基于DLMS、COSEM協(xié)議的遠(yuǎn)程抄表通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 偉，侯榮旭，田桂巖，楊慶林

(1.廣東電網(wǎng)肇慶懷集供電局 營(yíng)銷部，廣東 肇慶 526400；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)部，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

隨著通信技術(shù)的飛快發(fā)展，國(guó)內(nèi)外不斷將新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到智能電網(wǎng)建設(shè)中，推進(jìn)智能電網(wǎng)向全球健康發(fā)展，因此我國(guó)也對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)提出了更高的層次要求。遠(yuǎn)程抄表技術(shù)作為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)、軟件技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶電能表信息的抄收、控制與傳遞，解決電力企業(yè)與用戶間最后一公里智能處理問(wèn)題[1]。該技術(shù)具有效率高、誤差率低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外研究中取得了很大的發(fā)展，推動(dòng)了電能行業(yè)科學(xué)管理，逐漸成為智能電網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

通信協(xié)議的選取是保障遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通用性及數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。但由于同一區(qū)域內(nèi)多個(gè)廠家的電能表采用不同的通信協(xié)議，以及多樣化的復(fù)雜通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，造成區(qū)域內(nèi)通信協(xié)議往往不統(tǒng)一，必然大幅增加系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本。因此，采用國(guó)際通用DLMS/COSEM標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有互操作性的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同廠家不同規(guī)格的儀表和抄表設(shè)備之間數(shù)據(jù)自由交換。

1 DLMS/COSEM協(xié)議

設(shè)備語(yǔ)言報(bào)文規(guī)范(Device Language Message Specification，DLMS)和能源計(jì)量配套協(xié)議(Companion Specification for Energy Metering，COSEM)是一組具有互操作性的通信協(xié)議[2]。該協(xié)議采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，提供了與通信介質(zhì)無(wú)關(guān)的應(yīng)用層設(shè)計(jì)理念，從信息通信角度建立統(tǒng)一標(biāo)識(shí)、接口、服務(wù)模型，響應(yīng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信請(qǐng)求，該協(xié)議具有適用性強(qiáng)、移植維護(hù)方便、可擴(kuò)展性較強(qiáng)的特點(diǎn)，廠商根據(jù)對(duì)外接口可添加數(shù)據(jù)接口，完成數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備數(shù)據(jù)接口間互操作[3]。遵守DLMS/COSEM協(xié)議的設(shè)備兼容性強(qiáng)，適合有線、無(wú)線等多種通信方式，同時(shí)還有利于系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。DLMS/COSEM協(xié)議具備如下特點(diǎn)：

1)采用面向?qū)ο笏枷耄xCOSEM對(duì)象信息模型，用標(biāo)準(zhǔn)化方式定義數(shù)據(jù)；

2)該協(xié)議基于服務(wù)端(儀表)、客戶端(抄表主機(jī))通訊機(jī)制，基于應(yīng)用層設(shè)計(jì)協(xié)議，與物理層相互分離；

3)數(shù)據(jù)對(duì)象模型通用性強(qiáng)，可以適用于多種類型儀器，協(xié)議具有自解析、互操作的特性；

4)協(xié)議應(yīng)用介質(zhì)廣泛，可基于RS485、以太網(wǎng)、GPRS等有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸。

DLMS/COSEM協(xié)議簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的OSI網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，采用僅包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的三層增強(qiáng)性能架構(gòu)，DLMS/COSEM的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議如圖1所示。

圖1 DLMS/COSEM的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

2 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)層次設(shè)計(jì)

集中器部件是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的核心，按照集中器位置將通信網(wǎng)絡(luò)分為本地通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分[4]。集中器與現(xiàn)場(chǎng)電能表構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)是本地通信網(wǎng)絡(luò)，完成日常電能數(shù)據(jù)采集任務(wù); 集中器與管理中心構(gòu)成遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著電能數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸任務(wù)。系統(tǒng)的本地與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)兩部分全部采用DLMS/COSEM協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，避免了協(xié)議轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了兼容性、系統(tǒng)互操作性，提高了采集效率。

