因應全球大量再生能源導入與節能減碳趨勢，世界各國將現行電力網路再提升為智慧電網(Smart Grid, SG)，並列為國家電力建設發展重點。我國為推動節能減碳政策，將智慧電網列入「國家節能減碳總計畫」標竿計畫之一，並以推動智慧電表(Smart Meter)基礎建設、規劃智慧電網及智慧電力服務為重點。
行政院2010年6月23日核定經濟部研擬之智慧型電表基礎建設(Advanced Metering Infrastructure, AMI)推動方案，正式啟動我國AMI建設，系統架構如圖1所示，可分類為高壓與低壓等兩大系統。
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| 圖1 智慧型電表系統架構概念圖 |
資料來源：智慧型電表基礎建設推動方案
高壓AMI主要針對工商用電大戶，全台共計2.4萬戶，占全台用電量60%，已於2013年建置完成；低壓AMI多屬住商型用戶，共計1,300萬戶，占全台用電量40%，是近期國內推動AMI的重點對象。
台電公司(簡稱台電)是國內最大也是唯一的綜合電業，同時擁有發電、輸電、配電與業務系統，也肩負國內推動AMI的重責大任，因此台電AMI系統的規格也就等同於國內的主流規格，成為各方關注的焦點，故本文主要將針對台電低壓智慧電表相關標準及推動現況進行說明。
新型低壓AMI架構成形 智慧電表模組化成趨勢
台電已於2013~2014年建置1萬戶低壓AMI，當時電表計量(Metering)及通訊模組採用一體化結構，並經標檢局檢定鉛封(圖2)，從建置及維運過程中發現，國內電表安裝環境複雜多樣，造成系統設計無法適用所有場合，往往需要個別調校，因此通訊效能及穩定性受環境影響大，而通訊效能及穩定性不如預期時，卻受限於表體的一體化結構設計，使通訊系統調校的彈性變小，若要修改通訊模組則必須拆表更換模組再進行鉛封程序。
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| 圖2 低壓智慧電表(計量+通訊一體化規劃設計) |
資料來源：工研院
再者，通訊系統與電表之生命週期不同，一體化結構將衍生設備維護問題。而且在未來大規模建置時，也勢必為因應複雜環境而準備多種通訊技術的電表，就設備維護角度來說將增加電表庫存量問題。
綜上所述，計量及通訊模組一體化所衍生許多推動細節問題，包含設備通訊調校、生命週期、庫存、更新檢驗鉛封等，都是增加未來長期系統運維的成本。
台電從低壓AMI一萬戶建置的經驗中體認到通訊是AMI推動成敗的關鍵，為了符合未來大規模建置的目標，並兼顧扶持國內產業的使命，決定採取通訊與計量分離設計(Loose-coupling)的新型低壓AMI架構與智慧電表模組化設計(圖3~4)，以增加通訊選擇彈性，並降低日後通訊調校與維運成本。
規劃上，電表表體以負責電力計量為主，其對電業端與用戶端之場域網路(Field Area Network, FAN)與家庭區域網路(Home Area Network, HAN)通訊模組採取可插拔的模組化設計；而AMI通訊系統，則透過公開評鑑遴選方式，篩選適合台灣環境之通訊技術。
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| 圖3 台電新型低壓AMI系統架構 |
資料來源：台電
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| 圖4 智慧電表模組化設計示意圖 |
資料來源：工研院
台電新型低壓AMI系統架構(圖3)共分為計量單元、AMI通訊系統Route A、後端管理系統與Route B通訊系統四個主要的組件，其中Route A係指電表往電業端的通訊路徑，Route B則是電表往用戶端的通訊路徑：
・計量單元 係指電表本體，扮演Server的角色，負責度量、記錄與儲存電力資料及事件等，在電表表體內可收容FAN與HAN等通訊單元(或稱通訊模組)，AMI通訊系統(Route A)及用戶端系統可在授權範圍內透過標準之P1介面存取計量單元內相關資訊。
連接電業後端管理系統與電表計量單元之通訊系統，由FAN通訊單元、頭端伺服器(Head-End System, HES)與各種FAN或廣域網路(Wide Area Network, WAN)通訊設備如中繼器(Repeater)、閘道器(Gateway)、集中器(Concentrator)或基地台(Base Station)等，以及中間的網路所組成。FAN通訊單元扮演電表計量單元與AMI通訊網路間閘道器的角色；而頭端伺服器則扮演AMI通訊網路與後端管理系統間電表資料閘道器的角色，亦負責Route A通訊系統中網路與設備的管理功能。
例如電表資料管理系統(Meter Data Management System, MDMS)、資產管理系統等。
連接用戶端系統與電表(P2介面)之通訊系統，包含電表端的HAN通訊單元與用戶端的通訊盒等。
在台電的新型低壓AMI架構中可看出，AMI通訊系統(Route A)及用戶端系統均須透過P1介面對計量單元進行操作；後端管理系統亦須透過P6介面與AMI通訊系統(Route A)進行互操作，由於計量單元、Route A&B通訊系統與後端管理系統均可能來自不同的供應商，所以標準化P1與P6介面的電力計量資料交換協定變得至關重要。
認識P1介面電力計量資料交換協定
