电力集中抄表系统中DLMSCOSEM通信协议研究.pdf

浙江大学 硕士学位论文 电力集中抄表系统中DLMS COSEM通信协议研究 姓名 宋长进 申请学位级别 硕士 专业 电路与系统 指导教师 孙斌 金心宇 20070501 浙江大学硕士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 摘要 随着我国经济飞速发展 居民用电量快速增长 传统人工抄表方式无法满足 电力市场发展的要求 为解决这一问题 国内各开发厂商设计开发了多种集中抄 表系统 但是 这些系统由于选用的电能表型号不同 通信信道类型多种多样 而造成电能表通信协议不统一 给集中抄表带来了系统集成 维护和通信信道维 护及升级困难等诸多问题 为了解决电能表通信协议的互操作性问题 D L M S 用户协会提出了一种新的通信协议 D L M S C O S E M l 2 1 目前已由I E C T C l 3 采纳作为国际标准 近年来在全世界范围得到了应用 我国在这方面的研究刚剐 起步 本论文在深入分析电力集中抄表技术的基础上 对D L M S C O S E M 电能表通 信标准协议在集中抄表系统中的应用作了探索性研究 以无线局域网 W L A N 为通信信道 设计实现了一种新的具有互操作性的集中抄表系统 本系统以 客 户机 服务器 为模型 在面向连接的T C P 传输服务的基础上 按照D L M S C O S E M 应用协议标准创建电能表逻辑设备 对象接口模型 并依照O B I S t l l 系统设计电 能表应用功能模块和数据帧 实现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 为进一步推广应用建立了必要的基础 关键词 集中抄表系统 D L M S C o S E M 协议标准 互操作性 O B I S 系统 W L A N A S N 1 浙江大学硬士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 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 t h 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 si n e v i t a b l yi n c r e a s i n gw h i c hd e m a n d st 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 hi sl o w l y e f f i c i e n tt ob er e p l a c e d F o rt h i s s o m ee e n w a l i z e dm e t e rr e a d i n gs y s t e m sh a v eb e e n p r o d u c e d B u tm a n yp r o b l e m ss t i l lu n r e s o l v e dd u et ot h ed i s a c c o r do ft h ee l e c t r i c a l c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sw h i c hr e l e v a n tt ot h et y p e so fm m n e t e r s c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l s a n db r i n gt h ed i s a d v a n t a g et 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 c g r a t i o n m a i n t g l l a i l c ea n du p g r a d i n g F o rs o l v i n gt h ei n t e r o p e r a t i o no fp o w e rc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s D L M SU Ap r o p o s e dan o wc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l c a l l e dD L M S C O S E Mw h i c hw o r l dw i d e l yu s e da n da c c e p t e da si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r db yI E C a n d T C l 3i nr e c e n t l yy e a r s T h er e s e a r c hi nt h i sa r e ah a s j u s tb e g u ni nC h i n a T h ep a p e rf i r s ts 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 y t h e np a ym o r e a t t