孟洋
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：以網絡數據通信協議為研究切入點，設計了基于DLMS/COSEM協議的遠程抄表系統，
建立集中器COSEM對象模型，實現了多任務環境下遠程抄表系統設計。DLMS/COSEM協議的運用提升了系統操作便捷性，解決了不同廠商電能表、集中器數據通題。同時開放的接口為系統擴展奠定了基礎，解決了系統業務更新時面臨的兼容性問題，提高了抄表系統穩定性與實用性 。
關鍵詞:遠程抄表；DLMS；COSEM；通信協議
0引言
隨著通信技術的飛快發展，國內外不斷將新型網絡技術應用到智能電網建設中，推進智能電網向全球健康發展，因此我國也對智能電網的建設提出了更高的層次要求。遠程抄表技術作為智能電網建設的重要組成部分，綜合運用計算機技術、自動化技術、通信技術、軟件技術和信息網絡技術，實現用戶電能表信息的抄收、控制與傳遞，解決電力企業與用戶間一公里智能處理問題口。該技術具有效率高、誤差率低等優點，近年來在國內外研究中取得了很大的發展，推動了電能行業科學管理，逐漸成為智能電網建設領域的研究熱點。通信協議的選取是保障遠程抄表系統通用性及數據傳輸準確性的關鍵。但由于同一區域內多個廠家的電能表采用不同的通信協議，以及多樣化的復雜通信網絡環境，造成區域內通信協議往往不統一，必然大幅增加系統運營成本。因此，采用國際通用DLMS/COSEM標準，設計開發具有互操作性的遠程抄表系統，實現了不同廠家不同規格的儀表和抄表設備之間數據自由交換。
1 DLMS／COSEM協議
設備語言報文規范(Device Language Message Specificat ion，DLMS)和能源計量配套協議(Com-panion Specification for Energy Metering，COSEM)是一組具有互操作性的通信協議。該協議采用面向對象設計方法，提供了與通信介質無關的應用層設計理念，從信息通信角度建立統一標識、接口、服務模型，響應遠程抄表系統的數據通信請求，該協議具有適用性強、移植維護方便、可擴展性較強的特點，廠商根據對外接口可添加數據接口，完成數據通信，實現不同廠商設備數據接口間互操作。遵守DLMS/COSEM協議的設備兼容性強，適合有線、無線等多種通信方式，同時還有利于系統功能進行擴展和升級。DLMS/COSEM協議具備如下特點：
（1)采用面向對象思想，定義COSEM對象信息模型，用標準化方式定義數據；
（2)該協議基于服務端(儀表)、客戶端 (抄表主機)通訊機制，甚于應用層設計協議，與物理層相互分離；
（3)數據對象模型通用性強，可以適用于多種類型儀器，協議具有自解析、互操作的特性；
（4)協議應用介質廣泛，可基于RS485、以太網、GPRS等有線、無線網絡介質傳輸。DLMS/COSEM協議簡化了傳統的OSI網絡模型結構，采用僅包含物理層、數據鏈路層和應崩層的三層增強性能架構，DLMS/COSEM的網絡通信協議如圖1所示。
DLMS/COSEM的網絡通信協議
2遠程抄表系統總體方案
2.1系統架構層次設計
集中器部件是遠程抄表系統的核心,按照集中器位置將通信網絡分為本地通信網絡和遠程通信網絡兩個部分。集中器與現場電能表構成的通信網絡是本地通信網絡,完成日常電能數據采集任務;集中器與管理中心構成遠程通信網絡,承擔著電能數據遠程傳輸任務。系統的本地與遠程通信網絡兩部分全部采用DLMS/COSEM協議進行數據交互,避免了協議轉換,增強了兼容性、系統互操作性,提高了采集效率。
遠程抄表系統由下至上分為電能表、集中器和管理中心三層結構。電能表負責計量戶內或局部區域電能、電量使用情況;集中器作為系統的核心部件,即負責對區域內的電能表數據進行采集，同時也擔負著電能數據的存儲、傳輸至管理中心的雙重任務;管理中心處于應用層與用戶交互,完成用戶發布的各項命令定時發送抄表任務，收集整理存儲、分析各項電能數據,同時也具有對集中器、電能表設備的實時監測與配置。系統結構如圖2所示
圖2 遠程抄表系統結構
2.2 集中器工作原理
集中器部件是遠程抄表系統的核心設備,處于電能表與管理中心之間,負責命令解析、任務分配、數據傳輸等多項任務在系統中扮演著服務端與客戶端雙重角色。在與電能表通信時,電能表響應集中器的請求并返回電能表數據給集中器集中器接收到數據后存儲到本地數據庫中此時集中器作為客戶端在與管理中心構成的遠程網絡中集中器作為服務端,為管理中心提供數據服務。集中器端響應管理中心的實時請求，并將電能表數據采用DLMS/COSEM協議給管理中心。系統的基本工作原理如圖3所示
圖3 系統工作原理
2.3選擇通信模式
2.3.1管理中心與集中器的通信模式
按照網絡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成的遠程網絡環境中可以選擇的通信網絡通信媒介有光纖、以太網、無線網(GPRS/CDMA)等。但是從費用成本、后期維護等方面綜合考慮GPRS方式均具有明顯優勢GPRS能同時發起多個通信連接,大大提升通信效率，同時GPRS網絡環境日趨穩定，兼具費用低廉的優點。所以在管理中心與集中器構成的遠程網絡通信方案的選擇上，GPRS具有更強的適應性符合系統設計要求
