孟洋

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘要：以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議為研究切入點，設(shè)計了基于DLMS/COSEM協(xié)議的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，

建立集中器COSEM對象模型，實現(xiàn)了多任務(wù)環(huán)境下遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計。DLMS/COSEM協(xié)議的運用提升了系統(tǒng)操作便捷性，解決了不同廠商電能表、集中器數(shù)據(jù)通題。同時開放的接口為系統(tǒng)擴展奠定了基礎(chǔ)，解決了系統(tǒng)業(yè)務(wù)更新時面臨的兼容性問題，提高了抄表系統(tǒng)穩(wěn)定性與實用性 。

關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程抄表；DLMS；COSEM；通信協(xié)議

 

0引言

        隨著通信技術(shù)的飛快發(fā)展，國內(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，推進智能電網(wǎng)向全球健康發(fā)展，因此我國也對智能電網(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，綜合運用計算機技術(shù)、自動化技術(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)與用戶間一公里智能處理問題口。該技術(shù)具有效率高、誤差率低等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外研究中取得了很大的發(fā)展，推動了電能行業(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。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)運營成本。因此，采用國際通用DLMS/COSEM標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計開發(fā)具有互操作性的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實現(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)備語言報文規(guī)范(Device Language Message Specificat ion，DLMS)和能源計量配套協(xié)議(Com-panion Specification for Energy Metering，COSEM)是一組具有互操作性的通信協(xié)議。該協(xié)議采用面向?qū)ο笤O(shè)計方法，提供了與通信介質(zhì)無關(guān)的應(yīng)用層設(shè)計理念，從信息通信角度建立統(tǒng)一標(biāo)識、接口、服務(wù)模型，響應(yīng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信請求，該協(xié)議具有適用性強、移植維護方便、可擴展性較強的特點，廠商根據(jù)對外接口可添加數(shù)據(jù)接口，完成數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)不同廠商設(shè)備數(shù)據(jù)接口間互操作。遵守DLMS/COSEM協(xié)議的設(shè)備兼容性強，適合有線、無線等多種通信方式，同時還有利于系統(tǒng)功能進行擴展和升級。DLMS/COSEM協(xié)議具備如下特點：

        （1)采用面向?qū)ο笏枷耄xCOSEM對象信息模型，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)通訊機制，甚于應(yīng)用層設(shè)計協(xié)議，與物理層相互分離；

        （3)數(shù)據(jù)對象模型通用性強，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、無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸。DLMS/COSEM協(xié)議簡化了傳統(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)崩層的三層增強性能架構(gòu)，DLMS/COSEM的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議如圖1所示。

 

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

        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)兩個部分。集中器與現(xiàn)場電能表構(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)議進行數(shù)據(jù)交互,避免了協(xié)議轉(zhuǎn)換,增強了兼容性、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)對區(qū)域內(nèi)的電能表數(shù)據(jù)進行采集，同時也擔(dān)負(fù)著電能數(shù)據(jù)的存儲、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)布的各項命令定時發(fā)送抄表任務(wù)，收集整理存儲、分析各項電能數(shù)據(jù),同時也具有對集中器、電能表設(shè)備的實時監(jiān)測與配置。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)榷囗椚蝿?wù)在系統(tǒng)中扮演著服務(wù)端與客戶端雙重角色。在與電能表通信時,電能表響應(yīng)集中器的請求并返回電能表數(shù)據(jù)給集中器集中器接收到數(shù)據(jù)后存儲到本地數(shù)據(jù)庫中此時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)管理中心的實時請求，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)、無線網(wǎng)(GPRS/CDMA)等。但是從費用成本、后期維護等方面綜合考慮GPRS方式均具有明顯優(yōu)勢GPRS能同時發(fā)起多個通信連接,大大提升通信效率，同時GPRS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日趨穩(wěn)定，兼具費用低廉的優(yōu)點。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具有更強的適應(yīng)性符合系統(tǒng)設(shè)計要求

