郜波,姜洪浪,王曉東,段曉萌,王爽,趙婷
(中國(guó)電力科學(xué)研究院計(jì)量研究所,北京 100192)
隨著電子信息技術(shù)發(fā)展,人工抄表逐步被以智能儀表、現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)的各類遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)所取代?;陔娮蛹夹g(shù)設(shè)計(jì)的電能表已成為快速發(fā)展的電能計(jì)量?jī)x表,它比機(jī)械式電能表更易達(dá)到高精度等級(jí),可賦予更多的功能。隨著國(guó)內(nèi)各種新電力政策的逐步推行,電力部門開(kāi)始推行分時(shí)、分費(fèi)率等靈活電價(jià)政策,傳統(tǒng)的機(jī)械表在實(shí)現(xiàn)這些功能上較為困難,需要大量的后期工作,浪費(fèi)大量人力物力,所以機(jī)械表如今已經(jīng)不能滿足日新月異的電力能源計(jì)量和管理需求。
在國(guó)內(nèi)用電市場(chǎng)需求以及電力政策和業(yè)務(wù)的指引下,結(jié)合新的數(shù)字技術(shù),微電子技術(shù)和通信技術(shù),電能表未來(lái)將朝著自動(dòng)化、多功能化、模塊化等方向發(fā)展。目前,智能電能表因其高精度、多功能以及遠(yuǎn)程通信等優(yōu)點(diǎn),在用電信息采集系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
自2009年國(guó)家電網(wǎng)公司電能表企業(yè)系列標(biāo)準(zhǔn)制定以來(lái),智能電能表在通信方式上做了明確規(guī)定,即各類通信方式均需遵循DL/T 645-2007協(xié)議及其備案文件,而采集主站的通訊方式則遵循DL/T 698.41-2010協(xié)議。因此,用電信息采集系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),會(huì)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作,而制約了用電信息采集系統(tǒng)的工作效率[1-4]。因此,實(shí)現(xiàn)用電信息采集系統(tǒng)的通信協(xié)議的統(tǒng)一是提高其工作效率的關(guān)鍵因素。
另外,隨著用電需求的增加,各省電力公司對(duì)智能電能表的功能進(jìn)行擴(kuò)展,使得電能表中產(chǎn)生很多基于DL/T 645的衍生版本。因此,即使將目前用電信息采集系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一,而其并不具備互操作性,也會(huì)在智能電能表以及主站等功能需求不斷擴(kuò)展的情況下再次變得不統(tǒng)一,同樣會(huì)影響用電采集系統(tǒng)的工作效率。
因此,實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議統(tǒng)一的同時(shí),該協(xié)議必須具備互操作性,才能徹底解決用電信息采集系統(tǒng)工作效率問(wèn)題。
隨著計(jì)量設(shè)備功能的增強(qiáng),協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)逐漸變得復(fù)雜。通常是使用模塊化的方法,把系統(tǒng)的功能分解成一些更容易操縱的模塊。一般來(lái)說(shuō),模塊化方法是將問(wèn)題域分解成容易理解的小問(wèn)題域,分解可以重復(fù)進(jìn)行,直至達(dá)到滿意的易理解的級(jí)別。其結(jié)果是得到了一組功能模塊,每個(gè)模塊都比較容易設(shè)計(jì)、理解、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。面向?qū)ο蟮哪K化方法則更進(jìn)一步,其中的功能模塊被稱為對(duì)象。他們是特定類的實(shí)例,并具有通用建模特性,如封裝性、抽象性、繼承性和復(fù)用性。封裝指的是對(duì)象中封裝一定的功能,這些功能只能通過(guò)他們事先定義的接口進(jìn)行訪問(wèn),因此從原則上講對(duì)象實(shí)例增加不會(huì)帶來(lái)兼容性問(wèn)題。抽象性強(qiáng)調(diào)一個(gè)對(duì)象能提出比實(shí)際所封裝功能更高級(jí)別的視圖。繼承性是設(shè)計(jì)者能從已經(jīng)存在的類中直接定義新的實(shí)例或?qū)С鲂碌淖宇?,且只需要詳?xì)說(shuō)明其間的差異[5-6]。
面向?qū)ο蠓椒ㄗ畛踝鳛榭茖W(xué)研究的一種方法,后來(lái)在軟件開(kāi)發(fā)模式被提出和認(rèn)知,如今其概念和應(yīng)用已經(jīng)超越了程序設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā),擴(kuò)展到數(shù)據(jù)系統(tǒng)、協(xié)議構(gòu)建、人工智能等領(lǐng)域。
