实用化智能计量架构AMI关键技术及解决方案.pdf

l 落 2 0 1 0 第二十届中国电工仪器仪表产业发展论坛暨展会 智能电网与a m i 技术 13 i e c6 2 0 5 6d l m s c o s e mt r m n i n gp a c k a g e p a r t1o v e r v i e wv i e n n a 1 s to c t o b e r2 0 0 7 1 4 1i e c6 1 3 3 4 5 1d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nu s i n g d i s t r i b u t i o nl i n ec a r r i e rs y s t e m s p a r t5 1 l o w e rl a y e r p r o f i l e s t h es p r e a df r e q u e n c ys h i f tk e y i n g s f s k p 如卜 f i l e 实用化智能计量架构a m i 关键技术及解决方案 英惠德 曾俊 兰吉尔仪表系统 珠海 有限公司 广东省珠海5 1 9 0 6 0 摘要 本文列举了实用化a m i 方案必须面对的几个关键技术 数量巨大的表计设备管理 双向数据信 息交换显示 多能源计量一体化 表计设备可互换性 然后介绍了兰吉尔智能计量架构a i m 产品解决这些难 题的方法及技术 关键词 a m i 口智能计量架构 a i m 口兰吉尔a m i 产品 p l c 口电力线载波技术 a m r 口自动抄表系统 p l a n 口电力线载波网络 k e yt e c h n o l o g yi np r a c t i c a la m i i m f e l dj o e b i l lz e n g l a n d i s g y rm e t e r s s y s t e m s z h u h m c o l t d g u a n g d o n gz h u h m51 9 0 6 0 a b s t r a c t s u m m a r yk e yt e c h n o l o g yi na m i h a n d l eh u g ea m o u n to fd c m e t e r s t w o w a yd a t ae x c h a n g e m u l t i e n e r g ym e t e r i n g i n t e m p e r a b i l i t yo fd e v i c e t h e ni n t r o d u c em e t h o d sh o wl a n d i sg y ra i ms o l u t i o nt or e s o l v e k e yw o r d s a m i a d v a n c e dm e t e r i n gi n f r a s t r u c t u r e a i m l a n d i sg y ra m is o l u t i o n p i e p o w e rl i n ec a r r i e r a m r a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g p l a n p o w e rl i n el o c a la r e an e t w o r k 0 引言 本世纪初 智能计量架构a m i 在欧洲 北美等 发达地区得到了广泛的 普遍的应用 架构的实施给 能源管理和电网可靠性方面带来全新的变革 实现 了用户表计端和能源公司管理系统端之间的双向数 据信息传输 基于这种双向数据信息传输 可为能源 用户提供更宽泛的数据信息和功能 包括价格变更 信息 需求侧响应 以及自动负荷选择等 从而大大 增强电网的使用效率和可靠性 此外 能源用户也将 从中受益 除了能获取更丰富的信息外 还将拥有更 多的选择 可以更快捷和高效地管理自己的能源消 耗量 降低能源消耗对环境的影响 近年来 为响应国家电网公司提出的 建立统一 坚强智能电网 智能用电与可持续发展 等号召 业内企业推出了各具特色的解决方案 各自在不同 的范围内正逐步试点运行 众多厂家 技术多样 多 种规范都在使用 百花齐放 百家争鸣 不管采用什 么技术 选择哪种方案 都无法回避a m i 必须面对 的几个关键技术 1a m l 关键技术 1 1 数量巨大的设备管理 纵观欧美地区应用成熟的a m i 项目 可以看出 a m i 项目所要管理表计设备数量非常巨大 一个普 通智能计量系统所要的管理表计设备 少则2 0 一3 0 1 0 1 譬2 0 l o 第 f 