使用物联网技术的电力监测解决方案——FA55

1.概述

中国的智能电网包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度共六个环节。其中，作为最后1km的用电网络连接着所有最终用户的用电终端，是电能使用和用电信息采集的重要通道，是电网的重要组成部分。用电信息采集是电网公司效益回收的保障。同时，实时、准确的用电信息数据是电网运行决策的基本数据保障，是引导居民用电行为的通信渠道，以及绿色用电的关键技术支撑。因此，用电信息采集通信平台的好坏，直接关系到电网公司的经济效益、稳定运行和绿色环保。

2.用电信息采集通信网络现状和需求

在现有智能电网架构下，用电服务系统主要实现用电信息采集，支持与用户测的信息交互和需求管理。目标是实现计量管理的自动化，从而解决目前存在的一系列用电管理难题，如线损高、人工抄表效率低、电费结算实时性差，中小动力用户的监控、防窃电、限电等，最终通过引导用户的用电习惯，实现“削峰填谷”，促进电网安全、稳定、经济、环保的运行。用电信息采集系统主要管理大量的末端单元——电能表，因此具有如下特点：

1）业务节点多、覆盖面广、地理位置分散；

2）运行环境差；

3）总信息量大，单点容量小；

4）运行维护量大、管理难度大。

上述用电采集业务特点导致用电采集通信网络组网的复杂性和难度。目前中国电网用电信息采集通信网络主要由两部分组成：下行采集网络连接智能电能表和集中器，以及上行回传网络连接集中器和主站系统。两部分网络各自采用不同的组网技术：

1）下行采集网络：PLC、RS485、无线自组网。

2）上行回传网络：GPRS/CDMA。

经过几年的建设和使用，用电信息采集网络暴露出了以下一些问题：

首先，目前的下行采集网络，无论采用何种通信底层技术，都还是厂家的私有协议，各种技术无法互通、无法实现统一管理。

其次，由于采用非标准化非开放协议，需要增加通信前置机、网关等设备实现协议的转换和数据包的解析和再封装。导致整体架构的扩展性差、运维复杂。

再次，由于中间增加了非隧道化的运营商通道以及通信前置机，无法实现从末端智能电能表到采集主站服务器的端到端可视网络连接。用电信息采集通信平台是由一段段的网络连接而成。虽然应用层可达，但网络层无法实现端到端互通。这样，给管理运维带来巨大麻烦，无法实时监测到每一个智能电能表的状态。

最后，GPRS/CDMA技术是租用运营商的网络，虽然可以不受有线光缆的限制，但存在长期投入大和不可管理的问题。尤其是GPRS/CDMA的通信费用每个省级公司一年的费用都要几千万，数目巨大，长期下来造成极大浪费。

因此，如何搭建一个基于标准化开放协议的、端到端可视易管理的、扩展性好的、运维使用成本低的用电采集网络对于电网公司建设未来智能电网具有重大意义。

3.Cisco基于物联网技术的用电采集通信解决方案

（1）方案体系架构

数量巨大的配用电终端决定了未来的智能电网将是世界上最大的一张物联网，作为智能电网的支撑平台，通信网络至关重要。Cisco基于已有的先进IP网络技术基础，投资研发物联网技术架构，为智能电网搭建下一代基于物联网技术的用电采集通信网络。

Cisco物联网架构是专门为电力行业用电信息采集通信平台定制的解决方案。为电力企业提供了一套安全、可靠、可扩展、易管理的通信架构。方案架构如图1所示。

Cisco解决方案采用两层架构：

1）下行采集网实现智能电能表的接入，通过无线自组网络或PLC（窄带低压电力载波）自组网络两种技术汇聚到工业级汇聚路由器CGR1240，解决电能表覆盖的问题。根据小区的具体情况可以灵活选择无线自组网技术还是PLC技术，并且采集网络中无需部署采集器、集中器等非标准化设备，大大提高了网络的可靠性。

2）上行回传网络，实现台区到主站的互连。由汇聚路由器CGR1240通过GPRS/CATV/电力专网等多种技术链接主站系统。由于CGR1240支持无线汇聚和PLC汇聚，并且单台CGR1240可以支持5000个电能表的接入。因此可以根据台区的位置，实现多个台区汇聚到一台CGR1240，从而大大减少租用公网的比例，最终实现运行费用的大幅降低。