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)成本維護成本、傳輸速率以及可靠性進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)雜場景應(yīng)用。綜合比較而言RS-485在成本維護傳輸速率和可靠性方面都是理想，而且RS-485已經(jīng)在多個領(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對象模型

        COSEM使用了面向?qū)ο罄砟顦?gòu)建解決方案，建立了開放的儀器儀表數(shù)據(jù)交換規(guī)則，解決了不同廠家、不同型號、不同設(shè)備的數(shù)據(jù)通題，實現(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對象接口層三個層次。物理設(shè)備層是指數(shù)字邏輯設(shè)備，負(fù)責(zé)管理邏輯存儲設(shè)備、時鐘、服務(wù)接人、參數(shù)配置等底層功能，數(shù)字邏輯設(shè)備與集中器分開，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與設(shè)備分開便于軟件升級及系統(tǒng)功能擴展,是與電能表對應(yīng)層次，負(fù)責(zé)描述電能表的各功能單元，邏輯設(shè)備層中含有多個數(shù)字邏輯設(shè)備，分別與電能表一一對應(yīng)。COSEM對象接口層,負(fù)責(zé)管理CO- SEM對象的接口，用戶可以通過訪問COSEM對象的屬性和方法實現(xiàn)對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PPP協(xié)議進行封裝而以太網(wǎng)采用IEEE8023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)議相對應(yīng)，APDU(Application Protocol Data 0nit,應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)在傳輸數(shù)據(jù)時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?尋址信息包括版本號數(shù)據(jù)源端口、發(fā)送目的地端口以及數(shù)據(jù)長度等。COSEM應(yīng)用協(xié)議在TCP/IP上的傳輸幀格式如圖5所示。

 

圖5 COSEM應(yīng)用協(xié)議傳輸幀格式

GPRS通信時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，采用 PPP(Point To Point Protocol,點到點協(xié)議)協(xié)議，將封裝的數(shù)據(jù)句經(jīng)過傳輸層網(wǎng)絡(luò)層經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層傳輸，接收端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。接收端接收到數(shù)據(jù)后再按照包裝的逆順序?qū)訉咏獍⒔馕龅玫絇PP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)用程序進行下一步處理，完成COSEM協(xié)議通訊過程。

 

4集中器軟件算法實現(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由于集中器處于三者之間,自身還包括數(shù)據(jù)存儲、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)庫平臺層和用戶應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。公共函數(shù)庫將集中器常用的函數(shù)(如數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、安全驗證時間處理等)做了封裝，供其他軟件模塊調(diào)用，平臺層負(fù)責(zé)基礎(chǔ)環(huán)境提供負(fù)責(zé)硬件驅(qū)動、數(shù)據(jù)傳輸主要句含stm32庫函數(shù)Bootloader、內(nèi)核驅(qū)動硬件驅(qū)動等。用戶應(yīng)用層發(fā)布了多項擴展功能接口通過調(diào)用平臺層和公共函數(shù)庫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

 

圖6 集中器軟件功能模塊

4.2 上行通信算法設(shè)計

        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求，并按照命令要求完成對電能表的訪問、操作，將結(jié)果回復(fù)至控制中心，上行通信的實質(zhì)是訪問集中器對象模型。DLMS/COSEM的應(yīng)用層協(xié)議是面向連接，因此服務(wù)器應(yīng)用進程與客戶機之間的通信建立在雙方連接基礎(chǔ)上進行。基于TCP的上行通信信息交換流程如圖7所示。

 

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、釋放連接三個步驟。建立連接是指分別建立傳輸層、應(yīng)用層兩個層次連接，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、協(xié)議版本號和數(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)目的地實現(xiàn)尋址功能，同時還提供了數(shù)據(jù)長度信息，該長度可以用來校驗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)。客戶端可以發(fā)送Request命令請求至CO-SEM服務(wù)器對象服務(wù)端可以響應(yīng)GETSET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。

