吳乾坤

(黑龍江太平洋科技有限公司,哈爾濱 150090)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)改革的深入,特別是用電需求側(cè)管理向電力營(yíng)銷現(xiàn)代化集約化管理、客戶服務(wù)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、需求側(cè)能效和電能優(yōu)化配置方向發(fā)展。但電力系統(tǒng)現(xiàn)有的規(guī)約種類很多,而且范圍越定越大,內(nèi)容越來(lái)越全,調(diào)度和保護(hù)的技術(shù)人員須面對(duì)多種通訊方式、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議[1]。隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)由智能計(jì)量?jī)x表、自動(dòng)化裝置、現(xiàn)代通信設(shè)備等組成的各類系統(tǒng)逐步取代過(guò)去由感應(yīng)系計(jì)量表計(jì)、手動(dòng)裝置、人工操作等組成的運(yùn)行模式[2]。

在配電系統(tǒng)中根據(jù)產(chǎn)權(quán)和具體應(yīng)用不同,配電變壓器臺(tái)分為公用變壓器臺(tái)和專用變壓器臺(tái)。公用變壓器臺(tái)由供電公司投資安裝,主要供給居民用戶使用;專用變壓器臺(tái)由用戶投資安裝,并由用戶維護(hù),這就使專用變壓器臺(tái)具有數(shù)量多,分布不集中,負(fù)荷差別大,使用季節(jié)性、時(shí)段性強(qiáng),防盜、防破壞延遲等眾多特點(diǎn),給管理帶來(lái)很大困難,并且使供電和配電管理部門原有的技術(shù)人員緊缺現(xiàn)象顯得更加突出。這就對(duì)專用變壓器臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和管理提出更高的要求,最迫切的就是數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和一致性。

針對(duì)專用變壓器臺(tái)的特點(diǎn)和電能信息采集與管理系統(tǒng)關(guān)于計(jì)量、采集和傳輸?shù)囊?結(jié)合國(guó)際先進(jìn)的IEC62056技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展方向,利用我公司多年電能數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程傳輸?shù)募夹g(shù)能力,研制了專用變壓器臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端。本文在黑龍江電能信息采集與管理系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范基礎(chǔ)上,介紹了基于DLMS/COSEM的專用變壓器臺(tái)采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 采集終端概述

在電能信息采集與管理系統(tǒng)中,采集終端通過(guò)下行信道采集掛載的各種表計(jì)、存儲(chǔ)電能表以串行通訊形式輸出的電能等數(shù)據(jù);通過(guò)上行信道與抄表主站通信,將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔苄畔⒉杉c管理系統(tǒng)的主站中,是電能量數(shù)據(jù)的通訊中樞。

圖1 電能信息采集與管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of electric energy information and supervise system

2 基于DLMS/COSEM的專用變壓器臺(tái)采集終端模型

在電力行業(yè)中,電子式電能表、數(shù)據(jù)采集終端以及下位機(jī)設(shè)備,都具有自己的協(xié)議體系[5]。針對(duì)不同采集系統(tǒng)廠家、型號(hào)、通信協(xié)議不統(tǒng)一,組網(wǎng)不便等問(wèn)題,DLMS用戶協(xié)會(huì)提出了一種新的基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的通信協(xié)議,從整體上分兩大部分,即COSEM和DLMS,一部分是與通信協(xié)議、介質(zhì)無(wú)關(guān)的電能計(jì)量配套技術(shù)規(guī)范COSEM(Companion Specification for Energy Metering),另一部分是通信協(xié)議模型,即設(shè)備語(yǔ)言報(bào)文規(guī)范DLMS(Device Language Message Specification)[6]。

2.1 包含的規(guī)范與通信規(guī)約

IEC62056系列標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際電工委員會(huì)( IEC)制定的關(guān)于電能計(jì)量——用于抄表、費(fèi)率和負(fù)荷控制的數(shù)據(jù)交換的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),其核心部分是設(shè)備語(yǔ)言報(bào)文規(guī)范DLMS和能源計(jì)量配套規(guī)范COSEM[7]。