e n t i o nt ot h ea p p l i c a t i o no f D L M S C O S E Me l e c t r i cm e t e rc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d p r o t o c o li nt h ec e n t r a l i z 既lm e t e rr e a d i n gs y s t e m a n da tl a s td e s i g n e da l ln o v v s t y l eo f c e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gs y s t e m w h i c ht a k e st h eW L A Na sb a s a lc h a n n e l T h e c e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gs y s t e mu s i n g C l i e n t S e r v e r m o d e la n de s t a b l i s h e dt h e m 砷e rl o g i c a ld e v i c e o b j e c ti n t e r f a c em o d e lb a s e do n C o n n e c t O r i e n t e d T C P S e r v i c e t h e n d e s i g n e dt h ef u n c t i o nm o d u l ea n dd a t af r a m e so f a m m e t e ra c c o r d i n gt o O B I Ss y s t e m f i n a l l y r 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 a a v e r u s i n gD L M S C O S E Mp r o t o c 0 1 A l l o ft h i se s t a b l i s h e d a n e c e s s a r y i n f r a s t r u c t u r ef o rt h ef t l r I l l e r a p p l i c a t i o n o fD L M S C O S E Me l e c t r i cm e t e r c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dp r o t o c 0 1 K e y w o r d C e n t r a l i z e dm e t e rr e a d i n gs y s t e m D L M S C O S E M O B I Ss y s t e m W L A N A S N 1 B E R 1 I 浙江大学硕士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 第一章绪论 随着经济快速发展 用户和用电量剧增 传统的抄表收费方式不但投入大量 人力和资金 而且效率低下 己不适应现代企业管理的要求 另一方面 供电部 门为提高电能利用率和经济效益 需要了解用户用电能量 用电时间分布 负荷 曲线等更多信息 以对电力生产削峰填谷 降低浪费和损耗 制定更合理的调控 策略 这些都是传统抄表方式难以解决的问题 供电部门希望利用现代的通信 计算机技术来解决电力抄表这一课题 这样就产生了自动抄表系统 1 1 集中抄表系统介绍 远程集中抄表系统就是一种可以集中采集和记录电力系统客户负荷的用电 情况 并通过一定的通信方式将记录的数据和客户信息传送到电力用电管理中处 理 自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统 1 1 1 集中抄表系统的结构 集中抄表系统主要由电能表 通信网络以及与电能表进行数据交换的各种设 备组成p 如图1 1 数据交换设备 图1 1 集中抄表系统结构示意 1 电能表是指具有数据存储和交换能力的电力仪表 2 通信网络是连接电能表和数据交换设备的通道 负责电能表和数据交 换设备之间进行数据传输 通信网络有多种形式 如本地红外 R S 2 3 2 R S 4 8 5 电力载波 无线 电话线和宽带网络等形式 通常具有相应的通信协议规范 3 数据交换设备是与电能表进行数据交换的设备的统称 集中抄表系统 中数据交换设备可以分为三类 直接本地设备 本地设备和远方计算机设备 直接本地设备是指在本地近距离直接与单台电能表进行数据交换的设备 主 钥匙各种手持设备 通信网络主要是红外 R S 2 3 2 或无线等 浙江大学硕士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 本地设备在本地一定范围内可以与一定数量的电能表进行数据交换 主要是 各种数据采集处理设备 通信网络为R S 4 9 5 电力载波 无线或宽带网络等 远方计算机设备是在一定范围内可以和不同地区较大数量的电能表进行数 据交换的设备 主要是以计算机网络构成的数据采集处理设备 通信网络为无线 电话线 