基于DLMS/COSEM的专用变压器台采集终端的设计与应用

吴乾坤

(黑龙江太平洋科技有限公司,哈尔滨 150090)

0 引 言

随着电力系统改革的深入,特别是用电需求侧管理向电力营销现代化集约化管理、客户服务、电能质量监测、需求侧能效和电能优化配置方向发展。但电力系统现有的规约种类很多,而且范围越定越大,内容越来越全,调度和保护的技术人员须面对多种通讯方式、标准和协议[1]。随着微电子技术和信息技术的发展,电力系统由智能计量仪表、自动化装置、现代通信设备等组成的各类系统逐步取代过去由感应系计量表计、手动装置、人工操作等组成的运行模式[2]。

在配电系统中根据产权和具体应用不同,配电变压器台分为公用变压器台和专用变压器台。公用变压器台由供电公司投资安装,主要供给居民用户使用;专用变压器台由用户投资安装,并由用户维护,这就使专用变压器台具有数量多,分布不集中,负荷差别大,使用季节性、时段性强,防盗、防破坏延迟等众多特点,给管理带来很大困难,并且使供电和配电管理部门原有的技术人员紧缺现象显得更加突出。这就对专用变压器台的数据采集和管理提出更高的要求,最迫切的就是数据采集的及时性、准确性和一致性。

针对专用变压器台的特点和电能信息采集与管理系统关于计量、采集和传输的要求,结合国际先进的IEC62056技术标准发展方向,利用我公司多年电能数据自动采集和远程传输的技术能力,研制了专用变压器台数据采集终端。本文在黑龙江电能信息采集与管理系统的统一规范基础上,介绍了基于DLMS/COSEM的专用变压器台采集终端的设计和应用。

1 采集终端概述

在电能信息采集与管理系统中,采集终端通过下行信道采集挂载的各种表计、存储电能表以串行通讯形式输出的电能等数据;通过上行信道与抄表主站通信,将采集到的数据传输到电能信息采集与管理系统的主站中,是电能量数据的通讯中枢。

图1 电能信息采集与管理系统结构图Fig.1 Structure diagram of electric energy information and supervise system

2 基于DLMS/COSEM的专用变压器台采集终端模型

在电力行业中,电子式电能表、数据采集终端以及下位机设备,都具有自己的协议体系[5]。针对不同采集系统厂家、型号、通信协议不统一,组网不便等问题,DLMS用户协会提出了一种新的基于面向对象技术的通信协议,从整体上分两大部分,即COSEM和DLMS,一部分是与通信协议、介质无关的电能计量配套技术规范COSEM(Companion Specification for Energy Metering),另一部分是通信协议模型,即设备语言报文规范DLMS(Device Language Message Specification)[6]。

2.1 包含的规范与通信规约

IEC62056系列标准是由国际电工委员会( IEC)制定的关于电能计量——用于抄表、费率和负荷控制的数据交换的国际标准,其核心部分是设备语言报文规范DLMS和能源计量配套规范COSEM[7]。

在用IEC62056标准构建的自动抄表系统中,采集终端按照COSEM规范来架构,上行信道符合DLMS通信协议标准,采用基于CO-HDLC数据链路层的3层协议栈(COSEM应用层:IEC62056-53[8];使用高级数据链路控制(HDLC)协议的数据链路层:IEC62056-46[9];定向连接异步数据交换程序和物理层服务:IEC62056-42[10];下行信道按多功能电能表通信规约:DL/T 645-1997与各种表计通信。

2.2 COSEM采集终端模型

在IEC62056标准体系中是按照客房机/服务器模式来进行通信架构,主站充当客户机,采集终端充当服务器。我们按照能源计量配套规范(COSEM)通过使用面向对象的数据模型来构建采集终端。COSEM将一个物理设备模型化为一系列逻辑设备(包括管理逻辑设备)组成,每个逻辑设备是该物理设备的一个功能子集,各种功能则用COSEM对象模型来标准化。逻辑设备用16字符(3字母制造商标识+最多13个制造商自定义字符)的逻辑设备名来标识,它具有全球唯一性,为数据溯源提供了前提条件。同一逻辑设备中的实例对象必须具有相同的版本。COSEM采集终端的结构模型见图2,该模型分:物理设备、逻辑设备和各种对象3个层次。

图2 COSEM采集终端模型Fig.2 COSEM model of remote terminal unit

2.2.1 物理设备

物理设备即为所要设计的采集终端设备,包含两个必须存在的逻辑设备:①管理逻辑设备,用来管理各种功能的实现;②数据逻辑设备,用来存储采集终端下行挂载的各种表计各类数据曲线。

