智能电网框架下高级测量系统软件的多层结构设计

1、智能电网框架下高级测量系统软件的多层结构设计2011年2月第31卷第1期宇航计测技术journalofastronauticmetrologyandmeasurementfeb.2011vol.31.no文章编号:10007202(2011)01 0041 05 中图分类号:tm933智能电网框架下高级测量系统软件的多层结构设计姚铳赵伟黄松岭(清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京100084)文献标识码:a摘要基于目前提出的ami系统存在的问题，借鉴互联网的网架结构，提出对智能 电网ami系统软件结构进行多层设计,阐述了 ami系统多层结构设计可能带来的好处，并分析了这种 设计的合理性.

2、关键词智能电网ami多层结构互联网multi-layersoftwarearchitecturedesignofadvancedmeasurementlnfrastructureundersmartgridframeworkyaokangzhaoweihuangsong一ling fstatedeylaboratoryofelectricpowersyste m&departmentofelectricalengineerin gtsinghhauniversity,beijing 100084)abstractbasedonthecurrentproblemsoftheami

3、,useforreferencethenetworkstructureoftheinternetjtispointedoutthattheamisoftwaresystemshouldbedesignedasmulti layerstructure.thebenefitsofthemulti一layerstructurearegivenout.therationalityofthedesignisanalyzed. keywordssmartgridamimultilayerstructureinternet1引言电气化技术被认为是人类在20世纪取得的最 伟大的科技成就之一，它推进了人类社会的

4、文明发 展史随着以数字化和网络化为特征的信息时代 的来临，电力工业的发展正面临着新的挑战智能 电网是现代电网的发展方向和目标，它将成为可充 分利用广泛分布的可再生能源的基础设施，有望实 现节能减排，减缓(或维持)气候变暖的-种先进， 等效的途径高级测量体系(ami)是智能电网四 个主要的发展，建设内容之一 它是一个用来集测 量，收集，储存，分析和运用用户用电信息的完整的 网络化处理系统j.最近几年，得益于通信技术和 信息采集，处理，分析，运用技术的长足发展，以及 环境保护方面相关政策，规范，规程的出台，高级测 量体系因其将可能在系统运行，资产管理,特别是 负荷响应所实现的节能减排方面有显着效果

5、，而被 认同应成为电力行业最必要的技术改造升级的项 目之一.在规划或正在建设的服务于智能电网的先进测 量体系中,通信是实现数据传输，命令控制,信息传 递的先决条件和重要基础作为智能电网条件下 ami的通信设施，通信条件或称通信平台，它必须具 有实吋，双向，可靠的特点通过广域通信网络， 宇航计测技术2011篮ami将各种电力用户与电力公司紧密相连,为将来 配电自动化等智能电网功能的实现奠定了网络化基 础.ami实现的系统范围的测量及其结果的实吋可 视性，能够大幅提升现有电力公司的运行和资产管 理水平.ami技术的开发和实施，应当建立通用的 满足未来系统高级应用的通信慕础设施和集成信息 系统，这就

6、要求ami系统需要有强大的软件系统平 台.然而，从所占有的文献资料看,目前已提出的 ami通信平台部分，似乎还未能很好地满足智能电 网条件下先进测量系统的要求.鉴于此，在分析现 有amr系统的通信平台以及ami演示系统中的通 信平台构建方案基础上，借鉴互联网巾多层结构的 设计思想，结合智能电网自身的特点，本文试提出一 种新的智能电网框架下高级测量系统软件结构的多 层设计思想.2传统测量系统存在的缺陷从已经掌握的文献资料看,r前提出的高级测 量系统ami的软件体系结构,大多沿用了现在正在 部分地区使用的自动抄表系统，即amr的体系结 构,这样做的初衷，是为了能够尽可能利用现有的资 源，避免新建高

7、级测量体系可能需要巨大的成本. 现有t动抄表系统能够t动将电费信息等按月，定 吋发送给数据处理中心，实现电能耗用情况的自动 计费.目前,从所掌握的资料上看，己提出的或者在 建设的ami示范工程,均未将己有测量系统结构完 全放弃，重新建设，而大多只是在现有amr基础 上，增加了计量数据管理系统(mdms),用户户内网 (han),分时电价(送给用户)，以及需求响应，负荷 控制，远程开关等功能,以其通过这种功能上的增加 来满足智能电网的需求;所涉及到的通信部分的改 动，主要是将amr的上传频率提高,把按月提供数 据变成了以天为单位甚至是以小时为单位提供数 据;同时在此基础上，构建了双向通信通道,以