 

圖9 Request 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

當(dāng)管理中心完成集中器COSEM對象接口訪問后，向COSEM服務(wù)器發(fā)起斷開連接請求請求確認(rèn)后同時斷開應(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等對象，完成此次數(shù)據(jù)交互過程。

4.3 下行通信算法設(shè)計

   集中器與電能表間的通信稱為下行通信，下行通信采用本地數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信需要經(jīng)過集中器和電表的身份互驗證、模式選擇和數(shù)據(jù)讀寫請求應(yīng)答三個步驟。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證

        所謂的互驗證是指通信雙方各自負(fù)責(zé)自身發(fā)起的驗證。身份互驗證包括集中器向電能表發(fā)起的驗證和電能表向集中器發(fā)起的驗證請求兩類當(dāng)集中器按照管理中心要求向的電能表主動發(fā)起電能讀取命令時，通過集中器設(shè)備地址列表確定待請求的電能表然后攜帶雙方命令標(biāo)識觸發(fā)身份驗證請求，只有與請求對應(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)果時通過密碼驗證完成身份驗證。

(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控制命令關(guān)鍵字來區(qū)分模式。數(shù)據(jù)讀寫模式是指集中器按照預(yù)先設(shè)定時間間隔自動讀取、存儲區(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)送定時查詢命令時，電能表返回所有數(shù)據(jù)。編程模式是指實時讀取電能表數(shù)據(jù)適用于電能表計費統(tǒng)計獲取。兩種模式均通過管理中心進行命令切換,可以滿足目前電量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計要求。

(3)數(shù)據(jù)讀寫請求應(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)容包括身份識別號數(shù)據(jù)單位數(shù)據(jù)值、界定符號等。

 

5安科瑞AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺

5.1 系統(tǒng)方案

        系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，主要包括前端管理網(wǎng)站和后臺集抄服務(wù)，配合公司的預(yù)付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現(xiàn)電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠(yuǎn)傳閥控水表組成水電一體預(yù)付費系統(tǒng)，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關(guān)閥。

 

5.2 系統(tǒng)功能

        AcrelCloud-3200預(yù)付費水電云平臺由云平臺-網(wǎng)關(guān)-預(yù)付費電能表組成，通過通信網(wǎng)絡(luò)完成系統(tǒng)到表的充值、查詢、監(jiān)控、控制及短信報警等功能。

   本系統(tǒng)適用于一些大集團和大物業(yè)，往往需要將多個物業(yè)環(huán)境、分散于各地的物業(yè)集中式收費和管理，面臨著數(shù)據(jù)公網(wǎng)傳輸，財務(wù)操作分散，在線支付，總部財務(wù)扎口等復(fù)雜的需求。

 

 

遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。

 

水表預(yù)付費:可是查看某區(qū)域水表的實時狀態(tài)信息，并可以進行單表或批量設(shè)置水價控閥等操作。

 

遠(yuǎn)程售電:財務(wù)集中管理，電量實時下發(fā)，并比對充值次數(shù)，方便快捷。

 

 

 

 

能耗分析:用戶和管理員都可查詢預(yù)付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務(wù)軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務(wù)數(shù)據(jù)、能耗和財務(wù)的期初期末值等數(shù)據(jù)。

 

 

在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現(xiàn)在線自助充值水電費，也可以實時關(guān)注商鋪用水用電情況。

 

短信提醒:金額不足或金額欠費提醒、電表充值到賬提醒，都可及時短信通知商戶。

 

 

遠(yuǎn)程控制:可對任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。

 

5.3 產(chǎn)品選型

 

 

 

6結(jié)束語

分析了國內(nèi)外遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計了基于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)定性與實用性，具有很好的實用價值。

 

【參考文獻】

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[2]侯志輝．智能抄表系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用[D]．北京：華北電力大學(xué)，2015 

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06