基于DLMS/COSEM協(xié)議的智能電表設計

1引言

目前自動(dòng)抄表系統(AMR)已在我國電能計量部門(mén)得到了廣泛的應用,它為電能管理的現代化創(chuàng )造了良好的條件。但是由于國內沒(méi)有實(shí)現電能表通信協(xié)議的統一,使得通信協(xié)議互不兼容,不利于電能管理系統的集成、維護和升級。

DLMS/COSEM通信協(xié)議是國際電工委員會(huì )為解決自動(dòng)抄表系統和計量系統中的數據采集,儀表安裝、維護,系統集成等問(wèn)題提出的新的電能表通信標準。它以良好的系統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(mǎn)足AMR發(fā)展要求的電能表。

2自動(dòng)抄表系統組成

自動(dòng)抄表系統大體由三部分構成:電能表、通信網(wǎng)絡(luò )、數據交互設備。電能表是指具有數據存儲以及通信交換能力的電力儀表;通信網(wǎng)絡(luò )是指在電能表和數據交換設備之間進(jìn)行數據傳輸的通道;數據交換設備則是需要與電能表進(jìn)行數據通信、采集或調校電能表的設備,如抄表主臺。電能表、數據交換設備、傳輸網(wǎng)絡(luò )是自動(dòng)抄表系統的基礎,而自動(dòng)抄表系統的核心是通信協(xié)議標準,因此,選擇一個(gè)合適的通信標準對構建自動(dòng)抄表系統顯得至關(guān)重要。

3 IEC62056系列標準

傳統的電能表通信協(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(fǎng)問(wèn)設備和數據的地址,數據的數值。該種協(xié)議的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單,對儀表和系統開(kāi)發(fā)的要求不高,但是在與不同的設備集成時(shí),需要編制特定的驅動(dòng)程序。目前國內運用最廣泛的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(mǎn)足所有計量?jì)x表與自動(dòng)抄表系統的應用要求,滿(mǎn)足不同設備系統之間的集成,它以兼容性、獨立性、擴展性作為其實(shí)現目標。兼容性即不同廠(chǎng)商產(chǎn)品相互兼容、新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品與現存產(chǎn)品兼容;獨立性即產(chǎn)品與通信介質(zhì)、制造廠(chǎng)商等無(wú)關(guān);擴展性即易于對現存系統進(jìn)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(guān)鍵在于互操作性的實(shí)現與認證?；ゲ僮餍允侵赣嬃?jì)x表數據管理系統能夠與任何一個(gè)計量?jì)x表進(jìn)行對話(huà),而與制造廠(chǎng)家、儀表型號、能量類(lèi)型以及通信介質(zhì)無(wú)關(guān)。

IEC62056標準協(xié)議(電能計量—用于抄表,費率和負荷控制的數據交換)整體上分兩大部分:設備語(yǔ)言報文規范DLMS(Device Language Message Specification)和電能計量配套技術(shù)規范模型COSEM(Companion Specification for Energy Metering),故也被稱(chēng)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(luò )、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)、數據存儲卡、時(shí)鐘芯片、LCD組成數據處理與顯示單元;由RS485總線(xiàn)、紅外(或無(wú)線(xiàn))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(shí)現

本設計電能表采用模塊化方法實(shí)現軟件功能,包括計量模塊、顯示模塊、事件記錄模塊、分時(shí)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(diǎn)分析電能表通信協(xié)議模塊的實(shí)現。

電能表通信結構采用C/S模式,儀表端作服務(wù)器,抄表主臺等作客戶(hù)端。通信協(xié)議架構如圖2示。DLMS/COSEM作為面向連接的協(xié)議,規定以下三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現電能表系統的建立和通信:1.建立儀表模型和數據標識。2.將模型映射為協(xié)議數據單元APDU、對象的屬性和方法可被用于定義訪(fǎng)問(wèn)。3.通過(guò)數據鏈路層與物理層連接,最后通過(guò)傳輸通道進(jìn)行通信。以下主要從建立符合COSEM的儀表模型和滿(mǎn)足DLMS的通信協(xié)議棧兩方面分析電能表通信功能的實(shí)現方法。

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(lái)構建儀表數據模型和功能模型,通過(guò)各個(gè)COSEM接口類(lèi)對象之間的配合來(lái)完成某個(gè)特定功能。

儀表模型的構建包括兩部分重要內容:協(xié)議61部分的O-BIS—對象標識系統和62部分的接口類(lèi)。

OBIS—對象標識系統給計量?jì)x表中的所有數據都提供了一個(gè)標準的標識碼,該標識碼唯一標識一個(gè)數據對象。OBIS碼由6個(gè)數碼項(6個(gè)字節A-F)組合編碼。每個(gè)數據項的含義為:A組值標識被測能量的類(lèi)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組值標識歷史數據。從第B組到第D組為廠(chǎng)家自定義標識碼預留了空間。

接口類(lèi)—IEC62056針對儀表部件和通信接口單元引進(jìn)了類(lèi)的概念,每個(gè)分類(lèi)號都對應于一類(lèi)接口對象,每個(gè)對象包括屬性和方法,根據這些屬性和方法,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(chǎng)家。目前,在IEC62056-62中規定了電能表中主要的接口類(lèi)包括:寄存器、時(shí)鐘、曲線(xiàn)類(lèi)、特殊日類(lèi)、以太網(wǎng)設置類(lèi)等。

本電能表根據需要設計了如圖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(gè)功能子集中，也為了節約資源,本電能表只構建了一個(gè)邏輯設備,用邏輯設備名LDN來(lái)標識。組成該電能表的對象有:包含有功、無(wú)功電量等的寄存器對象、包含需量數據的需量寄存器對象、實(shí)現多費率功能的日歷表、時(shí)間表、特殊日、時(shí)鐘以及腳本對象、用于連接功能的SAP和LN/SN對象以及實(shí)現失壓斷相等事件記錄的寄存器監視對象等。電能表就通過(guò)這一系列接口類(lèi)對象的相互配合構成一個(gè)完整的電能表模型。

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