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由下至上分為電能表、集中器和管理中心三層結(jié)構(gòu)。電能表負(fù)責(zé)計(jì)量戶內(nèi)或局部區(qū)域電能、電量使用情況；集中器作為系統(tǒng)的核心部件，即負(fù)責(zé)對(duì)區(qū)域內(nèi)的電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)也擔(dān)負(fù)著電能數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸至管理中心的雙重任務(wù)；管理中心處于應(yīng)用層與用戶交互，完成用戶發(fā)布的各項(xiàng)命令，定時(shí)發(fā)送抄表任務(wù)，收集、整理、存儲(chǔ)、分析各項(xiàng)電能數(shù)據(jù)，同時(shí)也具有對(duì)集中器、電能表設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與配置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 集中器工作原理

集中器部件是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的核心設(shè)備，處于電能表與管理中心之間，負(fù)責(zé)命令解析、任務(wù)分配、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗?xiàng)任務(wù)，在系統(tǒng)中扮演著服務(wù)端與客戶端雙重角色[4,5]。在與電能表通信時(shí)，電能表響應(yīng)集中器的請(qǐng)求并返回電能表數(shù)據(jù)給集中器，集中器接收到數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，此時(shí)集中器作為客戶端；在與管理中心構(gòu)成的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中，集中器作為服務(wù)端，為管理中心提供數(shù)據(jù)服務(wù)。集中器端響應(yīng)管理中心的實(shí)時(shí)請(qǐng)求，并將電能表數(shù)據(jù)采用DLMS/COSEM協(xié)議給管理中心。系統(tǒng)的基本工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理

2.3 選擇通信模式

2.3.1 管理中心與集中器的通信模式

按照網(wǎng)絡(luò)連接方式將通信媒介分為有線和無(wú)線兩種，在管理中心與集中器構(gòu)成的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以選擇的通信網(wǎng)絡(luò)通信媒介有光纖、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)(GPRS/CDMA)等。但是從費(fèi)用成本、后期維護(hù)等方面綜合考慮，GPRS方式均具有明顯優(yōu)勢(shì)，GPRS能同時(shí)發(fā)起多個(gè)通信連接，大大提升通信效率，同時(shí)GPRS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日趨穩(wěn)定，兼具費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn)。所以，在管理中心與集中器構(gòu)成的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信方案的選擇上，GPRS具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 集中器與電表間的通信模式

在集中器與電能表構(gòu)成的本地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，環(huán)境復(fù)雜，干擾因素多，不適合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模式。而有線通信模式主要有電力線載波PLC和RS-485兩種類型。但是從建設(shè)成本、維護(hù)成本、傳輸速率以及可靠性進(jìn)行比較分析，低壓電力載波PLC是正在發(fā)展中的傳輸模式，建設(shè)維護(hù)成本較低，具有現(xiàn)成的線路環(huán)境，但是低壓電力載波在傳輸速率及通信穩(wěn)定性方面較低，不適合大范圍復(fù)雜場(chǎng)景應(yīng)用。綜合比較而言，RS-485在成本維護(hù)、傳輸速率和可靠性方面都是最為理想，而且RS-485已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，符合系統(tǒng)穩(wěn)定性和低成本的設(shè)計(jì)要求。

3 構(gòu)建集中器DLMS/COSEM協(xié)議模型

3.1 構(gòu)建集中器COSEM對(duì)象模型

COSEM使用了面向?qū)ο罄砟顦?gòu)建解決方案，建立了開(kāi)放的儀器儀表數(shù)據(jù)交換規(guī)則，解決了不同廠家、不同型號(hào)、不同設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)共享。集中器模型按照功能分工分為物理設(shè)備層、邏輯設(shè)備層、COSEM對(duì)象接口層三個(gè)層次。物理設(shè)備層是指數(shù)字邏輯設(shè)備，負(fù)責(zé)管理邏輯存儲(chǔ)設(shè)備、時(shí)鐘、服務(wù)接入、參數(shù)配置等底層功能，數(shù)字邏輯設(shè)備與集中器分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與設(shè)備分開(kāi)，便于軟件升級(jí)及系統(tǒng)功能擴(kuò)展，是與電能表對(duì)應(yīng)層次，負(fù)責(zé)描述電能表的各功能單元，邏輯設(shè)備層中含有多個(gè)數(shù)字邏輯設(shè)備，分別與電能表一一對(duì)應(yīng)。COSEM對(duì)象接口層，負(fù)責(zé)管理COSEM對(duì)象的接口，用戶可以通過(guò)訪問(wèn)COSEM對(duì)象的屬性和方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)集中器及電能表的控制管理。

