陶维青 沙 磊

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009；2.安徽科大智能电网技术有限公司，合肥 230088)

2007年1月，欧洲委员会采用了能量和气候改变方案，该方案的主要目标是：到2020年，温室气体排放量必须减少20%，在欧洲能源体系中，可再生能源必须占20%，同时欧洲主要能源消耗量必须减少20%。

本地电表供给管理被看作是实现这个目标的重要环节。电表供给管理可以通过智能抄表、电力电子控制技术、现代通信方法和日益增加的有意识的用户的参与来实现和加强。智能电表是一种新型信息通信技术(ICT)的基础设施，可以用来提高能量使用效率。智能抄表允许电力用户在电力市场运作中扮演一个更加主动的角色，同时允许分布式网络在电力系统运作中提供更多的帮助，使电力网络变成“智能电网”。抄表服务将在新的网络中代替网关，这会对能量供应产生重要的影响。因此，抄表服务的技术支撑模块AMR/AMI(Automatic Meter Reading/Automated Metering Infrastructure)的作用越来越显而易见。它为供应者和使用者提供了沟通的桥梁，提升了用电效率，减少了发电成本，并减少浪费和消耗[1]。

随着远程抄表系统被广泛应用，计量读数设备之间的相互协作有了更高的要求：要求不同的计量设备(电表、气表及水泵等)统一到相同的数据读取方式下。Open Metering System(OMS)协议正是为了解决上述要求产生的。其中第三部分规范的制定是电力标准发展的一个重要里程碑。现在OMS群体的主要目标是把这些工作纳入欧洲规范当中去[2]。

1 OPEN meter工程介绍①

OPEN meter工程的主要目标是为AMI确定一系列标准，以便在相关利益人的共识基础上支持抄表。后期，工程扩展到现存的AMI体系中的标准差异，同时也涉及智能抄表中的其他方面(如必要政策、智能抄表功能、通信系统、工程和数据格式)。最初的标准在欧洲和国际标准体系中制定，所以它们也在OPEN meter体系中。

2008年，欧洲智能抄表团队承认在欧洲乃至全球范围内，高级抄表基础设施的普及存在一些障碍：缺乏一系列广泛的、可接受的且开放的智能抄表标准，而且在抄表和控制领域中，由不同生产商制造的系统和设备间的互操作性缺少保证。

欧洲委员会也承认这个障碍，同时CEN的EC、CENELEC和ETSI发布了M/441指令试图克服这个障碍。这个指令的目标是为具有互操作性的可用仪表发展开放框架。

标准化组织邀请OPEN meter工程参加标准化发布工作。OPEN meter工程从2009年启动，于2011年顺利完成。OPEN meter工程探究和处理的是把AMI扩展为欧洲等级，面临的主要问题是缺乏一系列广泛被接受的开放的标准以确保系统和设备间的互操作性，同时缺乏欧洲国家电表、气表、水表和热表的协调管理[2]。OPEN meter的主要贡献是交付了3个开放标准说明。这3个说明仍然在M/441指令下工作。同时，这3个说明已经在工程框架中被发展和确认。

最早从事制定OPEN meter系统的是协会和通信制造商中的3家公司：Figawa、KNX和ZVEI。他们的主要目标是制定一个开放的、独立的、彼此协作的设备和界面规格，使得电、气、水和热的通信一体化，主要工作是撰写详细的规范。

2 OPEN meter系统框架

现存的OPEN meter工程结构基于欧洲标准体系M/441智能抄表规约[3，4]，如图1所示。在这个结构中，中央系统和通信网关相连，转移数据从中央系统到网关，网关另一端和智能电表相连。

图1 欧洲智能抄表标准M/441框架

在OPEN meter工程结构中，所有的网关任务都被集中到电表上的原因有：

a. 电表是唯一可以直接和主电力供应网络相连的仪表，其他仪表大部分是电池供电，易出现掉电导致的数据丢失等问题；

b. 电表的影响力和渗透力高于其他仪表。Act 2009.72强调到2020年80%的欧盟用户都将使用智能电表；

c. 电表是唯一和主电网相连的仪表，且能够使用PLC技术把电网当做通信网络使用。

OPEN meter工程框架如图2所示。

在这个框架中，电表又被称作通信集线器，主要测量产生和消耗的电能。通过一个MI4接口接收和发送其他非电气仪表的相关数据给中央系统或通过MI5接口发送给用户室内显示设备(IHD)。电表/通信集线器受中央系统远程管理，可以使用MI2接口通过WAN直接实现，也可以使用MI1接口通过LAN间接实现。为了方便维护和使用，可以通过本地接口MI3和操作维护手持设备(如手持单元HHU)相连。在一个家庭用户中，电表主要使用MI1(或MI2)和MI4接口，其他接口可选择性配置，这样便于减小电表成本。