在用IEC62056標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的自動(dòng)抄表系統(tǒng)中,采集終端按照COSEM規(guī)范來(lái)架構(gòu),上行信道符合DLMS通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),采用基于CO-HDLC數(shù)據(jù)鏈路層的3層協(xié)議棧(COSEM應(yīng)用層:IEC62056-53[8];使用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層:IEC62056-46[9];定向連接異步數(shù)據(jù)交換程序和物理層服務(wù):IEC62056-42[10];下行信道按多功能電能表通信規(guī)約:DL/T 645-1997與各種表計(jì)通信。

2.2 COSEM采集終端模型

在IEC62056標(biāo)準(zhǔn)體系中是按照客房機(jī)/服務(wù)器模式來(lái)進(jìn)行通信架構(gòu),主站充當(dāng)客戶機(jī),采集終端充當(dāng)服務(wù)器。我們按照能源計(jì)量配套規(guī)范(COSEM)通過(guò)使用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型來(lái)構(gòu)建采集終端。COSEM將一個(gè)物理設(shè)備模型化為一系列邏輯設(shè)備(包括管理邏輯設(shè)備)組成,每個(gè)邏輯設(shè)備是該物理設(shè)備的一個(gè)功能子集,各種功能則用COSEM對(duì)象模型來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化。邏輯設(shè)備用16字符(3字母制造商標(biāo)識(shí)+最多13個(gè)制造商自定義字符)的邏輯設(shè)備名來(lái)標(biāo)識(shí),它具有全球唯一性,為數(shù)據(jù)溯源提供了前提條件。同一邏輯設(shè)備中的實(shí)例對(duì)象必須具有相同的版本。COSEM采集終端的結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2,該模型分:物理設(shè)備、邏輯設(shè)備和各種對(duì)象3個(gè)層次。

圖2 COSEM采集終端模型Fig.2 COSEM model of remote terminal unit

2.2.1 物理設(shè)備

物理設(shè)備即為所要設(shè)計(jì)的采集終端設(shè)備,包含兩個(gè)必須存在的邏輯設(shè)備:①管理邏輯設(shè)備,用來(lái)管理各種功能的實(shí)現(xiàn);②數(shù)據(jù)邏輯設(shè)備,用來(lái)存儲(chǔ)采集終端下行掛載的各種表計(jì)各類數(shù)據(jù)曲線。

若問(wèn)題為效益型時(shí)，用若問(wèn)題為成本型，用求得對(duì)應(yīng)于各決策對(duì)象i(i=1,2,…,n)的最優(yōu)目標(biāo)權(quán)重向量為：

2.2.2 邏輯設(shè)備

管理邏輯設(shè)備與數(shù)據(jù)邏輯設(shè)備統(tǒng)稱為邏輯設(shè)備,兩者各自完成其特定的功能。每個(gè)邏輯設(shè)備包含若干個(gè)COSEM接口類對(duì)象,且都具有自己的邏輯地址,并且每個(gè)邏輯設(shè)備必須包含一個(gè)邏輯設(shè)備名(LDN)對(duì)象和一個(gè)邏輯名引用(LN)聯(lián)接對(duì)象或者一個(gè)短名引用(SN)聯(lián)接對(duì)象,在采集終端實(shí)現(xiàn)中采用邏輯名(LN)引用。

管理邏輯中包含與采集終端全局相關(guān)的接口類對(duì)象。并且管理邏輯設(shè)備還必須包含一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)分配對(duì)象。

數(shù)據(jù)邏輯設(shè)備中主要包含各種曲線對(duì)象,每條曲線對(duì)象對(duì)應(yīng)于采集終端下行掛載的相應(yīng)表計(jì)對(duì)應(yīng)的具體數(shù)據(jù)曲線。

