梁洪浩， 伍少成， 王 波， 劉 洋， 李 鵬

（中國南方電網(wǎng)有限公司 深圳供電局， 廣東 深圳 518000）

隨著各種能源技術(shù)的研究和發(fā)展，智能電網(wǎng)的設(shè)計和建設(shè)逐漸成為新能源技術(shù)應(yīng)用的焦點[1].由于具有高速、雙向和實時等多種基本特征，計量基礎(chǔ)設(shè)施成為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵建設(shè)項目，而電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又是計量基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分[2-5].一般而言，電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要及時準(zhǔn)確地采集不同地區(qū)的供電和用電數(shù)據(jù)，其通信模塊廣泛使用電能表通信協(xié)議.DLT_645協(xié)議對智能電表與采集終端之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、格式、長度進行標(biāo)準(zhǔn)化，成為電力通信網(wǎng)中最常用的通信協(xié)議之一[6-9].然而隨著時代發(fā)展和科技進步，DLT_645協(xié)議的傳輸時延與效率亟待進一步的優(yōu)化和改進.目前在實時性、可靠性、多功能和傳輸效率上，互聯(lián)網(wǎng)中的各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已逐漸取得了突破，例如Modbus協(xié)議.因此，如何結(jié)合DLT_645、Modbus等通信協(xié)議，優(yōu)化與改進智能電網(wǎng)中的電力通信協(xié)議成為了研究熱點.

國內(nèi)外學(xué)者提出了一些具有借鑒和參考意義的研究[10-12].然而，由于智能電網(wǎng)與普通互聯(lián)網(wǎng)之間存在較大的差異，這些相關(guān)研究難以應(yīng)用于實際的通信數(shù)據(jù)傳輸中[13-16].為了解決這一問題，本文提出了一種基于DLT_645的改進電力通信協(xié)議.首先介紹了電力通信網(wǎng)的功率計算公式，并在此基礎(chǔ)上，詳細分析采集終端與智能電表之間的交互需求；其次，根據(jù)交互需求的分析結(jié)果，給出了智能電表與采集終端之間的信息傳輸策略.通過融合Modbus/TCP通信協(xié)議和DLT_645協(xié)議，提出了改進的電力通信協(xié)議，同時本文還設(shè)計了該通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口的硬件.相關(guān)仿真結(jié)果表明，改進的通信協(xié)議運行穩(wěn)定，平均響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)傳輸成功率均滿足實際要求.

1 功率計算

在電力通信網(wǎng)絡(luò)中，令N表示通信信號每個周期的采樣數(shù)量，u（n）與i（n）分別表示通信信號周期內(nèi)第n個采樣點的電壓值和電流值，U與I分別表示通信信號的電壓有效值和電流有效值，具體計算表達式為

（1）

（2）

此時，P表示通信信號的有功功率，其計算表達式為

（3）

利用S表示信號的視在功率，Q表示通信信號的無功功率，有功電能與無功電能可以利用有功功率和無功功率積分得到，因此有功電能WP和無功電能WQ的計算表達式分別為

（4）

（5）

式中：t為計算能量的時間單位；T為能量積累的時間.在一個信號周期內(nèi)，有功功率需求是通信信號功率的平均值，令Pn表示第n次采樣的有功功率，則有功功率需求Pd的計算表達式為

（6）

2 電力通信協(xié)議

為了詳細地闡述基于DLT_645的Modbus/TCP通信協(xié)議，本文分別介紹了該協(xié)議的需求分析、數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則、數(shù)據(jù)幀格式和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計等內(nèi)容.

