用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的發(fā)展趨勢研究*

劉 宣，鄭安剛，張樂群

（1.中國電力科學(xué)研究院計(jì)量研究所，北京 100192；2.青島鼎信通訊股份有限公司，山東 青島 266071）

用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的發(fā)展趨勢研究*

劉 宣1，鄭安剛1，張樂群2

（1.中國電力科學(xué)研究院計(jì)量研究所，北京 100192；2.青島鼎信通訊股份有限公司，山東 青島 266071）

研究用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的發(fā)展趨勢，在分析國內(nèi)現(xiàn)行協(xié)議的兩種通常的改進(jìn)方法——擴(kuò)展自主協(xié)議和引進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出未來協(xié)議發(fā)展方向的建議，即采集終端上下層協(xié)議統(tǒng)一，降低協(xié)議與具體采集任務(wù)的牽扯和采用面向?qū)ο笏枷霕?gòu)建協(xié)議。在現(xiàn)有的采集系統(tǒng)下，本協(xié)議的實(shí)施對(duì)于絕大部分的硬件僅需修改軟件程序，無需大規(guī)模更新設(shè)備，可行性強(qiáng)。所述協(xié)議模型可有效提高任務(wù)執(zhí)行效率，避免協(xié)議頻繁修訂，降低用電信息采集系統(tǒng)的維護(hù)成本以及提高行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性、統(tǒng)一性。

用電信息采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；發(fā)展趨勢；統(tǒng)一化；面向?qū)ο?/p>

0　引 言

隨著微電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以智能儀表、現(xiàn)代通信設(shè)備為基礎(chǔ)的AMI/AMR系統(tǒng)正在逐步取代人工抄表。用電信息采集系統(tǒng)即是AMI/ AMR的一種表現(xiàn)形式，其終端等采集設(shè)備通過各種通道及方式[1-4]將采集到的計(jì)量信息上傳至系統(tǒng)主站。遠(yuǎn)程抄表不僅僅是技術(shù)的革命，也是電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化[5]管理的一種新型營銷模式。它的出現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的發(fā)展具有里程碑式的意義。

提高遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的運(yùn)行效率，保證計(jì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，是電網(wǎng)建設(shè)工作的重中之重，而通信協(xié)議起到了關(guān)鍵的橋梁作用。Q/GDW 376.1和DL/T 645的制定，奠定了大規(guī)模建設(shè)用電信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而，基于當(dāng)時(shí)業(yè)務(wù)特征制定的通信協(xié)議逐步顯露出被業(yè)務(wù)變化牽扯而頻繁被動(dòng)修改的情況。因此，有必要結(jié)合國內(nèi)采集系統(tǒng)的實(shí)際情況，統(tǒng)籌分析，兼顧當(dāng)下與未來的電網(wǎng)發(fā)展需求，來考慮改進(jìn)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議。本文將基于國內(nèi)情況，對(duì)用電信息采集協(xié)議發(fā)展趨勢做出分析，進(jìn)而給出一些新協(xié)議方向上的建議。

1　用電信息采集通信協(xié)議發(fā)展趨勢

1.1現(xiàn)行協(xié)議的發(fā)展方向分析

1.1.1遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)構(gòu)架

國內(nèi)用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式見圖1。它由主站負(fù)責(zé)下發(fā)采集任務(wù)，電能表部分負(fù)責(zé)計(jì)量用戶用電數(shù)據(jù)。如圖1所示，目前終端上下行采用不同的通信協(xié)議：主站與終端通信遵循采集系統(tǒng)通信協(xié)議，如Q/GDW 376.1[6-7]或IEC62056[8]；終端與電能表通信遵循DL/T645[9-10]協(xié)議。

圖1　國內(nèi)用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

由于系統(tǒng)主站協(xié)議與電能表通信協(xié)議數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)與數(shù)據(jù)格式均不同，所以在信息傳輸過程中，終端須有協(xié)議轉(zhuǎn)換的過程。這給用電信息采集工作帶來了兩個(gè)問題。第一，在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，數(shù)據(jù)格式被改變，數(shù)據(jù)內(nèi)容被重組，系統(tǒng)主站收到的數(shù)據(jù)并不是電能表的原始計(jì)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的合法性與溯源性存在疑問。第二，終端上下行協(xié)議都存在不同版本，二者的組合方式也就變得更多，從而致使無法給出終端的統(tǒng)一規(guī)范，規(guī)范組合繁多也給設(shè)備生產(chǎn)廠商造成了一定的困難。

