。

物理層在分布式網(wǎng)絡(luò)中提供設(shè)備和物理傳送媒介之間的接口。它使用二進(jìn)制傳輸，以低壓分布式網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，將MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDUs)傳遞給一個(gè)平行的MAC子層。同時(shí)，物理層允許MAC子層實(shí)體請求一個(gè)新的同步和被告知的電力線同步狀態(tài)的變化，這些服務(wù)是提供給本地的MAC子層的。

數(shù)據(jù)鏈路層由兩個(gè)子層組成：介質(zhì)訪問控制(MAC)子層和邏輯鏈路控制(LLC)子層。MAC子層處理物理信道訪問權(quán)，同時(shí)提供物理設(shè)備尋址，為LLC子層提供MA-Data服務(wù)和MA-Sync指示服務(wù)。MA-Data服務(wù)允許LLC子層與其他LLC子層之間交換LLC數(shù)據(jù)單元；MA-Sync指示服務(wù)指系統(tǒng)管理應(yīng)用(SMAE)獲取同步信息，配置設(shè)備狀態(tài)。

無連接傳輸模式LLC子層提供設(shè)備內(nèi)的應(yīng)用實(shí)體尋址、模糊數(shù)據(jù)發(fā)送和要求數(shù)據(jù)回應(yīng)功能。應(yīng)用層使用COSEM體系，提供COSEM應(yīng)用進(jìn)程(AP)服務(wù)，并使用無連接傳輸模式LLC子層提供的功能。

COSEM模型抄表設(shè)備可作為一個(gè)單個(gè)的含有一系列邏輯單元的物理設(shè)備。每個(gè)邏輯單元都是抄表設(shè)備功能性的子集。每個(gè)物理設(shè)備都必須有自己的物理地址和MAC地址，這些地址可在生產(chǎn)制造時(shí)分配(靜態(tài)地址)，或者在注冊入網(wǎng)時(shí)分配(動態(tài)地址)[5]。

工作在PRIME PLC結(jié)構(gòu)下時(shí)，使用的OSI模型子層包括：應(yīng)用層(應(yīng)用、表示和會話功能)、IP網(wǎng)絡(luò)層、TCP傳輸層(基于PRMIE和TCP/IP包裝DLMS/COSEM的IPV4配置文件)、PRIME數(shù)據(jù)鏈路層(由MAC層、CPCS和相應(yīng)的SSCS組成)和PRIME物理層

物理層和S-FSK方式下一樣，提供設(shè)備和物理傳送媒介之間的接口，在相鄰的節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收MPDUs。PRIME物理層使用CENELEC A頻段的OFDM技術(shù)，頻帶范圍為3～95kHz。這在一定程度上限制了電力供應(yīng)和它們的授權(quán)許可。OFDM信號本身含有97個(gè)子載波，具有良好的抗頻率選擇性衰落、易于均衡及頻譜利用率高等特點(diǎn)[6]。PRIME物理層數(shù)據(jù)由MAC層產(chǎn)生，不論這個(gè)數(shù)據(jù)要發(fā)送到其他MAC實(shí)體，還是使用PHY傳輸命令請求發(fā)送一個(gè)物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)給遠(yuǎn)方的一個(gè)或多個(gè)PHY，都允許設(shè)置開始發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間。存在一個(gè)基本單元通知自身MAC層傳送命令是否被執(zhí)行和成功。最后，還有一個(gè)檢測空的PPDU是否到來的單元。

數(shù)據(jù)鏈路層中，子網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)含有兩種節(jié)點(diǎn)類型(基本節(jié)點(diǎn)和服務(wù)節(jié)點(diǎn))的樹形結(jié)構(gòu)?；竟?jié)點(diǎn)是樹的根節(jié)點(diǎn)，作為主節(jié)點(diǎn)提供子網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性，并管理子網(wǎng)絡(luò)的資源和連接。在一個(gè)子系統(tǒng)中，只允許有一個(gè)基本節(jié)點(diǎn)。開始時(shí)子網(wǎng)絡(luò)只含有這個(gè)基本節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)需要通過一個(gè)登記入網(wǎng)進(jìn)程加入網(wǎng)絡(luò)，任何其他子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可看做子節(jié)點(diǎn)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)是樹的葉子節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)開始處于無連接狀態(tài)，并試圖尋找一個(gè)基本節(jié)點(diǎn)或者其他任何交換節(jié)點(diǎn)以建立一個(gè)可連通網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是：通過自身連接整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并傳遞鄰近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

