（电路与系统专业论文）dlmscosem标准电能表通信协议基础应用研究及实现.pdf

塑婆盔兰堡主兰垒笙壅3 芒墨2 昼8 9 】 摘要 随着国民经济的飞速发展，居民用电量也在日益增长，正在进行电力系统自 动化改革的电力部门迫切需要一种稳定高效的电力计费系统，以代替效率低下的 传统人工抄表模式。为此，国内出现了多种自动抄表系统解决方案，如低压电力 线载波通信集抄系统，无线通信集抄系统和电话线通信集抄系统等。但是，由于 国内没能实现电能表通信协议的统一，每个厂商通常只为各自的自动抄表系统设 计独立的通信协议，使得国内电力通信协议互不兼容，不利于电力计费系统的集 成，维护和升级。 为了解决自动抄表系统的不兼容局面，本文深入研究国内外的电力通信技 术，设计实现了一种全新的自动抄表系统，它采用国外先进的d l m s c o s e m 电 能表通信协议标准，并以以太网为基础信道，实现了电能表通信协议的互操作性， 并提高了通信信道的效率。d l m s c o s e m 协议标准包括设备语言报文规范 d l m s 和能源计量配套技术规范c o s e m 两部分，前者描述了通信机制和统一报 文格式，后者以先进的面向对象思想设计电能表对象接口模型和数据。他们一起 实现了通信协议的互操作性，即计量仪表数据管理系统能与任何一个计量仪表进 行对话，而与制造厂商，计量仪表型号，所测量的能量类型以及通信介质无关。 本文设计的电能表数据通信系统以“客户机服务器”为模型，在面向连接 的以太网t c p 传输服务的基础上，创建电能表逻辑设备，对象接口模型，并依 照o b i s 系统设计电能表应用功能模块和数据，实现了p c 管理主站和嵌入式电 能表集中器之间的d l m s c o s e m 网络协议通信，并经过测试证明系统工作良 好。 关键词：自动抄表系统，d l m s c o s e m 协议标准，互操作性，o b i s 系统， t c p 服务，客户机朗艮务器。 塑婆查兰堡主堂垒丝苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , 血er e s i d e n t s n e e do fe l e c t r i c i t y i sa l s oi n c r e a s i n gi n c r e a s i n g l y , t h e nt h ee l e c t r i c a ls e c t i o nw h i c hi su n d e rt h er e f o r mo f e l e c t r i c a ls y s t e m sa u t o m a t i o nn e e d sam o r es t a b l ea n de 衢c i e n ts y s t e mo fe l e c t r i c c h a r g eu r g e n t l y , s oa st or e p l c a c et h et r a d i t i o n a lm e t e rr e a d i n gw h i c h i sl o w l ye f f i c i e n t f o rt h i s s o m ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m sh a v ea p p e a r e da th o m e ，s u c ha s a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mb yl o w - v o l t a g ee l e c t r i c a ll i n e ；a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e mb yw i r e l e s sa n dt e l e p h o n el i n e b u tb e c a u s eo f t h el a c ko ft h es i n g l e e l e c t r i c a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，t h em a n u f a e t e ru s u a l l yd e s i g n st h ea b s o l u t e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o re a c ha u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，w h i c hm a k e s e l e c t r i c a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so u to fc o m p a t i b i l i t y , a n db r i n g st h ed i s a d v a n t a g e t ot h ee l e c t r i c a lc h a r g