1引言
目前自動抄表系統(AMR)已在我國電能計量部門得到了廣泛的應用,它為電能管理的現代化創造了良好的條件。但是由于國內沒有實現電能表通信協議的統一,使得通信協議互不兼容,不利于電能管理系統的集成、維護和升級。
DLMS/COSEM通信協議是國際電工委員會為解決自動抄表系統和計量系統中的數據采集,儀表安裝、維護,系統集成等問題提出的新的電能表通信標準。它以良好的系統互連性和互操作性成為迄今為止較為完善的電表通信協議標準。DLMS/COSEM通信協議標準已經被IEC采納作為國際標準,即IEC62056系列。本文采用該標準設計了滿足AMR發展要求的電能表。
2自動抄表系統組成
自動抄表系統大體由三部分構成:電能表、通信網絡、數據交互設備。電能表是指具有數據存儲以及通信交換能力的電力儀表;通信網絡是指在電能表和數據交換設備之間進行數據傳輸的通道;數據交換設備則是需要與電能表進行數據通信、采集或調校電能表的設備,如抄表主臺。電能表、數據交換設備、傳輸網絡是自動抄表系統的基礎,而自動抄表系統的核心是通信協議標準,因此,選擇一個合適的通信標準對構建自動抄表系統顯得至關重要。
3 IEC62056系列標準
傳統的電能表通信協議采用面向虛擬設備的設計方法,即面向電表的設計方法,在協議中僅包含被訪問設備和數據的地址,數據的數值。該種協議的特點是原理簡單,對儀表和系統開發的要求不高,但是在與不同的設備集成時,需要編制特定的驅動程序。目前國內運用最廣泛的DL/T645多功能電能表通信協議就是采用此方法。IEC62056標準致力于滿足所有計量儀表與自動抄表系統的應用要求,滿足不同設備系統之間的集成,它以兼容性、獨立性、擴展性作為其實現目標。兼容性即不同廠商產品相互兼容、新開發產品與現存產品兼容;獨立性即產品與通信介質、制造廠商等無關;擴展性即易于對現存系統進行擴展(儀表具備即插即用特性)、儀表功能可擴展。所有這些的關鍵在于互操作性的實現與認證。互操作性是指計量儀表數據管理系統能夠與任何一個計量儀表進行對話,而與制造廠家、儀表型號、能量類型以及通信介質無關。
IEC62056標準協議(電能計量—用于抄表,費率和負荷控制的數據交換)整體上分兩大部分:設備語言報文規范DLMS(Device Language Message Specification)和電能計量配套技術規范模型COSEM(Companion Specification for Energy Metering),故也被稱為DLMS/COSEM協議。
4基于DLMS/COSEM協議的電能表設計
4.1電能表的硬件組成
三相電子式電能表由電流互感器、電壓采樣網絡、計量集成電路ATT7022B等組成電能計量單元;由微控制器(瑞薩M30624單片機)、數據存儲卡、時鐘芯片、LCD組成數據處理與顯示單元;由RS485總線、紅外(或無線)等通信接口組成通信單元。如圖1所示。
4.2電能表的軟件實現
本設計電能表采用模塊化方法實現軟件功能,包括計量模塊、顯示模塊、事件記錄模塊、分時模塊、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,因此以下重點分析電能表通信協議模塊的實現。
電能表通信結構采用C/S模式,儀表端作服務器,抄表主臺等作客戶端。通信協議架構如圖2示。DLMS/COSEM作為面向連接的協議,規定以下三個步驟來實現電能表系統的建立和通信:1.建立儀表模型和數據標識。2.將模型映射為協議數據單元APDU、對象的屬性和方法可被用于定義訪問。3.通過數據鏈路層與物理層連接,最后通過傳輸通道進行通信。以下主要從建立符合COSEM的儀表模型和滿足DLMS的通信協議棧兩方面分析電能表通信功能的實現方法。
