（电路与系统专业论文）基于dlmscosem的网络化远程自动抄表系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 远程自动抄表系统取代人工抄表，已成为能量计量的主流方式，但是目前 国内市场上抄表规约繁杂，不同厂商的产品不能兼容，系统扩容和集成的瓶颈 效应越来越明显，迫切需要一种具有互操作性的抄表协议标准，使抄表系统和 计量设备交互时采用相互理解的通用语言。 本文引入了一种新d l m s c o s e m 国际抄表规约标准，它不同于以往规约面向 点的设计方法，采用面向对象的思想将物理计量设备映射为c o s e m 服务器中的 虚拟逻辑设备，将物理计量设备的各项功能采用标准接口类的方式虚拟化为逻 辑设备的属性和方法，做到设备之间信息的交互与具体的物理设备无关，并采 用了可协商的数据通信服务。 本系统基于以太网实现远程抄表，集中器即c o s e m 服务器，作为规约接口 实现d l m s c o s e m 协议在上行和下行信道中的不同应用。在上行信道中，管理主 站和集中器之间采用以太网传输，形成无缝的通信结构，实现d l m s c o s e m 协 议在传输层和应用层的分层应用；下行信道中，集中器和计量设备之间形成总 线型拓扑结构，应用d l m s c o s e m 的直接本地数据交换协议部分完成对计量设备 的数据抄录和控制，易于将旧有的抄表规约纳入到新型的远程抄表系统中，与 国际标准接轨。 关键词：远程自动抄表系统互操作d l m s c o s e m 协议接口对象分布式系统 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e m o t ea m r s y s t e mh a sb e c o m em a i n s t r e a mw a yi ne n e r g ym e a s u r i n gf i e l d b u tt h e r ea r em a n yc o m p l i c a t e dr e a d i n gp r o t o c o l sa n dd i f f e r e n tc o m p a n y sp r o d u c t c a n tc o m b i n ew i t he a c ho t h e r i t su r g e n tt of i n dan e w p r o t o c o lw i t hi n t e r o p e r a b i l i t y t od e a lw i t hb o t t l e n e c ko fs y s t e me x t e n s i o na n di n t e g r a t i o n b o t hr e a d i n gs y s t e ma n d m e a s u r i n gd e v i c ec a nu s eu s u a ll a n g u a g et ou n d e r s t a n de a c ho t h e r an e ws t y l ep r o t o c o ld l m s c o s e mi si m p o r t e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s o n o n eh a n d ，i ta d o p t st h em o d e l i n gf a c e do no b je c t st om a k ep h y s i c a lm e a s u r i n g d e v i c e sm a p p e dv i r t u a ll o g i c a ld e v i c ei nc o s e ms e r v e r i ta l s ou s e ss t a n d a r d i n t e r f a c ec l a s st or e a l i z et h ef u n c t i o n so fp h y s i c a ld e v i c ei n t oa t t r i b u t e sa n dm e t h o d s o fl o g i c a ld e v i c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed a t at e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa r e a p p l i e di nt h es y s t e m u s i n gt h em e t h o d ，t h ea l t e r n a t i o nb e t w e e nt h ed e v i c e si s i r r e s p e c t i v e 、析t hs p e c i f i cp h y s i c a ld e v i c e s b a s e do ne t h e r n e tt or e a l i z er e m o t er e a d i n g ，c o s e ms e r v e rc a nb eu s e da s