es y s t e m si n t e g r a t i o n n l a h l t e n a n c ea n du p g r a d i n g f o rs o l v i n gt h ed i s o r d e r e ds i t u a t i o no ft h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，w e h a v es t u d i e dt h ee l e c t r i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dd e s i g n e da nn e ws t y l eo f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，w h i c hu s e sa na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l n a m e d d u v i s c o s e m ”a n dt a k e st h ee t h e m e ta sb a s a lc h a n n e l t h en e ws y s t e m c a r r i e so u tt h ei n t e r o p e r a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dr a i s e st h ee f f i c i e n c yo f t h ec h a n n e l d l m s c o s e mp r o t o c o ls t a n d a r dc o n t a i n st w op a r t s ：d e v i c el a n g u a g e m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ( d l m s ) a n dc o m p a n i o ns p e c i f i c a t i o n f o r e n e r g y m e t e r i n g ( c o s e m ) n l ef o r e s t a yd e s c r i b e st h ec o m m u n i c a t em e c h a n i s ma n du n i f o m f o r m a to fm e s s a g e ；a n dt h el a t t e rd e s i g n st h em e t e r sm o d e lo fo b j e c ti n t e r f a c e su s i n g t h ea d v a n c e d0 b j e c t o r i e n t e di d e a t h e yw o r kt o g e t h e rt oc a l t yo u tt h ei n t e r o p e r a t i o n o ft h ep r o t o c 0 1 v i z t h es y s t e mo fm a n a g i n gc h a r g i n gm e t e r sd a t ac a l lt a l kt oe a c h m e t e r , w i t h o u tt h i n k i n go ft h em e t e r sm a n u f a c t u r e r , m o d e l ，p o w e rt y p em e a s u r e d ， a n dc o m m u n i c a t i o nm e d i u m t h es y s t e mo fm e t e r sd a t ac o m m u n i c a t i o ni sb a s e do n “c l i e n t j s e r v e r m o d e l a n de s t a b l i s h st h em e t e rl o g i c a ld e v i c e o b j e c ti m e r f a c em o d e lo nt h eb a s eo f “c o n n e c t o r i e n t e d ”t c ps e r v i c e a l s ow ed e s i g nt h ea p p l i c a t i o nm o d u l eo fr n e t e rb y o b i ss y s t e m w eh a v er e a l i z e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np cs t a t i o na n dm e t e r s e r v e ru s i n gd l m s c o s e mp r o t o c o l ，w h i c hi sa p p r o v e dt ob ew