台電於2017年5月23日公告20萬具模組化智慧電表之表體標案，對於P1介面的電力計量資料交換協定有明確的規範，除了依循中華民國國家標準(Chinese National Standards, CNS)，亦考量與國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)標準接軌，以及扶持國內產業進軍國際市場等因素，台電電表P1介面的電力計量資料交換協定採用CNS 15593及IEC 62056標準為主體，並依據實際業務需求進行微調修訂。
AMI電力計量資料交換國家標準： CNS 15593
AMI與傳統電表最大的差異點，在於可透過通訊模組與控制中心的電表管理系統(MDMS)進行即時的資料交換。為了使眾多電表製造商所生產的電表能與MDMS具有互通性，制定電表標準通訊協定便顯得極為重要。
國際上AMI技術標準眾多，而DLMS/COSEM(Device Language Message Specification/Companion Specification for Energy Metering)為目前內容架構最完整且最多國家AMI系統採用的技術標準之一，該標準經國際電工委員會(IEC)採納為IEC 62056國際標準，並由DLMS User Association進行開發和維護。
IEC 62056標準內容包含：通訊實體層與資料鏈結層之協定規則、網路應用層之服務與通訊安全管理、具物件導向概念之資料系統結構、物件命名規則等，其堆疊架構如圖5所示。
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| 圖5 IEC 62056標準通訊堆疊架構 |
資料來源：標檢局
有鑑於全球各國建置智慧電網之趨勢，以及配合國內AMI之發展需求，我國標準檢驗局於2013年依據2006年所發行之第二版IEC 62056，制定完成中文版CNS 15593智慧電表通訊標準，其各部分文件內容及與IEC 62056對應之版本(表1)。
資料來源：標檢局
目前台電依據CNS 15593國家標準，訂定其AMI系統之需求端通訊規範標準，主要採用的內容如下：
當Client端欲向電表(Server端)進行資料讀取時，須先以本章節所定義之程序與訊框格式完成資料鏈結動作。透過SNRM(Set Normal Response Mode)指令，Client可向電表要求連接，電表再依狀態回覆UA(Unnumbered Acknowledgment)、DM(Disconnected Mode)等回應指令，HDLC通訊架構如圖6所示。待連線完成後，再依HDLC訊框進行應用層資料(APDU)傳輸，HDLC訊框格式如圖7所示。
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| 圖6 HDLC通訊架構 |
資料來源：DLMS/COSEM Green Book
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| 圖7 HDLC訊框(含應用層封包APDU) |
資料來源：工研院
在資料鏈結層建立完成後，即可進行應用層連結(Application Association, AA)。AA建立的第一步，須進行登入驗證，DLMS/COSEM為電表登入驗證過程提供多種安全級別，包含訪客模式(No Security)、低階安全(Low-Level Security, LLS)、高階安全(High-Level Security, HLS)，對不同用戶可以賦予不同的安全級別。在完成應用層連結後，即可藉由包含Association LN(Logical Name)的擷取資料(Get)、更改資訊(Set)與呼叫函式(Action)等服務，進行應用層資料傳輸。
為使電表資料有統一的命名規則，避免因不同電表供應商之物件名稱不一致所引發的相容性問題，此部分文件定義物件名稱識別系統(OBIS)規格，以提供電表中的所有資料，包括測量值和抽象參數等，具有特定的識別碼。
OBIS碼是一個由六個數字代碼組成的組合編碼，它以分層的形式描述了每個資料項目的準確含義，各代碼的用途如下：代碼A用於識別能量類型(如電1、熱6、氣7、冷水8、熱水9等)、代碼B用於識別測量通道(如電能表輸入通道的編號)、代碼C用於識別資訊來源(如正向有功功率1、電流11、電壓12等)、代碼D用於識別物理量的處理方法(如求積分值8、平均值4、最大值6等)、代碼E用於識別費率類型(如費率1、費率2、費率3、總費率0等)、代碼F用於識別結算週期(如結算週期1、結算週期2、與結算週期無關的值255等)。
以售電總仟瓦小時(Total kWh)為例，透過OBIS編碼規則組合之代碼為1.0.1.8.0.255。
由於CNS 15593為具有物件導向結構之協定標準，因此透過此部分文件，定義了欲建立電表各類型物件資料時所必須依循之介面類別模型，包含屬性(Attribute)與執行方法(Method)，其中幾項主要常見的介面類別模型，包括電表設定相關之資料類別(Data)、電表狀態值即時值類別(Register)、電表歷史資料類別(Profile Generic)、時間資料類別(Clock)、應用層連接資料類別(Association)、HDLC資料鏈接層設定類別(IEC HDLC Setup)、資料安全性設定類別(Security Setup)。
台電在制定AMI規範標準時，除了引用並遵循上述CNS 15593資料交換協定內容外，也依其業務與運維需求，自行定義下列各項內容，包括：台電需求之電表物件內容(OBIS)、電表歷史資料物件與時間間隔、電表錯誤與事件代碼與等級、管理軟體與操作軟體所需之相關物件、電表液晶顯示器(LCD)顯示功能相關物件、金鑰管理之交換介面與流程、後台控制中心(MDMS)之通訊介面與Client讀表權限、電表光讀頭之通訊介面與Client讀表權限、用戶端之通訊介面與Client讀表權限、Public Client讀表權限、斷復電流程與物件、時間電價相關物件與遠端更新格式之流程、符合台電AMI架構之通訊限制(如可接受連線數、Denial-of-Service (DOS)攻擊防阻限制、各通訊層Timeout等)，以及通訊協定及應用情境測試項目。