對(duì)象與類是面向?qū)ο蟮膬蓚€(gè)最基本的概念。在模型構(gòu)造中運(yùn)用人類的自然思維方式,直接以事物為中心來(lái)思考問(wèn)題、認(rèn)識(shí)問(wèn)題。傳統(tǒng)的面向過(guò)程方法在處理相似任務(wù)的過(guò)程中存在大量的重復(fù)性定義和操作,導(dǎo)致先前已經(jīng)形成的成熟經(jīng)驗(yàn)與方法沒(méi)能在后續(xù)工作中充分地加以利用。類之于對(duì)象的抽象封裝即是為了解決復(fù)用等問(wèn)題。一旦定義出類的屬性與方法,同一類下的所有對(duì)象實(shí)例將完整繼承類屬性與類方法,實(shí)現(xiàn)了同一類下對(duì)象操作的復(fù)用。
面向?qū)ο蠓椒ú⒉皇擒浖O(shè)計(jì)領(lǐng)域新創(chuàng)造的方法,而是人類認(rèn)識(shí)世界過(guò)程中最普遍的方法。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,可以將現(xiàn)實(shí)世界中的具體事物看做對(duì)象,比如:一輛轎車,一臺(tái)相機(jī),一張桌子等。當(dāng)認(rèn)識(shí)了一定數(shù)量的具體對(duì)象時(shí),我們會(huì)發(fā)現(xiàn)某些對(duì)象個(gè)體有一定的相似性,例如小轎車,卡車,火車,馬車等。人類的認(rèn)識(shí)習(xí)慣會(huì)將這些相似的對(duì)象個(gè)體在大腦中不自覺(jué)地抽象出一個(gè)類的概念,比如上例中的各種對(duì)象可以抽象出一個(gè)車的類概念,總結(jié)出一些共用的屬性,如車輛的長(zhǎng)寬高尺寸,動(dòng)力類型,用途等。而實(shí)際上并沒(méi)有一個(gè)具體的事物可以代表所有的車類,“車”就是一個(gè)提升了的抽象概念,這就是類的抽象性。這種抽象的概念性總結(jié)形成了人類認(rèn)識(shí)經(jīng)驗(yàn),之后我們?cè)俅斡龅揭粋€(gè)新的車個(gè)體時(shí),會(huì)不自覺(jué)的依據(jù)抽象類的經(jīng)驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)這個(gè)新個(gè)體,也就是說(shuō)我們可以輕松自然的判斷一個(gè)未見(jiàn)過(guò)的新事物是不是車類中的一個(gè)對(duì)象,從而更快地去認(rèn)識(shí)它。這樣,車類的新增個(gè)體就不會(huì)是一個(gè)需要徹底重新理解的對(duì)象了??梢钥闯?,面向?qū)ο蟠_實(shí)是我們認(rèn)識(shí)世界最普遍的模式。
目前發(fā)展中國(guó)家的電力行業(yè)的自主協(xié)議幾乎沒(méi)有采用面向?qū)ο蟮哪P蜆?gòu)架。事實(shí)上我們已經(jīng)看到現(xiàn)行表計(jì)協(xié)議在各地繁雜的拓展版本,面對(duì)電能計(jì)量設(shè)備的迅猛發(fā)展,現(xiàn)行自主協(xié)議構(gòu)架將很難持續(xù)適應(yīng)未來(lái)電力營(yíng)銷工作的新需求。
現(xiàn)行自主協(xié)議的出現(xiàn)標(biāo)志著國(guó)內(nèi)自主統(tǒng)一協(xié)議的從無(wú)到有,在用電信息采集事業(yè)發(fā)展初期的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)很好的滿足了設(shè)備信息交流的需要,具有里程碑式的意義,其重要性不容置疑。但事物的進(jìn)步更替是不變的規(guī)律,用電信息采集的發(fā)展需要更加先進(jìn)更具互操作性的協(xié)議支持。
目前國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛的電能測(cè)量與負(fù)荷控制設(shè)備互操作性通信協(xié)議是IEC/TC13制定的一套國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系IEC 62056。IEC 62056體系中的核心內(nèi)容,包含設(shè)備語(yǔ)言報(bào)文規(guī)范(DLMS)和能量計(jì)量配套規(guī)范(COSEM)。DLMS/COSEM試圖以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)滿足市場(chǎng)中所有計(jì)量?jī)x表與自動(dòng)抄表AMR(Automatic Meter Reading)系統(tǒng)的應(yīng)用要求,將兼容性、獨(dú)立性、擴(kuò)展性作為其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。此協(xié)議不僅適用于電能計(jì)量?jī)x表的數(shù)據(jù)采集,而且是為電、熱、水、氣統(tǒng)一制定的規(guī)范,支持多種通信介質(zhì),IEC 62056協(xié)議體系的兼容性和互操作性是迄今為止最為科學(xué)最為完善的計(jì)量?jī)x表通信標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 62056是一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn),但在發(fā)展中國(guó)家沒(méi)有超過(guò)30萬(wàn)的單一系統(tǒng)應(yīng)用。原因主要是在發(fā)展中國(guó)家表計(jì)數(shù)量多且增長(zhǎng)迅速,使用環(huán)境處于不斷變化中,與IEC 62056當(dāng)初制定時(shí)所面對(duì)的小規(guī)模環(huán)境有很大差別。