e l lb yt h et e s t i n g k e y w o r d ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，d l m s c o s e m p r o t o c o l s t a n d a r d ， i n t e r o p e r a t i o n ，o b i ss y s t e m ，t c ps e r v i c e , c l i e n t s e r v e rm o d e l i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着国民经济的高速发展，居民的用电量也在日益增长，随之增长的是电能 计费工作的任务量和复杂性，如何在保证居民日常生活不被打扰的情况下，快速， 准确和高效地完成各种抄表工作，日益成为供电部门的工作重点之一；而且随着 供电价格的改革，供电部门需要从用户处获得更多的电表数据信息，如电能需量， 分时电量，负荷曲线等，这些都需要更先进的电能量数据传输，存储和处理机制， 以及更有效率的抄表机制。传统的人工抄表体制不仅人力需求量大，劳动强度高， 并带有一定的扰民性质，最重要的是容易带来人工误抄，漏抄等问题，造成经济 纠纷；而且人工抄表周期长，数据反馈滞后，很难满足公司和用户对时间性的要 求，大大降低了电力行业自动化管理改革的进程。无论是国外还是国内的电力部 门，都在积极寻求一种更先进，更有效的抄表方式以替代传统的人工抄表，提高 电能计费的效率。 随着电子技术和通信技术的日益发展，人们已经成功解决自动抄表在实现上 的技术性问题，各种自动抄表系统应运而生。自动抄表系统是指采用通信和计算 机网络技术自动采集，传输和处理电能表中的数据的系统，是一项集计算机，信 息处理，数字通信等多种技术为一体的的高新技术，而且需要协调各种技术之间 的互动整合，同时也是一项复杂的系统工程。 1 1 自动抄表系统结构 一个完整的自动抄表系统由两部分构成：数据传输网络系统构架；电能表数 据通信协议，如图1 1 所示： 图1 1 自动抄表系统构成 浙江大学硕士学位论文 网络系统构架是数据传输的物理通道，它并不关心流通的数据内容，只负责 数据单元的发送和接收。良好的网络构架能保证电能表数据传输的安全高效，并 最低限度地降低供电部门的架网和运营成本。电能表数据通信协议是运行在物理 通道中，对通信过程进行规范的一种机制。一个统一开放的电能表通信协议是电 表数据处理，抄表系统维护升级和各个抄表系统之间互联接入的保障。可以这么 认为，网络系统是自动抄表的基础，类似铁路交通系统的铁路网和火车；而通信 协议是自动抄表系统的核心，类似铁路交通系统的火车调度机制。缺少优秀的通 信协议，再好的网络系统也无法发挥最好的功能。 自动抄表网络系统由三部分构成j ：电能表，通信网络，数据交互设备。 电能表：自动抄表系统中的电能表是指具有数据记录存储以及交换能力的电 力仪表，根据使用场合不同又可以分为工业用表和居民用表；根据电表内部机制 不同还可以分成机械表和智能表。各种表的内部数据和功能各不相同。 通信网络：通信网络是指在电能表和数据交换设备之间进行数据传输的通 道，它可以根据需要表现为各种形式，如本地红外通信，r s 2 3 2 通信，r s 4 8 5 通信，电力载波通信，无线通信，电话线数据通信，光纤或宽带网络通信等，各 种信道都有相应的通信协议规范。通信网络一般具有覆盖面广，传输信道公开通 用等特点。 数据交换设备：需要与电能表进行数据通信，采集或调校电能表的设备统称 为数据交换设备，如手持抄表仪，集中器，管理主站等。 1 2 自动抄表系统的发展【2 】 早在2 0 世纪6 0 年代，一些发达国家已经着手研究低压电力线用户的自动抄 表技术。那时候的一个概念是车载无线自动抄表系统，还有入提出了低压配电线 路的载波抄表的理论，但是由于没能很好解决低压线路上的干扰问题，该技术没 有得到推广应用。 到了2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，随着计算机技术和通信技术盼普及，一 些厂家开始尝试基于r s 4 8 5 通信的自动抄表系统，以期能避开低压配电线路干 扰这个制约自动抄表很长时间的问题。虽然r s 4 8 5 有很好的稳定性和通信速率， 但是它需要铺设独立的通信线路，成本较高，而且r s 4 8 5 的通信线路容易老化， 2 浙江大学硕士学位论文 导致线路衰减，抄表不稳定，因此需要配置专职维修维修人员，也加大了成本。 这种被称之为第二代自动抄表系统的r s 4 8 5 自动抄表技术也没有在国内普及。 2 0 世纪9 0 年代后期，少数国家在低压载波技术上取得突破性进展，推出第 三代自动抄表系统，即低压电力线载波远程通信。该技术充分解决了在低压电力 线上进行数据通信的干扰问题，使系统工程在工业化应用上的实现成为可能。但 是，在那个时期，自动抄表技术尚未形成统一开发的通信标准，国内外的各个公 司都只是针对本地电网特性，电网结构，各有一套标准，导致各个电网之间很难 接合，形成开放性，分布式的全国电网系统。