了解P6介面電力計量資料交換協定
根據台電於2017年5月19日公告之低壓AMI通訊介面單元評鑑說明書，台電規劃AMI通訊系統(Route A)與後端管理系統的P6介面的資料交換協定擬採用IEC 61968的國際標準。雖然台電關於P6介面的採購規範仍在制定中，但大方向上仍採取以IEC 61968的標準為主體進行修訂。
IEC 61968(Application Integration at Electric Utilities-System Interfaces for Distribution Management)是國際電工委員會IEC標準組織所制定關於配電管理系統介面的系列標準(圖8)，試圖整合並統一配電系統各式應用的資訊交換，包含電網運轉、資產管理、讀表與控制，維護與施工等應用，其中與AMI應用直接相關的就是IEC 61968-9讀表與控制之介面規範。
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| 圖8 IEC 61968介面參考模型 |
資料來源：標檢局
圖9為IEC 61968-9的參考模型，淺色(黃色)區塊是IEC 61968-9標準所涵蓋的範疇，包含Metering System、Meter Data Management、Meter Maintenance、Load Management與Meter Asset Management等五個最主要的邏輯組件(或系統)，對應台電的新型低壓AMI系統架構，Metering System就是AMI通訊系統(Route A)中的頭端伺服器，支援Data Collection與Control and Reconfiguration兩個主要的功能；其餘四個邏輯組件則均可視為台電的後端管理系統。IEC 61968-9 Reference Model中各邏輯組件間採用eXtensible Markup Language(XML)格式交換訊息，並透過Simple Object Access Protocol (SOAP)或Java Message Service (JMS)等方式進行傳輸，在標準中列舉了Meter Reading and Control常用的各種Use Cases(如下所示)及各邏輯組件間資訊交換的流程，並且清楚定義各訊息的XML Schema。
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| 圖9 IEC 61968-9 Reference Model |
資料來源：IEC 61968-9
電表事件回報，如停電偵測、電表異常與電力品質等。
讀表，如週期性讀表(Periodic Meter Reads)、人工讀表、On-Request讀表等。
電表控制，如負載控制、電表斷復電等。
電表服務，如電表安裝移除、電表校驗更換等。
AMI系統事件，如軟韌體更新等。
用戶更換電力公司。
預付型電表服務，如交易確認等。
用戶區域網路應用，如PAN裝置配對、PAN裝置事件回報、PAN裝置控制等。
基本資料管理，如用戶、系統商基本資料與合約、電表地址、全球衛星定位系統(GPS)與費率等。
具體規劃推動時程 國內低壓AMI建置加速
於2016年9月22日由行政院統一對外公開未來模組化智慧電表之推動做法，並具體規劃後續推動期程(圖10)，將在2018年前完成20萬戶電表建置、2020年建置100萬戶、迄2024年可望達成300萬戶建置目標。
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| 圖10 行政院智慧電表建設規劃期程 |
資料來源：行政院(2016/9/22)
未來智慧電表建置完成後，配合通訊系統開通，可提供用戶更便利、更即時的用電資訊，用戶亦可安裝家庭能源管理系統(Home Energy Management System, HEMS)，支援分時計價、需量反應等負載管理措施。
台電配合政策，已於2017年5月23日公開20萬具模組化智慧電表之表體招標公告，包含大同、中興、康舒、華城、玖鼎、斯其大(Itron)等六家國內外廠商投標，於同年7月底決標，預計2018年初交貨，並將以六都及供電瓶頸地區優先建置。
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| 圖11 台電低壓AMI通訊評鑑流程規劃 |
資料來源：台電
而AMI通訊部分，台電依公司規章擬定低壓AMI通訊系統評鑑辦法於2017年5月公告，透過公開技術評鑑遴選方式，篩選適合台灣環境之成熟通訊技術，評鑑流程如圖11所示，包含承製能力(技術資料)書審、測試樣品繳交、實驗室測試、實際場域測試等篩選流程，已有十三家廠商(技術)團隊報名，其中技術能量包含美、日、台、韓、新加坡等多國廠家團隊參與。目前廠商團隊配合台電評鑑作業流程辦理中，預計2018年初產出具技術水平團隊名單，以利台電後續AMI通訊建置案規劃與辦理。您可以在http://www.taics.org.tw/獲取更多關於智慧電網更詳細技術細節。
(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者皆任職於工研院)