邏輯設(shè)備中的邏輯名引用(LN)聯(lián)接對(duì)象比較特殊,如果抄表主站需要訪問(wèn)某一邏輯設(shè)備中的數(shù)據(jù),則應(yīng)首先與該邏輯設(shè)備建立應(yīng)用聯(lián)接(AA),該應(yīng)用聯(lián)接的各相關(guān)參數(shù)都保存在LN聯(lián)接對(duì)象中。同時(shí)LN聯(lián)接對(duì)象中存放了該邏輯設(shè)備中的所有接口類對(duì)象的基本信息如類標(biāo)識(shí)(class ID)、邏輯名(logical name)等。這樣只要抄表主站讀取了 LN對(duì)象的對(duì)象清單屬性后,即可以獲知該邏輯設(shè)備中所具有的各對(duì)象清單,從而為抄表主站進(jìn)一步對(duì)采集終端具體對(duì)象的操作提供了動(dòng)作范圍。

2.2.3 COSEM接口對(duì)象

IEC62056標(biāo)準(zhǔn)中構(gòu)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口類庫(kù)。本采集終端中的COSEM接口對(duì)象一部分是標(biāo)準(zhǔn)的COSEM對(duì)象,另外,根據(jù)特定需求對(duì)一部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象進(jìn)行了相應(yīng)擴(kuò)展,如增加自定義屬性或自定義方法等。從而通過(guò)若干個(gè)不同的COSEM對(duì)象相互配合完成某一個(gè)特定的實(shí)際功能。

2.2.4 邏輯設(shè)備的尋址

本采集終端設(shè)計(jì)中對(duì)于邏輯設(shè)備的尋址是根據(jù)IEC62056通訊架構(gòu)中所采用的可擴(kuò)展尋址方案:高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)擴(kuò)展地址規(guī)則。具體規(guī)則為保留每個(gè)地址字節(jié)中第一個(gè)傳送的bit位(低有效位)作為地址擴(kuò)展用途,將其置為0表示緊隨其后的1個(gè)字節(jié)是地址域的1個(gè)擴(kuò)展字節(jié)。擴(kuò)展字節(jié)的格式與前1個(gè)字節(jié)相同。地址域的最后1個(gè)字節(jié)是把低有效位置為1來(lái)表示地址域結(jié)束。

采集終端的地址為4個(gè)字節(jié),分為2部分:①高HDLC地址(用于尋址物理設(shè)備中可獨(dú)立尋址的實(shí)體——邏輯設(shè)備);②低HDLC地址(用于尋址多點(diǎn)通信結(jié)構(gòu)中的一個(gè)物理設(shè)備)。

3 采集終端的功能模塊

由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的表計(jì)基本都是符合DL/T 645通訊規(guī)約,設(shè)計(jì)的采集終端與下行掛載表計(jì)之間的通信仍然采用DL/T645規(guī)約,而采集終端與上行主站采用IEC62056規(guī)約通訊,因此在采集終端中需要實(shí)現(xiàn)IEC62056與DL/T645之間的互相轉(zhuǎn)換。

基于以上考慮和DLMS/COSEM規(guī)范,本采集終端的各功能模塊構(gòu)成見(jiàn)圖3。

圖3 專用變壓器臺(tái)采集終端器的功能架構(gòu)Fig.3 Remote terminalunit functional frame of private transformer console

3.1 通訊端口

采集終端通訊端口是用于通訊的物理介質(zhì)或通訊方式的驅(qū)動(dòng),下行表計(jì)接口采用RS485信道,上行主站接口采用GPRS無(wú)線通訊方式。

3.2 IEC62056協(xié)議棧

該通訊協(xié)議棧提供62056協(xié)議支持,包括對(duì)主站端通信的物理設(shè)備驅(qū)動(dòng),邏輯聯(lián)接管理,應(yīng)用層編解碼,數(shù)據(jù)鏈路層幀的組裝和解析,構(gòu)成了對(duì)抄表主站系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口。