p r o t o c o li n t e r f a c ei nu pa n dd o w nc h a n n e l i nu pc h a n n e l ，t h es y s t e m a d o p t s e t h e m e tt r a n s m i s s i o nt of o r ms e a m l e s st e l e c o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r eb e t w e e n m a n a g i n g c e n t e ra n dc o n c e n t r a t o r d l m s c o s e m p r o t o c o l i s a p p l i e d i n t r a n s m i s s i o nl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r i nl o w e rc h a n n e l ，i t sab u st o p o l o p y b e t w e e nc o n c e n t r a t o ra n dm e a s u r i n gd e v i c e i t se a s yt oc o m b i n eo l dr e a d i n g p r o t o c o li n t on e ws t y l er e m o t ea m rs y s t e mu s i n gt h ew a yt h a td l m s c o s e m d i r e c tl o c a ld a t ae x c h a n g i n gp a r ti sa p p l i e dt or e a da n dc o n t r o lt h ed a t ao fm e a s u r i n g d e v i c e k e y w o r d s ：r e m o t ea m rs y s t e m ；i n t e r o p e r a b i l i t y ；d l m s c o s e mp r o t o c a l ； i n t e r f a c eo b je c t ；d i s t r i b u t e ds y s t e m l l 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 抄表系统是电力系统管理的一个重要组成部分，为用电的各个环节提供合 理地计费和核算依据。但传统的人工入户抄表需要到户抄取数据，实现结算。 这种方法工作效率低下，给居民和管理部门都带来了不便，并且不能保证数据 的准确性和实时性。而有些地区引入的插卡式买电装置，省去了抄表环节，但 用户购买程序繁琐，也不是解决抄表问题的有效手段n 3 。自动抄表系统( a m r ) 由于其高精度、多功能、具有数据通信能力等特点，取代人工抄表，利用计算 机、微电子等技术将居民用水、电、气等信息加以综合管理，极大地提高了作 业效率和管理力度，是集抄系统的发展趋势心1 。智能小区的建设对抄表系统的 自动管理需求极为迫切，抄表系统的自动化和远程管理已成为未来发展的趋势。 目前，大多数的a m r 系统供应商主要研究系统通信技术方面，但随着可供 选择的数据通信方式的不断涌现，通信问题将不会成为a m r 系统的发展瓶颈。 现在国内市场上，尽管电表功能的发展能够满足实际生产应用的需求，但大多 数抄表系统没有独立于计量仪表，必须选择与选用仪表匹配的a i r ，受到特定 厂商的束缚，不利于系统的开放整合，对应用系统的集成( 水、电、热、暖等) 也不支持，不利于计量的升级、维护。 因此，a m r 系统的发展关键是如何构建一个开放式的数据交互平台，能够 实现不同厂商、不同型号、不同系统( 电、气、水、热等) 的开放式管理，突 破发展定位的狭隘性和封闭性，实现各厂家互联互换的目标b 3 。a m r 系统的建设 离不开数据传输通信协议，a m r 系统在使用电表的过程中，需要使用通信协议 与电能表设备进行数据交换。数据传输协议规定了用户层与电能表之间以及相 关设备之间进行数据交换传输的通讯协议即抄表规约，是整个自动抄表系统的 核心内容h 1 。 数据对象定义和通信规约标准化是开放式系统的基础。但实际应用中，电 表制造厂家不同、型号繁杂，所选用的通信协议类型多种多样，直接造成了电 能表通信协议的不统一。因此，实现自动抄表系统协议的统一是目前计量计费 系统迫切需要解决的问题，要使计量系统能够与任何一个仪表对话，而不必考 浙江大学硕士学位论文 虑厂家、仪表型号、所测能量类型和通信信道介质，迫切需要提高系统的互操 作性晴6 3 ，使不同设备与电表的数据交换协议统- n 某种通信协议标准上，体现 开放性、独立性原则。但仅是将抄表协议统一在某一种通信协议标准上，这种 统一是不稳定的，必然会随着电表功能的不断扩展，因厂家自定义某些协议内 容而出现抄表协议新一轮的不统一。