IEC 62056是基于主站與計(jì)量?jī)x表直接通信模式制定的,在如國(guó)內(nèi)分層抄表的架構(gòu)下,主站并不與絕大多數(shù)儀表直接建立通信鏈路。面向?qū)ο竽P偷闹苯芋w現(xiàn)對(duì)象標(biāo)識(shí)系統(tǒng)(IEC 62056-61)在最初的版本定義規(guī)則性很強(qiáng),但因后續(xù)多次小范圍局部修訂和補(bǔ)充而變得邏輯復(fù)雜。組合型數(shù)據(jù)在IEC 62056中的定義并沒(méi)有充分地展現(xiàn)面向?qū)ο竽P偷奶匦?,仍然被打補(bǔ)丁的采用平鋪窮舉式的定義,其中所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)不能靈活修改與讀取,如需增加業(yè)務(wù)必須擴(kuò)充協(xié)議。
綜上所述,可以看出,未來(lái)電力計(jì)量設(shè)備新的通信協(xié)議需要具備以下的技術(shù)特性。首先要基于面向?qū)ο蟮哪P蜆?gòu)建,使協(xié)議從基因上可以具有較強(qiáng)的互理解性而作為互操作性的基礎(chǔ)。要增強(qiáng)易維護(hù)性,避免頻繁的協(xié)議修訂,要適應(yīng)未來(lái)計(jì)量設(shè)備及業(yè)務(wù)發(fā)展盡可能多的可能性。其次是接口類本身的數(shù)量和覆蓋面要廣,這就要求所有定義要具有較高的抽象高度。再次是每個(gè)接口類的屬性與方法定義要全面,要具備發(fā)展的視角,考慮未來(lái)可能添加對(duì)象的屬性和方法定義需求。更重要的是記錄型數(shù)據(jù)的接口類的定義要具備適應(yīng)一切已定義業(yè)務(wù)組合的能力,最大可能降低與具體數(shù)據(jù)組合模式的牽扯,從而業(yè)務(wù)的變化不再牽扯協(xié)議文本的修改。
下面本文將針對(duì)測(cè)量物理量、未知數(shù)據(jù)類型和量綱的面向?qū)ο蠼Ee例。
在電能計(jì)量中,具體業(yè)務(wù)包含種類繁多的計(jì)量物理量,一般協(xié)議的做法是為每一個(gè)量確定一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí),這樣的機(jī)制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),在用電信息采集業(yè)務(wù)開(kāi)展的初期具有較大的優(yōu)勢(shì)。但是隨著電力公司業(yè)務(wù)的拓展,業(yè)務(wù)量激增,所需要的物理量甚至超出數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)所能表示的最大能力,導(dǎo)致協(xié)議和軟件都要做較大修訂。其實(shí)從這些物理量的計(jì)算方法看,其需要的基本參數(shù)非常少,主要包含電壓值,電流值,時(shí)間(時(shí)刻,時(shí)間段)等,其共有的屬性主要包含數(shù)值和單位。建模時(shí)把具有相似特征的物理量歸為一個(gè)接口類,再用此接口類來(lái)定義若干對(duì)象,這些對(duì)象繼承接口類的屬性、方法。比如定義電能量接口類如表1所示[7]。
表1 電能量接口類的定義
表1說(shuō)明如下:
(1)邏輯名相當(dāng)于對(duì)象標(biāo)識(shí),靜態(tài)(static)表示終端自身不能更改的屬性,例如:配置參數(shù);
(2)總及費(fèi)率電能量數(shù)組表示電能數(shù)值,動(dòng)態(tài)(dyn.)表示載有過(guò)程的屬性,此屬性是由終端自己刷新的;
(3)換算—倍數(shù)因子的指數(shù),基數(shù)為10;例如1表示10,-1表示0.1,如數(shù)值不是數(shù)字的,則換算應(yīng)被置0;如果有特殊需求,供貨前買賣方可約定;
(4)單位—枚舉類型定義物理單位;例如傳33表示kWh;
(5)高精度總及各費(fèi)率電能量數(shù)組僅要求高端表支持,這種表需要同時(shí)提供普通電能數(shù)據(jù)、高精度電能數(shù)據(jù)。