3.3 應(yīng)用進(jìn)程模塊

邏輯單元中各邏輯設(shè)備是通過(guò)應(yīng)用進(jìn)程模塊來(lái)協(xié)調(diào)完成采集終端下各個(gè)表計(jì)的數(shù)據(jù)管理、事件報(bào)告以及本采集終端自身的管理任務(wù)。同時(shí)應(yīng)用進(jìn)程模塊通過(guò)對(duì)通訊協(xié)議棧的調(diào)度來(lái)管理采集終端與表計(jì)或抄表主站之間的通信連接,從而完成采集終端所要求的各種功能。

應(yīng)用進(jìn)程模塊包括應(yīng)用進(jìn)程、層管理、物理連接管理器,數(shù)據(jù)對(duì)象轉(zhuǎn)換器和DL/T645解析封裝等以下5個(gè)部分。

3.3.1 應(yīng)用進(jìn)程

應(yīng)用進(jìn)程提供了邏輯設(shè)備單元與兩個(gè)協(xié)議棧之間的交換通道,同時(shí)完成采集終端整體功能。

3.3.2 層管理

層管理模塊用來(lái)管理標(biāo)準(zhǔn)62056通訊協(xié)議棧中各協(xié)議層,包括應(yīng)用層、鏈路層和物理層。

3.3.3 物理連接管理器

物理連接管理器用來(lái)管理物理通道的建立與釋放等,包括各種通訊設(shè)備方式的驅(qū)動(dòng)等。

3.3.4 DL/T645數(shù)據(jù)-IEC62056 COSEM對(duì)象雙向轉(zhuǎn)換模塊

用于完成DL/T645數(shù)據(jù)和IEC62056 COSEM對(duì)象標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的映射和轉(zhuǎn)換。

3.3.5 DL/T645解析封裝

實(shí)現(xiàn)DL/T645命令幀的封裝和數(shù)據(jù)幀的解析。

3.4 邏輯設(shè)備單元

邏輯設(shè)備單元是由若干個(gè)邏輯設(shè)備組成,每個(gè)邏輯設(shè)備又有若干個(gè)COSEM接口類對(duì)象組成。通過(guò)若干個(gè)不同的COSEM對(duì)象相互配合來(lái)完成一個(gè)特定的功能。

4 各功能模塊的實(shí)現(xiàn)及采集的數(shù)據(jù)曲線

4.1 COSEM功能模塊的實(shí)現(xiàn)

基于DLMS/COSEM的專用變壓器臺(tái)采集終端功能模塊的實(shí)現(xiàn)即為相關(guān)COSEM對(duì)象的物理實(shí)現(xiàn)。其采用面向?qū)ο蟮慕７绞?所有的功能對(duì)象的執(zhí)行均封裝在對(duì)象中進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)各功能模塊,定義的COSEM對(duì)象有:時(shí)鐘,廣播腳本表,定時(shí)抄表腳本表,采集終端全局復(fù)位腳本,暫停抄表腳本表,恢復(fù)抄表腳本表,重新抄表腳本表,時(shí)間表,單個(gè)動(dòng)作時(shí)間表,采集終端特定功能對(duì)象。各COSEM功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖4。

圖4 采集終端功能實(shí)現(xiàn)方法示意圖Fig.4 Functional implement method of remote terminal unit

4.2 采集的數(shù)據(jù)曲線

采集終端中含兩個(gè)邏輯設(shè)備:管理邏輯設(shè)備與數(shù)據(jù)邏輯設(shè)備。管理邏輯設(shè)備中主要存放與全局相關(guān)的對(duì)象和參數(shù)設(shè)置對(duì)象;數(shù)據(jù)邏輯設(shè)備中除了必須的COSEM對(duì)象LDN、LN聯(lián)結(jié)對(duì)象外,主要包括各種數(shù)據(jù)曲線(包括正常數(shù)據(jù)曲線、重點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線、日凍結(jié)數(shù)據(jù)曲線等)。表1～表4是電能信息采集與管理系統(tǒng)主站召測(cè)到的基于DLMS/COSEM規(guī)范所設(shè)計(jì)采集終端的幾類具有代表性的實(shí)際數(shù)據(jù)表。