而且在国内这种不是很纯净酌电网 系统中，各种干扰，如电磁信号干扰，无线信号干扰，脉冲信号等大量存在，使 得第三代抄表系统在国内的应用也不尽如人意。 进入2 1 世纪，以太网技术飞速发展，i n t e m e t 进入千家万户，自动抄表技术 迎来一个全新的时代以太网时代。以太网成功发展了3 0 多年，逐步具备了 强抗干扰能力，高速率和易接入等特点，解决了低压电力线的干扰问题和抄表速 率低，需要时间长的问题；而且作为最有生命力和发展潜力的网络，以太两迅速 进入千家万户，免去了重新铺设网络的成本；同时，各种智能芯片的出现，降低 了嵌入式系统的硬件成本，各种嵌入式智能电表日益成为主流设备，智能电表便 于开发，管理和控制，具备以太网网络智能化独立的网络接口和t c p i p 协 议栈，能很好的接入以太网。这些都为基于以太网的自动抄表系统的流行提供了 有利条件。 1 3 自动抄表系统的现状 1 3 1 自动抄表网络构架现状 国内自动抄表系统经过多年的发展，已经形成了一个比较统完善的自动抄 表系统结构，它的网络构架基本上按照这样一种模式叫进行：“上位机一上段信 道一集中器一下段信道一( 采集器) 一电表”，如图1 2 所示： 浙江大学硕士学位论文 含采集嚣) 图1 2 国内自动抄表系统基本构架 图】2 描述了p c 主站，集中器和电表之间的关联，他们具体意义如下： 上位机：上位机是放置在电力系统营业管理部门的p c 机，负责集中抄收， 存储和管理电表数据，以可视化的界面向用户反馈电表数据和运行状况。上位机 包含有图形操作界面和数据库系统； 集中器：集中器是分区采集电表数据，并将各电表数据进行汇总，传递给上 位机的装置，一般是放置在各分立区域中的嵌入式系统，不具备图形操作界面； 集中器在抄表系统中要同时扮演客户和服务器两个角色。作为客户，它被动响应 上位机的抄表要求，反馈电表数据；作为服务器，它要定时查询和存储所连接的 各电表数据： 电能表：电能表是分布在各家各户中的电表，采集用户用电量并反馈至集中 器中。电能表根据需求可以分为工业用表和居民用表；根据功能可以分为载波表， i c 卡式表，嵌入式智能表等。 由于分布式自动抄表系统的结构制约，p c 主站一般不直接同电能表进行通 信，因为上位机通常位于小区或者供电部门的网络中心，而电能表则是分布在小 区的各家各户中，中间经过各种通信媒介，长距离传输不稳定；而且随着电力系 统的发展，电能表的数量也在大规模增加，如果p c 主站直接管理电能表，则同 一主机连接的电能表数量将超过网络负荷，很难保证通信质量。所以，采用如图 1 2 所示的3 层结构，在p c 主站和电能表中间增加集中器，由主站管理集中器， 再经由集中管理某一区块的电能表。于是，自动抄表系统的通信信道以集中器为 4 浙江大学硕士学位论文 界，又可以分为上段信道和下段信道。 上段信道是指从p c 主站到集中器之间的通信信道。该信道数据流量较大， 主要是各集中器传输的电表数据，同时，p c 主站需要通过上段信道发送命令， 实时管理集中器和电表，因此需要上段信道线路网络连接具备较好的稳定性。目 前国内上段信道的实现方式1 4 有： 1 ，无线传输：无线传输主要是利用g p r s 或者c d m a 模块发送和接收数据。 无线信道的主要优势是不需要布线，节约布线成本，减少安装过程中的麻烦和纠 纷，适合进入一些老的小区和楼宇；并且相关的无线通信业务快速发展，随着手 机日趋普及、无线负荷控制系统的推广，国内已经建立了覆盖面很大的无线通信 网络，更是增加了无线信道的用武之地。但是无线传输的缺点也很突出，首先是 价格昂贵，无论是信道模块还是通信资费，这使无线信道很难做到真正的普及； 其次使用无线信道涉及频点使用权，如果频点选择不合理，相邻信道间会互相千 扰。另外，无线通信受地形、地貌，网络覆盖面影响较大，稳定性还受环境、气 候影响，这些不稳定因素又制约了无线信道的发展。 2 ，有线电话：采用有线电话的拨号接入，连接p c 主站和集中器也是一种 上段信道方案。在数据发送和接收端分别加上调制解调器，就能实现通信。有线 电话网早在多年前已经由电信公司铺设到千家万户，只需租借其线路即可，省去 了布线成本。但是，有线电话线的低传输速率和拨号接入的不稳定性始终是制约 该种信道的瓶颈，通常从拨号连接成功到数据传输完毕，需要几秒到几十秒时间； 而且在使用电话线通信时经常会发生断线重拨现象，因此现在很多厂商都放弃了 有线电话作为上段通信信道。 3 ，以太网：以太网凭借其普及率， 统中。网络化作为新型小区的发展目标， 高速率和稳定性，迅速进入自动抄表系 已经被房产开发商和网络运营商很好的 安装入小区中，集中向居民提供包括网页浏览，网络游戏，有线电视，i p 电话， 水电表集抄等全方位服务，如此丰富的以太网资源为基于以太网的自动抄表系统 的接入提供了极大便利，甚至不需专门铺设通信线路i 目前以太网的通信速率有 1 0 m s1 0 0 m s ，能很充裕地满足自动抄表系统对通信速率的要求，同时以太网 采用1 0 b a s e t 电缆，稳定性和抗干扰性都很强，能很好保证了上段信道的通信 质量。 浙江大学硕士学位论文 下段信道是从集中器到电表之间的通信信道。它的数据量较小，只是单个电 表和集中器之间的数据交换，因此要求较低。