光纤或宽带网络等 1 1 2 集中抄表系统组成 根据通信网络的不同选择集中抄表系统可以有多种组合方式 1 远方计算机设备和电能表构成集中抄表系统 这种方式通信网络为无 线 光纤或宽带网络 电能表直接作为集中抄表系统中的网络节点 这种方式实 时性好 对通信网络的要求高 成本高 2 远方计算机设备通过直接本地设备与电能表构成集中抄表系统 这种 方式对通信网络的要求较低 成本低 但实时性较差 3 远方计算机设备通过本地设备与电能表构成集中抄表系统 远方计算 机设备和本地设备之间以及本地设备和电能表之间可视情况选择不同的通信网 络 本地设备作为集中抄表系统的网络节点 这种方式也具有较好的实时性 对 通信网络的选择较为灵活 成本适中 此种方式是目前集中抄表系统的主流方式 1 2 集中抄表系统的发展 集中抄表技术发展到今天 主要分为以下几个阶段 4 5 1 2 0 世纪9 0 年代早期至中期 这一阶段集中抄表系统的数据传输方式 主要是4 8 5 总线 电力线载波等 但4 8 5 总线的分支过多 使用维护不便 可靠 性低 电力线载波系统数据传输不连续 采样方式主要是脉冲或机械采样 系统 结构形式主要是 脉冲表 集中采集器 协议简单 基本只是几条命令 这阶段 的集中抄表系统都不是太理想 个别的有较大的误差 2 1 9 9 7 2 0 0 1 年 采样方式多改为磁敏传感方式 传输方式则以4 8 5 为 主 分支通过集中器 H U B 解决 此种方式可以较好地运转 多数系统用增设 集中器来解决用户扩容问题 电磁兼容成为这一时期系统的设计难点 3 从2 0 0 2 年至今 主流模式是用户端采用直读表 这一阶段集中抄表系 统主要有以下问题需要解决 通信协议不统一 系统开发商和电表厂家脱节 质量良莠不齐 系统环节过多 一个地方出现问题可能会导致一大片出问题 浙江大学硕士论文电力集中抄袭系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 其中对于 两点问题 解决办法是制定统一的电能表通信协议 为电表制定统 一的公共接口 使集中抄表系统具有互操作性 1 3 集中抄表系统的现状 国内集中抄表系统经过多年的发展 已经形成了一个比较统一的集中抄表系 统结构 它的基本结构模式是 上位机一上段信道一集中器一下段信道一智能 电表 采集器一电表 如图1 2 所示 上位执 I 俘 IIl 嘲嘲集中鬻豳 一 翰 蓬茹逡 8 0 2 1 l f A P 闯协议 8 0 2 1l h 欧洲5 G H z 规范 8 0 2 1 l i 增强的安 全性 认证 8 0 2 n j 日本的4 9 G H z 规范 8 0 2 1 1 k 高层无线 网络测量规范 浙江大学硕士论文 电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 以及商吞吐量研究工作组的相关协议 2 3 无线局域网的研究方向 如上所述 无线局域网技术是目前无线通信领域乃至整个通信行业的研究热 点 从无线局域网的进一步推广应用来看 未来的研究方向主要集中在安全性 移动漫游 网络管理以及与3 G 等其他移动通信系统之间的关系上 2 3 1 安全性问题 I E E E 8 0 2 I I 协议标准建议使用两种安全解决方案 6 r 7 l 一种是I E E E8 0 2 I I 安全任务组 T G i 构建的安全框架一鲁棒型安全网络 R S N 这种网络用I E E E 8 0 2 I x 提供基于端口的接入控制 鉴权和密钥管理 该标准用可扩展鉴权协议 E A P 实现对用户的鉴权 鉴权服务器和用户之间使用远程鉴权拨入用户服务 R A D I U S 协议进行通信 R A D I U S 协议在网络接入的鉴权 授权和计费 A A A 中得到广泛采用 由于I E E 8 0 2 I x 主要是针对有线局域网设计的 在无线局域网 中使用I E E 8 0 2 I x 不可避免地存在漏洞 不能提供足够的安全 另一种方式则是目前广泛应用于局域网络及远程接入等领域的虚拟专用网 V F N 安全技术 V P N 主要采用I P S e c 技术来保障数据传输的安全 对于安全 性要求更高的用户 将现有的V P N 安全技术与8 0 2 1 i b 安全技术结合起来 是 目前较为理想的无线局域网络的安全解决方案 2 3 2 漫游切换问题 W L A N 的漫游 研问题是继安全性问题之后的一个至关重要的问题 如果在使 用接入服务时移动位置 一旦超出子网覆盖范围 m 数据包就无法到达移动终 端 正在进行的通信将被中断 为此 I E T F 制定了扩展口网络移动性的系列标 准 移动I p 钔 就是在I P 网络中多个子网内均可使用同一I P 地址的技术 移动节点 访问4 外地链路 图2 IW L A N 漫游示意 浙江大学硕士论文电力集中抄衰系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 这种技术是通过使用本地代理 H o m e A g e n t 和外地代理 F o r e i g n A g e n t 的特殊路由器对网络终端所处位置的网络进行管理来实现的 如图2 l 所示 移 动口系统可保证移动终端始终使用固定的口地址进行网络通信 移动疋技术 可以突破网络的地域范围限制 克服在跨网段时使用动态主机配置协议 D H C P 方式所造成的通信中断 权限交化等问题 