會聚層分成兩個(gè)子層：公共部分會聚子層(CPCS)和業(yè)務(wù)特定部分會聚子層(SSCS)。前者提供一系列通用服務(wù)，后者包含某應(yīng)用層的特殊服務(wù)。會聚層通常會有若干個(gè)SSSC，每個(gè)應(yīng)用對應(yīng)一個(gè)。當(dāng)SSSC在協(xié)議棧中形成，并需要通用部分配合時(shí)，才選擇CPCS，并省略那些用不到的部分。

基本上每個(gè)接口都采用上述類似的模型來完成自身的功能。這樣，OPEN meter的基本框架就建立起來了。在投放運(yùn)行之前，需要試驗(yàn)其實(shí)現(xiàn)的可能性。因此，OPEN meter團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。這個(gè)階段工作的主要目標(biāo)是：

a. 測試早期通信標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)原型；

b. 透徹了解所選標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；

c. 洞悉OPEN meter高級計(jì)量系統(tǒng)組件間的互操作性；

d. 通過對比實(shí)驗(yàn)室測試和室外測試結(jié)果，確定被提議的OPEN meter系統(tǒng)。

測試的目的是：確定室外設(shè)備能夠達(dá)到OPEN meter的要求，同時(shí)保證設(shè)備間的互操作性。測試主要注重的是PLC技術(shù)(S-FSK、PRIME)和上層協(xié)議(DLMS/COSEM)，同時(shí)，在PLC技術(shù)層，后來又加入了G3技術(shù)。在測試過程中，同樣對其進(jìn)行了可操作性研究。

4 系統(tǒng)應(yīng)用展望

OPEN meter系統(tǒng)的提出為高級計(jì)量構(gòu)架的發(fā)展提供了新的動力。其推出的開放的互操作性標(biāo)準(zhǔn)有助于推廣智能抄表，降低投資風(fēng)險(xiǎn)，為將來功能擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的首要步驟。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的智能計(jì)量架構(gòu)將加速創(chuàng)新服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，公用事業(yè)部門風(fēng)險(xiǎn)的降低將轉(zhuǎn)化成消費(fèi)者成本的降低。

隨著OPEN meter系統(tǒng)的發(fā)布，主要的PLC系統(tǒng)和技術(shù)(SFSK、OFDM和G3)將被廣泛使用。有預(yù)測提出，到2020年，歐洲市場中70%～80%的家庭用戶都將安裝智能電表，OFEM技術(shù)(PRIME和G3)將在第一批試點(diǎn)安裝的表計(jì)中使用。

同時(shí)，隨著OPEN meter系統(tǒng)的發(fā)展，其可連通性和互操作性得到保證。可以預(yù)見，未來的發(fā)展中，OPEN meter系統(tǒng)不僅應(yīng)用于智能抄表系統(tǒng)中。在路燈照明系統(tǒng)中，每個(gè)路燈可看做終端設(shè)備，受中央系統(tǒng)的控制，可以考慮使用OPEN meter系統(tǒng)作為路燈照明控制系統(tǒng)的框架[7，8]。同時(shí)，隨著電動汽車的推廣，電動汽車接入電網(wǎng)充電的規(guī)模越來越大，如何系統(tǒng)地管理電動汽車充、放電，實(shí)現(xiàn)電動汽車有序協(xié)調(diào)充電，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷[9，10]，OPEN meter系統(tǒng)似乎也有可取之處。

5 結(jié)束語

簡要介紹了OPEN meter系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和每個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)模型，強(qiáng)調(diào)了PLC通信在框架結(jié)構(gòu)中的重要作用。介紹了系統(tǒng)MI5接口定義，給我國抄表系統(tǒng)中多表合一的實(shí)現(xiàn)提供了模型。最后，歸納了OPEN meter系統(tǒng)的應(yīng)用展望，提出該系統(tǒng)在路燈照明控制系統(tǒng)及電動汽車并網(wǎng)充電等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。