若问题为效益型时，用若问题为成本型，用求得对应于各决策对象i(i=1,2,…,n)的最优目标权重向量为：

2.2.2 逻辑设备

管理逻辑设备与数据逻辑设备统称为逻辑设备,两者各自完成其特定的功能。每个逻辑设备包含若干个COSEM接口类对象,且都具有自己的逻辑地址,并且每个逻辑设备必须包含一个逻辑设备名(LDN)对象和一个逻辑名引用(LN)联接对象或者一个短名引用(SN)联接对象,在采集终端实现中采用逻辑名(LN)引用。

管理逻辑中包含与采集终端全局相关的接口类对象。并且管理逻辑设备还必须包含一个服务接入点(SAP)分配对象。

数据逻辑设备中主要包含各种曲线对象,每条曲线对象对应于采集终端下行挂载的相应表计对应的具体数据曲线。

逻辑设备中的逻辑名引用(LN)联接对象比较特殊,如果抄表主站需要访问某一逻辑设备中的数据,则应首先与该逻辑设备建立应用联接(AA),该应用联接的各相关参数都保存在LN联接对象中。同时LN联接对象中存放了该逻辑设备中的所有接口类对象的基本信息如类标识(class ID)、逻辑名(logical name)等。这样只要抄表主站读取了 LN对象的对象清单属性后,即可以获知该逻辑设备中所具有的各对象清单,从而为抄表主站进一步对采集终端具体对象的操作提供了动作范围。

2.2.3 COSEM接口对象

IEC62056标准中构建了一个标准的接口类库。本采集终端中的COSEM接口对象一部分是标准的COSEM对象,另外,根据特定需求对一部分标准对象进行了相应扩展,如增加自定义属性或自定义方法等。从而通过若干个不同的COSEM对象相互配合完成某一个特定的实际功能。

2.2.4 逻辑设备的寻址

本采集终端设计中对于逻辑设备的寻址是根据IEC62056通讯架构中所采用的可扩展寻址方案:高级数据链路控制(HDLC)扩展地址规则。具体规则为保留每个地址字节中第一个传送的bit位(低有效位)作为地址扩展用途,将其置为0表示紧随其后的1个字节是地址域的1个扩展字节。扩展字节的格式与前1个字节相同。地址域的最后1个字节是把低有效位置为1来表示地址域结束。

采集终端的地址为4个字节,分为2部分:①高HDLC地址(用于寻址物理设备中可独立寻址的实体——逻辑设备);②低HDLC地址(用于寻址多点通信结构中的一个物理设备)。

3 采集终端的功能模块

由于现场运行的表计基本都是符合DL/T 645通讯规约,设计的采集终端与下行挂载表计之间的通信仍然采用DL/T645规约,而采集终端与上行主站采用IEC62056规约通讯,因此在采集终端中需要实现IEC62056与DL/T645之间的互相转换。

基于以上考虑和DLMS/COSEM规范,本采集终端的各功能模块构成见图3。

图3 专用变压器台采集终端器的功能架构Fig.3 Remote terminalunit functional frame of private transformer console

3.1 通讯端口

采集终端通讯端口是用于通讯的物理介质或通讯方式的驱动,下行表计接口采用RS485信道,上行主站接口采用GPRS无线通讯方式。

3.2 IEC62056协议栈

该通讯协议栈提供62056协议支持,包括对主站端通信的物理设备驱动,逻辑联接管理,应用层编解码,数据链路层帧的组装和解析,构成了对抄表主站系统的标准通讯接口。

3.3 应用进程模块

逻辑单元中各逻辑设备是通过应用进程模块来协调完成采集终端下各个表计的数据管理、事件报告以及本采集终端自身的管理任务。同时应用进程模块通过对通讯协议栈的调度来管理采集终端与表计或抄表主站之间的通信连接,从而完成采集终端所要求的各种功能。