2 3 3 无线网络管理问题 相对于有线网络 无线局域网具有非常独特的特性 因此必须建立相应的管 理系统 除了系统结构 用户需求和典型应用之外 无线网络管理系统p 还必须 考虑以下因素 1 标准的网管通信方式 网管子系统通常与中央主机相连 必须基于工 业标准的管理协议 比如S N M P 这样才能监视主机和子系统之间每条链路上的 状态信息 并可根据状态信息快速分析和解决出现的问题 2 网络监视和报告 主机必须能够监视无线网络系统中所有单元 考虑 到网络的连接性能 无线网络管理系统必须监视和报告无线信号的变化以及接入 点的业务类型和负载情况 还要能自动发现进入无线网络体系结构的新设备 3 有效地利用带宽 尽管随着新技术的发展 无线网络的可用带宽逐步 增大 但还是远小于有线局域网的带宽 因此 必须考虑其带宽的合理使用 2 3 4 无线局域网与3 G 无线局域网与3 G 采用的是截然不同的两种技术 用于满足不同的需要 无 线局域网并不是一个完备的全网解决方案 而只用于满足小型用户群的需求 无 线局域网与3 G 可以互补 1 们 3 G 运营还可以从与无线局域网的共存中获益 N o r t h S t r e 锄的研究表明 无线局域网与3 G 和G P R S 的结合可增加用户的满意 程度和业务量 作为3 G 的一个重要补充 无线局域网可用于在诸如机场候机厅 宾馆休息室和咖啡厅等地方建立无线E q t c m c t 连接 2 4 无线局域网的优势及其在集中抄表系统中应用 2 4 11 r L A N 的优势 无线局域网和其有线网络相比具有以下优势 1 灵活性和移动性 有线网络设备的安放位置受到限制 而在W E A N 覆 浙江大学硕士论文电力集中抄表系统中D M S s 踟通信协议研究 盖区域内的任何一个位置都可以接入网络 无线局域网另一个优点在于其移动 性 连接到无线局域网的用户可以在移动中与网络保持连接 2 安装便捷 无线局域网可以免去或最大程度地减少网络布线的工作量 一般只要安装一个或多个接入点设备 就可建立覆盖整个区域的局域网络 3 易于进行网络规划和调整 对于有线网络来说 办公地点或网络拓扑 的改变通常意味着重新建网 重新布线是一个昂贵 费时 浪费和琐碎的过程 无线局域网可以避免或减少以上情况的发生 4 故障定位容易 有线网络一旦出现物理故障 尤其是由于线路连接不 良而造成的网络中断 往往很难查明 而且检修线路需要付出很大的代价 无线 网络则很容易定位故障 只需更换故障设备即可恢复网络连接 5 易于扩展 无线局域网有多种配置方式 可以很快从只有几个用户的 小型局域网扩展到上千用户的大型网络 并且能够提供节点问 漫游 等有线网络 无法实现的特性 由于无线局域网有以上诸多优点 因此其发展十分迅速 最近几年 无线局 域网已经在企业 医院 商店 工厂和学校等场合得到了广泛的应用 2 4 2W L A q 在集中抄表系统中的应用 由前面的介绍可以看出W L A N 相对现有的集中抄表系统的通信方式具有安 装便捷 易于维护 网络快速稳定等优点 对一些早期建筑尤其是文物保护单位 铺设有线网络了能会对建筑本身造成 的破坏 W L A N 者可将这种破坏降到最低 对偏远小型居民区等铺设有线网络 造价高 租用专用线路也是一笔不小的费用 这时可通过无线网桥进行长达5 0 k i n 的远距离接入 可提供高达l l M b p s 或更高的带宽的链接 如图2 2 所示 图2 2 无线网桥的应用 浙江大学硕士论文 电力集中抄袭系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 第三章D L M S C O S E M 标准协议基础 3 ID L M S C O S E M 标准协议简介 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 它们共同构成电能表数据通信标准协议 D L M S 的全称是设备语言报文规范 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 它是以面向对象的建模思想建立的应用层规范 用来描述在应用层上 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 用于远方抄表 远方控制和增值服务等应用 C O S E M 的全称是能源计量配套规范 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计量仪表设备建立通用的接口模型 并允许通 过该接口访问和管理计量仪表 C O S E M 规范使用我们所熟知的接口类模型 如 寄存器类等 定义包括电能表 水表 燃气表等仪表接口 1 1 1 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 3 2D L M S C O S E M 标准协议系统组成 D L M S C O S E M 通信协议已经在全世界范围得到了应用 该协议已经由 I E C T C l 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 目前国外的一些知名厂商已经提出了基于 D L M S C O S E M 协议标准的电能表和电力计费系统 并通过了D L M SU A 组织的一致性认证1 1 2 1 I E