月中周电工仪器仪表产业发展论坛暨展台 万 多的成百上千万 如兰吉尔2 0 0 6 年为罗马 a c e a 实施的项日 已接 电能丧计1 5 0 万只 随着 项目的推进 还将接八8 万只煤气表与水表 兰吉 尔为瑞典e o n 宴施交钥匙工程 接 3 9 万只表计 包括有民h 电毹表 工商业电能表 段煤气表 再如 采用兰吉尔方案的美崮加利福尼亚州太平洋天然气 及电力公司 p g eu s ac a l i f o m l a 系统需要接人 4 0 0 多万天然气表及5 0 0 多万电能表 面对如此巨 量设备 系统架构设计 软件功能设计必须充分考 虑 并提供相应自动化流程才能满足实际应用 12 跹向数据信息持输 从微观上来看 a m i 主要功能不外乎两个方面 其一是从用户表计端获取用户能耗数据 设备运行 状态信息等 从而实现能源耗用的远程自动计量 计 费 其二是将用户实时能耗数据 价格变更信包 负 荷限制信息等从能源供应商反发送到用户端 从而 指导用户合理用能 安全生产 冈此数据信息的双向 交互 是a m i 必须面对 解决的问题 13 多种能源计量一体化 社会在进步 国家在发展 一个普通家庭拥有 电 热 水 气四表已成现吏 因此未来的a m i 方案 必须要考虑多能源一体化自动计最 随之而来的a 一 西醢西强砸正 o 智能电屑与a m l 技术 m i 系统必须能和多种能源供应商的系统接口 从而 要求a m i 提供通用 标准的接1 2 1 规范 14 符台国际标准规范 a m 系统涉及大量表计设备 无论从项目实施 的角度 还是能源供应商设备采购的角度 系统必须 面对多个厂家表计设备的接 这客观上要求系统 设备有一致的接口 符台统一的规范 从这个意义上 考虑 借用国际标准 如采用 遵循 e c 相关标准必 是系统最佳选择 2 兰吉尔a i m 方案介绍 兰吉尔是智能计量架构a m i 领域的主要供应 商 其智能计量架构解决方案 a i m 基于开放平台 设计 遵循国际i e c 系列标准 采用当今领先 成熟 n r 靠的技术 涵盖电 热 水 气多能源计量 是一真 正意义上的 宴用化的智能计量架构方案 为现代能 源供应企业提供了全面 完善 优异的整体解决方 巢 a i m 方案在欧洲 北美等地已安装超过3 0 0 套 覆盖计量点超过2 0 0 0 万 已被广泛证明为可靠 稳 定 实用的解决方案 兰吉尔a i m 由三个部分组成 主站系统 通讯 系统 计量设备 其系统架构如图卜l 所示 i 主站系统c e n t r a l s y s t e m b i n i o s 面丙匦蝥 r 1 芦 u j l 葛 2 0 1 0 第二十届中国电工仪器仪表产业发展论坛暨展会 智能电网与a m i 技术 是系统的核心 由一系列软件功能模块组成 主 要包括 d a t am a n a g e m e n t 数据仓库管理模块 o p e r a t a rd e s k 维护工作站模块 a m r 数据采集模块 s i t e m a n a g e r 现场经理模块 a i m i a 数据接口 模块间相 互协调 又独立工作 共同构成整个a i m 主站功能 通过o p e r a t i o nd e s k 维护工作站 管理员可编辑 配置集中器 表计参数 定义数据采集内容 时间 启动a m r 数据采集模块 采集集中器 表计中保存 的能源计量数据 通过数据有效性 合理性检查后 计量数据被保存到o r a c l e 数据仓库中 等待用户访 问或其他模块的进一步处理 借助o p e r a t i o nd e s k 维护工作站 管理员可随时 查询某个计量点的能源耗用量 实时监测重点用户 的能耗情况 设备运行状态 必要时可进行远程能源 供给与切断 另一方面 能源价格变动 负荷限制信 息也可经由通讯系统发送到用户端集中器中 再传 给用户e c o m e t e r 室内用能显示器显示 借助s i t em a n a g e r 现场经理模块 集中器 表计 安装方案 工作排期可自动完成 s i t em a n a g e r 以地 理信息为蓝图 结合电力公司安装计划 用户的用能 合同等信息 自动排期表计设备安装工作单 安装工 作单可下载到手持p d a 设备 帮助安装人员完成表 计设备安装 现场安装完成后 信息通过g p r s 传回 主站 主站根据信息自动完成表计设备参数配置 立 即可与表计设备通讯 2 通讯系统 通讯系统是主站系统与计量设备联络的桥梁 客户端集中器 表计中保存的计量数据必须经由通 讯系统上传到主站系统 主站系统发布的价格信息 负荷限制信息等也要经由通讯系统传递到客户端 通讯系统支持常用g p r s 网络 i n t e r n e t 网络 光 纤数据网络 透过d l m s 