基于DLMS/COSEM協(xié)議的智能電表設(shè)計(jì)

1引言

目前自動(dòng)抄表系統(tǒng)(AMR)已在我國(guó)電能計(jì)量部門得到了廣泛的應(yīng)用,它為電能管理的現(xiàn)代化創(chuàng)造了良好的條件。但是由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電能表通信協(xié)議的統(tǒng)一,使得通信協(xié)議互不兼容,不利于電能管理系統(tǒng)的集成、維護(hù)和升級(jí)。

DLMS/COSEM通信協(xié)議是國(guó)際電工委員會(huì)為解決自動(dòng)抄表系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集,儀表安裝、維護(hù),系統(tǒng)集成等問(wèn)題提出的新的電能表通信標(biāo)準(zhǔn)。它以良好的系統(tǒng)互連性和互操作性成為迄今為止較為完善的電表通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。DLMS/COSEM通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被IEC采納作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),即IEC62056系列。本文采用該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了滿足AMR發(fā)展要求的電能表。

2自動(dòng)抄表系統(tǒng)組成

自動(dòng)抄表系統(tǒng)大體由三部分構(gòu)成:電能表、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)交互設(shè)備。電能表是指具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及通信交換能力的電力儀表;通信網(wǎng)絡(luò)是指在電能表和數(shù)據(jù)交換設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?數(shù)據(jù)交換設(shè)備則是需要與電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、采集或調(diào)校電能表的設(shè)備,如抄表主臺(tái)。電能表、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)抄表系統(tǒng)的基礎(chǔ),而自動(dòng)抄表系統(tǒng)的核心是通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),因此,選擇一個(gè)合適的通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)建自動(dòng)抄表系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。

3 IEC62056系列標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)的電能表通信協(xié)議采用面向虛擬設(shè)備的設(shè)計(jì)方法,即面向電表的設(shè)計(jì)方法,在協(xié)議中僅包含被訪問(wèn)設(shè)備和數(shù)據(jù)的地址,數(shù)據(jù)的數(shù)值。該種協(xié)議的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單,對(duì)儀表和系統(tǒng)開發(fā)的要求不高,但是在與不同的設(shè)備集成時(shí),需要編制特定的驅(qū)動(dòng)程序。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用最廣泛的DL/T645多功能電能表通信協(xié)議就是采用此方法。IEC62056標(biāo)準(zhǔn)致力于滿足所有計(jì)量?jī)x表與自動(dòng)抄表系統(tǒng)的應(yīng)用要求,滿足不同設(shè)備系統(tǒng)之間的集成,它以兼容性、獨(dú)立性、擴(kuò)展性作為其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。兼容性即不同廠商產(chǎn)品相互兼容、新開發(fā)產(chǎn)品與現(xiàn)存產(chǎn)品兼容;獨(dú)立性即產(chǎn)品與通信介質(zhì)、制造廠商等無(wú)關(guān);擴(kuò)展性即易于對(duì)現(xiàn)存系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展(儀表具備即插即用特性)、儀表功能可擴(kuò)展。所有這些的關(guān)鍵在于互操作性的實(shí)現(xiàn)與認(rèn)證?；ゲ僮餍允侵赣?jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠與任何一個(gè)計(jì)量?jī)x表進(jìn)行對(duì)話,而與制造廠家、儀表型號(hào)、能量類型以及通信介質(zhì)無(wú)關(guān)。

IEC62056標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(電能計(jì)量—用于抄表,費(fèi)率和負(fù)荷控制的數(shù)據(jù)交換)整體上分兩大部分:設(shè)備語(yǔ)言報(bào)文規(guī)范DLMS(Device Language Message Specification)和電能計(jì)量配套技術(shù)規(guī)范模型COSEM(Companion Specification for Energy Metering),故也被稱為DLMS/COSEM協(xié)議。

4基于DLMS/COSEM協(xié)議的電能表設(shè)計(jì)

4.1電能表的硬件組成

三相電子式電能表由電流互感器、電壓采樣網(wǎng)絡(luò)、計(jì)量集成電路ATT7022B等組成電能計(jì)量單元;由微控制器(瑞薩M30624單片機(jī))、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、時(shí)鐘芯片、LCD組成數(shù)據(jù)處理與顯示單元;由RS485總線、紅外(或無(wú)線)等通信接口組成通信單元。如圖1所示。

4.2電能表的軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)電能表采用模塊化方法實(shí)現(xiàn)軟件功能,包括計(jì)量模塊、顯示模塊、事件記錄模塊、分時(shí)模塊、通信模塊等,其中,除了通信模塊,其他部分與一般電能表軟件相比基本相同,因此以下重點(diǎn)分析電能表通信協(xié)議模塊的實(shí)現(xiàn)。

電能表通信結(jié)構(gòu)采用C/S模式,儀表端作服務(wù)器,抄表主臺(tái)等作客戶端。通信協(xié)議架構(gòu)如圖2示。DLMS/COSEM作為面向連接的協(xié)議,規(guī)定以下三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)電能表系統(tǒng)的建立和通信:1.建立儀表模型和數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。2.將模型映射為協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU、對(duì)象的屬性和方法可被用于定義訪問(wèn)。3.通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層與物理層連接,最后通過(guò)傳輸通道進(jìn)行通信。以下主要從建立符合COSEM的儀表模型和滿足DLMS的通信協(xié)議棧兩方面分析電能表通信功能的實(shí)現(xiàn)方法。

4.2.1利用面向?qū)ο笏枷霕?gòu)建儀表模型

DLMS/COSEM協(xié)議使用COSEM接口對(duì)象,采用面向?qū)ο蟮姆椒▉?lái)構(gòu)建儀表數(shù)據(jù)模型和功能模型,通過(guò)各個(gè)COSEM接口類對(duì)象之間的配合來(lái)完成某個(gè)特定功能。

