能源数据传输接口协议及标准

能源系统是一个复杂系统,以电力行业为例,其涉及发电、输电、变配电、用电以及信息安全等诸多环节,为保证安全、稳定运行,电力系统大量使用了网络通信与信息技术,实现了对生产与管理的信息收集与控制。目前,发电、输电、变配电、用电和调度系统各个环节都有网络通信技术对生产与管理进行支撑。现有的通信标准大多针对特定需求,在不同的历史阶段制定,种类很多。控制中心(能源管理系统EMS)的软件接口标准遵循IEC 61970或IEC 61968标准;控制中心与变电站之间遵循IEC 60870等标准;变电站自动化系统内部则遵循IEC 61850标准进行通信。

电力能源数据信息采集通常被划分到用电环节。从长期以来的用电网络建设来看,我国历史上电网缺电严重,加上“重发、轻配、不管用”的影响,用电系统的建设相对薄弱,自动化、信息化的程度相对较低,从时间上来看,在20世纪90年代全面推广应用电力负荷控制系统之后,才迎来了电力能源数据信息采集的快速发展时期。

随着电力负荷控制系统采集功能应用的逐步扩大,在大用户、台区监测及居民抄表应用中也部分投运了配变监测系统和居民集抄系统。但是,由于各系统分别建设,没有很好地整合各种系统资源,主站软件对多种信道的综合运用能力存在不足,目前应用的有230MHz无线专网、GPRS/CDMA无线公网、电力线载波等,缺乏统一管理,存在重复建设、信道资源利用率低等问题。

针对这种情况,在国家电网公司主导下,电力行业标准化技术委员会修订了DL/T 698《电能信息采集与管理系统》。它系统规范了电能信息采集的主站、信道、终端的功能、性能,其范围涵盖了所有上网关口、变电站关口和考核各类电力用户、公用配变的所有计量点,并可构成一个整体的从发电上网到用户消费的全过程电能信息采集。

3.1.2.1 电能信息采集与管理系统的架构

电能信息采集与管理系统的物理结构如图3-2所示。

从图3-2a可以看出,电能信息采集与管理系统的结构通常有三层。第一层是主站,是整个系统的管理中心,负责整个系统的电能信息采集、用电管理以及数据管理和应用等;第二层是数据采集层,负责对各采集点电能信息的采集和监控,包括各种应用场所的电能信息采集终端;第三层是采集点监控设备,是电能信息采集源和监控对象,如智能电表和相关测量设备、用户配电开关、无功补偿装置以及其他现场智能设备等。通信网络负责系统各层之间的数据传输,可以使用专用或公用、有线或无线通信网络等各种形式,从通信方向上可以分为数据采集层至主站的上行信道、数据采集层至采集点监测设备的下行信道。

需要说明的是,数据采集层的主体是电能信息采集终端,负责电能信息的采集、数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的各种控制指令。按照不同的应用场所,电能信息采集终端可以分为厂站采集终端、专变采集终端、公变采集终端和低压集中抄表终端(包括低压集中器和低压采集器等)几种类型,如图3-2b所示。

图3-2 电能信息采集与管理系统物理结构

3.1.2.2 上行信道的通信协议

上行信道包括主站与电能信息采集终端之间的数据传输,以及主站与直接通信的电能表通信单元间的数据传输,这两种数据传输的通信协议目前都采用DL/T 698.41—2010《电能信息采集与管理系统第41部分:通信协议—主站与电能信息采集终端通信》。

在上行信道的通信协议中,采用了异步传输帧格式,如图3-3所示。

定义了以下传输规则:

(1)线路空闲状态为二进制1。

(2)帧的字符之间无线路空闲间隔。

(3)如按规则(5)检出了差错,两帧之间的线路空闲间隔最少需33位。(www.xing528.com)

(4)帧校验和CS是用户数据区的八位位组的算术和,不考虑进位位。

(5)接收方校验。对于每个字符:校验启动位、停止位、偶校验位。

图3-3 异步传输帧格式

对于每帧:①检验帧的固定报文头中的开头和结束所规定的字符以及规约标识位;②识别2个长度L;③每帧接收的字符数为用户数据长度L1+8;④帧校验和;⑤结束字符;⑥校验出一个差错时,校验按规则(3)的线路空闲间隔;若这些校验有一个失败,舍弃此帧;若无差错,则此帧数据有效。主站和终端之间的传输服务被分为三种,见表3-1。

表3-1 主站和终端的传输服务

在协议中,将通信内容分为两大部分,即链路层和应用层,其中链路层规定了数据的长度、控制域和地址域,应用层规定了功能码、帧序列域、数据单元标识、数据单元格式、附加信息域。基本的原则是,链路层用来明确终端的地址、唯一性标识及主站和终端要进行的操作方向和命令内容,应用层用来响应请求、处理请求和按协议中规定的格式来传输数据,适用于点对点、多点共线及一点对多点的通信方式,适用于主站对终端执行主从问答方式以及终端主动上传方式的通信。

3.1.2.3 下行信道的通信协议

下行信道主要指的是集中器与电能表之间的通信,或采集器之间的数据传输。协议中规定了主从结构的半双工通信方式,集中器为主动站,电能表或采集器为从动站。每个电能表或采集器均有各自的地址编码。通信链路的建立与解除均由集中器发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从动站地址域、控制码、附加信息域、数据域长度、数据域、帧信息逐比特校验码及帧结束符8个域组成。每个域由若干字节组成。

下行信道的数据传输帧格式如图3-4所示。

图3-4 下行信道数据传输帧格式

协议中对控制码进行了约定,明确了数据传输方向、从站应答标志,约定了读数据、读通信地址、写数据、广播校时、写地址、更改通信速率、清零等功能码。

同时,协议中对数据域进行了规范,约定数据域包含数据标识、密码、数据等,其结构随功能码不同而改变,传输时发送方按字节进行加33H处理,接收方按字节进行减33H处理。

在传输时,所有的数据项传输次序为先传送低位字节,后传送高位字节。每次通信都是由主动站向按信息帧地址域选择的从动站发出请求命令帧开始,被请求的从动站接收到命令后做出响应。

与上行信道通信协议相同的是,协议中同样对应用层中的数据格式进行了规范和约束,规定了数据传输中主站的控制码,以及从站的正常应答和异常应答。