2.1 需求分析

根據(jù)DLT_645協(xié)議，從智能電表到采集終端的傳輸數(shù)據(jù)主要包括：電能數(shù)據(jù)、最大需求數(shù)據(jù)及其發(fā)生時刻、電能變量、事件統(tǒng)計、電壓合格率、事件確認、事件記錄和凍結(jié)數(shù)據(jù).其中電能數(shù)據(jù)主要包括：有功電能、無功電能和視在電能，其總長度為452 bit；最大需求數(shù)據(jù)是指一定的時間內(nèi)，電能數(shù)據(jù)的最大瞬時需求量，其發(fā)生時刻為最大瞬時需求發(fā)生的時間點數(shù)據(jù)，最大需求數(shù)據(jù)及發(fā)生時刻的數(shù)據(jù)總長度為904 bit；電能變量主要包括：電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)和波形畸變等變量，其總長度為360 bit；事件統(tǒng)計主要包括失壓、過壓、欠壓、斷相、倒相序、不平衡、失流、倒流、過載的時間和次數(shù)，這些數(shù)據(jù)的總長度為264 bit；電壓合格率一共包含4個參數(shù)，總長度為102 bit；事件確認需要11 bit來記錄事件類型、發(fā)生時間或終止時間；事件記錄數(shù)據(jù)記錄了事件過程中每個變量數(shù)據(jù)的變化，這些數(shù)據(jù)的總長度為61 860 bit；凍結(jié)數(shù)據(jù)是指在某些特定時間內(nèi)需要保存的電能數(shù)據(jù)，可分為日凍結(jié)和月凍結(jié)數(shù)據(jù)，其總長度為245 bit.當(dāng)采集系統(tǒng)正常工作時，智能電表還需要向采集終端發(fā)送1 bit的狀態(tài)確認數(shù)據(jù)，表明智能電表處于正常工作狀態(tài).此外還需要說明的是，采集終端最多可以連接500個智能電表.以上數(shù)據(jù)的傳輸成功率和響應(yīng)時間的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)傳輸成功率和響應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Data transmission success rate and response time standard

2.2 數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則

為了保持采集終端與智能電表之間流暢的數(shù)據(jù)傳輸，本文采用輪詢與事件觸發(fā)相結(jié)合的方式進行傳輸，其輪詢流程如圖1所示.

圖1 采集終端與智能電表的輪詢過程Fig.1 Polling process of acquisition terminal and smart meter

從圖1可以看出，在每次輪詢時，按照智能電表的自然順序，采集終端向所有智能電表發(fā)送輪詢命令，智能電表在收到輪詢命令后會發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù).在最大的等待時間之內(nèi)，若采集終端未收到智能電表的響應(yīng)數(shù)據(jù)，則標(biāo)記當(dāng)前的智能電表，并向下一個智能電表發(fā)送輪詢命令.當(dāng)采集終端收到未被標(biāo)記的所有智能電表的響應(yīng)數(shù)據(jù)之后，再次向已標(biāo)記的智能電表發(fā)送輪詢命令.此時，若標(biāo)記的智能電表仍未響應(yīng)，則將這種智能電表的標(biāo)記設(shè)置為故障.

在來自采集終端的輪詢命令中，發(fā)送“狀態(tài)確認”數(shù)據(jù)的輪詢周期為1 min，電能數(shù)據(jù)、最大需求及其發(fā)生時刻、電能變量數(shù)據(jù)的輪詢周期為10 min，事件統(tǒng)計、電壓合格率和日凍結(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送輪詢命令的周期為24 h，月凍結(jié)數(shù)據(jù)的輪詢周期為1個月，這些數(shù)據(jù)的最大等待時間為60 ms，發(fā)送數(shù)據(jù)的對象是指所有處于正常工作狀態(tài)的智能電表.當(dāng)事件發(fā)生或終止時，智能電表會向采集終端發(fā)送事件確認數(shù)據(jù).當(dāng)采集終端獲知某個事件已終止時，其將發(fā)送事件記錄的輪詢命令.事件記錄數(shù)據(jù)輪詢命令的最大等待時間為200 ms.在數(shù)據(jù)交換過程中，按照一定的組合方式，采集終端與智能電表完成所有數(shù)據(jù)的輪詢通信，完成輪詢命令的發(fā)送和響應(yīng)數(shù)據(jù)的接收.由于這兩種通信流程是類似的，因此本文只給出了發(fā)送命令的通信流程，如圖2所示.