表1 多功能表日凍結(jié)數(shù)據(jù)表Table 1 Everyday freezing data of multi-function watt-hour meter當(dāng)前位置→數(shù)據(jù)采集→多功能表數(shù)據(jù)發(fā)布

表2 普通表存儲(chǔ)深度2數(shù)據(jù)表Table 2 Sencondary storage deep data of general watt-hour meter當(dāng)前位置→數(shù)據(jù)采集→單相表數(shù)據(jù)發(fā)布

表3 多功能表存儲(chǔ)深度2數(shù)據(jù)表Table 3 Sencondary storage deep data of multi-function watt-hour meter當(dāng)前位置→數(shù)據(jù)采集→多功能表數(shù)據(jù)發(fā)布

表4 考核表存儲(chǔ)深度2數(shù)據(jù)表Table 4 Sencondary storage deep data of examinable meter當(dāng)前位置→臺(tái)區(qū)考核表電量

5 結(jié) 語(yǔ)

DLMS/COSEM將一個(gè)物理設(shè)備模型化為一系列邏輯設(shè)備組成,每個(gè)邏輯設(shè)備是該物理設(shè)備的一個(gè)功能子集,各種功能則用COSEM對(duì)象模型來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化,各邏輯設(shè)備用16字符的邏輯設(shè)備名來(lái)標(biāo)識(shí),具有全球唯一性,為數(shù)據(jù)溯源提供了前提條件?；贒LMS/COSEM的數(shù)據(jù)采集終端已經(jīng)在黑龍江太平洋科技有限公司批量生產(chǎn),滿足了專用變壓器臺(tái)數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和完整性需求,并且很好地解決了產(chǎn)品的一致性和互操作性等問(wèn)題。不僅使供電和配電管理部門及時(shí)準(zhǔn)確地掌握了專用變壓器臺(tái)的使用情況,而且降低了管理費(fèi)用,加大了用電監(jiān)督力度。

[1] 童瑞明.淺析IEC62056在中國(guó)電能信息采集與管理系統(tǒng)中應(yīng)用存在的問(wèn)題[C].//2007中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化專委會(huì)供用電管理自動(dòng)化學(xué)科組(分專委會(huì))二屆三次會(huì)議論文集,2007.

[2] 宋曉林,劉君華,楊曉西,等.IEC62056(電能計(jì)量—用于抄表、費(fèi)率和負(fù)荷控制的數(shù)據(jù)交換)標(biāo)準(zhǔn)體系簡(jiǎn)介[J].電測(cè)與儀表, 2004,(2):6-10.

[3] DL/T 719-2000,中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5部分:傳輸規(guī)約[S].

[4] DL/T 743-2001,中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-電能量遠(yuǎn)方終端[S].

[5] 王大宇,譚長(zhǎng)庚.電能表及采集終端通信協(xié)議通用解析/生成算法研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,(1):88-91.

[6] 石 娜,金心宇.基于DLMS/COSEM的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表,2008,(5):33-37.

[7] 崔宇昊,陸文遠(yuǎn),楊曉科.IEC62056電能表模型設(shè)計(jì)與仿真[J].電測(cè)與儀表,2008,(5):30-32.

[8] IEC62056-53:2006,電量測(cè)量.儀表讀數(shù)、收費(fèi)和負(fù)載控制的數(shù)據(jù)交換.第53部分:COSEM應(yīng)用層[S].

[9] IEC62056-46:2002,電量測(cè)量.儀表讀數(shù)、收費(fèi)和負(fù)載控制的數(shù)據(jù)交換.第46部分:使用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層[S].

[10] IEC62056-42:2002,電量測(cè)量.計(jì)器讀數(shù)、電費(fèi)和負(fù)載控制的數(shù)據(jù)交換.第42部分:定向連接異步數(shù)據(jù)交換程序和物理層服務(wù)[S].