图2 OPEN meter系统框架

运营和维护设备即手持设备(如HHU)，一般用于安装或维护电表。可以通过MI3接口将现场和仪表相连，它们通过CI3接口对数据集中器进行配置。为了防止数据集中器和中央系统的通信接口MI2出现连接故障，手持设备需要具备读取水表、气表和电表数据的能力。

数据集中器(DC)是电表/通信集线器和中央系统之间的媒介设备。它的主要功能是从电表/通信集线器直接获取数据，或从水表、气表间接获取数据，或从用户侧终端设备获取数据，通过CI2接口发送到WAN。中央系统发送控制命令及网络重组命令等通过数据集中器利用CI1-MI1接口发送给电表/通信集线器。这是整个系统最常用的通信路径，因此通信的可靠性和安全性需要尤其注意。同时，DC通过CI3接口和手持设备相连，以便执行本地任务。DC还可以通过CI4接口选择性地连接外部智能电网组件等，以便在未来的智能电网应用中开发、利用。当需要控制、监视分布式变压器或与其通信时，即可使用这个接口。

遗留系统包含技术和市场系统，如电信企业计费系统(Billing)、停电管理系统(OMS)、能量管理系统(EMS)及分布式管理系统(DMS)等，其功能是引导应用程序。通过SI3接口实现和中央系统的通信。中央系统统筹管理所有AMI中相关的数据，如通过WAN中的SI1和SI2接口配置、控制和使用系统中所有的单元。

MUMI1-MI4接口的存在，是抄表系统完成多表合一目标的重要环节。通信接口可以使用的技术、协议和模型有很多，具体见表1。

表1 被选用的技术和协议概览

3 系统接口框架和系统测试

每一层的接口有自身的实现结构框架，采用OSI模型结构。各层采用不同的协议完成各自功能。下面就OPEN meter中接口使用最频繁、通信作用最重要的MI1-CI1为例，具体阐述其实现过程和各层功能。MI1-CI1接口框架如图3所示。

图3 MI1-CI1结构

在此接口，CENELEC A频段的PLC技术有两种可供选择：IEC 61334-5-1、S-FSK PRIME。 在S-FSK方式下工作时，协议使用三层OSI紧缩模型，这3层分别是应用层(包含应用、表示和会话功能)、数据链路层(包含MAC层和LLC层)和物理层。

物理层在分布式网络中提供设备和物理传送媒介之间的接口。它使用二进制传输，以低压分布式网络为传输媒介，将MAC协议数据单元(MPDUs)传递给一个平行的MAC子层。同时，物理层允许MAC子层实体请求一个新的同步和被告知的电力线同步状态的变化，这些服务是提供给本地的MAC子层的。

数据链路层由两个子层组成：介质访问控制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层。MAC子层处理物理信道访问权，同时提供物理设备寻址，为LLC子层提供MA-Data服务和MA-Sync指示服务。MA-Data服务允许LLC子层与其他LLC子层之间交换LLC数据单元；MA-Sync指示服务指系统管理应用(SMAE)获取同步信息，配置设备状态。

无连接传输模式LLC子层提供设备内的应用实体寻址、模糊数据发送和要求数据回应功能。应用层使用COSEM体系，提供COSEM应用进程(AP)服务，并使用无连接传输模式LLC子层提供的功能。

COSEM模型抄表设备可作为一个单个的含有一系列逻辑单元的物理设备。每个逻辑单元都是抄表设备功能性的子集。每个物理设备都必须有自己的物理地址和MAC地址，这些地址可在生产制造时分配(静态地址)，或者在注册入网时分配(动态地址)[5]。

工作在PRIME PLC结构下时，使用的OSI模型子层包括：应用层(应用、表示和会话功能)、IP网络层、TCP传输层(基于PRMIE和TCP/IP包装DLMS/COSEM的IPV4配置文件)、PRIME数据链路层(由MAC层、CPCS和相应的SSCS组成)和PRIME物理层