应用进程模块包括应用进程、层管理、物理连接管理器,数据对象转换器和DL/T645解析封装等以下5个部分。

3.3.1 应用进程

应用进程提供了逻辑设备单元与两个协议栈之间的交换通道,同时完成采集终端整体功能。

3.3.2 层管理

层管理模块用来管理标准62056通讯协议栈中各协议层,包括应用层、链路层和物理层。

3.3.3 物理连接管理器

物理连接管理器用来管理物理通道的建立与释放等,包括各种通讯设备方式的驱动等。

3.3.4 DL/T645数据-IEC62056 COSEM对象双向转换模块

用于完成DL/T645数据和IEC62056 COSEM对象标识和数据结构之间的映射和转换。

3.3.5 DL/T645解析封装

实现DL/T645命令帧的封装和数据帧的解析。

3.4 逻辑设备单元

逻辑设备单元是由若干个逻辑设备组成,每个逻辑设备又有若干个COSEM接口类对象组成。通过若干个不同的COSEM对象相互配合来完成一个特定的功能。

4 各功能模块的实现及采集的数据曲线

4.1 COSEM功能模块的实现

基于DLMS/COSEM的专用变压器台采集终端功能模块的实现即为相关COSEM对象的物理实现。其采用面向对象的建模方式,所有的功能对象的执行均封装在对象中进行。为实现各功能模块,定义的COSEM对象有:时钟,广播脚本表,定时抄表脚本表,采集终端全局复位脚本,暂停抄表脚本表,恢复抄表脚本表,重新抄表脚本表,时间表,单个动作时间表,采集终端特定功能对象。各COSEM功能模块的实现方法见图4。

图4 采集终端功能实现方法示意图Fig.4 Functional implement method of remote terminal unit

4.2 采集的数据曲线

采集终端中含两个逻辑设备:管理逻辑设备与数据逻辑设备。管理逻辑设备中主要存放与全局相关的对象和参数设置对象;数据逻辑设备中除了必须的COSEM对象LDN、LN联结对象外,主要包括各种数据曲线(包括正常数据曲线、重点数据曲线、日冻结数据曲线等)。表1～表4是电能信息采集与管理系统主站召测到的基于DLMS/COSEM规范所设计采集终端的几类具有代表性的实际数据表。

表1 多功能表日冻结数据表Table 1 Everyday freezing data of multi-function watt-hour meter当前位置→数据采集→多功能表数据发布

表2 普通表存储深度2数据表Table 2 Sencondary storage deep data of general watt-hour meter当前位置→数据采集→单相表数据发布

表3 多功能表存储深度2数据表Table 3 Sencondary storage deep data of multi-function watt-hour meter当前位置→数据采集→多功能表数据发布

表4 考核表存储深度2数据表Table 4 Sencondary storage deep data of examinable meter当前位置→台区考核表电量

5 结 语

DLMS/COSEM将一个物理设备模型化为一系列逻辑设备组成,每个逻辑设备是该物理设备的一个功能子集,各种功能则用COSEM对象模型来标准化,各逻辑设备用16字符的逻辑设备名来标识,具有全球唯一性,为数据溯源提供了前提条件。基于DLMS/COSEM的数据采集终端已经在黑龙江太平洋科技有限公司批量生产,满足了专用变压器台数据采集的及时性、准确性和完整性需求,并且很好地解决了产品的一致性和互操作性等问题。不仅使供电和配电管理部门及时准确地掌握了专用变压器台的使用情况,而且降低了管理费用,加大了用电监督力度。

[1] 童瑞明.浅析IEC62056在中国电能信息采集与管理系统中应用存在的问题[C].//2007中国电机工程学会电力系统自动化专委会供用电管理自动化学科组(分专委会)二届三次会议论文集,2007.

[2] 宋晓林,刘君华,杨晓西,等.IEC62056(电能计量—用于抄表、费率和负荷控制的数据交换)标准体系简介[J].电测与仪表, 2004,(2):6-10.

[3] DL/T 719-2000,中华人民共和国电力行业标准-远动设备及系统第5部分:传输规约[S].

[4] DL/T 743-2001,中华人民共和国电力行业标准-电能量远方终端[S].

[5] 王大宇,谭长庚.电能表及采集终端通信协议通用解析/生成算法研究[J].湖南工业大学学报,2008,(1):88-91.

[6] 石 娜,金心宇.基于DLMS/COSEM的网络化远程自动抄表系统[J].电测与仪表,2008,(5):33-37.

[7] 崔宇昊,陆文远,杨晓科.IEC62056电能表模型设计与仿真[J].电测与仪表,2008,(5):30-32.

[8] IEC62056-53:2006,电量测量.仪表读数、收费和负载控制的数据交换.第53部分:COSEM应用层[S].

[9] IEC62056-46:2002,电量测量.仪表读数、收费和负载控制的数据交换.第46部分:使用高级数据链路控制(HDLC)协议的数据链路层[S].

[10] IEC62056-42:2002,电量测量.计器读数、电费和负载控制的数据交换.第42部分:定向连接异步数据交换程序和物理层服务[S].