目前国内的下段信道【5 】主要有： 1 ，r s 4 9 5 和电缆线 2 ，无线电收发装置； 3 ，低压电力线； 4 ，以太网； 1 3 2 电能表通信协议现状 自动抄表系统的基础是系统构架，自动抄表系统的核心是通信标准。国内自 动抄表系统已经具备了比较统一稳定的网络系统构架，但是统一开放的通信标准 依然没有形成【6 。 传统的电能表通信协议采用面向虚拟设备【6 1 的设计方法，即面向电表的设计 方法。在协议中仅包含设备被访问的地址，数据的固定地址和数值，底层链路和 简单的应用层。该种协议的特点是原理简单，易于学习和掌握，相应的开发成本 也较低；对仪表和应用系统本身的要求也不高。但是，在与不同的设备集成时， 需要编制特定的驱动程序。因此是目前采用面向虚拟设备设计方法的电能表通信 协议有：法国使用的基于双绞线的e u r j d i s 通信协议，国内的d l t 6 4 5 多功能 电能表通信协议等。 但是，简单的面向虚拟设备的设计方法由于其本身的面向电能表的特点，在 实际使用中存在很多问题，主要是各抄表系统由于选用的电表厂家各不相同，型 号繁杂，通信信道类型多种多样，使得电能表通信协议很难统一： l ，数据对象定义过于简单，系统不能自动识别：数据交换安全性较低；数 据一致性可测试性较差。 2 ，计量仪表，通信协议和通信系统各厂家重复开发，自定义部分数据混乱， 缺乏统一标准。 3 ，电能量计量计费系统( 自动抄表系统) 集成和互相接入困难，各抄表系 统没有统一的传输机制和数据接口，很难构成一个统一的，分布式大型抄表系统， 而是各自独立： 4 ，电能表维护困难，指定系统必须由指定人员维护； 6 浙江大学硕士学位论文 5 ，通信信道更新维护困难，传统的通信协议往往是基于通信信道的，如果 信道需要更改，协议就会失效： 6 ，由于计费系统也是基于通信协议，因此电能量计量计费系统开发，运行， 维护和升级困难，成本加大。 因此，实现电能表通信协议的统一是目前自动抄表系统需要解决的首要问 题。要实现电力通信协议的统一，不能只是简单地将协议规定到某一种通信协议 标准上，这样的统一只是短暂而不稳定的，会因为电能表功能的不断扩展，用户 需求的不断发展而出现新的不统一。因此，我们应该寻求一种具备互操作性的电 能表通信协议标准，使电能表通信与仪表设备的型号和通信信道无关。从 9 9 9 年开始国际电工委员会陆续发布了i e c6 2 0 5 6 抄表费率和负荷控制的数据交换 系列标准文件，也就是d l m s c o s 酬通信协议标准。该标准放弃了传统的面向虚 拟设备的设计思想，转而采用更高级的面向对象模型的设计方法，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，以通信对象为基础，从 通信角度建立计量仪表的接口模型。d l m s c o s e m 通信协议的面向对象设计方 法具有以下特点f 6 ： 1 ，安全性：电能表对象模型对外部过程屏蔽计量仪表的数据采集和处理过 程，只允许外部用户通过模型接口获取所需属性，保证电能表数据的安全性。 2 ，标准性：这种设计方法通过定义一个标准的模型接口，适用各种能量类 型，包括电，水，燃气等，每种对象只需通过唯一的标识码进行鉴别，保证各种 数据的可接入性； 3 ，通用性：d l m s c o s e m 协议脱离了电能表和通信信道的限制，完全做 到了与通信介质无关，保证了通信协议的可移植性和易维护性，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。 4 ，可扩展性：该模型为各厂家预留了数据位，支持厂家自定义实例，属性 和方法。因此，在开发的过程中，厂家在保证对象接口标准化和对象访问服务过 程统一化的前提下，也能增加各自特有的数据接口和协议版本，从而实现了通信 协议的互操作性。 目前，d l m s c o s e m 标准已经在国外得到广泛的研究与使用。国内也根据自 浙江大学硕士学位论文 动抄表系统标准国家标准建议7 1 ，将采用这一系列协议，制定自动抄表方面的标 准，争取早日实现国内市场上的统一开放的自动抄表系统通信协议标准，增加国 内自动抄表系统的市场竞争力。 1 4 本文的项目研究背景 随着电力系统的发展和居民需求的快速发展，传统的抄表系统种种弊端逐渐 显露出来。首先，传统的人工抄表由于劳动量大，抄表周期长，过程繁琐，已经 不再适应电力现代化，自动化的要求，正逐步退出抄表行业，目前只存在于一些 较落后的城乡地区；其次，目前流行的低压电力线载波抄表系统，由于不能很好 的解决各种网络干扰和信道衰减问题，较大的误码率和较低的通信速率也限制了 通信效率，没有很好的发展前景。最重要的是，目前没有像国外一样，形成统一 开放的电能表通信标准，各个公司，各个抄表系统之间各自为政，自成一个体系， 很难达到统一性，开放性的要求，不利于国内自动抄表系统的整合，维护和升级， 形成良性发展局面。 在这样的背景下，为了与国际接轨，实现国内电能表协议基于互操作性的统 一开放，提高国内自动抄表系统的稳定性，本文深入研究国内外的电力计量与传 输技术，采用先进的基于以太网t c p 服务的仪表采集和管理技术，创新性的引入 国际电工委员会的新一代面向对象电能表通信协议标准d l m s c o s e m 标准 协议，为它在嵌入式系统中的应用进行先行研究，并实现了电能表数据的采集和 通信，对我国的电力计费和通信系统发展具有指导性意义，因此，本文设计的基 于以太网d l m s c o s e m 协议通信系统也是浙江省科技计划课题。 