2.3.2集中器與電表間的通信模式
在集中器與電能表構成的本地網絡環境中環境復雜干擾因素多,不適合無線網絡通信模式。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是正在發展中的傳輸模式建設維護成本較低,具有現成的線路環境,但是低壓電力載波在傳輸速率及通信穩定性方面較低，不適合大范圍復雜場景應用。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已經在多個領域得到了成功應用，符合系統穩定性和低成本的設計要求。
3構建集中器DLMS/COSEM協議模型
3.1 構建集中器COSEM對象模型
COSEM使用了面向對象理念構建解決方案，建立了開放的儀器儀表數據交換規則，解決了不同廠家、不同型號、不同設備的數據通題，實現了數據讀取、數據共享。集中器模型按照功能分工分為物理設備層、邏輯設備層、COSEM對象接口層三個層次。物理設備層是指數字邏輯設備，負責管理邏輯存儲設備、時鐘、服務接人、參數配置等底層功能，數字邏輯設備與集中器分開，實現數據存儲與設備分開便于軟件升級及系統功能擴展,是與電能表對應層次，負責描述電能表的各功能單元，邏輯設備層中含有多個數字邏輯設備，分別與電能表一一對應。COSEM對象接口層,負責管理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成的遠程網絡通信采用 GPRS通信模式GPRS通信模式是在TCP/IP協議基礎上構建通過PPP協議進行封裝而以太網采用IEEE8023以太網幀格式封裝數據傳輸 COSEM通信在TCP/IP協議上的模型如圖4所示
圖4 COSEM通信模型
TCP/IP協議模型的應用層與DLMS/COSEM協議相對應，APDU(Application Protocol Data 0nit,應用協議數據單元)在傳輸數據時需要包裝子層尋址相關信息，確保數據準確傳輸到目的地,尋址信息包括版本號數據源端口、發送目的地端口以及數據長度等。COSEM應用協議在TCP/IP上的傳輸幀格式如圖5所示。
圖5 COSEM應用協議傳輸幀格式
GPRS通信時APDU數據協議單元按照通訊雙方定義的標志、協議等封裝Wrapper節點，采用 PPP(Point To Point Protocol,點到點協議)協議，將封裝的數據句經過傳輸層網絡層經數據鏈路層傳輸，接收端通過GPRS網絡接收數據，完成一次數據傳輸任務。接收端接收到數據后再按照包裝的逆順序層層解包、解析得到PPP協議的APDU數據幀,然后將該數據轉交給COSEM應用程序進行下一步處理，完成COSEM協議通訊過程。
4集中器軟件算法實現
4.1集中器軟件架構
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,自身還包括數據存儲、通訊傳輸、命令傳遞等復雜功能。集中器的軟件模塊按照功能可以劃分為公共函數庫平臺層和用戶應用層三層結構。公共函數庫將集中器常用的函數(如數據類型轉換、安全驗證時間處理等)做了封裝，供其他軟件模塊調用，平臺層負責基礎環境提供負責硬件驅動、數據傳輸主要句含stm32庫函數Bootloader、內核驅動硬件驅動等。用戶應用層發布了多項擴展功能接口通過調用平臺層和公共函數庫的接口完成用戶具體的任務需求，如串口通訊、數據采集、液晶顯示,GPRS遠程調用等。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 上行通信算法設計
集中器與管理中心的通信稱為上行采用基于TCP、IP、PPP協議的GPRS通信模式。上行通信集中器負責響應遠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，將結果回復至控制中心，上行通信的實質是訪問集中器對象模型。DLMS/COSEM的應用層協議是面向連接，因此服務器應用進程與客戶機之間的通信建立在雙方連接基礎上進行。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 協議的數據通信按照通信步驟可以分為建立連接、數據傳輸、釋放連接三個步驟。建立連接是指分別建立傳輸層、應用層兩個層次連接，傳輸層連接是應用層連接的基礎。首先，構建COSEM 對象連接通信底層建立傳輸層，該層包括UDP/TCP傳輸層和數據包裝層。數據包裝層包括發送與接收雙方的通信端口號、協議版本號和數據內容。數據包裝層提供了設備地址，便于發現目的地實現尋址功能，同時還提供了數據長度信息，該長度可以用來校驗APDU(數據)一致性與正確性。數據包裝層 (WPDU)的結構如圖8所示