物理层和S-FSK方式下一样，提供设备和物理传送媒介之间的接口，在相邻的节点间发送和接收MPDUs。PRIME物理层使用CENELEC A频段的OFDM技术，频带范围为3～95kHz。这在一定程度上限制了电力供应和它们的授权许可。OFDM信号本身含有97个子载波，具有良好的抗频率选择性衰落、易于均衡及频谱利用率高等特点[6]。PRIME物理层数据由MAC层产生，不论这个数据要发送到其他MAC实体，还是使用PHY传输命令请求发送一个物理层协议数据单元(PPDU)给远方的一个或多个PHY，都允许设置开始发送数据的时间。存在一个基本单元通知自身MAC层传送命令是否被执行和成功。最后，还有一个检测空的PPDU是否到来的单元。

数据链路层中，子网络就是一个含有两种节点类型(基本节点和服务节点)的树形结构。基本节点是树的根节点，作为主节点提供子网络联通性，并管理子网络的资源和连接。在一个子系统中，只允许有一个基本节点。开始时子网络只含有这个基本节点，其他节点需要通过一个登记入网进程加入网络，任何其他子网络节点都可看做子节点。服务节点是树的叶子节点，这些节点开始处于无连接状态，并试图寻找一个基本节点或者其他任何交换节点以建立一个可连通网络。服务节点的任务是：通过自身连接整个网络并传递邻近节点的数据。

会聚层分成两个子层：公共部分会聚子层(CPCS)和业务特定部分会聚子层(SSCS)。前者提供一系列通用服务，后者包含某应用层的特殊服务。会聚层通常会有若干个SSSC，每个应用对应一个。当SSSC在协议栈中形成，并需要通用部分配合时，才选择CPCS，并省略那些用不到的部分。

基本上每个接口都采用上述类似的模型来完成自身的功能。这样，OPEN meter的基本框架就建立起来了。在投放运行之前，需要试验其实现的可能性。因此，OPEN meter团队进行了一系列实验。这个阶段工作的主要目标是：

a. 测试早期通信标准的实现原型；

b. 透彻了解所选标准产品；

c. 洞悉OPEN meter高级计量系统组件间的互操作性；

d. 通过对比实验室测试和室外测试结果，确定被提议的OPEN meter系统。

测试的目的是：确定室外设备能够达到OPEN meter的要求，同时保证设备间的互操作性。测试主要注重的是PLC技术(S-FSK、PRIME)和上层协议(DLMS/COSEM)，同时，在PLC技术层，后来又加入了G3技术。在测试过程中，同样对其进行了可操作性研究。

4 系统应用展望

OPEN meter系统的提出为高级计量构架的发展提供了新的动力。其推出的开放的互操作性标准有助于推广智能抄表，降低投资风险，为将来功能扩展奠定基础，是实现智能电网的首要步骤。同时，标准化的智能计量架构将加速创新服务的实现，公用事业部门风险的降低将转化成消费者成本的降低。

随着OPEN meter系统的发布，主要的PLC系统和技术(SFSK、OFDM和G3)将被广泛使用。有预测提出，到2020年，欧洲市场中70%～80%的家庭用户都将安装智能电表，OFEM技术(PRIME和G3)将在第一批试点安装的表计中使用。

同时，随着OPEN meter系统的发展，其可连通性和互操作性得到保证。可以预见，未来的发展中，OPEN meter系统不仅应用于智能抄表系统中。在路灯照明系统中，每个路灯可看做终端设备，受中央系统的控制，可以考虑使用OPEN meter系统作为路灯照明控制系统的框架[7，8]。同时，随着电动汽车的推广，电动汽车接入电网充电的规模越来越大，如何系统地管理电动汽车充、放电，实现电动汽车有序协调充电，并在此基础上实现电网的削峰填谷[9，10]，OPEN meter系统似乎也有可取之处。

5 结束语

简要介绍了OPEN meter系统的结构框架和每个接口的实现模型，强调了PLC通信在框架结构中的重要作用。介绍了系统MI5接口定义，给我国抄表系统中多表合一的实现提供了模型。最后，归纳了OPEN meter系统的应用展望，提出该系统在路灯照明控制系统及电动汽车并网充电等领域都有很好的应用前景。