所以解决这种困境的根本方法是制定出统 一的具有互操作性的抄表协议标准，使抄表系统和电表交互时采用相同的方式 和相互理解的通用语言，而与制造厂家、电表类型及通信介质无关，并且在将 来电表功能扩展后仍然能保持通信双方的兼容性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1a m r 系统常用协议 目前国内外现场使用的多功能电表有数十种，国外主要有兰吉尔表、a b b 表、 g e 表、斯伦贝谢表等；国产的主要有威胜表、恒通表等口1 。诸多厂家采用自定义 规约，通信规约繁琐又互不兼容。目前较通用的电能表抄表协议标准有哺“1 0 3 ： 读表，费率和负荷控制的数据交换一本地总线i e c l l 4 2 1 9 9 3 读表、费率和负荷控制的数据交换一直接本地数据交换i e c l1 0 7 1 9 9 6 电力系统实时数据通信应用层协议d l4 7 6 9 2 多功能电度表通信规约d l t4 4 5 - 1 9 9 7 电力负荷控制系统数据传输规约d l 一5 3 6 9 6 国内多功能电能表使用的多功能电能表通信规约d l t 6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表( 复费率) 通讯规约d l t6 4 5 1 9 9 7 远动设备及系统传输规约d l t 6 3 4 1 9 9 7 远动设备及系统一第5 部分：传输规约d l t 7 1 9 2 0 0 0 用于变电站站内和站间通信标准i e c 6 0 8 7 0 5 一1 0 2 1 9 9 6 ； 计量自动化系统广泛采用最多的是多功能电能表通信规约d l t 6 4 5 ，适 用于本地系统中的电能表费率装置与手持单元( 也称抄表器，用于现场抄表或编 程) 或其他数据终端设备进行点对点的或一主多从的数据交换方式；规定了它们 之间的物理连接( 物理层) 、通信链路( 数据链路层) 及应用技术( 应用层) 规 范。实现了电能计量信息和控制信息的长距离传输。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 这些电能表通信规约，就其根本是从v a n _ c o m m 规约n 1 3 演变而来。v a n _ c o 埘 规约是美国f e r r a n t i 公司开发的信息变换标准，适用于“主从式 或“问答式” 非平衡传输规则，即传输过程的启动仅限于某一固定点，主站端为启动端，而电 能计量数据终端设备位于计数站，始终为从动站，主站对各终端执行主从问答方 式通讯。由单主站不断地向从子站( 多个) 发出召唤代码发动通信，从子站只能 被动应答。数据传输时采用长可变帧格式。 上述规约在设计思想上相差不大，以d l t 6 4 5 为例的传统的通信规约存在 一定程度的封闭性，难以与其它自动化系统互联及综合应用；同时，各厂家的 产品也相互差异，自成一体，极大地限制了抄表系统的应用和发展，增加了用 户的投资。采用这种类型通信规约的抄表系统存在以下三个问题： ( 1 ) 兼容性 采用这些抄表协议的计量系统，在管理范围扩大，需要兼容新的区域电表 或新开发产品与现存产品兼容时，存在抄表协议不匹配、互操作性困难的问题， 需要增加对符合新型协议电表的支持模块，加大了计量系统的复杂度和维护难 度。 ( 2 ) 独立性 计量功能与通信功能之间未进行严格地划分，更换通信信道时对电能表计量 功能影响较大，所以上述规约基本上不适用于多信道的介入，限制了电表在不同 环境的应用。 ( 3 ) 扩展性 抄表规约的功能狭隘，仅限于某一种能量类型，不适用于水、电、气、热的 多功能电能表的使用，不利于未来抄表系统的扩展和集成。 通信规约的多样化使得抄表系统花费相当大的精力用在规约的解释上，系统 与表计的相关性强，一旦增加某种表计，整个系统的结构都可能要修改，降低了 抄表系统的可靠性、适应性和可维护性。 1 2 2 信道通信协议 信道通信协议保证稳定可靠的通信保障，不同的应用环境有不同的解决方 案，目前常用的通信介质如双绞线、p s t n 、g s m 等，主要分为：有线总线通信、 一3 一 浙江大学硕士学位论文 电话线通信、无线通信、电力线低压载波通信等多种方式n 2 13 1 。 ( 1 ) 有线总线技术成熟、简单，在通信信道正常的情况下通信可靠、稳定， 可以实现实时通信，但布线工作量大，通信信道易受人为损坏，损坏后故障排除困 难、恢复慢，信道后续维护量大等不足。 ( 2 ) p s t n 利用现有的电话网进行数据通信比较常用，但需安装调制解调器， 通信速率也受到限制，管理中心无法对用户进行实时监控，不适合大容量系统。 ( 3 ) g s m 等无线数据通信受气候、环境的影响很大，数据的稳定性和可靠性 得不到保证。 ( 4 ) 低压载波通信存在许多问题。用户家用电器、开关电源等产生的高次 谐波，各种用电设备的通断产生的瞬时脉冲干扰等因素都会产生强干扰。另外， 不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况都会对 信号在电力线上的传输特性产生很大的影响，低压载波通信可用性还值得商榷。 1 3 课题的提出 通信规约是自动抄表系统的核心内容，统一到某种具有互操作的规约可以 使各种抄表系统从庞杂的接口和规约中解放出来，而将精力放在系统集成及数 据管理上；而电表制造厂家也可更集中于如何提高电表的性能和功能上来，具 有重要的实用意义，增加自动抄表系统的市场竞争力。