基于IEC61850标准的AMI系统通信技术的研究

摘 要
IEC 61850标准是为适应电网革新的时代发展需要而制定的一个国际性标准，是全球范围内智能电网发展建设的必备条件。将最新发布的IEC 61850标准和智能电网中重要的组成部分高级量测体系的应用相结合，是智能电网在发展建设过程中不可或缺的一部分，同样也是AMI系统的未来发展趋势。目前国内外对IEC 61850标准的研究大多集中在变电站自动化通信、继电保护以及智能电子设备的信息对象建模等方面，但结合IEC 61850标准的AMI系统的研究和应用却乏善可陈。作为智能电网的四大技术支撑之一，智能电网的全面建设离不开对AMI系统的研究。
本文在深入理解IEC 61850标准的基础上，依据IEC 61850标准的命名规范对AMI系统中的虚拟映像逻辑设备和逻辑节点进行了规范命名，利用其面向对象建模思想为AMI系统中由实际智能电子设备分解出的最小功能单元进行了建模，完成了在IEC 61850标准下AMI系统中功能信息对象模型的定义，并通过XML语言具体描述了AMI系统的配置信息，之后在IEC 61850标准一致性检测平台上对AMI系统的信息对象配置文件进行了在线一致性检测。
其次对IEC 61850标准中的通信服务映射原理进行了阐述，研究了AMI系统通信技术基于制造报文规范的通信服务映射， 并完成对AMI系统的信息对象到制造报文规范的映射，包括AMI系统的对象模型到制造报文规范的映射以及AMI系统的服务模型到制造报文规范的映射，而且根据标准进行了采样值的通信服务映射，然后用XML语言实现了对通信服务的具体描述，之后用一致性检测平台对通信服务进行了在线一致性的检测。
最后研究了基于IEC 61850标准的AMI系统嵌入式以太网通信技术，为智能电表和集中器的嵌入式以太网通信接口进行了设计，完成了嵌入式以太网通信接口的硬件和软件设计，并通过实现的一个简易AMI系统硬件平台结合配用电监控终端主站软件对智能电表中电能数据的传输进行了实验验证。
基于IEC 61850标准的AMI系统通信技术的研究工作，对高级量测体系应用的进一步改进以及智能电网的建设具有非常重要的意义。
关键词：IEC 61850 AMI 信息建模 通信服务映射 嵌入式以太网
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
当前经济快速发展、科技和信息化水平日益提高，但与之伴随的则是全球资源和环境问题的日益突出，为积极应对未来能源短缺危机，因此世界大部分国家都将智能电网的发展作为战略计划，毫无疑问，这会促进电力系统的变革以及科技的创新[1]。面对电网大力改革创新的机遇及其广阔的发展前景，通用电气、IBM以及英特尔等信息产业巨头也开始投入智能电网相关业务。
作为智能电网的四大技术支撑之一，高级量测体系是智能电网发展建设过程中一个非常重要的系统组成部分。高级量测体系（Advanced Metering Infrastructure，AMI）主要由五部分组成：计量主站数据管理系统、集中器、通信信道、智能电表以及用户户内网络。高级量测体系利用双向通信网络通过智能电表定期的获取电力用户的用电相关数据，同时电力部门通过高级量测体系向电力用户侧的智能电表发布实时的电网相关信息，如电价、账单、告警消息等，使电力用户能够及时了解到电网的运行状态。高级量测体系把采集的用户用电信息实时地从智能电表传送到量测数据管理中心，然后通过特定的数据分析工具对电力用户的用电数据进行处理并加以存储，以便分析电力用户的消费特性、负荷分布状况等。通过高级量测体系的双向通信，从而实现了电力用户和电网公司之间的双向互动。可见高级量测体系是智能电表和电网公司之间通信的桥梁。此外，快速发展的通信技术，如电力线载波通信技术、无线公网、无线宽带专网以及光纤以太网等通信技术为高级量测体系的通信提供了很好的技术支持。由此可见，高级量测体系实现智能电网中的许多智能化功能，智能电网的全面建设离不开对AMI系统进行研究[2]。
各国智能电网建设的积极开展使得在开放性、可扩展性以及互操作性等方面具有独特优势的IEC 61850标准成为智能电网发展建设过程中的重要执行规约[3]。随着通信技术的快速发展以及智能电网的发展需求，2010年陆续发布了第二版IEC 61850电力通信标准，其应用得到了大范围的扩展，涉及到变电站之间、变电站与控制中心之间以及电能量测系统等电力系统的各个方面，从而使得智能电网的无缝通信架构的实现成为可能[4]，因此研究IEC 61850 标准对智能电网尤其是和亿万电力用户息息相关的高级量测体系的发展建设具有十分重要的意义。IEC 61850标准第二版的系统信息对象建模采用的是面向对象的UML统一建模语言，从而可以实现设备间的信息交互，实现智能电子设备之间通信协议和通信接口的一致性以及系统中设备间的信息共享。目前国内外对IEC 61850标准的研究大多集中在变电站自动化通信、过程层的网络通信、继电保护及智能电子设备的信息对象建模等方面，但结合IEC 61850标准的高级量测体系的研究和应用却乏善可陈。