1.1.2擴(kuò)展現(xiàn)行協(xié)議

目前的絕大部分拓展業(yè)務(wù)都是通過拓展協(xié)議完成的。因?yàn)楝F(xiàn)行的協(xié)議均屬于面向業(yè)務(wù)型的協(xié)議，數(shù)據(jù)項(xiàng)需要根據(jù)業(yè)務(wù)要求來枚舉定義，而業(yè)務(wù)上沒有明確的數(shù)據(jù)項(xiàng)不可使用。這種協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是引用數(shù)據(jù)的邏輯簡單，構(gòu)成系統(tǒng)簡單直觀，只要協(xié)議中有與業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)定義，就可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。但是，為了滿足各地不同的新業(yè)務(wù)特征需求，此種類型的協(xié)議必須要不斷增加數(shù)據(jù)項(xiàng)定義。不僅如此，對(duì)于修改的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)都要單獨(dú)編寫新程序，導(dǎo)致主站、終端和電能表都可能需要做相應(yīng)的程序升級(jí)，維護(hù)效率較低?，F(xiàn)行協(xié)議在各地已經(jīng)存在多種擴(kuò)展版本，如Q/GDW 376.1協(xié)議有2009與2013版本及許多地區(qū)性差異等。因此，繼續(xù)擴(kuò)展下去統(tǒng)一難度將進(jìn)一步擴(kuò)大。所以，協(xié)議的發(fā)展要朝著降低與業(yè)務(wù)的牽扯的方向進(jìn)行。

1.1.3引進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)也在嘗試引進(jìn)國際標(biāo)準(zhǔn)，目前已有少部分地區(qū)使用的主站-終端通信協(xié)議就是基于IEC62056制定的。IEC62056邏輯嚴(yán)密，數(shù)據(jù)項(xiàng)定義有層次，采用自解釋語法結(jié)構(gòu)，是一套龐大的水電氣熱計(jì)量信息采集通信標(biāo)準(zhǔn)體系。

但是，IEC62056并不完全適合國內(nèi)的使用環(huán)境。IEC62056標(biāo)準(zhǔn)體系是針對(duì)歐美小批量經(jīng)營管理模式制定的，與國內(nèi)的表計(jì)數(shù)量不在一個(gè)量級(jí)，國內(nèi)的表計(jì)數(shù)量遠(yuǎn)多于歐美。IEC62056是面向主站與電能表直接通信模式制定的，而在國內(nèi)的分層抄表架構(gòu)下，主站在大多數(shù)情況下不與電能表直接建立通信鏈路。此外，IEC62056本身也缺乏與終端相關(guān)的功能支持，如事件、控制、總加、計(jì)劃任務(wù)等。因此，由于協(xié)議制訂的背景環(huán)境不同，其不免水土不服。

IEC62056對(duì)象標(biāo)識(shí)系統(tǒng)是體現(xiàn)協(xié)議組成的重要部分。IEC62056的對(duì)象標(biāo)識(shí)系統(tǒng)（IEC62056-61）在最初的版本里定義規(guī)則性很強(qiáng)，但因后續(xù)多次小范圍局部修訂和補(bǔ)充而變得凌亂。對(duì)象屬性的調(diào)用，因涉及所屬接口類（IEC62056-62）的父類與子類選擇問題，系統(tǒng)邏輯有些復(fù)雜。IEC62056中，組合型數(shù)據(jù)所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)無法靈活修改，這也是目前通行協(xié)議都無法解決的問題。所以，IEC62056因其自身的技術(shù)原因以及客觀上不適合國內(nèi)使用環(huán)境，現(xiàn)有使用范圍較小，繼續(xù)擴(kuò)大使用范圍存在一定難度。

1.2未來協(xié)議的發(fā)展方向

綜合1.1節(jié)所述，根據(jù)國內(nèi)的實(shí)際情況，研發(fā)自主協(xié)議才是國內(nèi)用電信息采集工作未來更合理的重點(diǎn)，且自主協(xié)議的研發(fā)應(yīng)該朝著以下幾個(gè)方向進(jìn)行。

