DLMS/COSEM標準協(xié)議在三相智能電表中實現(xiàn)的方法

【摘要】將DLMS/COSEM標準協(xié)議應用于三相智能電表中，有效地實現(xiàn)了電表的易擴展和互操作特性，本文從三相智能電表硬件入手，結合DLMS/COSEM標準協(xié)議，探討三相智能電表各接口類的實現(xiàn)、軟件平臺設計、寄存器實現(xiàn)及通信協(xié)議的實現(xiàn)。市場調(diào)研結果表明，將DLMS/COSEM標準協(xié)議應用于三相智能電表在降低系統(tǒng)開發(fā)工作量、滿足日常需求方面表現(xiàn)為極大的優(yōu)勢。

【關鍵詞】DLMS/COSEM標準協(xié)議；三相智能電表；實現(xiàn)

我國傳統(tǒng)電能表通信協(xié)議主要采用面向電表的設計方法，該協(xié)議具有對系統(tǒng)、儀表開發(fā)要求度低、原理簡單等優(yōu)點，但與其他設備集成時，編制特定驅(qū)動程序是其存在的較大弊端。與傳統(tǒng)電能表通信協(xié)議采用的設計方法不同，DLMS/COSEM標準協(xié)議具有擴展性、獨立性、兼容性、可實現(xiàn)不同設備系統(tǒng)之間互操作和互聯(lián)性等優(yōu)點，同時，為了適應智能電網(wǎng)未來發(fā)展法相，將DLMS/COSEM標準協(xié)議應用于智能電表實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)通信、雙向多費率計量功能、遠程通信控制繼電器通斷功能以及防竊電功能等智能化功能。目前，DLMS/COSEM標準協(xié)議已被納為國際標準，廣泛應用于電能表的自動抄表系統(tǒng)及計量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集等。

1.三相智能表硬件組成和接口類實現(xiàn)

三相智能表硬件組成主要包括核心管理平臺、電壓采樣網(wǎng)絡、開關電源模塊、繼電器控制、電流互感器、專用計量芯片71M6515、FLASH、EEPROM、實時時鐘模塊、通信模塊、顯示電路、點陣液晶驅(qū)動、開端蓋、強磁場監(jiān)測、LED指示燈、按鍵以及其他相關的外圍電路。核心管理平臺主要通過SPI接口讀取計量芯片的數(shù)據(jù)，對三相有功和無功電能量進行計算。專用計量芯片71M6515計算三相采樣電壓、電流信號相關數(shù)據(jù)，并得到有功功率、有功能量、無功功率、無功能量、視在功率、視在能量、視在電能、電壓、電流、頻率、功率因數(shù)等。FLASH主要用于存儲曲線數(shù)據(jù)。實時時鐘模塊主要提供精確的時間。點陣液晶驅(qū)動則顯示數(shù)據(jù)信息。三相智能電表可支持低壓電力線載波、近紅外、RS485、GPRS等多種通信方式。

DLMS/COSEM標準協(xié)議的實現(xiàn)主要有通信協(xié)議實現(xiàn)和接口類實現(xiàn)兩方面組成。通信協(xié)議的實現(xiàn)主要是規(guī)定數(shù)據(jù)交換方式和訪問數(shù)據(jù)方式，DLMS/COSEM通信協(xié)議包括應用層協(xié)議、鏈路層協(xié)議及ASN.1抽象語法的描述。被訪問的對象屬性按照ASN.1抽象語法和屬性數(shù)據(jù)類型描述為字節(jié)串數(shù)據(jù)，根據(jù)鏈路層協(xié)議和應用層協(xié)議組成幀，最后，將幀數(shù)據(jù)傳至主機。接口類主要定義電能表通信接口上的功能，三相智能電表實現(xiàn)的接口類型主要有寄存器類、擴展寄存器類、數(shù)據(jù)類、時鐘、需量寄存器、通用集、腳本表、特殊日表、SAP分配表、單操作時間表、活動日歷、連接LN、HDLC類、繼電器等14個接口類。其中，數(shù)據(jù)類屬于類1，其只具有邏輯名和值兩個屬性。邏輯名主要用來標示對象名稱，具有唯一性，而值用來標識該對象的值。將類1實例化，可得到掉電次數(shù)，這由邏輯名和值這兩個屬性就能表示。寄存器類有邏輯名、值和換算單位三個屬性。值標識對象的量，換算單位標識對象單位及換算關系，由此可以說，寄存器類可實例化成電能量數(shù)據(jù)對象。不同的接口類屬性不一樣，因此，接口類實例化之后對象功能就不一樣。也就是說，從上述接口類選擇想要實現(xiàn)的對象就可以組成特定功能的電能表。

2.三相智能表軟件平臺設計

可擴展性、跨平臺移植對于三相智能表極為重要，基于此，設計實現(xiàn)具有消息處理和任務調(diào)度功能的軟件平臺。三相智能表利用分層軟件設計架構，基于微處理器建立驅(qū)動層，驅(qū)動層主要包括設備初始化、配置及操作功能接口。三相智能表的功能模塊均建立在此驅(qū)動層之上，通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)設備訪問，這種功能模塊間接進行硬件操作最終實現(xiàn)硬件平臺無關化設計。三相智能表通過虛擬內(nèi)核管理消息隊列和任務，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的易擴展性。