8、实现 控制命令，分时电价等信息的传输等但仔细分析 不难发现，这种功能上的增加和改动，还不足以科 学，有效地完成智能电网条件下的通信功能，其通信 系统随着电网整体智能化水平的不断提高，很有可 能将在运行中暴露出存在的问题，具体说来,可能存 在如下缺陷设置是弊端.2.1不利于ami功能软件开发及经网络升级软件 功能在现有amr软件结构系统中,因为软件功能 简单，只需定时向上传输电费信息等即可,所以软 件功能是固化在硕件中的.然而在智能电网条件 下，需传输的数据信息，无疑将突破简单的电费信 息，根据传感器节点执行功能的不同，可能传递电 压，电能，谐波，功率因数，电网运行状态指标，各种 电器的运行状态

9、指标等多种数据信息及参数数据. 因此，智能电表的功能需要全面升级.然而，现有 的ami系统中，软件固化在硬件中，将无法通过网 络环境对软件进行升级如果要更新，就需要更换 表计，即硬件支撑，而这将带来重复建设和较为可 观的浪费.同时，软件固化在硬件中，还会导致软件平台开 发相对缓慢，因为需求并不高这样导致的结果是， 软件平台技术水平降低,可能发生延迟而这无疑 将致使智能电网整体软件功能及水平降低，使智能 电网的可控性和客观性受到影响因此，十分需要 对目前这种功能简单，固化在硬件中的软件结构进 行改造，提升其控制和开发水平，以使智能电网架构 下软件的整体开发水平得以提升.2.2不利于对传输信息的有

10、效控制 由于沿用的是自动抄表系统的软件结构，故现 有的ami演示系统的软件方案大多只增加了传输 数据信息的种类和传输频度.但这样可能导致的问 题是，在传输数据种类大大增多（包括上面提到的 电压，电流濒率，功率因数，谐波，电网运行状态，设 备工作状态,等等），传输密度大大增加（目前所提 出的数据上传频率最低的也达到1次/小时）之同 时,电网的受众群体也越來越大（各种屯力用户有 增无减，且增长迅速），那么，未来智能电网数据处 理中心接受到的数据无疑将是海量的，这对数据处 理中心的数据接收能力和处理能力均提出极大挑 战.这种高密度，海信息量的数据冲击，会给计算机 系统带來沉重负担，甚至有可能发生软件

11、系统崩溃 或自锁保护这还不包括网络节点发生问题吋，数 据中心对特定节点的信息查询，而这在大规模电网 中可能经常发生.因此，一种可能的解决方案是，数据中心并不要 求每个节点在每次信息传递屮都把它所有测得量所 第1期智能电网框架下高级测量系统软件的多层结构设计?43? 有数据信息全发送过来，如一个具备多种测量功能 的智能电表，在电网正常运行状态下,可能只要求其 上传电压,电能量，功率因数等主要信息即可，只在 需要时（如有故障发生时）才传递其他参数如谐波 因数等如此，若能针对不同的情况和条件,做到适 时地，有选择地传输数据和接收数据,无疑将会大大 减少数据处理中心的负担，降低大规模电网运算的 复杂度

12、，而这，肯定也将有利于电网的安全稳定运 行.然而,现有的amr软件通信系统不支持这种将数据分类传送的功能，而只能被动地定时将所有 测得数据信息上传因此，这种软件结构不利于对 传输信息的有效控制.2.3不利于智能电网的整体发展目前，不少学者和研究机构均认可这样一种看 法，即智能电网的发展，将掀起新一轮产业革命，将 引起比互联网发展更加深刻的科学技术，社会生活 的巨大变革;智能电网建设成后带来的效益,将至少 是互联网带来效益的数倍.这种观点的重要支持论 据之一，就是电网的用户数量要远远比互联网用户 数量大得多.互联网建设及应用取得巨大成功的主要原因，在于它最大可能地吸纳了互联网用户的参与，通过 大