1.2.1協(xié)議統(tǒng)一化

由1.1.1分析可見，在圖1所示的系統(tǒng)下，如果由同一協(xié)議來建立電能表、終端、主站之間的通信鏈路，管理終端的采集任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)相同功能部件和數(shù)據(jù)表達(dá)一致，不僅可以解決采集數(shù)據(jù)合法性、溯源性問題，還有助于形成終端的統(tǒng)一規(guī)范，降低設(shè)備生廠商的研發(fā)成本。

1.2.2利用面向?qū)ο竽Ｐ徒档团c具體采集任務(wù)的牽扯

現(xiàn)場業(yè)務(wù)特征不斷改變，現(xiàn)行協(xié)議隨時(shí)需要修改。要降低協(xié)議條文與具體采集任務(wù)的牽扯，必須以全新的思路構(gòu)建協(xié)議。要滿足這種要求，目前成熟的做法是引入面向?qū)ο竽Ｐ蚚12]。面向?qū)ο笫且环N對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的理解和抽象的方法。其類、對(duì)象、屬性和方法的模型（以下簡稱對(duì)象模型）具有清晰的從屬關(guān)系結(jié)構(gòu)。

使用面向?qū)ο髤f(xié)議中對(duì)象的構(gòu)建方式來構(gòu)建用電信息采集數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，其結(jié)構(gòu)機(jī)制可保證協(xié)議功能的可拓展性，即使出現(xiàn)新業(yè)務(wù)也無需修訂協(xié)議內(nèi)容。更重要的是，對(duì)象模型中僅定義最基本的數(shù)據(jù)對(duì)象，具體多種多樣的業(yè)務(wù)特征可由這些基本對(duì)象通過計(jì)算組合得到，對(duì)拓展業(yè)務(wù)的支持能力將得到很大提升。

2　與現(xiàn)行協(xié)議構(gòu)架的對(duì)比說明

2.1數(shù)據(jù)項(xiàng)定義角度

依據(jù)面向?qū)ο笏枷虢⒔K端上下層統(tǒng)一的通信協(xié)議時(shí)，可以將具體物理量定義為對(duì)象，如電能量、電壓、電流、事件、凍結(jié)等。將相似的對(duì)象劃分到同一接口類，統(tǒng)一定義接口類屬性和方法。這樣所有接口類實(shí)例將自動(dòng)繼承所屬接口類的性質(zhì)。

比如，Q/GDW1376.1-2013協(xié)議ERC37電能表開表蓋事件的一次記錄是一個(gè)整體的既定組合，僅用一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)標(biāo)記。其中的具體數(shù)據(jù)項(xiàng)沒有自己的明確標(biāo)記，無法單獨(dú)抄讀，形成了無法分割的“塊”。在凍結(jié)與事件類的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)定義中，以上情況很常見。面向?qū)ο髤f(xié)議中的同一種事件的所有記錄形成一個(gè)對(duì)象，以開表蓋事件為例，面向?qū)ο髤f(xié)議中的電能表開表蓋事件結(jié)構(gòu)如表1所示。

所有具有集合類屬性的對(duì)象的記錄都具有以上嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋砀窠Y(jié)構(gòu)，便出現(xiàn)了集合接口類。若要實(shí)現(xiàn)事件對(duì)象定義的改變，如增加開表蓋前后正向有功費(fèi)率1電能。只需在原有表格1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加開表蓋前后正向有功費(fèi)率1電能對(duì)應(yīng)的兩列即可。而這個(gè)增加的方法可以抽象出來，供所有集合類對(duì)象使用。可見，系統(tǒng)僅通過下發(fā)參數(shù)配置，就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)項(xiàng)定義的更新，升級(jí)速度快，成本低，配置后效果即時(shí)展現(xiàn)，延續(xù)了原程序的穩(wěn)定性。綜上所述，面向?qū)ο髤f(xié)議的設(shè)備更易于維護(hù)。

表1　面向?qū)ο髤f(xié)議中的電能表開表蓋事件結(jié)構(gòu)

