（电子科学与技术专业论文）基于iec62056三相多功能电能表的研究与实现.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er e f o r mo ft h ee l e c t r i c t i t ym a r k e t ，d a t ae x c h a n g eo n t h ee l e c t r i c t i t y m a r k e th a sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t ：m o r ed e m a n d s i d eo ft h em e a s u r e m e n t d a t a ：m o r ea m o u n to fd a t a ；m o r ef r e q u e n td a t ae x c h a n g e ；m o r es e c u r ed a t ae x c h a n g e ； t h e s er e q u i r e sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt os u p p o r tv a r i o u s l e v e lo fd a t aa c e e s s p e r m i s s i o n s ，e n s u r es a f e t yf o rm o r ef r e q u e n td a t aa c c e s s ，a n dr e q u e s tt h a tt h e s ed a t a h a sa u n i q u e i d e n t i f i c a t i o n i e c 6 2 0 5 6s t a n d a r dp r o t o c o l s c o u l dm e e tt h e s e r e q u i r e m e n t s ，w h i c hh a sg o o di n t e r c o n n e c t i v i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t yi sb y f a rag o o d w a t t h o u rm e t e rc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s s t u d y i n gt h ep r o t o c o l c a np r o m o t eo u r c o u n t r v ，sa u t o m a t i c m e t e rr e a d i n ga g r e e m e n td e v e l o p m e n t r e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r eo fe l e c t r i ce n e r g ym e t e rb a s e do ni e c 6 2 0 5 6c a n m a k ed o m e s t i ce n e r g y m e t e rm o r ec o m p e t i t i v ei ni n t e r n a t i o n a lm a r k e t f i r s t l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t a t u so fa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g y a n dt r a d i t i o n a ld e s i g no fe n e r g ym e t e r ，a n dp r o p o s e sad e s i g ns c h e m ef o re n e r g y m e t e ru s i n gi e c 6 2 0 5 6p r o t o c o l s b a s e do ns o cp l a t f o r m t h i s m e t h o di s c o s t e f 佗c t i v e i na c c o r d a n c ew i t ht e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e r s e to u tt e c h n i c a l p a r a m e t e r s a n ds y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s o fe n e r g ym e t e r ，t h e ns e l e c t t d k 71m 6 513a st h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g na s o u rh a r d w a r ep l a t f o r m i n