为解决计量系统与电表 的集成和互操作性问题，满足能源计量管理和抄表收费等方面的应用需求，国 际i e c 组织制定了一种新的面向对象建模和标准化接口的抄表规约i e c 6 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，它的关键组件可以解释 为d l m s c o s e m ( 见2 2 ) 标准。 d l m s c o s e m 标准采用面向对象的设计方法，与以往传统计量仪表和应用系 统集成采用的面向点的定义方式相比，非常适合在a m r 系统中的应用。但是在 具体实现时存在几个问题亟待解决： 一是标准体系复杂，整合实现困难。接口对象、对象系统只提供了实现指 导框架；服务接口需要用抽象语法来保证在异构的计算系统环境中，转换成通 信双方互相理解的比特流；多种通信方式的接入要避免对应用层实现的影响； 在一定条件下构建a m r 系统也要根据具体的硬件条件从i e c 6 2 0 5 6 标准中选择 合适的标准体系。一个基于d l m s c o s e m 的完整的a m r 系统的构建需要对标准 一4 浙江大学硕士学位论文 有深刻的理解，并通过d l m su a 协会的一致性测试才能通过认证，符合互操 作性的要求。目前国内并没有任何厂家产品完全通过认证，对d l m s c o s e m 标准 的研究还处于起步阶段。 二是由于传统的信道通信方式如双绞线、p s t n 、g s m 等存在着很多不足，而 利用现有丰富的资源进行连网通信，不需要铺设专用的通信线路，便于对各类电 能表进行组网通信；数据传输速度快，且可靠性高，。但基于i p 的网络通信方式 还刚刚被纳入至o d l m s c o s e m 标准体系中，实现方式有待解决。 三是如何在保护原有系统固有投资的基础上，与d l m s c o s e m 标准体系兼容。 国内市场广泛应用的抄表协议与d l m s c o s e m 标准架构完全不同，但在其还能满足 市场需求的情况下，不能将固有的设备投资废弃，因此有必要设计协议转换组件 来实现新旧标准的兼容统一。 基于以上存在的几个问题，本课题提出了一种以d l m s c o s e m 为基础的网络 化远程自动抄表系统，应用c o s e m 定义计量设备服务器模型，d l m s 通信报文用于 应用层的交互；利用i e c 6 2 0 5 6 中对t c p i p 的支持实现c o s e m 服务器与管理主站的 底层( 物理层和数据链路层) 通信，实现远程自动抄表的互操作性和网络化传输； 并通过协议组件完成物理计量设备与主站实时通信时的协议转换，使d l m s c o s e m 标准与旧有的系统架构无缝连接。本课题的研究为自动抄表系统的标准体系增加 一种新的接入方式和数据交换方法。 1 4 文章结构 本文介绍了一种新的电能计量抄表规约，并结合以往自动抄表系统的发展基 础提出了这种规约的可行性应用模式，具体说明了它的应用背景、设计思想和实 现开发。 本文内容可分为五个部分，各章节结构如下： 第一章，分析了本文的研究背景、国内外发展概况，说明了对所选课题 d l m s c o s e m 协议研究的必要性。 第二章，对计量抄表系统的系统构架进行了研究，对各组成部分分层描述； 对d l m s c o s e m 协议组成进行剖析，提出了该协议在抄表系统中的应用方法。 第三章，分析了d l m s c o s e m 通信协议的实现机理和关键技术，设计了远 程自动抄表系统的拓扑结构、功能模块及各模块的具体实现方案。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 第四章，系统实现，集中器端主要通过c o s e m 服务器模型的建立及上行和 下行信道通信服务的实现，客户端远程对集中器控制的计量设备请求定时和实时 服务。 第五章，系统测试，利用自建的测试环境来对d l m s c o s e m 规约的功能性实现 进行验证。 第六章，对本文研究内容进行了总结与展望。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章a m r 及d l m s c o s e m 协议概述 2 1 自动抄表系统简介 a m r 系统是一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且以 一定的通信方式，自动将采集数据送回用电管理中心的能量计费管理系统。它 能实现实时、定时抄录用户电量数据，按用电的峰、平、谷时间和季节自动调 整复费率去核算各用户的电价，是实现配电自动化的基础n 钔。a m r 技术在8 0 年 代中叶诞生于美国，最先在供水领域中应用，后迅速扩展到电、气、热等各个 应用领域。i e c 的t c l 3 和t c 5 7 标准化组织在其标准体系中都为a m r 系统制定 了相关的标准n5 l 。9 0 年代初，a m r 技术被引入中国，早期的a m r 系统主要用于 大电网的电能量考核计算，随着国内智能住宅小区概念的提出和居民一户一表 的实行，居民自动抄表系统也得到了极大的推广n 引。 2 1 1 自动抄表系统的组成及实现功能 自动抄表系统从组成结构上可分为三个层次： ( 1 ) 计量设备终端层：规定了设备的计量特性、数据项及电气性能指标。