13、量用户的参与和利用，使其在不长吋间内取得了 飞速的发展而用户参与的前提，是这个系统能易 于使用户参与进来，并且最为关键的是能给用户带 来效益和好处.智能电网建设架构下的ami系统，正是与电力 用户切身利益直接相关的系统,是所有，各类电力用 户都直接接触并参与其中的系统然而，目前提出 的ami软件系统，由于其具有的封闭性和极高的与 硕件的相关性，使得广大用户难以更实质地参与到 它的发展与建设屮去.而缺少了用户的参与和创造 性地利用，不仅专家学者所预测的智能电网带来的 巨大效益可能无从谈起，甚至智能电网建设的一些 预期目标也很难实现.因此，十分需要对现有ami软件系统进行改造，建立适于双向交互，面

14、向对象，易于操作的软件 平台，在这个平台上,通过电力系统管理者和各类 电力用户的共同努力，才可加快智能电网的建设进 程，使其更快,更好地惠及人们生活质量的提高和 改善.3ami系统软件结构设计的新思路要设计ami系统的软件结构，首先要对ami系 统的特点有清楚地了解.对于ami系统中的毎一 块智能电表，不妨将其看作是ami系统中的一个节 点对于每一个节点，实质上,可以看作是由两个用 户控制的系统一个用户是本地用户，即电力消费 者,而另一个用户是远程控制端，即数据处理中心. 两个用户均对这个节点有控制权，且他们对节点的 控制应是互不干扰的.智能电网作为电网还有其特殊性，因为电网的 互联，可能导致

15、一个地方的电网崩溃,并引发整个电 网的崩溃因此，在涉及电网运行安全方面，木地用 户是不应该触及到的，亦即是要受到相应限制的. 这种权限等级不应是软件权限的限制，因为软件权 限的限制很容易被黑客等攻破.这种权限级别应当 是物理隔离的，即从根本上要杜绝可能来自于网络 的入侵.再者,ami系统与互联网系统的另一显着不同 是，互联网系统具有网状结构，而ami系统具有辐 射状结构特征，因此,ami系统在节点的互联方面有 所不同.智能电网框架下的通信网络由于其与互联网在 结构和功能上具有一定的相似性，可参考互联网进 行其软件结构的设计，但由于安全性的要求,具有远 程控制端和本地电力用户均有控制权，且相互间

16、存 在物理上隔离的特点,ami系统辐射状结构的特点, ami系统的软件结构没计又有特殊性.要在网络中实现通信，必须要有一些约定，即要 有通信协议，即要对通信的速率，传输代码,代码结 构，传输控制步骤出错控制等制定相应的标准为 使两个节点之问能进行对话，必须在它们之间建立 通信丁具即接口，已使得其彼此之间能进行信息交 换通信接口包括两部分:一是硬件装置，功能是实 现节点z间的信息传送;二是软件，其功能是规定双 方进行通信的约定协议通信协议通常由三部分组 成:一是语义部分,用于决定双方对话的类型;二是 语法部分,用于决定双方对话的格式;三是变换规 则，用于决定通信双方的应答关系.宇航计测技术由于节

17、点之间的联系可能很复杂，故在制定通 信协议时,一般是将复杂成份分解成一些简单成份, 再将它们整合起来最常用的整合方式是层次方 式，即上一层可调用下一层，而与再下一层不直接发 生关系.通信协议分层是这样规定的，即用户应用 程序作最高层，而物理通信线路是最低层，并将其间 的协议处理分为若干层,明确规定每层处理的任务, 且也规定每层的接口标准.参考国际标准化组织iso提岀的开放系统互连 参考模型，即着名的osi模型，并结合智能电网ami 系统自身的特点,本文尝试将智能电网ami软件系 统结构的协议规定为物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层,表示层，应用层等共七层，这七层的 结构特点及功能关系是

18、：(1) 物理层一一是网络模型中最低的一层，是实现系统通信媒体的物理接口ami系统互联时， 必须通过传输媒体传输媒体是建立物理链接的基 础，但物理链接的建立，保持和拆除，需要通过物理 层的功能來实现.(2) 数据链路层一一当计算机与终端进行通信时，由于传输媒体存在衰减，杂音，传输延迟和信号 干扰等，对信息传输的质量影响较大.为在现实的 非理想通信媒体条件下能可靠传输数据，所以要设 立数据链路层该要层能在两个网络实体z间提供 功能性和过程性方法，以建立,维持和释放数据链路 通路.(3) 网络层一一网络层处在数据链路层与传输 层之间，向传输层提供服务，同时接受来自数据链路 层的服务对于网络层的基本