圖8 WPDU 結構
其次，COSEM 傳輸層連接之后，可以建立COSEM應用層的連接，實現集中器與管理中心的數據通信。應用層連接為COSEM客戶端和服務端提供了數據交換接口，便于客戶端從服務端獲取數據。客戶端可以發送Request命令請求至CO-SEM服務器對象服務端可以響應GETSET和 ACTION三類服務集合。以SET服務為例,其數據幀如圖9所示。
圖9 Request 數據幀結構
當管理中心完成集中器COSEM對象接口訪問后，向COSEM服務器發起斷開連接請求請求確認后同時斷開應用層、傳輸層、網絡層的連接，釋放網絡資源及銷毀COSEM等對象，完成此次數據交互過程。
4.3 下行通信算法設計
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據采集模式預先在集中器與電能表間定義數據幀格式和交互命令模式，實現數據通信需要經過集中器和電表的身份互驗證、模式選擇和數據讀寫請求應答三個步驟。下行通信數據采集流程如圖10所示
圖10 下行通信數據采集流程
(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責自身發起的驗證。身份互驗證包括集中器向電能表發起的驗證和電能表向集中器發起的驗證請求兩類當集中器按照管理中心要求向的電能表主動發起電能讀取命令時，通過集中器設備地址列表確定待請求的電能表然后攜帶雙方命令標識觸發身份驗證請求，只有與請求對應的電能表才被允許反饋通訊結果。電表向集中器傳輸電能查詢結果時通過密碼驗證完成身份驗證。
(2)模式選擇
電能表定義了數據讀寫模式和編程模式兩類通過控制命令關鍵字來區分模式。數據讀寫模式是指集中器按照預先設定時間間隔自動讀取、存儲區域內電能表，適用于管理中心的一般日常數據分析采集，當控制器發送定時查詢命令時，電能表返回所有數據。編程模式是指實時讀取電能表數據適用于電能表計費統計獲取。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程抄表系統的設計要求。
(3)數據讀寫請求應答
集中器發送數據讀取指令后，即按照格式讀取數據幀,完成數據傳輸，數據幀內容包括身份識別號數據單位數據值、界定符號等。
5安科瑞AcrelCloud-3200預付費水電云平臺
5.1 系統方案
系統為B/S架構，主要包括前端管理網站和后臺集抄服務，配合公司的預付費電表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用戶計量箱ADF300L系列，實現電能計量和電費管理等功能。另外可以選配遠傳閥控水表組成水電一體預付費系統，達到先交費后用水的目的，剩余水量用完自動關閥。
5.2 系統功能
AcrelCloud-3200預付費水電云平臺由云平臺-網關-預付費電能表組成，通過通信網絡完成系統到表的充值、查詢、監控、控制及短信報警等功能。
本系統適用于一些大集團和大物業，往往需要將多個物業環境、分散于各地的物業集中式收費和管理，面臨著數據公網傳輸，財務操作分散，在線支付，總部財務扎口等復雜的需求。
遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
水表預付費:可是查看某區域水表的實時狀態信息，并可以進行單表或批量設置水價控閥等操作。
遠程售電:財務集中管理，電量實時下發，并比對充值次數，方便快捷。
能耗分析:用戶和管理員都可查詢預付費表或管控表每天的用能狀況；可提供能耗分析+財務軌跡一體式綜合管理報表，包含用戶表的能耗、財務數據、能耗和財務的期初期末值等數據。
在線支付:商戶可以通過小程序或者微信公眾號實現在線自助充值水電費，也可以實時關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。
遠程控制:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
5.3 產品選型
6結束語
分析了國內外遠程抄表系統存在的問題，設計了基于DLMS/COSEM協議構建遠程抄表通信網絡系統，合理的解決了通信協議不統一、互操作性差等數據通信難題實現了不同廠家不同規格的儀表抄表設備之間數據通信。系統以集中器為核心，構建基于TCP/IP網絡通信協議COSEM模型分別設計了上行、下行通信算法，拓展了通信介質種類提高了抄表系統穩定性與實用性，具有很好的實用價值。
【參考文獻】
[1]陳偉，侯榮旭，田桂巖，楊慶林.基于DLMS、COSEM 協議的遠程抄表通信系統設計
[2]侯志輝．智能抄表系統的研發與應用[D]．北京：華北電力大學，2015
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06
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