不仅 包括狭义上的电能表设备，而且还包括厂站计量遥测终端、大客户负荷管理终 端以及低压集抄集中器的接入。 ( 2 ) 数据传输协议层：是计量设备终端层和业务处理层之间进行数据交换传输 的通讯协议，是整个a m r 系统的核心内容。 ( 3 ) 业务处理层：规定了终端层能为用户提供的服务及用户对终端的数据交换 要求。 自动抄表系统一般实现的功能如下： ( 1 ) 定时抄录：实现制定时刻用户电量数据的冻结，作为向用户收费的依据。 ( 2 ) 实时抄录：实现业务层对电量数据实时的上召传送。 ( 3 ) 特定用户监控：如向电能表下达用户供电分合指令，远程操作继电器，对 恶意欠费用户执行远程断电。 ( 4 ) 参数设置：主站通信地址、抄表时间、表计时段等参数的设置并存储。 一7 一 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 自动抄表系统的系统架构 自动抄表系统根据采用通信网络的不同，可以有不同的组合方式【1 8 1 9 2 0 1 。 方式1 ：集中式系统。所有的抄表过程受同一个控制终端的直接控制，通 常采用光纤或宽带网络作为通信信道。虽然实时性好，但对信道质量要求高。 方式2 ：分布式系统。由位于用户处的远程控制终端和分布于每个小区之 内的可独立运行的自动抄表网络两部分构成。实时性较好，对信道的选择灵活。 方式3 ：直接本地系统。直接从计量设备终端采集数据。这种方式可靠性 好、成本低，但不能实现远程抄录。 远程抄表系统目前应用最广泛的是分布式系统，为了避免通信网络出现故 障时管理中心不能及时了解用户用电情况，还可以与直接本地系统模式结合使 用， 预留掌机( 手持单元) 通信接口，采用直接本地系统方式直接进行计量数 据的本地采集，再传送数据到主站。系统架构如图2 - 1 所示。 图2 1 远程抄表系统架构图 采用分布式系统模式的a m r 系统用集中器作为二级管理中心，采用上行信 道( 主站与集中器之间) 星形结构，下行信道( 集中器与计量设备终端之间) 总线型结构，集中器在系统结构中具备服务器和客户端的双重身份，既要作为 客户端通过直接采集存储电表数据，又要作为服务器响应管理中心的查询请求， 定时或实时上送电表数据。 下行信道中，现在广泛采用的直读表计量单元不需经过采集器的脉冲变换， 不受机械振动和电磁干扰的影响，直接传送数字信号而非脉冲信号输出数据眩， 便于系统采用总线制机构。集中器通过r s - 4 8 5 总线接口直接连接到电能表上， 管理多个电表终端，实现对电能表参数的采集、存储、预处理等；集中器还可 一8 一 浙江大学硕士学位论文 以将主站发送的遥控指令传送给电能表控制模块。 上行信道中，目前国内自动抄表系统中采用较多的通信方式包括：有线总 线通信、电话线通信、电力线载波通信及g p r s 无线通信等多种方式。以太网已 成为小区建设的基础设施，且具有不需要单独布线、容错量大、受外界信号干 扰小等特点，基于i p 的网络通信成了未来抄表系统理想的通信方式瞳2 1 。采用 分布式远程抄表系统的结构图如图2 2 所示。 白事7 j 车垮 图2 - 2 分布式抄表系统结构图 2 2d l m s c o s e m 协议 通信协议的互操作性是指电能表与抄表设备或系统之间进行数据交换时采 用相同的方式和相互理解的通用语言，而与制造厂家、电能表型号及通信介质无 关。为提高抄表规约的互操作性，d l m s 协会提出了一种新的通信规约，艮p c o s e m 年i d l m s ，一部分是与通信协议、介质无关的电能计量配套技术规范c o s e m ( c o m p a n i o ns p e c i f i c a t i o nf o re n e r g ym e t e r i n g ) ，它是基于现有标准为电能 表数据交换而指定的规则；另一部分是通信协议模型，即设备语言报文规范一 d l m s ( d e v i c el a n g u a g em e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ，用于支持如远方抄表、远 方控制和增值服务等应用口3 1 。 与以往传统的面向点的信息描述设计方法不同，d l m s c o s e m 标准则采用面向 对象的建模方法来对电表设备进行描述。它为所有对象提供一个标准的标识码， 用来标识在界面上显示和通信线路上传输的数据，支持厂家自定义实例、属性和 方法；并且定义了标准化的接口类、数据类型，将仪表功能进行了标准化，每一 一9 一 浙江大学硕士学位论文 个物理设备抽象为逻辑设备后可以使符合该标准的不同厂家电表兼容，提高了设 备交互交换的互操作性。 2 2 1d l m s c o s e m 标准系列 d l m s c o s e m 通信协议已经被国际电工委员会应用，发布了i e c 6 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标准文件系列，该国际标准体 系不仅适用于电能计量，而且是集电、水、气、热等统一定义的标准规范，支持 多种通信介质接入方式，其良好的系统互连性和互操作性是迄今为止较为完善的 计量仪表通信标准。 i e c 6 2 0 5 6 是一个标准系列，分为7 个部分： 第2 1 部分2 4 】：直接本地数据交换。该部分为直接数据交换定义硬件和协议 规范，通常为手持抄表设备等直接连接仪表的抄表过程服务。 