a d d i t i o n t h ep l a t f o r mb a s e do nt h es y s t e md e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ts t e p s o ft h i sp l a t f o r ma r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ei e c 6 2 0 5 6 p r o t o c o l , p r e s e n t i n gt h ep r o t o c o lm o d e l ，t h es t r u c t u r e ，o b j e c ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m a n di n t e r f a c eo b j e c ti nd e t a i l ，a n dt h e nd e s c r i b e sac o m p l e t ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s o fd a t a t h i r d l y ，p a p e ri n t r o d u c e sp o w e rm e t e rh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g ni nd e t a i l f i n a l l y ，f o l l o w i n gt h et e c h n i c a lc o n d i t i o n s ，w et e s t t h ee l e c t r i c a l p e r f o 彻a n c ea n df u n c t i o no fae n e r g ym e t e rp r o t o t y p e ，a n dl i s to u tt e s tm e t h o d sa n d p a r to ft h er e s u l t s t h ee x p e r i m e n tr e s u i t sd e m o n s t r a tt h a tt h et h r e e p h a s em u l t i f u n c t i o ne n e r g y m e t e ri n t r o d u c e db yt h i sp a p e rc o n f o r m s t ot e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s i th a sa n e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y k e vw o r d s ：a m r ；i e c 6 2 0 5 6 ；p o w e rm e t e r ；t d k 7 1 m 6 5 1 3 ； i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：壑段肄 吼加7 年多月乙7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密1 3 1 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：螫望捭日期：洳叼年争月z 7 日 刷醛氢绷 日期：矿7 年 钼7 7 日 硕i ：学位论文 1 1 自动抄表技术的发展 第1 章绪论 在自动抄表技术中，要求计量仪表数据管理系统能够与任何一个计量仪表进 行会话，而与制造厂家、计量仪表型号、所测量的能量类型以及通信介质无关。 这就要求双方都需要正确执行同一配套的操作。自动抄表系统应具有良好的互操 作性，计量仪表和应用系统的互操作性从应用概念上讲包含三个方面，即【l 】：易 于安装( 指计量仪表在初次安装或周期轮换时，编程和参数配置的难易程度) 、易 于维护( 指当系统应用需求发生变更时，计量仪表和系统维护的难易程度) 和系统 兼容性( 是指计量仪表系统接入能力和数据共享和交换能力的兼容性在接口模型 这一层次上) 。在接口模型这一层次上，确保互操作性的基本要求是：( 1 ) 标准化 的接口类和数据类型；( 2 ) 对象标识系统，为所有对象均提供一个标准的标识码； ( 3 ) 通过读取系统应用进程连接对象来获取计量仪表可提供资源的可能性。通过 提供协商通信协议环境、身份验证机制和用于访问属性和方法所支持服务集的可 能性，来确保在系统应用层上的互操作性。另外通过在计量仪表通信协议中进行 一致性测试，可以检验在接口和协议栈这两个层次上规范执行的正确性，从而大 大提高了互操作的可能性。 传统计量仪表和应用系统集成通常采用虚拟设备( v x d ) 的设计方法，即在协 议中仅包含设备被访问址、数据的固定地址和数值、底层链路和简单的应用层， 如：d i t 6 4 5 协议中正向有功电能入口地址是9 0 0 0 h 数据值是4 字节压缩b c d 码。