2.3 基于DLT_645的Modbus/TCP協(xié)議

在實際的通信過程中，所有的數(shù)據(jù)將以一定的格式封裝為若干個數(shù)據(jù)幀，每個數(shù)據(jù)幀可分為幀開始標(biāo)識、幀結(jié)束標(biāo)識和幀數(shù)據(jù).其中，幀開始標(biāo)識和幀結(jié)束標(biāo)識實現(xiàn)了數(shù)據(jù)幀的同步，幀數(shù)據(jù)的主要內(nèi)容由MBAP頭、功能碼和數(shù)據(jù)域組成.其中，MBAP頭由事務(wù)標(biāo)識符、協(xié)議標(biāo)識符、長度和單元標(biāo)識符組成；功能代碼可以分為位操作和字操作兩類，位操作的最小單位為1 bit，字操作的最小單位為2 bit；數(shù)據(jù)字段包括幀內(nèi)計數(shù)器和有效數(shù)據(jù).

圖2 采集終端發(fā)送輪詢命令的通信流程Fig.2 Communication flow chart of polling command sent by acquisition terminal

為了制定實用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，本文建立了Modbus/TCP協(xié)議與DLT_645協(xié)議之間的映射，其映射模型如圖3所示.

由圖3可知，DLT_645幀的“地址字段”與“單元標(biāo)識符”之間具有映射關(guān)系，“控制代碼”與“功能代碼”之間具有映射關(guān)系，DLT_645協(xié)議的“數(shù)據(jù)字段”與Modbus/TCP協(xié)議的“有效數(shù)據(jù)”之間產(chǎn)生映射關(guān)系.通過添加1 bit“數(shù)據(jù)字段長度”與“長度”進行映射.“事務(wù)標(biāo)識符”設(shè)置為0×00，而代表Modbus協(xié)議的“協(xié)議標(biāo)識符”設(shè)置為0×00.

DLT_645的“數(shù)據(jù)字段”主要由兩部分組成，其字段的前4 bit是“數(shù)據(jù)標(biāo)識符”，其余數(shù)據(jù)字段表示具體的“數(shù)據(jù)”.在電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于所有數(shù)據(jù)參數(shù)的采集和傳輸集中于一次輪詢中，所以在DLT_645內(nèi)部數(shù)據(jù)標(biāo)識符的基礎(chǔ)上，本文添加了數(shù)據(jù)標(biāo)識符的校驗碼字.此時，電能數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標(biāo)識符為0×00 FFUM000；最大需求及其發(fā)生時刻數(shù)據(jù)為0×01FFUM000；電能變量的數(shù)據(jù)標(biāo)識符為0×02FFUM000；事件統(tǒng)計數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標(biāo)識符為0×03FFUM000.需要說明的是，由于“數(shù)據(jù)字段長度”的最大值為200，“電能變量”數(shù)據(jù)需要使用兩個數(shù)據(jù)幀來傳輸.

圖3 DLT_645與Modbus/TCP協(xié)議的映射模型Fig.3 Mapping model between DLT_645 and Modbus/TCP protocols

2.4 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

在電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)接口主要由型號為STM32F407的MCU、LAN8720A芯片和HR911157A網(wǎng)絡(luò)端口組成，具體接口結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)Fig.4 Network interface structure

在網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)構(gòu)中，STM32F407的MCU采用了Cortex M4內(nèi)核，具有良好的控制功能和數(shù)字信號處理能力.此外，MCU集成了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)模塊，使用RXD0與RXD1接收數(shù)據(jù)、使用TXD0與TXD1發(fā)送數(shù)據(jù)、使用TX_EN發(fā)送啟用新號.利用MDC與MDIO接口訪問芯片LAN8720A的所有PHY寄存器，同時使用RMII接口與外部的PHY芯片進行通信.LAN8720A是一種低功耗物理層芯片，其I/O引腳電壓符合IEEE802.3-2005標(biāo)準(zhǔn).利用nINT/REFCLKO接口為MCU提供50 MHz時鐘，同時使用RMII接口與互聯(lián)網(wǎng)的MAC層進行通信.