C 6 2 0 5 6 标准体系目前共包括6 部分 2 1 如图3 1 所示 爹壤 鼍露舄蕊甏 i 警 誊j z 豢萋爹嚣 篓蓠 o 一 一 蠹j 礴 擎鬻 嚣纂 毪二 一 鼍 善盖 一i g 爹 枣篓蛩凄 i 鬻 一 一i i i I E C 6 2 0 5 6 6 1 对象标识系统O B I S I E C 6 2 0 5 6 6 2 接口类 I E C 6 2 0 5 6 5 3 C O S E M 应用层 毫藤鬣戮澄赞攀溺I E C 6 2 0 5 6 4 6 使用H D L C 协议的数据链路层 囊襄 虿1 万 墨疆蓊瑟瑟薹孑枣羹 I E C 6 2 0 5 6 4 2 面向连接的异步数据HI E C 6 2 0 5 6 2 1 交换的物理层服务和过程 目 直接本地数据交换 善萋蠹焉嚣露蒸薹蠹嬲曩曩曩曩露曩曩蕊蒸蒸蕊囊露毳露察露寨霰磊藏甄露露蘩器曩夏妻r 曩 图3 1I E C 6 2 0 5 6 标准体系结构 一薏罐 彳 p 器印 浙江大学硕士论文 电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 I E C 6 2 0 5 6 2 1 直接本地数据交换 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 I E C 6 2 0 5 6 4 6 使用高级数据链路控制 H D L C 协议的数据链路层 I E C 6 2 0 5 6 5 3 1 4 C O S E M 应用层 I E C 6 2 0 5 6 6 1 1 5 对象标识系统 I E C 6 2 0 5 6 6 2 t 1 6 1 接口类 其中以I E C 6 2 0 5 6 5 3 1 E C 6 2 0 5 6 6 1 I E C 6 2 0 5 6 6 2 三个标准最为重要 它 们首次给出了能源仪表的标识方法 仪表对象模型描述 以及仪表通信的相关操 作命令等 由此构成一组用于能源仪表通信的应用层配套标准 C O S E M 3 3 D L M s C 0 s 蹦通信协议实现互操作性的关键技术 3 3 1C O S E M 服务器模型 一 D L M S C O S E M 通信协议采用 客户杌 服务器 模型 1 7 1 作为数据通信的基 础 上位机向集中器请求电表数据 充当客户机 集中器处理并响应客户机的请 求 扮演服务器的角色 如图3 2 所示 幽懒集夺器懒 迎芋茏 由白e 卷磊也 图3 2 集中抄表系统构成 因此 集中器在C O S E M D L M S 通信系统中 也被称为 C o s E M 服务器 C O S E M 服务器模型被设计成三层体系结构 l 引 如图3 3 所示 第一层 物理设备层 该层描述实际物理设备 也就是集中器 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 浙江大学硕士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 对象 用来表示物理设备 电能表 的各功能单元 图3 3C O S E M 服务器三层结构模型 第三层 对象接口层 该层包含若干个遵循D L M S C O S E M 标准的C O S E M 对象 D L M S C 0 s 跏标准协议采用面向对象的方法建立电能表的对象接口模型 每个 C O S F M 对象都是属性和方法的集合 属性中包含着对象的信息 方法表明对象所 能进行的操作和活动 3 3 1 1 逻辑设备的地址映射 一个逻辑设备层包含多个逻辑设备 逻辑设备使用逻辑设备名 1 0 9 i cd e v i c e n a m e 进行标识 它是一个d a t a 类或者鼬g i s t e r 类C O S E M 对象 逻辑设备名 用1 6b y t e s 十六进制数表示 前3b y t e s 由D L M SU A 为每个设备生产厂商分配 后1 3b y t e s 由各厂商分配给自己生产的设备 以确保逻辑设备名的唯一性 C O S E M 服务器中管理逻辑设备管理若干个逻辑设备 分别标识成l N 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 存储在一张逻辑设备地址映射表中 由C O S E M 应用层以下的底层传输协议层管 理 地址映射就是将每个逻辑设备名对应一个独有的逻辑设备地址 通常逻辑设 备地址使用简单的整型数据表示 客户机通过地址映射访问C O S E M 服务器中的 逻辑设备 1 9 1 如图3 4 所示 逻辑设备逻辑设备名地址 I 逻辑设备 二二刮x x x x x xO 0O 0 0 0O 0 O 0 k 刊 缸 I 广 吖lo oo o0 00 0 0 0o oo o0 1l r 叫l I逻辑设备 二二刮 xx xx xx 00 00 00 O 0 00 c刊 衄 zl 广 吖I0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2J V 叫I 图3 4 逻辑设备名与逻辑设备地址映射 浙扛大学硕士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 如果想访问逻辑设备1 抽象电能表1 可通过以下步骤进行 客户机与C O S E M 服务器建立应用层以下协议层连接 