而数据类型和结构、通信接口类型和参数等的解释是靠协议层外解析器完成， 这就需要在不同的应用系统中对每一种计量仪表编制驱动程序。这种设计方法数 据访问是被动的。其缺点主要表现在： 1 当计量仪表周期轮换或需求发生变更时，系统升级和维护困难。 2 数据交换安全性差。 3 系统集成或新增计量仪表功能时，需对每种计量仪表或功能编制和修改独 立的驱动程序。 4 数据一致性测试性能差。 5 计量仪表和系统重复开发工作量较大，厂家自定义部分比较混乱，缺乏统 一标准。 6 由于协议中缺少真正意义的应用层和标准数据对象模型、通信接口类型和 参数配置等，且数据访问是面向固定地址的，因此，数据对象和结构解析困难， 不易构成复杂系统。 桀十i e c 6 2 0 5 6 三相多功能i u 能表的研究j 实现 7 系统问集成互操作性差，不满足市场的变革和竞争。 采用此方法目前常用的标准协议有 1 在中国使用的d l t 6 4 5 多功能电能表通信协议。 2 法国使用的基于双绞线的e u r i d i s 通信协议，由i e ct c l 3 制定成i e c 6 2 0 5 6 - 31 ：19 9 9f o re l e c t r i c i t ym e t e r i n g 。 3 用于热能计量的m b u s 通信协议，由c e n t c2 9 4 制定成e n l 4 3 4 3 ： 1 9 9 7 ( 将来的e n l 3 7 5 7 2 和一3 ) 标准。 4 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 ：1 9 9 6f o rt r a n s m i s s i o no fi n t e g r a t e dt o t a l s 标准，用于变电 站站内和站通信，由i e ct c5 7 制定。 因此，实现电能表协议的统一是目前自动抄表协议需要解决的首要问题。要 实现通信协的统一，不能简单的将协议规定到某一种通信协议标准上，这样的统 一不能从根本上解决问题，这样的统一只会导致电能表功能的不断扩展，用户的 需求的不断发展而出现新的不统一。为了从根本上解决上述的问题，我们寻求一 种电能表通信与仪表设备的型号和通信无关，具有互操作性的电能表通信协议标 准。放弃了传统的基于虚拟设备的设计方法，采用面向对象模型的设计方法。 面向对象模型的设计方法。其采用对象标识、对象建模对象访问和服务、通 信介质接入方式等方法，从通信的角度建立了计量仪表的接口模型，它不包含量 仪表的数据采集和数据处理方面的内容，从“外部”来看，这个接口模型代表了 计量仪表在商业过程中的“行为特征 。数据访问采用客户机和服务器模式，将 计量仪表作为服务器，主站系统作为客户机。利用设置公共客户机( 相当于计算 机网络中的网络管理机) 方式，并为其预留固定地址以提供最低安全级别的应用 连接。通过读取标准接e l 对象( 分配对象) 可以获得全部逻辑设备的分配对象地 址。通过读取应用连接的对象列表属性，就能知道可访问的对象及对他们属性和 方法的访问权限。这种设计方法既兼容传统协议的使用又使系统集成和维护更加 有效，因此其数据访问是主动的，适合简单、复杂或组合式计量仪表和数据采集 ( 集中) 器的应用和组建复杂应用系统，尤其适用于多能量类型计量场合。其优点 主要表现在： 1 定义了一个标准接口模型，适用于各种能量类型，包括电、气、水、热等。 每个对象都有唯一的标识码，用来标识在界面上显示和通信线路上传输的数据。 这个模型完全与传输数据的通信协议层无关。该模型还支持厂家自定义实例、属 性和方法，并可增加新的接口类和版本而不会改变访对象的服务，从而实现了互 操作性。 2 接口类的定义将广泛使用的计量仪表功能进行标准化，包括需量记录、费 率和活动时间表、时钟同步处理以及能量质量监测等。同时定义了属性值的数据 类型，并将数据类型随同数据一起传送，从而保证数据含意不会出现二义性。 2 硕i ：学位论文 3 为参与自由能量市场的各方提供了受限制但安全的访问方式，参与市场各 方可以有选择的获取计量设备所能提供的信息。 4 由于接口模型完全做到了与通信介质无关，因而可以广泛选择介质，无需 改变模型和数据采集系统的数据管理应用。 5 与传统协议不同，例如i e c6 1l0 7 ，在数据采集系统中需要为每一个新的 计量设备类型定制专用的设备驱动程序，而面向对象的设计支持构建一个通用的 设备驱动程序( 也称集成i c ) ，一个客户机系统既支持全部标准化的性能，又可以 支持特殊性能。 6 支持各种各样的商业活动，支持变革与竞争，并显著降低系统生存周期费 用。 采用面向对象模型的设计方法的标准协议有： 1 i e ct c l 3w g l 4 制定的i e c6 2 0 5 6 ( 电能计量一用于抄表、费率和负荷控制 的数据交换系列国际标准中的c o s e m x d l m s 。 2 i e ct c 5 7 制定的电力系统自动化主站和子站系列国际标准i e c6 19 7 0 和 l e c6 1 8 5 0 1 2 项目的研究背景与项目来源 随着电子技术、计算机技术、存贮技术、通信网络技术及信息技术的发展， 客户应用需求的不断提高，出现了满足不同层次客户应用的智能计量仪表和应用 系统。