目前國(guó)網(wǎng)智能電能表中所有電能量數(shù)據(jù)都可以用這個(gè)類來(lái)定義對(duì)象獲取,此模型不僅可以覆蓋現(xiàn)有業(yè)務(wù)的需求,對(duì)于未來(lái)的新電能量需求,也可以用此類來(lái)定義對(duì)象實(shí)現(xiàn)。采用這種方法,把電能數(shù)據(jù)屬性和方法組合為一個(gè)整體來(lái)看待,這樣就能從更高的層次來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)建模,當(dāng)有新電能量時(shí),用此類來(lái)定義對(duì)象,該對(duì)象就繼承了此類的屬性、方法,通過(guò)類屬性中的電能數(shù)值、換算、單位就可描述出該對(duì)象。
為了適應(yīng)未來(lái)未知數(shù)據(jù)類型定義了數(shù)據(jù)變量接口類,本接口類定義的對(duì)象提供存儲(chǔ)過(guò)程值或與過(guò)程值單元相關(guān)的狀態(tài)值信息,定義見(jiàn)表2。
表2 數(shù)據(jù)變量接口類定義
表2中instance-specific表示數(shù)據(jù)類型依據(jù)“邏輯名”決定的對(duì)象實(shí)例而定義,這樣如果未來(lái)有一新的數(shù)據(jù)對(duì)象,如果用其它接口類定義的不合適,可以用該接口類定義。例如協(xié)議中定義的如表3中的對(duì)象。
表3中接口類IC為6,正是數(shù)據(jù)變量接口類的類標(biāo)識(shí),表示這些對(duì)象由數(shù)據(jù)變量接口類定義,繼承該類的屬性、方法。而數(shù)據(jù)變量接口類的數(shù)據(jù)類型取決于其定義的對(duì)象實(shí)例,這樣電網(wǎng)頻率對(duì)象的數(shù)據(jù)類型就是表格中定義的“l(fā)ong-unsigned”,表內(nèi)溫度就是“l(fā)ong”,當(dāng)前電價(jià)就是“double-long-unsigned”。
表3 繼承變量接口類的對(duì)象
通過(guò)這種方法,未來(lái)再有其它數(shù)據(jù)對(duì)象,如果不適合用協(xié)議中的其它接口類描述,都可用數(shù)據(jù)變量接口類來(lái)描述,對(duì)于一些個(gè)別對(duì)象,如果其數(shù)據(jù)類型和其它對(duì)象數(shù)據(jù)類型不同,例如以上表格中的電網(wǎng)頻率、表內(nèi)溫度、當(dāng)前電價(jià),也可用數(shù)據(jù)變量接口類來(lái)描述,從而避免協(xié)議中接口類過(guò)多,協(xié)議過(guò)于龐大[8-9]。
電能表做為法制計(jì)量器具,其基本功能就是計(jì)量,計(jì)量數(shù)據(jù)用于結(jié)算。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)算,需要按照規(guī)定的時(shí)間間隔保存電能表內(nèi)部的各類電量數(shù)據(jù),例如每小時(shí)、每天、每月等,這就是電能表的凍結(jié)功能,凍結(jié)數(shù)據(jù)大都是與電費(fèi)結(jié)算密切相關(guān)的數(shù)據(jù),例如總電量、平時(shí)段電量、谷時(shí)段電量等。為滿足此項(xiàng)業(yè)務(wù),面向?qū)ο髤f(xié)議定義了凍結(jié)數(shù)據(jù)接口類,提供配置、存儲(chǔ)凍結(jié)數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息,定義見(jiàn)表4。
表格4部分說(shuō)明如下:
(1)“凍結(jié)數(shù)據(jù)表”用于存儲(chǔ)凍結(jié)數(shù)據(jù)(記錄);
(2)“關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性表”用于規(guī)定凍結(jié)記錄所要凍結(jié)的若干個(gè)對(duì)象屬性,這些對(duì)象屬性的數(shù)據(jù)將被復(fù)制到凍結(jié)數(shù)據(jù)類對(duì)象的凍結(jié)記錄中;
(3)“配置參數(shù)”用于配置凍結(jié)時(shí)間等參數(shù)。凍結(jié)類的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),從概念上可以理解為一組二維數(shù)據(jù)表格的集合。二維表格的數(shù)量和表格的字段都是可以配置的。二維表格的數(shù)量由凍結(jié)類對(duì)象的屬性3中配置的關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性個(gè)數(shù)來(lái)確定;二維表格中的字段通過(guò)“關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性表”中配置數(shù)據(jù)來(lái)確定,并且每個(gè)字段中的凍結(jié)周期值和存儲(chǔ)的記錄數(shù)可以不同。