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證改進電力通信協(xié)議的有效性和穩(wěn)定性，利用PMA軟件分別對Modbus/RTU協(xié)議、Modbus/TCP協(xié)議進行仿真與對比.Modbus/RTU協(xié)議是支持RS-485總線的通信協(xié)議，由于該協(xié)議主要使用二進制表示數(shù)據(jù)并采用緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其具有較高的通信效率和廣泛的應(yīng)用.因此，使用該協(xié)議與基于DLT_645的Modbus/TCP協(xié)議進行比較，分析本文改進協(xié)議的實際性能.

在協(xié)議測試過程中，本文分別設(shè)置相同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù).每當(dāng)增加200次輪詢次數(shù)時，記錄兩種協(xié)議的平均響應(yīng)時間和傳輸成功率.在200～4 000個輪詢次數(shù)的情況下，對這兩種協(xié)議“電能數(shù)據(jù)”的平均響應(yīng)時間與傳輸成功率進行統(tǒng)計，得到一系列數(shù)據(jù)并繪制為相應(yīng)的曲線，如圖5、6所示.

圖5、6中，“實線”與“虛線”曲線分別表示在輪詢次數(shù)為200～4 000時，Modbus/TCP協(xié)議和Modbus/RTU協(xié)議的平均響應(yīng)時間和傳輸成功率.需要說明的是，當(dāng)輪詢次數(shù)小于4 000時，Modbus/TCP和Modbus/RTU協(xié)議的平均響應(yīng)時間均小于50 ms，即滿足表1對于響應(yīng)時間的協(xié)議要求，而當(dāng)輪詢次數(shù)大于3 200時，Modbus/TCP和Modbus/RTU協(xié)議的傳輸成功率達到了99%，即滿足表1對于傳輸成功率的協(xié)議要求.

圖5 Modbus/RTU協(xié)議和Modbus/TCP協(xié)議的平均響應(yīng)時間

圖6 Modbus/RTU協(xié)議和Modbus/TCP協(xié)議的傳輸成功率

在此基礎(chǔ)上，本文對Modbus/TCP和Modbus/RTU協(xié)議進行了更詳細的對比和分析.由圖5可知，Modbus/RTU協(xié)議的平均響應(yīng)時間明顯高于Modbus/TCP協(xié)議的平均響應(yīng)時間.其主要原因是Modbus/TCP協(xié)議中沒有發(fā)生CRC校驗過程，與Modbus/RTU協(xié)議相比，Modbus/TCP協(xié)議的執(zhí)行步驟較少，這直接導(dǎo)致Modbus/TCP協(xié)議的平均響應(yīng)時間一定小于Modbus/RTU協(xié)議.由圖6可知，Modbus/TCP協(xié)議的傳輸成功率略高于Modbus/RTU協(xié)議，兩者之間的差距較小，這主要是由于Modbus/RTU協(xié)議和Modbus/TCP協(xié)議的設(shè)計均比較合理，且其協(xié)議執(zhí)行又較為類似，所以其傳輸成功率區(qū)別較小.

4 結(jié) 論

基于DLT_645協(xié)議，本文提出了一種適用于電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的Modbus/TCP通信協(xié)議，縮短了采集終端到智能電表之間的數(shù)據(jù)傳輸時延，提高了這兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸成功率，較好地滿足了智能電網(wǎng)中的通信需求，具有較好的參考意義和借鑒價值.然而，由于實驗條件與實驗環(huán)境的限制，本文并未對該協(xié)議的安全性和可靠性進行分析與檢驗，因此該協(xié)議的推廣與應(yīng)用需要進一步的仿真實驗進行驗證，下一步研究將致力于解決該問題.