由于大量使用制造厂家自定义智能计量仪表和系统，给客户系统问集成和 互操作带来困难，特别在系统升级和维护、计量仪表安装和轮换、系统应用需求 变更等方面，投人人力和资金浩大，甚至造成不必要的浪费。为避免此类问题的 发生，探索研究新型智能计量仪表和系统集成方法是今后发展的方向。 我国电力事业以及城乡电网改造事业的迅速发展，工业和民用电能表日益增 多，传统的人工抄表方式抄取电能表数据的固有弊端不能适用电力体制的改革， 也直接阻碍了诸如分时运营，预支电费等先进管理模式的推行。随着电力市场管 理改革的不断深入，对自动抄表技术的研究必将成为热点与方向。 随着垄断市场的打破，以及电力市场改革的深化，电力市场对数据交换的需 求如下： 1 出现更多的计量数据需求方，如供电、输配电，用电，银行等需求方。 2 更多的数据量，如抽象数据，能量，需量，瞬时量，电能质量，费率信息， 负荷曲线数据。 3 更频繁的数据交换。 4 更安全的数据交换。 这就要求通信协议中，支持不同权限访问不同的数据，能够保证安全频繁的 3 挂于i e c 6 2 0 5 6 二三相多功能f 乜仃农的 i j f 究j 实现 获取更多的数据，并要求这些数据有唯一的数据标识。i e c 6 2 0 5 6 标准协议能适 用上述各种需求，其良好的互连性和互操作性是迄今为止较为完善的的电能表通 信标准，因此研制遵循该标准的新一代电能表成为国内研究机构和制造厂商发展 的主流方向。 在传统的电能表设计中，一般采用专用计量芯片+ 微处理器方案，计量与数 据管理由两个独立的芯片完成。计量芯片负责对电信号的测量，包括电压、电流、 谐波等，微处理器通过通信或者中断的方式获取计量数据，并对计量数据进行处 理。在本项目中采用用一款片内集成计量与管理单元的s o c 芯片的方案，与传 统的计量方案相比，s o c 只需要较少的外围元件，且性能更为稳定，精度高，价 格低，具有较好的性价比。 本项目是威胜集团有限公司针对沙特市场，遵循i e c 6 2 0 5 6 自动抄表协议开 发的一款三相电子式多功能电能表。 1 3 本课题研究的主要内容 本文主要研究工作主要体现在以下几个方面： 第一章，绪论，系统介绍国内外自动抄表协议发展、国内外研究现状。详细 比较了传统计量抄表协议的设计方法与面对对象的模型的设计方法，面向对象模 型的设计方法的协议具有良好的互操作性，互联性。最后，叙述了本研究项目的 研究背景与项目来源。 第二章，系统总体结构的设计，简单介绍了基于自动抄表协议的自动抄表系 统。列出基于i e c 6 2 0 5 6 多功能电能表的主要技术条件。采用基于t d k 7 1 m 6 5 1 3 s o e 方案，具有较高的性格比。描述了基于该主处理器的总体设计，软件设计步 骤。并详细介绍了i e c 6 2 5 6 协议标准，包括协议模型，通信模型。对象标识系 统( o b i s ) 、接口类。遵循协议，举例说明一次数据通信过程。 第三章，系统硬件电路设计，对多功能电能表中的各硬件模块作逐一描述， 并对硬件抗干扰性设计做出特别说明，完成电路的p c b 版图设计。 第四章，系统软件设计，包含两个方面：表计通信程序设计，遵循i e c 6 2 0 5 6 ， 说明i e c 6 2 0 5 6 软件实现过程，列出部分流程图；表计计量与管理程序设计，根 据技术条件，编写表计功能程序，实现表计功能。 第五章，实验结果，对开发样机进行性能试验，功能试验，准确度测试，各 项测试符合技术条件要求，并通过c t t 认证测试，达到预期的设计目标。 最后总结本项目，并对后续研究提出了建议。 4 硕f ：学位论文 第2 章系统总体结构的设计 2 1 基于i e c 6 2 0 5 6 的自动抄表系统 传统的人工抄表方式抄取电能表数据的固有弊端不能适用电力体制的改革， 也直接阻碍了诸如分时运营，预支电费等先进管理模式的推行。自动抄表能将用 户使用的电能数据，通过一定的通信传输介质，传送到管理部门，完成统一管理、 收费、监控等功能。i e c 6 2 0 5 6 自动抄表协议，具有良好的互连性和互操作性， 是迄今为止较为完善的电能表通信协议，能解决自动抄表系统、计量计费系统的 数据采集、计量仪表安装、维护、投资等方面的问题。基于i e c 6 2 0 5 6 的三相 多功能电能表，具有r s 4 8 5 通信接口，在现场中采用r s 4 8 5 总线组网方式，如 图2 1 所示，具有技术简单、成熟，易于实现；对全电子式电能表，无需改造， 由于采用多表集中抄收的方式降低了每户成本，同时也能降低整个系统造价。 客户机 r s 4 8 5 通i 产 信接u 上弓 r s 4 8 5 , 黻 r s 4 8 5 面产 r s 4 8 5 j i 面? r s 4 8 5 面f 信接口之多 信接口之多信接口j 多 i 墨兰塑! i r s 4 8 5r s 4 8 5 事 ( i e c 6 2 0 5 6 )(e c 6 2 0 5 6 )( i e c 6 2 0 5 6 ) 每令 ， ( 计量数据管理)( 计量数据管理)( 计量数据管理) 基于i e c 6 2 0 5 6 - - - , l f l 电能表 基于i e c 6 2 0 5 6 _ 三相电能表基于i e c 6 2 0 5 6 - - 相电能表 图2 。