3.2 基于TCP/IP的COSEM通信

管理中心與集中器構(gòu)成的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信采用GPRS通信模式，GPRS通信模式是在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)建，通過(guò)PPP協(xié)議進(jìn)行封裝，而以太網(wǎng)采用IEEE802.3以太網(wǎng)幀格式封裝數(shù)據(jù)傳輸。COSEM通信在TCP/IP協(xié)議上的模型如圖4所示。

圖4 COSEM通信模型

TCP/IP協(xié)議模型的應(yīng)用層與DLMS/COSEM協(xié)議相對(duì)應(yīng)，APDU(Application Protocol Data Unit，應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要包裝子層尋址相關(guān)信息，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸?shù)侥康牡?，尋址信息包括版本?hào)、數(shù)據(jù)源端口、發(fā)送目的地端口以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等。COSEM應(yīng)用協(xié)議在TCP/IP上的傳輸幀格式如圖5所示。

GPRS通信時(shí)APDU數(shù)據(jù)協(xié)議單元按照通訊雙方定義的標(biāo)志、協(xié)議等封裝Wrapper節(jié)點(diǎn)，采用PPP(Point To Point Protocol，點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議)協(xié)議，將封裝的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層傳輸，最后接收端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[6]。接收端接收到數(shù)據(jù)后再按照包裝的逆順序?qū)訉咏獍?、解析，最后得到PPP協(xié)議的APDU數(shù)據(jù)幀，然后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給COSEM應(yīng)用程序進(jìn)行下一步處理，完成COSEM協(xié)議通訊過(guò)程。

圖5 COSEM應(yīng)用協(xié)議傳輸幀格式

4 集中器軟件算法實(shí)現(xiàn)

4.1 集中器軟件架構(gòu)

通信是集中器軟件的主要功能，既包括與電能表的下行通信，還包括與遠(yuǎn)程控制中心的上行通信，同時(shí)由于集中器處于三者之間，自身還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通訊傳輸、命令傳遞等復(fù)雜功能。

集中器的軟件模塊按照功能可以劃分為公共函數(shù)庫(kù)、平臺(tái)層和用戶應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。公共函數(shù)庫(kù)將集中器常用的函數(shù)(如數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、安全驗(yàn)證、時(shí)間處理等)做了封裝，供其他軟件模塊調(diào)用。平臺(tái)層負(fù)責(zé)基礎(chǔ)環(huán)境提供，負(fù)責(zé)硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸，主要包含stm32庫(kù)函數(shù)、Bootloader、內(nèi)核驅(qū)動(dòng)、硬件驅(qū)動(dòng)等。用戶應(yīng)用層發(fā)布了多項(xiàng)擴(kuò)展功能接口，通過(guò)調(diào)用平臺(tái)層和公共函數(shù)庫(kù)的接口完成用戶具體的任務(wù)需求，如串口通訊、數(shù)據(jù)采集、液晶顯示、GPRS遠(yuǎn)程調(diào)用等。集中器軟件功能模塊如圖6所示。

4.2 上行通信算法設(shè)計(jì)

集中器與管理中心的通信稱為上行，采用基于TCP、IP、PPP協(xié)議的GPRS通信模式。上行通信集中器負(fù)責(zé)響應(yīng)遠(yuǎn)程管理中心的命令請(qǐng)求，并按照命令要求完成對(duì)電能表的訪問(wèn)、操作，將結(jié)果回復(fù)至控制中心，上行通信的實(shí)質(zhì)是訪問(wèn)集中器對(duì)象模型。DLMS/COSEM的應(yīng)用層協(xié)議是面向連接，因此服務(wù)器應(yīng)用進(jìn)程與客戶機(jī)之間的通信必須建立在雙方連接基礎(chǔ)上進(jìn)行?；赥CP的上行通信信息交換流程如圖7所示。

圖6 集中器軟件功能模塊

圖7 基于TCP的上行通信信息交換流程

基于DLMS/COSEM協(xié)議的數(shù)據(jù)通信按照通信步驟可以分為建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、釋放連接三個(gè)步驟。建立連接是指分別建立傳輸層、應(yīng)用層兩個(gè)層次連接，傳輸層連接是應(yīng)用層連接的基礎(chǔ)。

首先，構(gòu)建COSEM對(duì)象連接通信底層建立傳輸層，該層包括UDP/TCP傳輸層和數(shù)據(jù)包裝層。數(shù)據(jù)包裝層包括發(fā)送與接收雙方的通信端口號(hào)、協(xié)議版本號(hào)和數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)包裝層提供了設(shè)備地址，便于發(fā)現(xiàn)目的地實(shí)現(xiàn)尋址功能，同時(shí)還提供了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息，該長(zhǎng)度可以用來(lái)校驗(yàn)APDU(數(shù)據(jù))一致性與正確性。數(shù)據(jù)包裝層(WPDU)的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 WPDU結(jié)構(gòu)