第4 2 部分【2 5 】：面向连接的异步数据交换的物理层服务进程。该部分定义物 理层服务和协议，为物理层以上网络层提供面向对象的异步数据通信。它没有 定义物理层信号和机械参数细节。 第4 6 部分【2 6 】：基于h d l c 协议的数据链路层。它定义面向连接，以h d l c 为基础的异步通信数据链路层框架。 第4 7 部分例：用于i p 网络的c o s e m 传输层。该部分使用以太网t c p f l i p 协 议栈来实现物理层和链路层的数据传输。 第5 3 部分2 8 】：c o s e m 应用层。它定义了c o s e m 客户和服务器在应用层 上的数据结构，服务和通信机制。 第6 1 部分【2 9 】：对象标识系统o b i s ( o b j e c ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 。它定义 在计量仪表中使用的数据i d ，该i d 为每个数据提供一种独一无二的标识。 第6 2 部分【3 0 】：接口类。它定义了计量仪表中使用的各种对象接口类和 c o s e m 对象，还根据o b i s 系统命名一系列电能表对象的标识码。 2 2 2d l m s ，c o s e m 规约的通信结构 数据传输协议分为三个子层：物理层、链路层和应用层，它采用了开放系 统互联o s i 框架的精简结构。物理层为适应不同环境基于标准进行选择；链 路层用于打包并提供可靠的数据信息传输；应用层描述了的数据传输方式和通 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 讯规范，是与应用程序的接口。i e c 6 2 0 5 6 标准体系从属于上述的三层结构，有 物理层、数据链路层及c o s e m 应用层。 从图2 - 3i e c 6 2 0 5 6 规约结构图可以看出，i e c 6 2 0 5 6 - - 4 2 和i e c 6 2 0 5 6 - - 2 1 模式e 物理层协议提供了在数据终端设备( d t e ) 与数据通信设备( d c e ) 间的 接口，直接与各种通信信道交互。在遵循标准的物理层服务与规程的前提下， 其下可以“挂接”各种不同的物理通道，而不同的物理通道有与之相应的通信 协议，物理层只需要编写通用的接口通信驱动程序，就可对不同信道接入进行 识别。 蒸蓊攀豢荔鬟妫罐蘑算番媾蘸攀鬻藿戮鬻攀， 7 鼻j ，矗囊黪爹i _ c o s 幽应用膨l i 嘲妻鲻羞麟蘩震黪? 乏、滋囊。 。 。，? 搿一? o ”，- ，o ，_ ；、嵋麓_ v ，川、矗一勰然巍当嘴甜m 伊氍卿僻错碱：乒：炙。z ? 越i 腻- 0 _ 竹嘶一? ，1 ，瓤- ，t ；r _ 薯麓爱- ，麓g 。备j j 甄粒鞲。 鬃黼攀麟鬟i 囊镒麓键治- 基j t 旋螽豸蓄鬻黧i z o - 1 _ + 毒霉篓誊露瑟缓豢鬻鬻鬟嚣；藿；鬻；鞫鬻i 鬻爨强篱糍。： i一0 7 。 雾i 模式窭黪 参鬻翌2 嬖；鬟刻i j ：恕襞i j 1 _ i i 物理层i _ j ? 转至瞳，晓 ( 6 2 0 5 6 - 4 2 ) 囊攀攀黉j 誊誊渗：t 6 2 0 5 6 j 孔 。 、1 平台接口 r s 2 3 2 琅s n 可g s m ， ! ，：光口。 鬟蘩：l j 鬻鬻群雾簿 | _ 1 0 m o d e 越j0 。 ，i 一i - 一f i 。二j ，- = _ _ j，一 图2 - 3i e c 6 2 0 5 6 规约结构图 物理层建立后，按照i e c 6 2 0 5 6 - - 4 6 ，d t e 和d c e 设备协商数据链路层参数， 包括最大发送( 接收) 帧长度、发送( 接收) 窗尺寸等。应用层的建立依赖于 i e c 6 2 0 5 6 - - 5 3 提供的数据通信服务，i e c 6 2 0 5 6 - - 6 2 则为应用层定义了仪表范 畴的接口类，如计度器、负荷曲线、时钟和任务表，以及介质接入连接的建立 和初始等。每一种接口都具有特定的数据属性和任务执行方法。而接口类中的 对象是由i e c 6 2 0 5 6 6 1 定义并统称为逻辑名。 同时，标准不断补充通信新技术，2 0 0 6 年i e c 协会新提出的i e c 6 2 0 5 6 4 7 ， 是基于i n t e r n e t 传输c o s e m 的仪表模型，间接地使用了t c p i p 驻留在低的数 据链路和物理层，以代替目前定义在i e c 6 2 0 5 6 - 4 6 和- 4 2 的数据链路层和物理 层，是未来自动抄表系统的发展方向。应用协议下可以使用基于h d l c 的传统抄 表协议栈，也可以使用基于网络应用的t c p i p 协议栈。 浙江大学硕士学位论文 仪表模型和系统通信是相对独立的，可以独立于通信协议而存在，也就是 说6 2 0 5 6 6 2 ，6 2 0 5 6 6 1 的内容既可以用于i e c 6 2 0 5 6 描述的通信协议栈，也可 以用于其它的通信协议栈。 2 2 3 适用范围 d l m s c o s e m 规约适用于水、电、燃气等各种系统，并能应用于不同用途的计 量电表。以电力系统为例，电网中设置了大量不同用途的计量点，应用了不同用 途的电能表，如关口表、大用户表、居民用表等。