1 5 小结 本章初步介绍了自动抄表系统的构成、发展，并从网络的硬件构架和软件通 信协议两个方面介绍目前国内外自动抄表系统的状况，提出了本文将要重点解决 的两个问题，也是现阶段自动抄表系统所遇到的难题：1 ，如何构架自动抄表系 统的上段信道，解决抄表系统的成本，效率和干扰问题；2 ，如何统一自动抄表 系统的通信协议，实现互操作性。 浙江大学硕士学位论文 第二章d l m s c o s e m 协议标准研究 2 1d l m s c o s e m 协议概述 d l m s c o s e m 通信协议【9 】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，并以其良好的系统互连性和互操作 性成为迄今为止较为完善的电能表通信协议标准。d l m s c o s e m 通信协议标准 已经被i e c t c1 3 采纳作为国际标准电能计量用于抄表，费率和负荷 控制的数据交换，即i e c 6 2 0 5 6 系列。 2 1 1d l m s c o s e m 协议应用背景 随着电力市场的飞速发展，传统的，面向虚拟设备的电能表通信协议越来越 不能满足电能计费的要求，电力供应部门和电能表厂商都在积极寻求一种新的， 能满足电力计量自动化要求的电能表通信协议标准，这就是d l m s c o s e m 协议 标准提出的最主要背景。新的电能表通信协议应该具备以下性能 1o ： 1 ，新的计费仪表要求规范性。已往的自动抄表系统只适应于小范围或者特 定的应用系统，以解决特定供需双方的结算问题，因此它们往往只采用简单的， 面向特定系统( 如特定通信信道，特定的电能表设备等) 的通信协议，缺少相应 的可扩展性和适应能力； 2 ，新的计费仪表更趋多样性和复杂性。市场竞争日趋激烈，电能表信息量 也在与日俱增，使得自动抄表系统更复杂，传统的面向虚拟设备的通信协议标准 却只针对某些计量仪表设备开发，很难支持市场繁杂设备的通用性要求和规则； 3 ，新的计费仪表必须具备模型化，身份标识等内容，以指明制造商和所适 应的通信环境。这是计量仪表数据通信互操作性的基本要求，传统的通信协议很 少考虑互操作性问题，导致安装，运行和维护的成本增加： 4 ，新的电能表通信协议要求开放性。开放性是优秀通信协议所应对具备的 基本特性，它有利于通信协议自身的发展，也有利于采用通信协议的抄表系统的 浙江大学硕士学位论文 开发和维护，同时也为各抄表系统的互相接入提供便利。 在这种背景下，国际电工委员会( i e c ) 根据d l m s c o s e m 协议标准制定 了国际标准体系i e c 6 2 0 5 6 系列，对d l m s c o s e m 通信协议进行规范。 2 1 2d l m s c o s e m 协议的内涵 d l m s c o s e m 标准协议由d l m s 和c o s e m 两部分有机组合而成，前者定 义报文规范，后者定义电能表接口模型，它们协同工作，麸同构成一个电能表数 据通信协议标准。 d l m s 1 q 全称设备语言报文规范( 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 ) ， 它是以面向对象建模思想建立的应用层规范，描述在应用层上，客户机与服务器 之间的报文编码规则和报文交互过程，以及相应的出错处理机制。该规范与底层 通信协议和通信介质无关，用于支持类似远方抄表，远方控制和增值服务等应用。 在应用层，计量仪表对象使用d l m s 服务可以保证互操作性和可交换性。 c o s e m 1 2 】全称能源计量配套规范( 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 y m e t e r i n g ) ，它以面向对象方法为进行通信的计量仪表设备建立的通用接口模型， 并允许通过该接口访问电能表数据，管理电能表。c o s e m 规范使用我们所熟知 的接口类模型，如寄存器类，时钟类，进度表类等，定义仪表接口，包括电能表， 水表，燃气表等。同时，c o s e m 规范还定义了对象控制接口和通信通道控制接 口。 与任何通信协议标准一样，d l m s c o s e m 标准提供了一种对通信系统进行 规范的方法，无论是通信数据，还是通信机制，都应该在d l m s c o s e m 标准下 运作，有条不紊。d l m s 服务规范了通信机制，c o s e m 标准则通过定义计量仪 表接口，对象控制接口和通道控制接口，管理通信系统的数据对象。 2 1 3d l m s c o s e m 协议的结构 d l m s c o s e m 标准协议，即i e c 6 2 0 5 6 标准体系包括5 部分内容f 8 】： i e c 6 2 0 5 6 6 2 】：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。 