其次，COSEM傳輸層連接之后，可以建立COSEM應(yīng)用層的連接，實(shí)現(xiàn)集中器與管理中心的數(shù)據(jù)通信。應(yīng)用層連接為COSEM客戶端和服務(wù)端提供了數(shù)據(jù)交換接口，便于客戶端從服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)?？蛻舳丝梢园l(fā)送Request命令請(qǐng)求至COSEM服務(wù)器對(duì)象，服務(wù)端可以響應(yīng)GET、SET和ACTION三類服務(wù)集合。以SET服務(wù)為例，其數(shù)據(jù)幀如圖9所示。

最后，當(dāng)管理中心完成集中器COSEM對(duì)象接口訪問(wèn)后，向COSEM服務(wù)器發(fā)起斷開(kāi)連接請(qǐng)求，請(qǐng)求確認(rèn)后同時(shí)斷開(kāi)應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層的連接，釋放網(wǎng)絡(luò)資源及銷毀COSEM等對(duì)象，完成此次數(shù)據(jù)交互過(guò)程。

圖9 Request數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4.3 下行通信算法設(shè)計(jì)

集中器與電能表間的通信稱為下行通信，下行通信采用本地?cái)?shù)據(jù)采集模式，預(yù)先在集中器與電能表間定義數(shù)據(jù)幀格式和交互命令模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信需要經(jīng)過(guò)集中器和電表的身份互驗(yàn)證、模式選擇和數(shù)據(jù)讀寫請(qǐng)求應(yīng)答三個(gè)步驟。下行通信數(shù)據(jù)采集流程如圖10所示。

圖10 下行通信數(shù)據(jù)采集流程

1)集中器和電能表的身份互驗(yàn)證

所謂的互驗(yàn)證是指通信雙方各自負(fù)責(zé)自身發(fā)起的驗(yàn)證。身份互驗(yàn)證包括集中器向電能表發(fā)起的驗(yàn)證和電能表向集中器發(fā)起的驗(yàn)證請(qǐng)求兩類。當(dāng)集中器按照管理中心要求向指定的電能表主動(dòng)發(fā)起電能讀取命令時(shí)，通過(guò)集中器設(shè)備地址列表確定待請(qǐng)求的電能表，然后攜帶雙方命令標(biāo)識(shí)觸發(fā)身份驗(yàn)證請(qǐng)求，只有與請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的電能表才被允許反饋通訊結(jié)果。電表向集中器傳輸電能查詢結(jié)果時(shí)通過(guò)密碼驗(yàn)證完成身份驗(yàn)證。

2)模式選擇

電能表定義了數(shù)據(jù)讀寫模式和編程模式兩類，通過(guò)控制命令關(guān)鍵字來(lái)區(qū)分模式。數(shù)據(jù)讀寫模式是指集中器按照預(yù)先設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)讀取、存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)電能表，適用于管理中心的一般日常數(shù)據(jù)分析采集，當(dāng)控制器發(fā)送定時(shí)查詢命令時(shí)，電能表返回所有數(shù)據(jù)。編程模式是指實(shí)時(shí)讀取電能表數(shù)據(jù)，適用于電能表計(jì)費(fèi)統(tǒng)計(jì)獲取。兩種模式均通過(guò)管理中心進(jìn)行命令切換，可以滿足目前電量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3)數(shù)據(jù)讀寫請(qǐng)求應(yīng)答

集中器發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令后，即按照格式讀取數(shù)據(jù)幀，完成數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀內(nèi)容包括身份識(shí)別號(hào)、數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)值、界定符號(hào)等。

5 結(jié) 論

分析了國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于DLMS/COSEM協(xié)議構(gòu)建遠(yuǎn)程抄表通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，合理的解決了通信協(xié)議不統(tǒng)一、互操作性差等數(shù)據(jù)通信難題，實(shí)現(xiàn)了不同廠家不同規(guī)格的儀表、抄表設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)以集中器為核心，構(gòu)建基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議COSEM模型，分別設(shè)計(jì)了上行、下行通信算法，拓展了通信介質(zhì)種類，提高了抄表系統(tǒng)穩(wěn)定性與實(shí)用性，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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