即底层物理连接 客户机发送一个数据包 其中携带逻辑设备地址信息 即 i n t l 表示 要访问逻辑设备l C O S E M 服务器收到该数据包后 通过地址映射 得知客户想访问逻辑设 备名为 x x x x x x 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 的逻辑设备 即电能表1 于是使逻辑设备1 做好准备 客户机再发送请求应用层连接的A A R Q 数据帧 与逻辑设备l 建立 C O S E M 应用层连接 3 3 1 2C O S E M 接口类和对象 所有C O S E M 对象都有一个名为 逻辑名 的属性 逻辑名 类标识码和版 本号三者一起 唯一标识对象接口所包含的信息 具有相同特性 属性和方法 的对象组成接口类 表3 1 3 2 列出了部分I E C 6 2 0 5 6 6 2 中所定义的支持计量 功能和支持通信功能的部分接口类库 表3 i 支持计量功能的接口类库 类名类简单描述功能 D a t a数据存储与内部电能表对象相关的数据 R e g i s t e r寄存器存储相关单元的测量值或状态值 E x t e n d e dR e g i s t e r扩展寄存器 存储测量值及其相关的状态 量纲和时间信息 D e m a n dR e g i s t e r需量寄存器存储需量值及其相关的状态 量纲和时间信息 C l o c k 时钟处理与时间相关的操作 设置 调整等 P r o f i l eg e n e r i c通用曲线 存储负荷曲线 历史值和事件记录等 A s s o c i a t i o nL N逻辑名连接当对象使用逻辑名寻址时逻辑设备中的目录表 A s s o c i a t i o nS N 短名连接当对象使用短名寻址时逻辑设备中的目录表 表3 2 支持通信功能的接口类库 接口类名称功能 I E C 光口设置设置I E C 6 2 0 5 6 6 1 中定义的光口参数 P S T NM o d e m 配置 设置P S T NM o d e m 参数 P S T N 自动应答支持自动应答模式下的P S T NM o d e m 操作 P S T N 自动拨号支持自动拨号模式下的P S T NM o d e m 操作 I E C H D L C 设置 设置用于支持H D L C 协议的接口参数 I E c 双绞线设置 设置I E C 6 2 0 5 6 3 1 中定义的接口参数 对象就是接口类的实例化 每个逻辑设备有多个对象 它们共同构成逻辑设 备的功能单元 如存储电表数据的R e g i s t e r 类 管理客户连接状态的 浙江大学硕士论文 电力集中抄表系统中D L M 副 0 s 蹦通信协议研究 A s s o c i a t i o n 类等 每个C O S E M 对象都是允许客户访问的接口 客户机正是通过 这些C O S E M 对象获得电能表数据 管理电能表的 定义一个特定的抽象电能表实际上就是定义几种特定意义的C O S E M 对象 2 0 1 图3 5 所示的电能表包含两个特定的C O S E M 对象 均为 寄存器 类的实例化 对象 寄存器 类共有3 个属性 逻辑名 值 倍率量纲 和1 个方法 复位 逻辑名 属性表示该寄存器的对象标识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 码 值 属性表示该寄存器保存的测量值或状态值 倍率量纲 属性表示值属性 的倍率和量纲 复位 方法可以对该寄存器的值清0 正向有功总电量寄存 器 实例化对象的属性分别为1 1 1 8 0 2 5 5 2 3 4 5 I O A l W h 表示该电能表的 正向有功总电量为2 3 4 5 k W h 而另一个 正向无功总电量寄存器 的属性分别 为1 1 3 8 0 2 5 5 8 9 7 1 0 Ar v a r h 表示该电能表的正向无功总电量为8 9 7 k v a r h 图3 5 接口类及其实例 通过定义不同的电能表功能模块 即C O S E M 对象 可以根据需要灵活组 合出各种功能的电能表f 1 图3 6 是使用C O S E M 服务器模型构建的具有简单的 功能电能表模型 该模型包括1 个管理逻辑设备 4 个可访问的C O S E M 对象 L D N L c l g i c a lD e v i c eN a m e 对象 总电量寄存器对象 费率l 寄存器对象 连 接A A p p l i c a t i o n A s s o c i a t i o n 对象 3 6 具有简单功能电能表模型 浙江大学硬士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 图3 7 演示了如何使用C O S E M 服务器模型构建一个连接两个电能表的集中 器模型 物理设备层 逻辑设备层 对象接口层 图3 7 集中器模型 3 3 2 对象标识系统O B I S m C 6 2 0 5 6 6 l 部分定义了O B I S 的结构 并对系统中的测量值 计量仪表的 配置信息和表示计量仪表行为特征的抽象数据等数据项采取与制造商无关的方 法进行唯一标识 实现制造商的设备和系统之间的互操作性 O B I S 码是一个由6 个数码组成的组合编码 它以分层的形式描述了每个数 据项的准确含义 如图3 8 图3 80 