i e c 6 2 0 5 6 6 1 【1 3 】：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 1 0 浙江大学硕士学位论文 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。 i e c 6 2 0 5 6 - - 5 3 1 1 2 】：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。 i e c 6 2 0 5 6 - - 4 6 ( 1 4 1 ：使用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。 i e c 6 2 0 5 6 - - 4 2 ”】：面向连接的异步数据交换的物理层服务和过程。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。 i e c 6 2 0 5 6 - - 2 1 1 6 1 ：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。 作为一套完善的，经过实践验证的优秀通信协议体系，d l m s c o s e m 标准 具备网络协议分层结构，每一层都独立解决相关问题，同时为上下层提供数据接 口。d l m s c o s e m 分层结构是基于t c p i p 层次模型，同时参照自动抄表系统 网络构架，如图2 1 所示。 i e c 6 2 0 5 6 - - 6 1 6 2 夏鬲j r 一1 8 。6 2 “6 5 3 百蕊顶) 丢一1 睇6 2 0 6 6 4 6 口丽r i e c 6 2 0 5 6 - - 4 2 2 1 图2 1d l m s c o s e m 网络协议结构 应用进程：在d l m s c o s e m 层次模型中，应用进程工作在各网络层之上， 负责电能表数据库管理：用户服务请求、响应处理和抽象电能表初始化等。作为 客户端的应用进程是面向用户的，通常具备g u i 用户图形界面，向用户提供输 入接口和操作结果响应界面；而作为服务器的应用进程则负责响应用户请求，处 理计量仪表数据，还要维护多客户接入时的线程同步和线程间数据通信。不管何 种应用进程都不需考虑通信协议细节。 应用层：应用层定义c o s e m 协议报文消息的数据结构，包括建立应用层连 翠习耋 丌iiiiii儿v 浙江大学硕士学位论文 接的a a r q ，a a r e 数据帧，读取数据的g e t 服务数据帧，写入数据的s e t 服 务数据帧和调用函数的a c t i o n 数据帧。应用层的任务是将应用进程的数据封 装成标准应用层数据帧转发给底层传送至通信对方，并解析底层提交的应用层数 据包，交给应用进程处理。同时应用层还负责应用层连接验证，连接维护和数据 帧分块等服务。 中间协议层：中间协议层指数据链路层。该层使用h d l c 高速链路控制协 议，是应用层和物理层之间的通道，主要负责应用层和物理层之间的数据转发， m a c 地址解析，c r c 校验等工作。 物理层：物理层位于d l m s c o s e m 层次模型的最底层，负责数据通讯的物 理传输，它可以运行在多种不同的物理介质上，如1 0 b a s e t 电缆，光纤，电话 线等。 2 1 4d l m s c o s e m 协议通信模型 以d l m s c o s e m 规范体系的结构为基础，本文将构建如图2 2 所示的 d l m s c o s e m 协议通信模型 1 7 ，描述在通信终端中数据处理过程和通信机制。 该协议模型共分三层，从上至下依次是应用层，数据链路层和物理层，层与层之 间使用指定的协议。 应 用 程 序 网 络 协 议 图2 2d l m s c o s e m 协议模型 图2 2 描述了通信系统中的两个终端要进行数据通信必须经历以下几个阶 段，以及通信数据的处理过程： 1 ，建立物理层连接。基于以太网的自动抄表系统的物理层是以太网，物理 浙江大学硕士学位论文 层连接负责保证1 0 b a s e t 电缆正确连接，通道畅通。 2 ，建立数据链路层连接。物理层连接建立之后，进行数据通信的首要步骤 就是建立数据链路层连接。数据链路层主要负责数据传输的可靠性，这个过程由 作为底层协议的t c p 协议完成。t c p 协议是面向连接的，可靠的以太网数据传 输协议，可以很好保证电能表数据在以太网中传输，使我们可以忽略底层通信细 节，更关注应用层的通信机制。 3 ，建立应用层连接。数据链路层连接建立后，还要建立应用层连接。这一 过程为数据通信提供一些配置参数，如数据包长度，用户权限等。 4 ，进行数据通信。三层连接都建立完成后，就可以进行数据通信。数据通 信是基于d l m s 应用层标准数据帧，遵循客户机发送请求，服务器响应请求的 模式进行。 5 ，释放连接。数据通信结束后，由客户机发送释放连接请求，包括应用层 断开连接请求和数据链路层断开连接请求，得到服务器响应后释放连接，结束通 信过程。也可以不发送任何数据，通过服务器的超时断开机制释放连接。 