图2 4 中计量管理系统分3 级阳羽： 第1 级为变电站和发电厂的各种计量点，使用关口表即变电站用表，主要对 主网进行线损统计；第2 级为大用户专用及公用变的各种计量点，使用大用户表， 单向计量，能对峰、平、谷不同时段的数据进行采集；第3 级为低压电力用户计 量点，使用居民用表，功能较为单一。 第1 级 第2 级 第3 级 图2 4 计量系统的分级关系 d l m s c o s e m 规约可以支持各种类型计量仪表的应用，包括从复杂仪表如 关口表和大用户表，到简单仪表如居民用户表。制造厂家只需根据具体需要，从 标准化的对象库中选取适当的对象就能实现各种各样的功能。 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文 第3 章d l m s c o s e m 架构研究及a m r 系统设计 3 1a m r 系统分析 本文a m r 系统采用新型的d l m s c o s e m 协议实现客户端与抄表设备终 端之间的信息交互，针对系统实现过程中霞要解决的三企问题进行系统递计： 一是如何将计量设备终端在集中器中利用c o s e m 对象模型进行虚拟化；二是 如何在客户端到集中器的上行信道间安全地实现d l m s 服务交互；三是如何构 建协议组件在集中器和计量设备间的下行信道间进行新旧协议转换，将符合旧 有协议的计量设备与新型a m r 系统兼容，使系统从设备层、通信层两个层面 满足互操作性的要求。 3 1 1 系统组网结构 i e c 6 2 0 5 6 规约的使用非常灵活，可根据抄表系统的具体组网结构来有选择 地选用适用于不同通信信道的规约。协议低层( 物理层和链路层) 的实现可以 选择支持双绞线、p s t n 、g s m 等多种物理介质的i e c 6 2 0 5 6 4 2 实现物理层、 i e c 6 2 0 5 6 4 6 实现链路层；也可以选用i e c 6 2 0 5 6 2 1 直接本地数据交换协议直 接对仪表抄读；i e c 6 2 0 5 6 4 7 基于i p 网络传输实现低层也已经可以成为现实。 选用不同的标准需要结合实际的硬件基础和网络环境，有共同的一点，c o s e m 应用层的实现与低层协议的选用无关，只需通过共同的地址接口与低层通信。 所以，c o s e m d l m s 协议的信息交换独立于具体通信模型，通信模型的改变 不影响应用，对通信技术是开放的。 譬 篡羹固l 一 i ： 卜幢i 匐 固、：。国 图3 - 1 自动抄表系统组网结构 一1 3 一 浙江大学硕士学位论文 分布式系统具有通信网络可靠性好，对信道的选择灵活等特点，目前被广 泛采用，本系统采用分布式二级管理的模式，利用小区集中器对多台物理电表 进行集抄，组网结构如图3 1 。集中器与电表通信的下行信道目前常采用r s 6 4 5 总线【3 3 1 ，利用国内普遍应用的6 4 5 规约转换。为了保护固有投资，能将6 4 5 协 议纳入新的通信系统中，可以通过转换模块将直接本地数据交换协议 i e c 6 2 0 5 6 2 1 与6 4 5 协议转换，将旧有的协议转向新的i e c 6 2 0 5 6 系列通信标 准，为d l m s c o s e m 规约的系统上层应用提供接口。 利用以太网协议的标准性以及在系统互联和信息共享方面提供的技术支 持，上行通信信道采用基于网络实现的方法。由图3 1 可知，可直接采用 i e c 6 2 0 5 6 4 7 来实现物理层和链路层，上行信道的应用程序构建于i e c 6 2 0 5 6 5 3 应用层之上，提供a p i 接口。 3 1 2 系统通信流程 a m r 系统由远递篁堡中心、塞虫器皂表设备终端三部分组成，集中器两 端信道不同，通信规约也不同，管理中心作为客户端，与电表终端的通信需要 集中器的桥接，不仅要实现协议上的转换，还要实现设备上的映射。 协议转换： 管理中心 集中器 物理设备 设备映射： c o s e m 服务器 接口类对象1 计量设备1 啄 逻辑设备1 接口类对象2 _ 、 计量设备2 j 逻纂 ji 7 【l 一 逻辑设备n 接口类对象m 计量设备n * 图3 - 2 物理计量仪表的设备映射 集中器作为c o s e m 服务器，瓷总线控制的多个物理计量仪表分别映射为 对应的逻辑设备_ 形成组合式讳量逻辑设备，如图3 2 所示。单表的各数据项 和功能分别被映射为不同接口类对象的属性和方法。c o s e m 服务器对上行通 道的接口表现为多个虚拟电表即多个逻辑设备。 一1 4 浙江大学硕士学位论文 物 理 电 表 设 备 卜一上行信道叫中i 一下行信道 图3 3 抄表流程图 c o s e m 服务器作为系统通信的核心，管理逻辑设备。在与管理中心的上 行通信过程中，符合d l m s c o s e m 协议，应用连接控制模块先对通信环境进 行协商，保证数据传输的安全，数据通信模块则在建立网络传输层的基础上应 用c o s e m 应用层的数据交换通信服务( g e t 、s e t 、a c t i o n ) 对c o s e m 服 务器中的逻辑设备进行数据读取或设置。 