2.2業(yè)務(wù)執(zhí)行角度

通過面向?qū)ο髤f(xié)議的采集配置靈活設(shè)置采集任務(wù)，可以保證采集任務(wù)的高效性。例如，實(shí)際工作中需讀取當(dāng)前正向有功總、一象限無功總、四象限無功總示值。當(dāng)前費(fèi)率數(shù)為4的情況下，通過召測當(dāng)前主站協(xié)議數(shù)據(jù)單元F33采集以上數(shù)據(jù)，其有效載荷比例不到1/5。也就是說，當(dāng)采集業(yè)務(wù)與現(xiàn)行協(xié)議中的數(shù)據(jù)單元定義不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致召測數(shù)據(jù)中含有大量無效內(nèi)容，影響采集效率。而面向?qū)ο蟮膮f(xié)議去除了具體采集業(yè)務(wù)與協(xié)議條文不必要的牽扯，可以通過采集配置精確設(shè)置需要采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)，即類似表1數(shù)據(jù)對(duì)象的某些行與列。這樣除了業(yè)務(wù)要求的數(shù)據(jù)項(xiàng)以外，沒有抄讀多余的內(nèi)容，報(bào)文的數(shù)據(jù)項(xiàng)部分全部為有效載荷，一定程度上提高了采集效率。

此外，結(jié)合上述內(nèi)容并做少量補(bǔ)充，則面向?qū)ο髤f(xié)議與現(xiàn)行協(xié)議的特性對(duì)比總結(jié)，如表2所示。

表2　面向?qū)ο髤f(xié)議與現(xiàn)行協(xié)議的特性對(duì)比

3　結(jié) 語

本文通過對(duì)現(xiàn)行用電信息采集數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及未來協(xié)議發(fā)展趨勢的研究，闡述了以面向?qū)ο笏枷霕?gòu)建采集系統(tǒng)通信協(xié)議的要點(diǎn)。符合本文所述的協(xié)議構(gòu)建方法能夠?qū)崿F(xiàn)采集系統(tǒng)協(xié)議的統(tǒng)一化，使采集數(shù)據(jù)合法可追溯，有利于形成統(tǒng)一的硬件設(shè)備規(guī)范，降低系統(tǒng)復(fù)雜度與設(shè)備研發(fā)難度。對(duì)象模型還避免了現(xiàn)行協(xié)議數(shù)據(jù)項(xiàng)與業(yè)務(wù)一一對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)，降低協(xié)議文本與電力公司業(yè)務(wù)的牽扯，這樣不但能避免頻繁修訂協(xié)議，還能增強(qiáng)其應(yīng)對(duì)拓展業(yè)務(wù)的能力。在以新協(xié)議為支撐的采集系統(tǒng)下，采集任務(wù)的執(zhí)行更加高效，各采集相關(guān)設(shè)備更加易于維護(hù)，系統(tǒng)生命周期大幅延長。

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劉 宣（1978—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姕y量、用電信息采集、高級(jí)量測、信息通信技術(shù)等；

鄭安剛（1976—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛秒娦畔⒉杉?、?jì)量大數(shù)據(jù)、自動(dòng)化檢測、計(jì)量生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)等；

張樂群（1986—），男，博士，主要研究方向?yàn)橛秒娦畔⒉杉?，糾錯(cuò)算法，壓縮算法，矩陣半張量積及其應(yīng)用。

Development Trend of Data Transmission Protocol for Electricity Information Collection System

LIU Xuan1, ZHENG An-gang1, ZHANG Le-qun2
(1.Institute of Metrology, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China; 2.Qingdao Topscomm Communication Co., Ltd, Qingdao Shandong 266071,China)

The development trend of data transmission protocol for information collection system is discussesd. Firstly, based on analysis of the two domestic existing modified protocols ,including the extended autonomy protocol and the introduced international standards, the suggestions for future development of the protocols are proposed, that is, a unified protocol should be adopted between the different communication levels, thus to reduce involution of between protocol and the specific collecting task and an object-oriented model be employed to construct the protocol. In the current collection system，the implementation of this protocol, for most hardware only requires the update of software program ,no large-scale update of the equipment, so the feasibility is fairly strong. The protocol model can effectively improve the efficiency of task execution, avoid frequent amendments of the protocol, reduce maintenance costs of collection system and raise the authority industry standards.

electrical information collection system; data transmission protocol; development trend; unification; object-oriented

TN925.1

A

1002-0802(2016)-08-01057-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.019

2016-04-15;

2016-07-20

date:2016-04-15;Revised date:2016-07-20