1引言

目前自動抄表系統(tǒng)(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(xiàn)代化創(chuàng)造了良好的條件。但是由于國內(nèi)沒有實現(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、維護和升級。

DLMS/COSEM通信協(xié)議是國際電工委員會為解決自動抄表系統(tǒng)和計量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集,儀表安裝、維護,系統(tǒng)集成等問題提出的新的電能表通信標準。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)議標準。DLMS/COSEM通信協(xié)議標準已經(jīng)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(fā)展要求的電能表。

2自動抄表系統(tǒng)組成

自動抄表系統(tǒng)大體由三部分構成:電能表、通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)交互設備。電能表是指具有數(shù)據(jù)存儲以及通信交換能力的電力儀表;通信網(wǎng)絡是指在電能表和數(shù)據(jù)交換設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?數(shù)據(jù)交換設備則是需要與電能表進行數(shù)據(jù)通信、采集或調(diào)校電能表的設備,如抄表主臺。電能表、數(shù)據(jù)交換設備、傳輸網(wǎng)絡是自動抄表系統(tǒng)的基礎,而自動抄表系統(tǒng)的核心是通信協(xié)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(tǒng)顯得至關重要。

3 IEC62056系列標準

傳統(tǒng)的電能表通信協(xié)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(xié)議中僅包含被訪問設備和數(shù)據(jù)的地址,數(shù)據(jù)的數(shù)值。該種協(xié)議的特點是原理簡單,對儀表和系統(tǒng)開發(fā)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(nèi)運用最廣泛的DL/T645多功能電能表通信協(xié)議就是采用此方法。IEC62056標準致力于滿足所有計量儀表與自動抄表系統(tǒng)的應用要求,滿足不同設備系統(tǒng)之間的集成,它以兼容性、獨立性、擴展性作為其實現(xiàn)目標。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;獨立性即產(chǎn)品與通信介質、制造廠商等無關;擴展性即易于對現(xiàn)存系統(tǒng)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(xiàn)與認證?；ゲ僮餍允侵赣嬃績x表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)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(xié)議(電能計量—用于抄表,費率和負荷控制的數(shù)據(jù)交換)整體上分兩大部分:設備語言報文規(guī)范DLMS(Device Language Message Specification)和電能計量配套技術規(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(wǎng)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(shù)據(jù)存儲卡、時鐘芯片、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(xiàn)

本設計電能表采用模塊化方法實現(xiàn)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(xié)議模塊的實現(xiàn)。

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(xié)議架構如圖2示。DLMS/COSEM作為面向連接的協(xié)議,規(guī)定以下三個步驟來實現(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)標識。2.將模型映射為協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU、對象的屬性和方法可被用于定義訪問。3.通過數(shù)據(jù)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(xié)議棧兩方面分析電能表通信功能的實現(xiàn)方法。

4.2.1利用面向對象思想構建儀表模型

DLMS/COSEM協(xié)議使用COSEM接口對象,采用面向對象的方法來構建儀表數(shù)據(jù)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(nèi)容:協(xié)議61部分的O-BIS—對象標識系統(tǒng)和62部分的接口類。

OBIS—對象標識系統(tǒng)給計量儀表中的所有數(shù)據(jù)都提供了一個標準的標識碼,該標識碼唯一標識一個數(shù)據(jù)對象。OBIS碼由6個數(shù)碼項(6個字節(jié)A-F)組合編碼。每個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(jù)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(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、時鐘、曲線類、特殊日類、以太網(wǎng)設置類等。

本電能表根據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)的需量寄存器對象、實現(xiàn)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(xiàn)失壓斷相等事件記錄的寄存器監(jiān)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(xiàn),考慮單片機編譯器只支持C語言編程,故設計用函數(shù)指針來實現(xiàn)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(xié)議棧的實現(xiàn)

通信協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收發(fā)和與數(shù)據(jù)鏈路層接口三部分。它對應于通信系統(tǒng)的底層驅動部分。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層包括提供鏈路傳輸服務的LLC子層和負責數(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,鏈路層負責數(shù)據(jù)傳輸可靠性,應用層處理用戶數(shù)據(jù)信息。鏈路層程序流程圖如圖4所示。

(3)DLMS/COSEM應用層用一種抽象語法語言來描述。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。應用層規(guī)定用抽象語法記法ASN.1來描述應用層數(shù)據(jù)幀,而應用層的APDU(應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)用編碼規(guī)則BER和A-XDR來實現(xiàn)ASN.1語法。應用層作為協(xié)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(shù)據(jù)信息服務,并使用低層支撐協(xié)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(tǒng)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(xié)議要求,因此獲得了DLMS UA工作組的認證,這也是國內(nèi)第一塊獲得該認證的三相電能表?；贒LMS/COSEM的電能表的實現(xiàn),改變了現(xiàn)階段國內(nèi)計量儀表不具有互操作性的缺點,必將推動國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

本文作者創(chuàng)新點:根據(jù)當前電能表要求設計了儀表模型,程序上利用C語言函數(shù)指針實現(xiàn)類和對象;利用分層方式實現(xiàn)了通信協(xié)議棧,產(chǎn)品通過了DLMS測試認證。

項目經(jīng)濟效益(200萬)。