4.2.1利用面向對象思想構建儀表模型
DLMS/COSEM協議使用COSEM接口對象,采用面向對象的方法來構建儀表數據模型和功能模型,通過各個COSEM接口類對象之間的配合來完成某個特定功能。
儀表模型的構建包括兩部分重要內容:協議61部分的O-BIS—對象標識系統和62部分的接口類。
OBIS—對象標識系統給計量儀表中的所有數據都提供了一個標準的標識碼,該標識碼唯一標識一個數據對象。OBIS碼由6個數碼項(6個字節A-F)組合編碼。每個數據項的含義為:A組值標識被測能量的類型(包括水、電、氣等);B組值標識測量通道;C組值標識被測物理量;D組值標識被測物理量處理方法;E組值標識費率;F組值標識歷史數據。從第B組到第D組為廠家自定義標識碼預留了空間。
接口類—IEC62056針對儀表部件和通信接口單元引進了類的概念,每個分類號都對應于一類接口對象,每個對象包括屬性和方法,根據這些屬性和方法,可以構成該對象的參考模型,在對象模型中不用考慮對象接口的生產制造廠家。目前,在IEC62056-62中規定了電能表中主要的接口類包括:寄存器、時鐘、曲線類、特殊日類、以太網設置類等。
本電能表根據需要設計了如圖3所示的儀表模型。物理設備為本電表,考慮到電能表的功能可以整合在一個功能子集中，也為了節約資源,本電能表只構建了一個邏輯設備,用邏輯設備名LDN來標識。組成該電能表的對象有:包含有功、無功電量等的寄存器對象、包含需量數據的需量寄存器對象、實現多費率功能的日歷表、時間表、特殊日、時鐘以及腳本對象、用于連接功能的SAP和LN/SN對象以及實現失壓斷相等事件記錄的寄存器監視對象等。電能表就通過這一系列接口類對象的相互配合構成一個完整的電能表模型。
以下舉例說明接口對象的程序實現,考慮單片機編譯器只支持C語言編程,故設計用函數指針來實現類和對象。以有功電能接口對象為例,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通信協議棧的實現
通信協議棧包括物理層、數據鏈路層和應用層三層。
(1)物理層的任務比較簡單,包括連接管理、數據收發和與數據鏈路層接口三部分。它對應于通信系統的底層驅動部分。
(2)數據鏈路層包括提供鏈路傳輸服務的LLC子層和負責數據傳輸可靠性的MAC子層。鏈路層采用HDLC協議,它是一種透明數據傳輸協議。在DLMS/COSEM協議模型中,鏈路層負責數據傳輸可靠性,應用層處理用戶數據信息。鏈路層程序流程圖如圖4所示。
(3)DLMS/COSEM應用層用一種抽象語法語言來描述。這樣做極大的提高了協議的抽象性和通用性,有利于程序移植。應用層規定用抽象語法記法ASN.1來描述應用層數據幀,而應用層的APDU(應用協議數據單元)用編碼規則BER和A-XDR來實現ASN.1語法。應用層作為協議棧的最上層,負責向COSEM應用進程提供服務,包括建立應用連接服務和接口對象用戶數據信息服務,并使用低層支撐協議提供的服務。應用層程序流程圖如圖5所示。
通過以上的處理,在完成信息編碼后形成的報文即可通過信道進行傳輸了。本電能表配置的是抄表系統常用的485總線和紅外口。
5結論
利用本方法設計的電能表采用DLMS UA工作組提供的專用測試工具CTT進行符合性測試,結果顯示其符合DLMS/COSEM協議要求,因此獲得了DLMS UA工作組的認證,這也是國內第一塊獲得該認證的三相電能表。基于DLMS/COSEM的電能表的實現,改變了現階段國內計量儀表不具有互操作性的缺點,必將推動國內自動抄表系統的進一步發展。
本文作者創新點:根據當前電能表要求設計了儀表模型,程序上利用C語言函數指針實現類和對象;利用分層方式實現了通信協議棧,產品通過了DLMS測試認證。
項目經濟效益(200萬)。