c o s e m 服务器对管理中心工达的实时昶定时服务查丕回的处理方法，图 3 3 中，买时操作时，直接将命令以下行信道协议传送给物理终端设备；定时 操作即访问历史数据时，只需同c o s e m 服务器中的数据库系统部分交互即可， 因为c o s e m 服务器在与电表终端的下行通信过程中，已经定时接收终端的数 据以作冻结使用。 3 1 3 数据交换互操作的条件因素 实现互操作可以使通信双方识别对方，建立起通话。而传统抄表规约中信 息以点号来识别【3 4 1 ，具体传输信息需要双方事先约定，数据项识别码扩展性不 强，并且对数据的传输类型没有明确的定义，易产生误译码的情况，无法保证 通信双方无障碍地互操作。 针对这种情况，本文a m r 系统采用d l m s c o s e m 协议，图3 4 中所示为 如何利用d l m s 服务访问c o s e m 接口类对象。为了保证计量设备的各项功能 对外提供标准的接口，集中器中的逻辑设备从标准的接口类库中进行选择，以 对象模型的形式搭建整个逻辑设备。逻辑名引用和短名引用两种d l m s 服务完 成客户端和服务器端的数据交换，都可以实现对接口对象的访问。 一15 浙江大学硕士学位论文 d l m s 数据交换服务 逻辑名引用服务： ( c l a s s i d ，i n s t a n c e _ i d , a t t r i b u t e _ i d ) d l m sg e t ，s e t , a c t i o n 服务 躺助睁制逻辑鳓一一妒 短名引用服务：以_ 土八 d l m sr e a d 、w r i t e h 艮务n 属性数据类型 1 l o g i c a ln a m eo c t e t - s t r i n g ， n 方法m o 1 2 n 接口类对象 图3 4 利用d l m s 服务访问c o s e m 对象 使用世竺兰! 1 9 璺e m 助议实现旦塾垫i 塞上重要丛怼墨接口莛婴据变垫 服务层两个方面保证数据交换的互操作【3 5 】。 一一 3 1 3 1 对象接口模型 c o s e m 接口类对象采用面向对象的模型描述，数据模型具有自描述能力， 从以下三点显示其在互操作性方面的优越性： 1 、c o s e m 接口类模型 c o s e m 对象是c o s e m 服务器的基本单元，不同计量设备的基本功能都以 c o s e m 对象的形式来实现。c o s e m 对象是接口类的实例化，以接口类的形式可以 构造从简单功能到复杂功能的各种仪表模型。接口类将计量设备终端中的功能、 数据显示和交换方式等内容都抽象出来，采用对象建模的思想构造了计量设备 的接口模型。 一1 6 浙江大学硕士学位论文 基类 鍪塑 童! 兰 卜匝 l 压磊 广1 矿 通用曲线 卫口 j 妇 叠困 ! 口 1 孺匿 s a p 分配表 p s t n 自动拨号 i e c 皿l c 设定 i e c 双绞线设置 实用表格 图3 5c o s e m 接口类树 接口类包括数据、寄存器、扩展寄存器、需量寄存器、时间等2 3 个类库， 如图3 - 5 所示，每种接口类都包括了属性( 对象的特征信息) 和方法( 如控制 信息等) 两部分，“逻辑名0 b i s 标识码是接口类对象的第一个属性，是对象 信息内容的识别码。图3 - 6 中以对“寄存器”接口类的实例化来实现电能表的 一个功能单元，表示正向有功总电能底度值寄存器： 类 方法 图3 - 6 服务器中c o s e m 对象模型 属性：111 1 垦0 2 5 5 o b i s 标识码 1 5 6 11 0 4 1 w h 测量值倍率和量纲 方法：复位( 对寄存器的值赋以缺省值) 该对象是对寄存器接口类的实例化，包括三个属性和一个方法。第一个属 性是0 8 1 s 标识码，唯一地标识了这种数据项；测量值、倍率和量纲共同参与作 用，计算出实际测量值，如上例中倍率和量纲属性分别为l o 和w h ，最终的测 一1 7 一 一一一一一一一一一一一一一 浙江大学硕士学位论文 量值即为1 5 6 1 k w h 。 从通信接口的角度来讲，不同厂商产品的功能对外都可以用标准的接口类 对象来说明，与产品的物理实现无关。组建不同的产品，只需要从接口类库中 选择功能模块后进行搭建，方式灵活并可覆盖各种应用需求，极大地提高了产 品与系统之间的互操作性。 2 、o b i s 数据标识 为了给计量仪表的每一个数据项提供一个唯一的标识码，i e c 6 2 0 5 6 6 1 标准 中提供了对象标识系统o b i s ，该对象标识系统不仅对常用的测试值规定了标 识方法，还对计量仪表的配置信息和标识计量仪表设备运行状态的抽象数据作 了解释。0 b i s 码是一个由6 个数码组构成的组合编码，它以分层的形式描述了 每个数据项的准确含义，如图3 - 7 所示。 图3 - 70 b i s 码结构 o b i s 标识码的各组成部分解释如表3 - 1 中所示： 表3 1o b i s 标识码解析表 数据组 定义说明实例 数值组a标识抽象数据和数据项的类型 抽象数据0 、电1 、气7 、热6 、水9 数值组b 标识测量通道号，计量设备可具有多 范围为l 至2 5 5 个相同或不同类型的能量输入通道 ( 例如：数据集中器或记录单元) 数值组c 定义与信息来源相关的抽象或物理数电流、电压、功率、容积、温度等 据项，要与a 组的数据项类型相对应 数值组d 定义类型或由数值组a 和c 所标识的正向有功功率求积分值得到正向有 物理量按各种特定的算法处理的结功