1 基于ie 0 6 2 0 5 6 的自动抄表系统 2 2 系统技术参数和系统功能 2 2 1 主要技术参数 2 2 1 1 环境条件 参比温度：2 3 ；工作温度：2 5 5 5 ，极限工作温度：3 5 6 5 ；相 对湿度：s 8 5 ( 无凝露) ； 2 2 1 2 电气基本要求 1 功率消耗 5 堆十i e c 6 2 0 5 6 三相多功能i 【l 能表的研究j 实现 ( 1 ) 电压线路 在工作电压、参比温度和参比频率下，三相电能表每一相的电压线路的有功 功率和视在功率消耗不应超过2 w 和l o v a 。 ( 2 ) 电流线路 在基本电流、参比温度和参比频率下，三相电能表每一相电流线路的视在功 率消耗不应超过1 v a 。 2 工作电压范围 电压工作范围：4 0 4 0 0 v ，在电压工作范围内电能表能正常工作。在接地故 障情况下，线电压在不超过4 0 0 v 的电压下4 h 不损坏。 三相四线断两相时，电能表能正常工作。 参比电流：三相经互感器接入式为3 x1 ( 10 ) a 。 3 准确度等级 o 5 级。 4 抗电流冲击 在1 2 倍的最大电流下，通断继电器2 0 次，电表能正常工作。 5 对电磁骚扰的抗扰度 电能表的设计应能保证在传导的和辐射的电磁骚扰以及静电放电等的影响 下，不损坏或不受实质性影响( 内存数据不被干扰及破坏、各项功能正常、时钟 正常运行、准确度不受影响) ，符合i e c 6 2 0 5 3 2 2 的相关要求。 注：骚扰量为：静电放电；高频电磁场；快速瞬变脉冲群；浪涌；电压降落 和短时中断；谐波；外磁场。 6 误差要求 各检定点的误差要求：电能表各检定点的误差限值按规程规定误差限的 7 0 控制。 2 2 2 系统功能 符合i e c 6 2 0 5 6 通信协议， 能如下： 1 记录总及8 费率有无功， 结算电量数据。 实现与客户机之间的数据通信。电能表实现的功 四象限无功，视在电量；最多能记录1 2 次历史 2 记录总及8 费率有无功，视在需量，最多能记录l2 次历史结算电量数据。 3 支持主副两套日历时段表，并可以相互切换。 4 分相电量数据，最多能存储1 2 次历史结算数据。 5 分相电压、电流、功率因数、频率测量。 6 负荷数据曲线记录，事件记录，l c d 显示。 7 数据通信接口：r s 4 8 5 和吸附红外通信接口。 6 硕i ：学位论文 8 从启动电流到最大电流范围内计量。 2 3 硬件平台的选择 2 3 1 国内外研究趋势和选型 随着电力电子技术的发展，电表行业的公司也逐步开始采用各种最新的电子 器件来设计新的电子式电能表。其中一大类是m c u 加专用芯片架构【2 1 ，在这种 方案中，m c u 负责控制并读取专用芯片采集并处理的数据结果。专用计量芯片 如a d i 、珠海炬力等国内外的许多芯片制造商纷纷结合自己的技术优势定制出许 多高性能的电能专用计量芯片模块，如炬力的a t t 7 0 2 2 b 三相多功能计量芯片； a d i 的a d e 7 7 5l 、a d e 7 7 5 2 、a d 7 e 7 5 3 、a d e 7 7 5 4 、a d e 7 7 5 5 、a d e 7 7 5 8 等； 上海贝岭的b l 0 9 3 2 、b l 0 9 3 2 b 、b l 0 9 3 2 x 模拟式单相电能计量芯片，b l 0 9 2 5 、 b l 9 0 6 2 和b l 6 51 1 数字式三相有功电能计量芯片等，复旦微电子的f m 2 0 3 2 、 f m 7 7 5 l 、f m 7 7 5 5 等等。大量专用芯片的引入，有利于电能表的快速开发，同 时，有利于批量生产，降低成本。但各种专用芯片的功能组合不一定能完全满足 项目需求，如上述芯片基本上不带分析功能，而需要另外加其它的功能模块实现。 另一大类是使用通用芯片来架构。随着a r m 、d s p 、c p l d 甚至f p g a 等通 用硬件以及硬件新用法的引入，使系统设计在功能上、性能上获得了很大的灵活 与选择余地，使得仪表架构设计发生了比较大的变化。a t m e l 、飞思卡尔、飞利 浦、英飞凌、凌阳、瑞萨等生产的5 1 、a v r 、m s p 3 4 0 等8 位、16 位m c u 占据 了大量的中低端电能表市场，而p h l i p s 2 2 1 4 和三星的5 3 c 2 4 4 0 等3 2 位的a r m 也被大量应用；为了对m c u 处理能力作补充，t i 的c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 系 列，a d i 的a d s p 2 1 x x 、s h a r c 、b l a c k f i n 系列等d s p ，甚至c p l d 和f p g a ， 也被广泛应用到电能表设计当中。使用通用芯片架构，在功能与精度上都能够较 好的定制，有着较好的适应性与竞争力。不过，针对中低端市场，设计要点开始 转向如何选择合适的满足需要的低成本硬件架构平台，选用片内集成计量与管理 的s o c 芯片平台可以达到较高的性能价格比。在项目中选用片内集成计量与管 理的t d k 7 lm 6 5 l3 芯片平台。