规约实现主站与设备之间 的数据信息传输 3 计量设备 安装在能源计量现场 用于能源计量及数据传 输 主要包括集中器 p i e 采集器 电能表 热表 水 表 气表 室内用能显示器e c o m e t e r 等 数据集中器d c 通常安装在中压 低压变电 站 负责管理p l c 网络 与p l c 电能表通讯 执行主 站下发的定时任务或立即任务 从表计采集日用能 量 小时用能量 表计事件等 保存在d c 本地 准备 随时上传主站 d c 与p l c 电能表可直接通讯 与普通电能表可 借助p l c 采集器通讯 与其他能源计量表通讯 电能 表作为主计量点 提供数据通讯的 网关 所有的子 计量点 热 水 气表 通过m b u s 方式连接到主节 点 或借助表计自带r f 模块 通过m b u s r f 转换 器 连接到主节点 由主节点采集其能源数据 再上 传数据到集中器d c 所有集中器d c 安装有g p r s 模块 所有电能表 e m e t e r 安装有g p r s 模块或p i e 模块 p l c 模块将 电能表数据上送集中器d c 再由d c 通过g p r s 上 传主站 g p r s 模块可直接将电能表数据上传主站 不需d c 转存 p i e 模块与d c 间通讯完全遵守 i e c 6 1 3 3 4 标准 d c 与主站或g p r s 表与主站间通讯 完全遵循i e c 6 2 0 5 6d l m s 标准 任何符合这些标准 的电能表 集中器可在同一系统互换使用 室内用能显示器e c o m e t e r 安装在用户室内 以 r f 方式与主节点电能表通讯 显示用户当前各种能 源耗用信息 二氧化碳排放量 主站下发的价格变 化 负荷限制等信息 3 兰吉尔a i m 关键技术 3 1 巨量设备管理技术 a i m 在架构设计 功能设计上充分考虑了智能 计量架构方案面必须面对的巨大数量设备管理 从 而提供了一套切实可行 方便实用的自动化工具 简 化系统实施 提高效率 掌s i t em a n a g e r 现场经理 s i t em a n a g e r 是一现场设备安装自动排期工具 以地理信息系统为蓝图 结合电力公司安装计划 用 户的用能合同等信息 自动生成最优的设备安装路 径及排期 这些信息被下载到现场安装人员的手持 p d a 中 现场安装人员依据指定的安装线路 排期进 行现场设备安装 一旦设备安装完成 现场设备安装 信息可通过g p r s 传回主站 主站即可自动生成设 备配置参数 立即可与设备通讯 此工具大大简化设 备安装调度工作 保证多个现场人员协调并行工作 可极大缩短系统表计设备安装周期 自动化集中器d c 安装 集中器d c 通常安装在中压 低压变电站 与主 站采用g p r s 或以太网进行通讯 与电能表通过 p l c 网络通讯 现场安装的必要信息 如i p 地址 电 话号码 i d 等 可以从生产工厂设备文件导入 也可 以从s i t em a n a g e r 模块导人到主站系统 采集数据对 一1 0 3 一 l i 2 0 1 0 第二十届中国电工仪器仪表产业发展论坛暨展会智能电网与a m i 技术 象由主站根据安装参数自动生成 至此 主站可以建 立与d c 的通讯 从d c 读出其自身的设备序列号 从而在主站建立d c 的唯一标识 之后 有关此d c 的数据定义及必要参数从主站下载到d c 一组标准 通用的任务 如数据采集任务 p l c 网络管理任务 表计侦测任务 也同时被下载到d c 至此d c 可以 自动开始工作 管理p l c 网络 侦测网络上接入的电 能表 采集表计数据 簟自动化p l c 表计安装 新安装的p l c 电能表能被d c 自动侦测到 并 加入到d c 的 新安装电能表 列表中 d c 总是定时 侦测p l c 电能表 通讯配置是自动完成的 因此现场 安装人员并不需要精通p l c 技术 电能表安装完成 后 只要检查电能表通讯单元上l e d 灯指示电能表 与p i e 网络已经同步就可以离开 如果p l c 电能表是被首次侦测到 d c 将设置电 能表的时钟 并读出电能表i d 及电能表配置参数 填入d c 本地 已连接电能表 列表中 主站通过定 期检查d c 的 已连接电能表 列表 从而发现新安 装的电能表 新电能表的制造商序列号 m s n 能源 公司序列号 u s n p a r a m i d 计费类型 c o n f i g i d 电能表类型 被一并送给主站 另一方面 用户的 合同信息 如街道 地址等 可从其他系统导入主站 并链接到新电能表属性上保存在数据库中 至关重要的一步是将表计数据链接到u s n 因 为u s n 不是每次和表计数据一起读出 下面的步骤 可以保证表计数据与u s n 准确链接 