B I S 码结构 1 数值组A 数值组A 定义了所要标识的数据项 抽象数据 电 气 热 水等相关数 据 的特性 如抽象数据为0 电为l 热为6 天然气为7 等 2 数值组B 数值组B 用于定义通道号 即 计量设备的输入编号 计量设备具有多个 测量输入通道 本数值组的定义与数值组A 相互独立 3 数值组C 数值组C 定义了与信息来源相关的抽象或物理数据项 例如 电流 电压 功率 容积 温度等 这些定义取决于数值组A 中的值 4 数值组D 数值组D 用于定义类型或由数值组A 和C 所标识的物理量按各种特定的算 法处理的结果 如求积分值为8 平均值为4 最大值为6 等 墨 浙江大学硕士论文电力集中抄袭系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 5 数值组E 数值组E 用于定义针对费率寄存器的测量结果按照当前费率所做的进一步 处理 这些测量结果由数值组A 到D 标识 如费率1 费率2 费率3 总费率 0 等 对于抽象数据和与费率无关的测量结果 本数值组可以进一步分类 6 数值组F 数值组F 用于定义不同计费周期由数值组A 到E 标识的数据存储 如结算 周期l 结算周期2 与结算周期无关的底度值2 5 5 等 如果数值组C 至F 中的任意一个数值组的数值在1 2 8 和2 5 4 之间 那么整 个代码都被认为是制造商特定的 表3 3 给出了一些电能量相关的O B I S 码 表3 3 标识电能量的一些O B I S 码实例 名称ABCDEF 总正向有功电能底度值 111 802 5 5 正向有功电能底度值 费率1 1l1 8 1 2 5 5 正向有功电能底度值 费率2 l1182 2 5 5 总反向有功电能底度值 l128O2 5 5 反向有功电能底度值 费率1 l128l 2 5 5 反向有功电能底度值 费率2 l l2822 5 5 总有功功率 1l17O2 5 5 总无功功率 1127 O2 5 5 L 1 电压l12 3702 5 5 L 2 电压 115 l702 5 5 L l 电流 113 270 2 5 5 L 2 电流 1 15 27O2 5 5 3 3 3C O S E M 数据项格式 在C O S E M 标准协议中 数据项格式由数据类型 值 倍率和量纲四部分组 成 在图3 9 所示的电能表中的二进制数据项1 0 0 0 0 0 0 1 仅从数据值本身无法知 道其确切含义 但如果采用C O S E M 数据项格式 就能确切表示这个数据项的含 义 电能表A 中的含义为 1 2 7 k W h 而在表B 中的含义为 1 2 9 k W h 囤圈回 一1 2 7 k W h 圆圈回 9 图3 9C O S E M 数据项格式实例 浙江大学硕士论文 电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 3 3 4 应用连接从 A p p l i c a t i o nA s s o c i a t i o n 在C O S E M 标准协议中 电能表是一组C O S E M 对象集 用户只能访问其权 限允许的C O S E M 对象 电能表用户与可访问接口对象的关系由应用连接 从 定义 当用户对电能表的访问建立之后 从检查用户的身份并打开相应的可访 问对象 在D L M S C O S E M 协议中定义了多种安全级别的身份验证 可对不同 用户赋予不同的安全级别 图3 1 0 中 有用户A 和用户B 和非授权用户访问电能表 从的作用就是 识别每个用户 和授权用户建立正确的应用连接 并赋予相应的访问权限 图3 一1 0 从和不同的用户 在图3 1 l 中示出了图3 1 0 中各用户经从验证后的访问结果 对用户A 该 电能表提供2 个寄存器 2 个曲线 1 个时钟和1 个活动日历为可访问对象 对 用户B 提供7 个寄存器和1 个曲线为可访问对象 非授权用户则拒绝访问 图3 1 1 同一电能表对不同用户的响应结果 3 3 5 通信协议堆栈模型 D L M S C O S E M 通信协议堆栈模型基于简化的I S O 的O S I 模型构建1 1 3 如 图3 1 2 所示 C O S E M 服务器模型建立在通信协议堆栈模型之上 电能表计量 功能与通信功能之间进行分离 通过相应的配套通信协议堆栈可以支持各种类型 浙江大学硕士论文 电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 的通信信道 通信信道的变更不改变位于堆栈顶层的C O S E M 应用层 目前 D L M S C O S E M 通信协议堆栈模型已经提供了对P S T N G S M 光口 双绞线 R S 4 8 5 等通信信道的支持 可以不断扩充协议堆栈为新的通信信道提供支持 图3 1 2C O S E M 通信协议堆栈模型 3 4D L M S C O S E M 协议编码规则 D L M S C O S E M 协议采用 抽象语法语言 A b s t r a c tS y n t a xN o t a t i o n a lO n r A S N 1 2 1 来描述报文消息和数据 用A S N 1 来描述C O S E M 应用层数据帧 可以提高数据抽象性和通用性 利于程序移植和系统互连 在D L M S C O S E M 标 准协议中 对客户机和服务器之间传递的消息报文和数据 