该平台具有较高的性能价格比。 2 3 2 微处理器的选型 本系统硬件架构上以主处理器为核心，配置相关外围外设，如液晶驱动，通 信模块，负荷控制单元等，其中主处理器的选型最关键。 设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有【3 】： ( 1 ) 处理性能。一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率， 内部寄存器的大小等。 7 皋十i e c 6 2 0 5 6 _ 三相多功能i 【l 能表的研究j 实现 ( 2 ) 技术指标。当前，许多处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片 的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一 些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其次是考 虑该处理器内一些集成的外围的芯片，并充分使用这些外围。 ( 3 ) 功耗。嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是各种消费类电子产 品和有特定用途的工业场合。这些产品中选购的微处理器，典型的特点是要求高 性能、低功耗。许多c p u 生产厂家已经进入了这个领域。 ( 4 ) 软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也 是不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 ( 5 ) 是否内置调试工具。处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期， 降低调试的难度。 ( 6 ) 是否有成熟的评估板设计。许多处理器供应商可以提供评估板来验证 理论是否正确，决策是否得当。 在芯片平台的选择时，在项目中选用片内集成计量与管理的t d k 7 1 m 6 5 1 3 芯片作为本设计的芯片平台。t d k7 1 m 6 5 1 3 单芯片电能计量i c 融合了电能表所 需的所有主要功能。t d k 采用的单一转换器技术，最大限度地降低通道间的串 扰，能达到非常优越的动态范围。t d k 7 l m 6 5 1 3 性能特点【4 】如下： ( 1 ) 在超过3 0 0 0 ：l 范围内( 7 1m 6 5 l3 型) 有功计量精度优于0 5 。 ( 2 ) 参考电压温度漂移的稳定度-、u - 一芒色 1 0 i g譬bb曾_ 自粤i 窖 g i j譬窨n i 霉 _ k；i 苍jdoi盘 。n 1 日o，19备三一- 0卜u卜罱j ) o ) ( - 趸 。n i ；o u 掣i 誉j-毋芷。山-0“pol0两no山i一兽 n l|oo高no山i0， zj。上。u-n。一厂 霉- 一：o 竹qclou协 ；i 笙 零i 2 0 搭智-ilo山 ；i 芏n _ 一3 n譬譬 l ，- o l | o 山 。l_odn。 n-西。山暑-o山 譬i un-xr垂。山竹 9 c 一3 n 胃-o、9。m 葛-9lo石边nom竹 n ，一生 斜i u 2 三_sio石玉nomo_!olo奇nom 器lo暨蒌unr3 h-no山二=一一。山冠一oo 一 ，：，o，o，o，仲”竹”佰体仃博馆”翌h巧 一 堆十i e c 6 2 0 5 6 三相多功能i 【l 能表的珂f 究0 实现 2 4 系统总体设计 根据系统技术条件中和系统功能要求，本系统平台采用模块化设计，系统由 电源模块，计量采样单元电压采样模块，电流采样模块、信号测量及微处理系统、 温补实时时钟单元、r s 4 8 5 通信单元、数据接口设备和人机接口设备组成。信号 测量及微处理系统将来自采样电路的信号转换成数字信号，并对其进行数字积分 运算，从而精确的获得测量值数据，同时对这些数据进行处理，并随时对外部接 口提供信息和进行数据交换。总体框图2 6 所示。 图2 6 系统总体框图 2 5i e c 6 2 0 5 6 协议分析 2 5 1 标准概述 i e c 6 2 0 5 6 通信协议【6 】是国际电工委员会为解决自动抄表系统、计费计量系 统中的数据采集，计量仪表安装、维护、系统集成等方面问题提出的新的电能表 通信标准，支持多种通信介质接入方法，并以其良好的互连性和互操作性成为迄 今为止较为完善的电能表通信协议标准，系列标准于19 9 9 年开始发布， i e c 6 2 0 5 6 系列标准规定了设备间的数据交换协议，核心部分是设备语言报文规 范( d l m s ) 和能源计量配套规范( c o s e m ) 。因此又称为d l m s c o s e m ， d l m s c o s e m 通信协议标准已经被i e ct c1 3 采纳作为国际标准一电能计量 一用于抄表，费率和负荷控制的数据交换。i e c 6 2 0 5 6 系列标准试图以一个标准 满足自由市场中所有计量仪表和自动抄表系统的应用要求，将兼容性、独立性、 扩展性作为实现目标。