儀表模型的構(gòu)建包括兩部分重要內(nèi)容:協(xié)議61部分的O-BIS—對(duì)象標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和62部分的接口類。

OBIS—對(duì)象標(biāo)識(shí)系統(tǒng)給計(jì)量?jī)x表中的所有數(shù)據(jù)都提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)碼,該標(biāo)識(shí)碼唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象。OBIS碼由6個(gè)數(shù)碼項(xiàng)(6個(gè)字節(jié)A-F)組合編碼。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的含義為:A組值標(biāo)識(shí)被測(cè)能量的類型(包括水、電、氣等);B組值標(biāo)識(shí)測(cè)量通道;C組值標(biāo)識(shí)被測(cè)物理量;D組值標(biāo)識(shí)被測(cè)物理量處理方法;E組值標(biāo)識(shí)費(fèi)率;F組值標(biāo)識(shí)歷史數(shù)據(jù)。從第B組到第D組為廠家自定義標(biāo)識(shí)碼預(yù)留了空間。

接口類—IEC62056針對(duì)儀表部件和通信接口單元引進(jìn)了類的概念,每個(gè)分類號(hào)都對(duì)應(yīng)于一類接口對(duì)象,每個(gè)對(duì)象包括屬性和方法,根據(jù)這些屬性和方法,可以構(gòu)成該對(duì)象的參考模型,在對(duì)象模型中不用考慮對(duì)象接口的生產(chǎn)制造廠家。目前,在IEC62056-62中規(guī)定了電能表中主要的接口類包括:寄存器、時(shí)鐘、曲線類、特殊日類、以太網(wǎng)設(shè)置類等。

本電能表根據(jù)需要設(shè)計(jì)了如圖3所示的儀表模型。物理設(shè)備為本電表,考慮到電能表的功能可以整合在一個(gè)功能子集中，也為了節(jié)約資源,本電能表只構(gòu)建了一個(gè)邏輯設(shè)備,用邏輯設(shè)備名LDN來(lái)標(biāo)識(shí)。組成該電能表的對(duì)象有:包含有功、無(wú)功電量等的寄存器對(duì)象、包含需量數(shù)據(jù)的需量寄存器對(duì)象、實(shí)現(xiàn)多費(fèi)率功能的日歷表、時(shí)間表、特殊日、時(shí)鐘以及腳本對(duì)象、用于連接功能的SAP和LN/SN對(duì)象以及實(shí)現(xiàn)失壓斷相等事件記錄的寄存器監(jiān)視對(duì)象等。電能表就通過(guò)這一系列接口類對(duì)象的相互配合構(gòu)成一個(gè)完整的電能表模型。

以下舉例說(shuō)明接口對(duì)象的程序?qū)崿F(xiàn),考慮單片機(jī)編譯器只支持C語(yǔ)言編程,故設(shè)計(jì)用函數(shù)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)類和對(duì)象。以有功電能接口對(duì)象為例,在圖3所示的儀表模型中,有功電能用寄存器類封裝,OBIS碼就是寄存器類中的屬性1:邏輯名。

4.2.2通信協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

通信協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層。

(1)物理層的任務(wù)比較簡(jiǎn)單,包括連接管理、數(shù)據(jù)收發(fā)和與數(shù)據(jù)鏈路層接口三部分。它對(duì)應(yīng)于通信系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)部分。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層包括提供鏈路傳輸服務(wù)的LLC子層和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的MAC子層。鏈路層采用HDLC協(xié)議,它是一種透明數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。在DLMS/COSEM協(xié)議模型中,鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸可靠性,應(yīng)用層處理用戶數(shù)據(jù)信息。鏈路層程序流程圖如圖4所示。

(3)DLMS/COSEM應(yīng)用層用一種抽象語(yǔ)法語(yǔ)言來(lái)描述。這樣做極大的提高了協(xié)議的抽象性和通用性,有利于程序移植。應(yīng)用層規(guī)定用抽象語(yǔ)法記法ASN.1來(lái)描述應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀,而應(yīng)用層的APDU(應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)用編碼規(guī)則BER和A-XDR來(lái)實(shí)現(xiàn)ASN.1語(yǔ)法。應(yīng)用層作為協(xié)議棧的最上層,負(fù)責(zé)向COSEM應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù),包括建立應(yīng)用連接服務(wù)和接口對(duì)象用戶數(shù)據(jù)信息服務(wù),并使用低層支撐協(xié)議提供的服務(wù)。應(yīng)用層程序流程圖如圖5所示。

通過(guò)以上的處理,在完成信息編碼后形成的報(bào)文即可通過(guò)信道進(jìn)行傳輸了。本電能表配置的是抄表系統(tǒng)常用的485總線和紅外口。

5結(jié)論

利用本方法設(shè)計(jì)的電能表采用DLMS UA工作組提供的專用測(cè)試工具CTT進(jìn)行符合性測(cè)試,結(jié)果顯示其符合DLMS/COSEM協(xié)議要求,因此獲得了DLMS UA工作組的認(rèn)證,這也是國(guó)內(nèi)第一塊獲得該認(rèn)證的三相電能表?；贒LMS/COSEM的電能表的實(shí)現(xiàn),改變了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)計(jì)量?jī)x表不具有互操作性的缺點(diǎn),必將推動(dòng)國(guó)內(nèi)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):根據(jù)當(dāng)前電能表要求設(shè)計(jì)了儀表模型,程序上利用C語(yǔ)言函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)類和對(duì)象;利用分層方式實(shí)現(xiàn)了通信協(xié)議棧,產(chǎn)品通過(guò)了DLMS測(cè)試認(rèn)證。

項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益(200萬(wàn))。