3.寄存器類的實現(xiàn)

如上文所說，不同屬性接口實例化之后的對象功能不一樣，我們以寄存器類為例，具體說明其實現(xiàn)過程。通信抄表包括COSEM對象的屬性，每個類均定義一個含自己類所有屬性的基本結構體數(shù)據(jù)類型，這樣有助于方便地管理數(shù)據(jù)，可以為通信協(xié)議的實現(xiàn)提供良好環(huán)境?？梢砸罁?jù)寄存器類屬性個數(shù)和類型定義寄存器類基本數(shù)據(jù)的類型，具體如下：“unsigned char OBIS[6] /*邏輯名*/”、“unsigned long Data /*數(shù)據(jù)*/”、“unsigned char Unit /*單位*/”、“signed char Scaler /*量程*/”等。此外，為了確保寄存器在掉電之后計量數(shù)據(jù)不至于丟失，因此分配8個字節(jié)的EEPROM保存計量數(shù)據(jù)，其中4個字節(jié)用來存放整數(shù)，其余4個字節(jié)用來掉電的時候保存數(shù)據(jù)。從EEPROM頻率及電能量數(shù)據(jù)安全問題出發(fā)，RAM區(qū)的結構體變量數(shù)據(jù)累加到60KWh的時候，將以KWh為單位的整數(shù)部分保存在EEPROM中，剩余的小數(shù)部分則保存在RAM區(qū)結構體變量之中。當發(fā)生電表掉電，存在RAM區(qū)數(shù)據(jù)至另外的4字節(jié)EEPROM，上電之后只需要讀取掉電前保存的數(shù)據(jù)。當更新LCD顯示或抄讀寄存器類對象數(shù)據(jù)的時候，EEPROM中加上RAM區(qū)數(shù)據(jù)就是該對象的值，這種保存數(shù)據(jù)的方法極大地確保了數(shù)據(jù)的安全。

4.通信協(xié)議的實現(xiàn)

DLMS/COSEM通信協(xié)議模型為應用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。該通信協(xié)議可在多種物理介質(zhì)如雙絞線、網(wǎng)絡及無線等上面工作，不受上層數(shù)據(jù)通信規(guī)定的約束。

通信協(xié)議的實現(xiàn)主要依靠通信協(xié)議軟件，其主要包括消息處理模塊、應用層聯(lián)接模塊及協(xié)議棧模塊三部分。協(xié)議棧模塊是三相智能電表和外界數(shù)據(jù)交互的窗口，其作為任務被系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度，實現(xiàn)鏈路層服務、發(fā)送數(shù)據(jù)請求消息和解析數(shù)據(jù)通訊請求等。鏈路層服務負責確保傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，其服務主要有地址校驗、數(shù)據(jù)CRC校驗、幀長校驗和長數(shù)據(jù)幀拆包和組包，同時鏈路層服務負責向應用層提供鏈路傳輸服務，提前為數(shù)據(jù)的交互做好準備。在協(xié)議棧接收到主機要求建立應用層聯(lián)接請求，將消息發(fā)送到連接到LN，其對數(shù)據(jù)消息解析，并協(xié)商約定數(shù)據(jù)通信配置參數(shù)。建立應用層連接之后，協(xié)議棧把發(fā)送數(shù)據(jù)請求信息至目的類，在目的類完成被請求對象的屬性編碼后，將編碼數(shù)據(jù)回發(fā)至協(xié)議棧，待協(xié)議棧進行封裝處理數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送到主機。串口在收到數(shù)據(jù)后進行合法性的判斷，之后解析控制域幀類型，再依據(jù)幀的類型進行相應模塊的處理。

按消息來源可將消息分為任務模塊間的消息、主機和電表通信消息兩種，這兩種消息的處理流程無太大差別，都主要有讀操作、寫操作和動作操作。一般在消息在讀、寫、動作時要首先判斷被訪問對象是否存在，如果被訪問對象不存在，系統(tǒng)自動返回失敗，同時提示返回對象不存在。此外，從數(shù)據(jù)安全性考慮，三相智能電表設置了4種權限訪問方式：無密碼、低級密碼、高級密碼和終極密碼。對象的操縱權限可以根據(jù)需要進行設置，若當前訪問沒有操作權限則返回失敗，且提示權限不夠。最后，消息處理完成之后會后，被訪問類的主函數(shù)要將訪問結果以消息的形式發(fā)回至協(xié)議棧。

5.結語

DLMS/COSEM標準協(xié)議應用于三相智能電表中不僅解決了三相智能電表可擴展性和跨平臺移植存在的問題，而且極大地降低了開發(fā)工作量。在這樣一個對電能表功能要求不斷提高的市場條件下，將DLMS/COSEM標準協(xié)議應用于三相智能電表有極為廣闊的發(fā)展前景。目前，該三相智能表廣泛應用于東南亞各市場，反映良好。