兼容性即不同厂商产品兼容、新开发产品与现存产品兼容； 独立性即产品与通信介质、制造厂商等无关：扩展性即易于对现存系统进行扩展、 仪表功能的可扩展。 1 2 墨u n警警芸能un 一 一 一 一 一 硕i ：学位论文 i e c 6 2 0 5 6 系列标准的制定是面向通用性的，它实际上定义了仪表通信所采 用的通用语言和仪表数据交换所使用的规则，这使得来自不同厂商、不同类型、 使用不同通信介质的d l m s c o s e m 仪表系统可以相互沟通，具有良好的系统 互连性和互操作性。该标准使用与简单的居民表、工商业用表以及复杂的大用户 计量。还适用于相关的数据采集管理系统等各种场合。 2 5 2 协议特点 相对于其他常用的计量仪表通信协议，如i e c l l0 7 、以及国内使用的d l t 6 4 5 等，i e c 6 2 0 5 6 标准体系能够支持各种各样的商务活动，支持变革与竞争，并显 著降低系统的生存周期费用，这是i e c 6 2 0 5 6 标准与其他通信协议标准的本质区 别。该标准体系的特点有【6 l ： 1 定义了对象模型，该模型适用于各种能量类型，包括电、气、水、热等。 每个对象都有一个唯一的标识码，用来标识在界面上显示和通信线路上传输的数 据。该模型还支持厂家自定义实例、属性和方法并可增加新的接口类和版本而不 会改变访问对象的服务，从而实现了互操作性。 2 由于对象模型完全做到了与通信介质无关，因而可以广泛选择通信介质， 无需改变模型和数据采集系统的应用程序。与其它协议不同，在数据采集系统中 需要为每一个新的计量仪表型号定制专用的设备驱动程序，而该标准体系支持构 建一个通用的设备驱动程序，一个客户机系统既支持全部标准化的性能，又可以 支持特殊性能。 3 支持多用户访问，具有多重身份验证和访问权限机制，确保数据的安全性。 4 接口类将仪表功能进行了标准化，包括寄存器、需量记录、费率和活动时 间表、时钟同步处理以及能量质量监测等等。同时定义了属性值的数据类型，并 将数据类型随同数据一起传送，从而保证数据含意不会出现二义性，确保了数据 的溯源性和一致性。 2 5 3 协议结构 i e c 6 2 0 5 6 标准体系，即d l m s c o s e m 标准协议，目前主要组成如下所示， 将来还会不断扩充新的协议以适应各种通信介质和新的应用需求。 i e c 6 2 0 5 6 2 1 1 7 ：直接本地数据交换，该部分介绍本地电表数据交换的硬件 和协议的技术说明。在这样的系统中，一个手持单元( h h u ) 或者有相关功能的 设备与一个或多个费率装置相连接。 e c 6 2 0 5 6 4 6 引：应用h d l c 数据链路层协议规定了面向连接、基于h d l c 、 异步通信协议集的数据链路层 i e c 6 2 0 5 3 5 3 t 明：c o s e m 应用层，该部分规定了使用c o s e m 接1 2 1 对象，通 过逻辑名( l n ) 引用和短名( s n ) 引用的数据通信服务。c o s e m 服务器在给 1 3 接十i e c 6 2 0 5 6 三相多功能i 【l 能表的研究j 实现 定的连接中既可以使用l n 引用，也可以使用s n 引用：这要求在建立应用连接 时协商确定。c o s e m 客户机通常使用l n 连接，如果客户机使用s n 引用与服 务器通信，l n 服务要映射到s n 服务。 i e c 6 2 0 5 6 6 l 【1 0 】：对象识别系统，本部分规定了标识系统的总体结构以及所 有数据项与相应标识码的映射关系。 i e c 6 2 0 5 6 6 2 1 1 ：接口类i c ，该部分规定了从通信接口视角观看的仪表模型。 本部分采用面向对象的方法定义了多种通用组合块，以接口类的形式构造了简单 功能到非常复杂功能的仪表模型。 i e c 6 2 0 5 2 5 2 1 2 1 ：d l m s 服务器通讯协议管理，提供了管理d l m s 服务器的所有 信息。 2 5 4 协议模型 2 5 4 1c o s e m 仪表结构模型 管理逻辑设备是必须，包含全局相关的c o s e m 对象。其它可依具体情况确 定，每个逻辑设备表征该计量设备的一个功能子集，是一系列c o s e m 对象的集 一回 围 困 ：( 习 。 对象 ) 图2 7 仪表结构模型 合( 用c o s e m 接口对象来表述各种功能) ，仪表结构模型，如图2 7 所示，每个逻 辑设备都具有一个l n ( s n ) 连接对象，用于建立和管理应用连接( a a ) ，用逻 辑设备名l d n 来标识各逻辑设备。l d n 是一个最多l6 字节的字节串，头3 个 字节唯一标识该设备的制造商，而制造商负责保证其余部分( 最多1 3 个字节) 的 唯一性。 2 5 4 2 通信模型 使用c o s e m 的通信架构是基于客户机服务器方式的操作和通信服务( 请 求响应服务) ，仪表是服务器，抄表主机为客户机。为了使仪表能在未被请求的 情况下主动上报突发事件如新安装仪表、各种报警信息等【1 3 1 ，扩展了一种非客 户机j j 及务器的通信服务：突发事件报告服务。计量设备( 如电能表) 在此模型 1 4 硕l j 学位论文 中充当服务器的角色。