电能表第一次安装在p l c 网络时 其自己标 识自己为 新 状态 只有 新 状态的电能表被d c 侦测到后 d c 才对其进行登记操作 登记时 d c 读出电能表的u s n 并分配一固 定唯一m a c 给电能表 d c 负责维护u s n 与m a c 映射表 m a c 由m s n p a r a m i d c o n f i g i d 共同组 成 一旦m a c 分配完成 电能表将自身的状态从 新 该变成 已登记 至此 它只能被登记它的d c 寻址访问 数据交换的每帧报文中包含有d c 的i d 及电能表的m a c 从而保证电能表数据可以正确链 接u s n 上 任何换表或换d c 动作发生 电能表将强制改 变自身为 新 状态 从而导致电能表被重新登记 一1 0 4 一 d c 更新电能表u s n 与m a c 映射表 d c 为每只电能表独立存储其计量数据 以 m a c 或u s n 作标记 p i e 电能表的自动安装 电能表数据的自动链 接 可大大简化系统设备的安装 数据维护 是应对 巨量设备的理想方案 计量数据定时上报机制 为应对巨量表计的数据采集 提高系统通讯效 率 对p i e 表计 其计量数据先由d c 自动采集并保 存在d c 本地 然后由d c 根据上传任务定义 主动 上传主站 一改过去由主站主动发 终端相应的数据 采集模式 此举大大提高通讯系统的使用效率 3 2 数据信息双向传送方案 兰吉尔a i m 方案 除了一般系统提供的从客户 端表计 集中器向主站端传输能源计量数据功能 同 时也能将能源价格信息 负荷限制信息等从主站端 反向传送到用户端 在用户室内用能显示器e c o m e t e r 上显示 以帮助客户随时掌握其自身能源耗用情 况 及能源价格变动信息 负荷限制信息 客户可以 更有效计划自己用能方案 3 3 多种能源计量一体化 兰吉尔a i m 方案 包含了电 热 水 气所有能 源耗用的自动计量 现场实施方案可根据用户的具 体环境 采用m b u s 接入方式 或m b u s r f 转换 器接入方式 可以满足几乎所有用能环境计量 3 4 符合国际标准平台 a i m 主站方案架构遵循国际化标准 任何第三方 表计 只要符合下列标准 即可无缝集成进a i m 系统 可与其他设备互换使用 与其它设备共同构成完整解 决方案 a i m 的标准化 按体现在如下几个层次 幸数据模型 系统数据模型独立于通讯信道及通讯规约 采 用i e c6 2 0 5 6 6 1 6 2 数据模型 所有计量数据对象遵 循d l m s c o s e m 标准 数据对象的标识用o b i s 代 码 数据传送按i e c6 1 3 3 4 6 以a x d r 方式编码 p l c 通讯 p i e 通讯完全遵循i e c 标准 没有任何厂家自 定义规范加入其中 因此系统中使用的任何设备可 以由其他设备制造商提供 无缝集成到系统使用 p l c 网络层 遵循i e c6 1 3 3 4 5 1 1 5 1 2 d c 主站 定时发送 d i s c o v e rr e p o r tr e q u e s t 服务 如果某只电 能表处于 新 状态 电能表将传送自己的s n 给d c 蓉 2 0 l o 第二十届中国电工仪器仪表产业发展论坛暨展会 智能电网与a m i 技术 并从d c 获得网络地址 从而建立d c 于电能表的 p l c 网络连接 应用层 遵循i e c6 1 3 3 4 4 4 1 d l m s 被用在应 用层 支持短名寻址 l l c 子层 遵循i e c6 1 3 3 4 4 3 2 一种压缩逻辑 链路控制 m a c 子层 遵循i e c6 1 3 3 4 5 1 每个电能表可 以被用作中继器 物理层 遵循i e c6 1 3 3 4 5 1 采用s f s k 扩频 型移频键控机制 幸g p r s 通讯 g p r s 通讯遵循如下标准 a p p l i c a t i o nl a y e r d l m s i e c6 1 3 3 4 4 4 l i e c 6 2 0 5 6 5 3 n kb e h d l c i e c6 2 0 5 6 4 6 t r a n s p o r tl a y e r t c p i m e m e t i p a c c e s s p p p s e r v i c e g i 瑕s 4 结束语 本文列举了实用化智能计量架构a m i 必须面 对的几个关键技术 然后详细介绍了兰吉尔a i m 产 品应对这些问题的方法 架构 特别是任何方案产品 必须采用国际标准 开发平台 提供系统表计设备的 可互换性 最大限度保障项目投资的利益 这对国内 目前正在倡导 推广 建立智能计量架构解决方案提 供了有价