“關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性表”可以靈活配置,實(shí)現(xiàn)了協(xié)議的靈活性、擴(kuò)展性,所有的電能量、遠(yuǎn)動(dòng)等數(shù)據(jù)都可配置進(jìn)來(lái),這樣如果未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)生改變,可以把需要凍結(jié)的數(shù)據(jù)配置到“關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性表”中,定期在電能表內(nèi)部存儲(chǔ)起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)新的業(yè)務(wù)。另外凍結(jié)數(shù)據(jù)在需要時(shí)可通過(guò)專用軟件對(duì)這些歷史電能量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用,以便于進(jìn)一步提供計(jì)量分析和服務(wù)[10]。
表4 凍結(jié)數(shù)據(jù)接口類定義
除凍結(jié)外,協(xié)議還定義了事件對(duì)象接口類,定義見(jiàn)表5。
表5 事件對(duì)象接口類定義
表5中“事件記錄表”用于存儲(chǔ)事件記錄;“關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性表”用于規(guī)定生成事件記錄時(shí)所要關(guān)聯(lián)的若干個(gè)對(duì)象屬性,這些對(duì)象屬性的數(shù)值將被復(fù)制到事件類對(duì)象的事件記錄中。此處的“關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性表”也可以靈活配置,這樣就可以實(shí)現(xiàn)完善的事件記錄功能,通過(guò)配置“關(guān)聯(lián)對(duì)象屬性表”,既可以在事件記錄中實(shí)現(xiàn)常用的事件發(fā)生時(shí)間、電能量等數(shù)據(jù)的保存,也可以實(shí)現(xiàn)用戶特定數(shù)據(jù)的保存,從而滿足不同用戶的需求,以及未來(lái)用戶的千變?nèi)f化的業(yè)務(wù)需求,在現(xiàn)場(chǎng)用電診斷、現(xiàn)場(chǎng)用電分析、防竊電等方面提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)。
智能電電能表是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的重要基礎(chǔ)設(shè)備,承擔(dān)著原始電能數(shù)據(jù)采集、計(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù)。面向?qū)ο髤f(xié)議不僅提供單一命令,還提供各種命令的組合。例如協(xié)議中讀數(shù)據(jù)命令GET-Request提供以下幾種方定義,見(jiàn)表6。
表6 GET-Request數(shù)據(jù)類型定義
表6中“GetRequestNormalList”提供一種方法,讓主站可以靈活組織若干讀取數(shù)據(jù)命令到一個(gè)命令中,只要是協(xié)議上支持讀取數(shù)據(jù)命令都可以組織進(jìn)來(lái),這樣原來(lái)一次只能讀一個(gè)數(shù)據(jù),讀幾十個(gè)數(shù)據(jù)需要幾下次,現(xiàn)在可能只需要一次,極大提高抄讀效率,如果通信條件好,則一次讀取的數(shù)據(jù)可以更多。
除了讀數(shù)據(jù)命令外,協(xié)議上其它命令例如設(shè)置數(shù)據(jù)等也提供類似豐富的命令,提高了協(xié)議互操作性,未來(lái)通信條件更好的情況下,也不用升級(jí)協(xié)議,只需要重新組織命令就可以提高抄收成功率,為智能電網(wǎng)提供高效的數(shù)據(jù)傳輸。
基于國(guó)內(nèi)使用環(huán)境制定新的設(shè)備語(yǔ)言時(shí),應(yīng)考慮更改協(xié)議的基本構(gòu)架模式,采用面向?qū)ο蟮乃悸罚x儀表的信息模型—對(duì)象模型,用標(biāo)準(zhǔn)化方式對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行格式化。這樣,采集系統(tǒng)便能以相同的格式獲取儀表數(shù)據(jù),而與制造商和能源類型無(wú)關(guān)。這種面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案對(duì)于電力營(yíng)銷市場(chǎng)是必須的,它能更加靈活地處理當(dāng)下繁雜的用戶需求,此外,在計(jì)量?jī)x表中有很重要的凍結(jié)數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù),而在面向?qū)ο髤f(xié)議中,為了適應(yīng)不斷發(fā)展的業(yè)務(wù)需求,凍結(jié)和事件記錄保存哪些數(shù)據(jù)都可以通過(guò)配置來(lái)實(shí)現(xiàn),也能適應(yīng)一段時(shí)間內(nèi)尚未明確的未來(lái)需求。