19、要求是，在网络连接 的条件下，能透明地传送数据网络层的主要功能 有:逻辑链接管理;选择路由和交换,向上实现多路 连接;分段和分块;差错检验和恢复;编排顺序;数据 流控制;完成给定的服务内容;通知对方;复位;服务 选择;网络层管理等.(4) 传输层一一物理层，数据链路层属于通信 子网;应用层属于资源子网，即信息处理系统;而传 输层则位于通信子网与资源子网之间，起着桥梁的 作用，填补了通信子网所提供的服务与资源子网所 要求的服务z间的间隙.(5) 会话层一一提供一种有效的方法，以组织并协调两个表示实体之间的对话，并管理它们之间 的数据交换也就是说，会话层负责在应用进程之 间建立，组织并同步对话，负

20、责检查和恢复与语义及 上下文有关的传送差错.(6) 表示层一一网络中各系统传送信息的表示 方法会随系统特点的不同而有差界表示层就负责 不同信息表示方法的转换，即表示层主要为信息传 送提供表示方法，如代码转换，字符集转换，数据排 列方法转换等.(7) 应用层应用层是网络模型中的最高层，它直接面向用户,为用户提供工作环境一一给于个交换信息的窗口.人们看到和用到的应用程序 大部分都属于此层由于智能电网的ami系统节 点具有受两个控制端控制这一特点，故该系统软件 通信的应用层也应分为两个部分，即用户层和远程 控制层，且述要实现它们之间的物理隔离.4j.4ami系统软件结构按多层设计带来的好处木文试提出

21、的ami系统软件按多层结构来设 计,主要是希望解决现有ami软件系统结构存在的 缺陷和问题软件结构若按多层设计，那么，智能电 表等ami系统节点的软件功能就不必再固化在硬 件中，而只是增加数据解析部分，将软件功能通过数 据解析，让硬件识别和应用即可这样，为扩大智能 电表功能，提升智能电表性能，无需更换表计硬件， 可促进适于智能电网ami系统的软件开发,也有利 于ami系统的功能通过网络实现升级j.对ami系统的软件按多层结构进行设计，且在 最高层即应用层的用户端和远程控制端做分隔式设 计，将有利于远程控制端可靠地对本地进行控制，使 其上传所需要的数据时，不会影响到本地用户的运 行，例如本地用户

22、依然可以对电费费率等信息进行 查询这样，我们就能够实现负荷侧（用户侧）和系 统侧很好的交流.ami系统的多层结构设计，是适于ami系统安 全性，辐射状网络特点的，它将有利于ami系统软 件平台的建设，也将很好地体现其面向对象的特点， 使用户易于操作，并能更好地参与到智能电网的建 设中来.有了用户的更广泛参与，智能电网的很多 目标将可能很快，更好地得以实现.第1期智能电网框架下高级测量系统软件的多层结构设计5ami系统软件结构多层设计的合理性提出这样一种新的ami体系设计思路，针对的 是从查阅资料，调研已有的ami示范工程中注意到 的问题，利用这种多层结构，从理论上讲，能够较好 地解决我们所发现

23、其还存在的一些问题.之所以认为应采用计算机互联网的多层网架结 构来构建ami系统的软件，是基于如下的考虑:尽 管正在建设的智能电网和互联网相比,在具体功能， 设计考虑上有所不同，网络结构各有特点，但两者z 间也有很大的相似性，因此，其功能,设计上也应当 能够进行相互的借鉴.其次，互联网是一个技术上非常成熟的大型互 联网络的典型，其多层结构设计的相关标准,已经过 了 ibm和dec等公司的实践运行，最终由国际标准 化组织iso针对实际运行情况以及对于未来发展的 考虑，提出了这种网络体系结构通过近三十年的 实际运行，这种多层结构设计有力地保障了互联网 的高速发展，且经大量的实践检验被证明是非常成 功的.而智能电网与互联网有很大的相似性，因此 也有理由推论，这样的结构能够为智能电网ami体 系发展提供有益的帮助.6结束语智能电网框架下ami的功能，将远超过现有白 动抄表系统及相关测量监控设备分立功能的总和， 能够智能，准确，安全，可靠，高效，快速地完成电力 系统中的所有计量测试任务，是智能电网的重要技 术支撑和实现基础鉴于此