图1 思科用电通信解决方案架构

（2）Cisco物联网方案技术架构特点

1）Cisco物联网方案完全采用标准、开放的协议：尤其在物理传输层上重点考虑用电采集网络的环境特性，采用了专为智能电网设计的IEEE802.15.4g标准和兼容性更强的IEEE1901.2 PLC标准，满足用电采集网络环境复杂的要求，如图2所示。(www.xing528.com)

图2 思科物联网通信标准

2）基于IPv6的物联网：智能电能表节点数量巨大，传统IPv4地址空间已经无法满足实际需求。基于下一代互联网技术的IPv6地址空间完全可以满足智能电网未来的发展需求。并且，IPv6地址支持“零配置”，减少电能表部署的复杂操作。

3）端到端IP网络：Cisco物联网架构下的用电采集网络，每一块智能电能表都将具有一个IPv6地址，汇聚路由器CGR1240通过IPsec VPN隧道技术利用运营商或电力专为建立直连的用电采集网络连接主站。主站系统可以通过IP协议直接与电能表通信，无需经过前置机的协议转换，大大提高了通信效率、系统扩展性和可管理性。

4）支持灵活的物理层技术选择：思科物联网方案支持两种业界主要的物联网通信技术：无线自组网和PLC自组网。如图3所示，汇聚路由器可以同时汇聚采用PLC和无线两种不同通信技术的台区集抄网络。

图3 思科用电采集IPv6网络

5）采用IETF标准物联网技术RPL实现电能表的路由：物联网中的节点（如智能电能表），由于CPU、内存、通信链路的稳定性以及供电等多方面的限制，传统IP路由协议（如RIP/OSPF等）是无法满足要求的。因此，IETF组织针对物联网的特点研发和制订了RPL协议（RFC6550）实现物联网中各节点的路由。Cisco方案采用标准的RPL协议实现电能表之间的路由。

6）扩展能力强大：Cisco物联网方案中汇聚路由器CGR1240单台可以支持5000个电能表终端的接入。其中，每个无线终端可以经过8跳无线接力链接到汇聚路由器CGR1240。

7）多层次安全防护：Cisco物联网方案在终端接入上支持802.1X访问控制、MD5数字证书的身份验证；并且通过高强度加密算法实现链路的安全加密，保证数据安全传输。

8）可靠的通信架构：Cisco物联网组网过程自动完成，现场无需人工设置参数。网络具有冗余的数据传递路径，使得网络本身具有高可靠性。路由协议RPL可以根据智能电能表的CPU/内存状态、节点间的通信链路状况、延迟、无线传输功率等进行链路选择，并自动实现故障切换，保证网络的可靠性。

9）优秀的可管理性：Cisco物联网用电采集方案可以通过Cisco CG-NMS管理软件对全网设备包括采用自组网技术的终端设备进行统一的端到端的可视化管理。可以监控到每个终端的状态，包括是否在线、性能、网络丢包情况和延迟功能。第一时间实现故障告警，极大地减少了网络故障时间。

（3）Cisco物联网方案产品组成

Cisco解决方案由三部分组成（见图4）：

图4 思科方案产品组成

1）汇聚设备CGR1240路由器，实现数据回传。硬件设备完全采用工业级设计标准，满足IEEE1613和IEEE61850标准，满足配用电环境的需求。

2）智能电能表通信芯片，嵌入智能电能表，实现电能表的数据采集。

3）Cisco CG-NMS网管软件，实现全网端到端的管理，帮助电力企业用户可以直接通过网络管理软件管理每一块智能电能表终端，实现全网智能电能表通信层面的可视化管理。

4.结束语

通信平台是用电信息采集系统的保障，用电采集通信网络直接影响用电系统的高效可靠运行以及未来的无缝扩展。Cisco基于物联网技术用电采集网络方案为电力用户提供了一套端到端网络化的、可管理的最后1km解决方案。主要体现在如下几个方面：

1）解决了通信协议标准化的问题；

2）搭建了一个基于IPv6开放协议的通信平台，实现了主站系统和智能电表的端到端IP直接通信；

3）极大简化了网络架构，无需采集器、集中器和前置机，提高了系统的扩展能力；

4）多种物联网底层通信技术的汇聚可以实现多个台区的汇聚，有利于减少了运营商的租用费用；

5）端到端的可视化通信管理，利用CiscoCG-NMS网管软件可以集中实时监测和管理所有电能表，大大降低了运维复杂度；

6）基于IPv6的物联网技术为智能电网搭建了坚实的用电侧通信基础平台。

（作者：思科系统（中国）网络技术有限公司 邹松鹤）