2 2d l m s c o s e m 网络系统构架 从d l m s c o s e m 网络协议模型的描述中可以看出，基于标准协议的通信系 统都是以“客户机请求，服务器响应”的模式进行的。为此，本文采用业界流行 的“客户机朋日务器”模型构建网络系统，设计c o s e m 服务器和c o s e m 客户， 进行电能表数据通信。 2 2 1 客户机服务器模型 。，客户机服务器，【1 8 1 模型( 鄞c s 模型) 是目前最流行的网络系统设计模 型，相比其他的网络体系，客户机，服务器模型在高性能，高可靠性方面都表现 更为优越。在该模型中，通常都假设一端是客户机，另一端是服务器，其目的是 让服务器为客户机提供一些特定的服务。 整个“客户机服务器”体系可以分为三部分：如图2 3 所示： 浙江大学硕士学位论文 0 用户1 g 用户2 客户蜡2 圈圜 服务器 图2 3 客户机服务器体系结构 图2 3 描述了在“客户机绡艮务器”模型中，用户如何通过网络连接访问服务 器，客户机和服务器都以进程的形式描述： 服务器：服务器是整个网络体系的核心，它处理客户请求，为客户分析数据 并返回结果或者动作。服务器通常运行在后端，具备高速处理能力，但是没有 g u i 用户界面，只能是用户通过网络才能接入。如果服务器发生故障，往往会影 响整个网络体系的功能。 客户：客户又称为工作站。它仅对操作该客户的用户提供服务，是用户和网 络的接口设备，用户只有通过它才能与服务器进行交互，获得信息和动作。客户 只是一个网络接入和信息获取设备，它的接入和离开对整个网络体系并、役有影 响。通常客户具备g u i 图形用户界面，以更好地同用户交流。现在的客户端都 由具有一定处理能力的p c 机充当。 网络：网络实现客户和服务器之间的透明连接，保证客户机和服务器之间的 数据流通。 服务器为客户机提供一系列的服务，这些服务分为两种类型：重复型和并发 型。 重复型服务器通过以下步骤与多个客户机进行交互： 1 1 服务器监听端口，等待一个客户请求的到来。 1 2 有客户请求进入，服务器进程处理客户请求。 1 3 客户请求处理完毕，发送响应给发送请求的客户。 1 4 返回i1 步。 重复型服务器的主要弊端在1 2 状态，这个时候，服务器进程只进行个客 户请求的处理，并不能接收其他客户机的请求。于是，重复型服务器又被称为“独 1 4 圄一圄 浙江大学硕士学位论文 占式服务器”。它在同一时刻只接收一个客户的请求。 相应的，并发型服务器通过以下步骤与多个客户机进行交互： c 1 服务器监听端口，等待一个客户请求的到来。 c 2 客户请求到来，启动一个新的服务器处理这个客户的请求。在这期间依 赖底层操作系统的支持，可能生成一个新的进程、任务或线程。这个步骤如何进 行取决于操作系统。生成的新服务器对客户的全部请求进行处理。处理结束后， 终止这个新服务器。 c 3 返回cl 步。 并发服务器的优点在于它是利用生成其他服务器的方法来处理客户的请求。 也就是说，每个客户都有它自己对应的服务器。如果操作系统允许多任务，那么 就可以同时为多个客户服务。对服务器，而不是对客户进行分类的原因是因为对 于一个客户来说，它通常并不能够辨别自己是与一个重复型服务器或并发型服务 器进行对话。因此，并发型服务器又称为“共享式服务器”。 2 2 2c o s e m 服务器 d l m s c o s e m 网络系统采用“客户机服务器”模型作为数据通信的基础， 在该网络系统中，以集中器为界，分为上段信道和下段信道。在p c 工作站到集 中器之间的上段信道中，p c 工作站向集中器请求电表数据，充当客户机；集中 器则处理p c 工作站的请求，并响应请求，扮演服务器的角色。因此，集中器在 基于以太网的c o s e m d l m s 网络系统中，也被称为“c o s e m 服务器” 1 9 1 。 在d l m s c o s e m 标准协议中，c o s e m 服务器模型1 6 】被设计成三层体系结 构：如图2 4 所示： ， c o s e m 罡辑设备a 图2 4c o s e m 服务器三层结构 图2 4 描述了c o s e m 服务器模型，圆角方框表示服务器，方框表示逻辑设各 浙江大学硕士学位论文 椭圆表示逻辑设备中的c o s e m 对象。 第一层：物理设备层，该层描述实际物理设备，也就是集中器设备。它包含 一个或者多个逻辑设备，用来抽象表示集中器管理的各个实际电表设备。同时， 物理设备必须包含一个名为“管理逻辑设备”的逻辑设备，它是进行集中器管理 的对象接口： 第二层：逻辑设备层，这是一个抽象的设备层，它包含一组可访问的c o s e m 对象，用来表示物理设备( 如电能表) 的功能单元。 一个逻辑设备层可能包含多个逻辑设备，客户机通过查询“c o s e m 逻辑设备 地址”访问相应的逻辑设备。c o s e m 逻辑设备地址由c o s e m 应用层以下的协议层 管理，存储在一张逻辑设备地址映射表中，在建立与逻辑设备应用层连接的过程 中，首先在应用层以下协议层连接时，访问逻辑设备地址映射表，获得逻辑设备 地址，建立低层连接，再与相应的逻辑设备建立应用层连接。 每个逻辑设备都使用“逻辑设备名”( 1 0 9 i cd e v i c en