A S N 1 语法采用基础 编码规则B E R B a s i cE n c o d i n gR u l e s 进行编 解码 3 4 1 抽象语法语言A S N 1 抽象形式语法A S N 1 是一种描述结构化信息的语言 主要用于对各种通信 协议中通信接口和通信媒体传输信息的抽象描述 是I T U I 推荐的一个网络协议 语言描述标准 它定义了许多简单协议类型 提供了用基本数据类型构造复合数 据类型的方法 用A S N 1 语法描述的数据帧通常具有如下的结构 碉 2 3 1 N a m e 纽鲴I M P L I C I T E X P L I C I T D a t at y p e l n u l l d a t a 嘲I M P L I C I T N U L L i t e m i 1 I M P L I C I T E X P L I C I T D a m t y p e A lO P T I O N A L i t e m 2 暖I M P L I C I T E X P L I C I T D a t at y p eA 2O P T I O N A L i m m 3 3 1D a t at y p e l 浙江大学碗士论文电力集中抄表系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 其中 全部由大写字母组成的字符串为A S N 1 的保留字 如I M P L I C I T 等 第一个字母为大写的字符串是数据类型名 如D a t at y p e 等 第一个字母为小写 的字符串是标识符 如n u l l d a t a 标记用方括弧表示 在上例的数据帧结构中 N a m e 这个数据帧的名字 通常用能标识数据帧内涵的单词表示 t a g J t a g 指明数据帧的标签 揭示数据的功能和意义 T a g 包含两部分内 容 c l a s st y p e 和一个数字 如 A p p l i c a t i o nl 这种形式 数字只是表明数据帧序 号的标号 c l a s s t y p e 有如下四种类型 O U n i v e r s a h 表明数据帧N 缸l e 在所有D L M S 应用中是难一的 墓 A p p l i c a t i o n 表明数据帧N a m e 的含义与具体应用相关 该类型数据在不 同应用中 有不同含义 要 P r i v a t e 表明数据帧N a m e 是各厂家自定义的内部私有数据 互 C o n t e x tS p e c i f i c 表明数据帧N a m e 含义与应用环境中的上下文数据项含 义相关 这种类型的数据 不同的结构中有不同的含义 I M P L I C I T E X P L I C I T 表示当前数据帧可能派生自某一数据帧 前者称 为子数据帧 后者称为父数据帧 该字段的作用就是描述父 子数据帧之间的关 系 隐式标记I M P L I C I T 表明子数据帧在继承父数据帧的同时 还修改了父数据 帧的标签t a g 显式标记E X P L I C I T 表明子数据帧在继承父数据帧的时候保留了 父数据帧的标签t a g o D a t at y p e 描述数据帧中数据项的类型 在A S N 1 语法中 数据类型分为 简单型和复合型 大括弧中的内容就是数据帧中的数据项 每一个数据项后的数字就是该 数据项的标签 每一数据项可以是简单类型数据 也可以是对另一数据帧的复合 型数据 省略号表示多次重复 O P T I O N A L 表明该数据项是可选的 在某些情况下可以忽略 3 4 2 基本编码规则B E R B a s i cE n c o d i n gR u l e s 3 4 2 1B E R 概述 A S N 1 的基本编码规则定义了一种或多种把任意A S N 1 值表示成字节字符 串的方法 缩写为B E R 使用B E R 一个A S N 1 的值有三种编码方法 选择哪 浙江大学硕士论文 电力集中抄袭系统中D L M S C O S E M 通信协议研究 种取决于值的类型和值的长度是否已知 这三种方法是 简单定长编码 结构化定长编码 结构化不定长编码 B E R 编码使用的是一种称为t y p e l e n g t h v a l u e T L V 结构的方法 在A S N t 中 也称i d e n t i f i e r l e n g t h o a n t e n t I L C 每一个值被按 标识 长度 内容编成 一个字节流 这个流中有解析这个值所需要的数据 3 4 2 2 髓R 的结构 B E R 对一个值按 标识 长度 内容编码成一个字节流 如下图3 1 3 所示 图3 1 3B E R 结构 典型字节流应用如下 简单类型编码格式 图3 1 4B E R 简单类型编码 结构化类型编码格式 圈3 1 4B 职结构化类型编码 每种B E R 编码方法都有三部分或四部分 I d e n t i f i e ro c t e t s 定义了A S N 1 值的类和标签值 指明编码方法是简单的 还是结构化的 L e n g t ho c t e t s 对于定长编码方法 它指出了内容字节个数 对于结构化 非定长编码方法 它指明长度是不确定的 C o n t e n t so c t e t s 对于简单定长编码方法 它给出了值的