在此环境中，通信在客户机与服务器应用进程之间进行， 换句话说，服务器的应用进程向客户机的应用进程提供了远程服务，这些服务是 通过在客户机和服务器应用进程之间的信息交换来提供的。通常情况下，客户机 和服务器的应用进程分别位于不同的设备，它们的信息交换借助于通信协议实 现。一般来说，通信协议是分层的，协议共分为3 层：物理层、链路层、应用层。 通信结构如图2 8 所示： 利端仁= ：二 r e q u e = ： x 应户j 层 议 链蟊各层 7 鐾妇 壅堕口 图2 8 通信模型 1 物理层协议 d l m s c o s e m 可以工作与多种不同的物理介质上( p s t n 、双绞线、无线 等) ，物理层协议主要规定了物理层应实现的服务，如打开端口，初始化端口、 收发端、关闭端口等，他对应与通信系统的底层驱动部分，不被高层数据通讯规 约所约束。 2 链路层协议 ( 1 ) 帧格式 采用h d l c 作为链路层协议( i e c 6 2 0 5 6 4 6 ) ，包括l l c 子层和m a c 子层。 l l c 子层向应用层提供链路传输服务，m a c 子层负责数据传输的可靠性，包 括地址检查，数据的c r c 校验，长数据帧的拆包、组包等。h d l c 帧格式如图 2 9 所示： 图2 9h d l c 帧格式 两个标志h d l c 数据帧固定的帧头与帧尾) 之间是链用户数据。当包含应用层数 据信息时，在h d l c 帧中应有帧头校验、l l c 帧头、用户数据信息3 个域。 i 帧格式域，如图2 1 0 。 图2 10 帧格式域 1 5 幕十i e c 6 2 0 5 6 三相多功能l u 能表的f j 究j 实现 a 帧类型( 4 位) ：h d l c 有多种帧类型，d l m s 使用帧类型3 ，其值恒为a ( 10 1o ) 。 b s ( 1 位) ：数据帧拆分标志。在很多情况下( 如请求负荷曲线时) ，数据不 能在一次请求和一次应中结束传输( 受限于用户数据字节不超过12 8 字节) 。这就 要启动长数据帧链路控制流程，将其分割成短数据帧，再依次发送出去，在接收 端依次处理获得完整的数据包。数据帧被分割时，s 位置1 ，客户端通过发送 r r 帧来请求被分割数据帧的其他部分 c 帧长( 1 1 位) ：当前帧的字节长度( 不含2 个首尾标志) 。 i i 地址域( 包含源地址与目的地址) 采用可扩展编址方案。若地址字节的最低位为0 ，表示该地址域未结束，后 续字节是该地址域的一部分；若地址字节最低位为l ，表示该地址域结束。客户 端地址永远是1 字节，其最低位置1 ，共有l2 8 个地址；仪表端为了实现一个物理 地址对应多个逻辑地址，其地址分为两部分：高h d l c 地址( 逻辑地址) 和低h d l c 地址( 物理地址) 。高h d l c 地址是必须的，低h d l c 地址不需要时可以不出现。在 具体应用中仪表端地址结构可以使用如下方式： a 1 字节：只出现高h d l c 地址。 画垂巫卫 b 2 字节：1 字节高h d l c 地址，和i 字节低h d l c 地址。 c 4 字节：2 字节高h d l c 地址，和2 字节低h d l c 地址。 有一些地址是h d l c 的保留地址，其中比较重要的是广播地址。 i i i 控制字段格式 表2 2 控制字段格式 i r r r n r s n r m d i s c u a d m f r m r u i 命令控制字段如表2 2 所示。 i 帧：信息传输帧。r r r 为接收帧计数，s s s 为发送帧计数。 r r 帧：准备接收下一帧数据。r r r 为接收帧计数。 1 6 b s 0 o l 1 l l l 1 s l s 0 1 o o 0 l 1 o s o o 0 o o 1 0 of f f f p p f f f p p p p o 0 1 0 0 o r r r r r r 1 o o 0 1 o 硕十学位论文 r n r 帧：接收没有准备好( 忙) 。r r r 为接收帧计数。 s n r m 帧：设置正常响应模式，用于建立链路层连接； d i s c 帧：断开连接帧。 u a 帧：对s n r m 和d i s c 帧的响应帧。 d m 帧：对d i s c 帧的响应帧。 f r m r 帧：拒绝接收帧。因不确定的某种原因拒绝接收到的数据帧。 u i 帧：用于事件上报，广播帧的处理。 iv 信息域 信息域可以是任意字节序列。h d l c 是一种数据透明传输的链路层协议，帧 格式中的用户数据信息域与链路层没有任何关系，在i e c 6 2 0 5 6 中，链路层负责 数据传输的可靠性，数据链路层为应用层的数据传输提供透明通道。具体应用时， 对于客户端应用层发送的数据，要加上l l c 帧头e 6e 6o o ，仪表端应用层发送的 数据，要加上l l c 帧头e 6e 7o o 。 v 数据帧校验 h d l c 使用16 位c r c 校验。h c s 的长度是两个字节。h c s 计算除开始标志 和h c s 本身外的头的字节数。h c s 的计算方法跟帧校验序列( f c s ) 类似。不包 含信息域的帧，仅含f c s ( 在这种情况下，h c s 被看作