本文在已有融合IEC 61850标准应用于变电站自动化及其他系统的研究基础上，提出将最新发布的IEC 61850电力通信标准和高级量测体系的应用相结合，在IEC 61850标准下，利用其面向对象建模思想为高级量测体系中由智能电子设备分解出的最小功能单元进行建模，并具体给出了在IEC 61850标准下建立的高级量测体系中智能电子设备的功能信息对象模型定义，用XML语言对其进行了代码描述，然后研究了高级量测体系通信技术基于制造报文规范的通信服务映射，最后对高级量测体系的嵌入式以太网通信技术进行了研究和设计，这些研究工作对高级量测体系应用的进一步改进具有非常重要的意义。
1.2 国内外研究动态
1.2.1 国外研究现状
国外对于高级量测体系的研究主要集中于无线通信技术在高级量测体系中的应用[5-11]，如短距离微功率无线组网技术、ZigBee无线通信以及其他相关的无线组网技术等。文献[5]把全球微波互联接入通信技术用于高级量测体系，提出一种利用流量调度方案和拥塞控制算法去处理大量的智能仪表设备和潜在的由设备产生的相关突发业务，使得微波互联接入网络可以有效的服务于高级量测体系以及全球微波互联接入多媒体系统。此外，作者还把流量调度方案和拥塞控制算法用于基于无线宽带接入技术的高级量测体系通信中，用以提高系统通信的可靠性、通信速率以及通信的可靠性[5]。
文献[6]提出一种基于无线宽带网络支持的AMI系统，考虑到AMI系统数据传输有限的移动性以及量测设备量大的特点，使得无线宽带接入网络对AMI系统的支持不足，通信效率低。在文章中，作者着眼于增强空中接口和网络协议对运行在一个共享网络与其他部署有无线多媒体服务的智能计量设备的支持，提出了一些增强空中接口和网络协议的方法有效解决了通信量调度、拥塞控制以及流动性管理等有关网络需求问题[6]。文献[10]对基于ZigBee传感器网络无线通信技术的AMI系统进行了研究，该AMI系统可以自动收集用户用电信息、自主进行电能审查和管理，该系统的运行是多通道、跳频、还有潜在的干扰（如WiFi、蓝牙）并存的，作者通过采用双通道合并的方法，使延迟可以改善30%至50%[10]。
文献[12]主要对SCADA和AMI系统近年来的应用级通信协议标准的研究做了一个综述，作者围绕高级量测体系讨论了目前应用于高级量测体系的通信协议标准，指出近两年高级量测体系的通信标准逐步从实体级（如ANSI C12.18）和设备级（如ANSI C12.21）转为应用级（如ANSI C12.22），其原因是应用级通信协议可以有效隔离底层物理网络的配置和执行，并介绍了两种分别在美国和欧洲市场普遍使用的应用级通信协议：ANSI C12.19、ANSI C12.22和IEC 62056-53、IEC 62056-62。这两种标准的目的都是为高级量测体系定制一个高级网状网通信体系，使高级量测体系可以实现高效可靠的数据通信[12]。
此外，对于IE C61850标准的研究与应用西方发达国家一直走在了前面，在国外，主要是欧美国家，早在九十年代就已经开始为实现设备的互操作做了大量的研究试验工作，其中ABB、SIEMENS、AREVA等公司就是智能电网建设及IEC 61850标准制定的发起者及其应用的领头羊。在IEC 61850电力通信规约发布之前，国际几大电力设备制造商如ABB、SIEMENS以及ALSTOM等公司就已经进行了多次系统设备间互操作实验。2004年，ABB、SIEMENS和AREVR在国际大电网会议展会中分别展示了他们公司的基于IEC 61850标准的电力设备产品，这也标志着IEC 61850电力通信标准的成熟并走向了实际应用。

6.2 课题展望
为了使基于IEC 61850标准的AMI系统通信技术可以更快更好的实现为亿万电力用户服务，仍需要对本课题进一步的完善和更深入的研究，主要为以下几个方面：
1、对AMI系统中的信息对象建模进行优化，包括对象类的扩展命名，使系统更好的满足IEC 61850标准的对信息配置的一致性要求；2、进一步深入研究AMI系统通信技术基于制造报文规范的通信服务映射原理及实现，包括对象模型和服务模型的标准化映射实现；3、设计一个稳定可靠的基于IEC 61850标准的嵌入式通信系统。
随着智能电网的逐步推进以及通信技术的快速发展，探讨如何应用IEC 61850标准在智能电网中实现信息对象建模的标准化，智能设备之间通信协议和通信接口的一致性以及智能电网中智能电子设备信息共享中具有十分重要的意义。目前，IEC 61850标准已经被美国的联邦能源管理委员会（Federal Energy Regulatory Commission，FERC）定为未来智能电网建设的一个重要标准，可以预见IEC 61850系列标准由于在互操作性、开放性以及可扩展性方面的独特优势，必将成为智能电网信息通信体系的重要组成部分，基于IEC 61850标准的AMI系统乃至整个智能电网的发展建设必将是电力系统的创新改革趋势，最终实现IEC 61850标准“一个世界，一种技术，一个标准”的宏伟目标。