電能表通信規(guī)約一致性自動檢測系統(tǒng)?

宮游，劉惠穎，殷鑫，梁言賀，吳瓊

（1．國網(wǎng)黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150000；2．哈爾濱電工儀表研究所有限公司，哈爾濱150028）

0 引 言

針對現(xiàn)行用于電能采集的通信協(xié)議已經(jīng)因各種廠家理解不同而非常不統(tǒng)一，這導致電能采集通信過程中增加了大量不必要的規(guī)約轉(zhuǎn)換工作［1-2］。需要對不同廠家生產(chǎn)的電能表進行規(guī)約一致性自動檢測。并且當前用于電能采集的通信協(xié)議主要是面向過程的數(shù)據(jù)型協(xié)議，其在拓展性、復用性和靈活性方面顯現(xiàn)出一些不足。

基于面向?qū)ο蠡ゲ僮餍缘臄?shù)據(jù)交換協(xié)議既能進行系統(tǒng)主站與采集終端的通信，又可以實現(xiàn)采集終端與電能表的通信，規(guī)范并統(tǒng)一了電能采集系統(tǒng)的通信規(guī)約［3-4］。 DL／T 698．45 通信協(xié)議是根據(jù)《國家電網(wǎng)公司關(guān)于下達2017年度公司第一批技術(shù)標準制修訂計劃的通知》的要求而制訂的面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議［5］。 DL／T 698．45 協(xié)議的提出彌補了國內(nèi)無面向?qū)ο蠡ゲ僮餍缘臄?shù)據(jù)交換協(xié)議，既兼顧了目前的硬件設(shè)備更新緩慢的問題，又解決了設(shè)備互操作性的問題，增強了通信協(xié)議的統(tǒng)一性和規(guī)范性。但由于DL／T 698．45協(xié)議的發(fā)布時間不長，對于開發(fā)有關(guān)DL／T 698．45協(xié)議的軟件程序、硬件設(shè)備以及協(xié)議的檢測方法和檢測設(shè)備都處于起步狀態(tài)。

從以上所述方面考慮，文章在微軟的Visual Studio 2010平臺上開發(fā)了一套基于C++語言的DL／T 698．45通信規(guī)約一致性自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主流的可視化界面開發(fā)工具，使用面向?qū)ο蟮姆椒ā?/p>

1 系統(tǒng)檢測依據(jù)與檢測項目

1．1 通信規(guī)約簡述

面向?qū)ο蠡ゲ僮餍缘臄?shù)據(jù)交換協(xié)議信息交換模型如圖1所示。客戶機與服務器不存在于同一設(shè)備，兩者間需要通過通信協(xié)議來進行信息交互［6］。只有應用層中包含服務器組件，數(shù)據(jù)鏈路層用于傳輸應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)［7］。

圖1 信息交換模型Fig．1 Information exchange model

電能表與后臺服務器進行通信時，傳輸幀的鏈路用戶數(shù)據(jù)需要滿足所用DL／T698．45通信規(guī)約的幀格式，如表1所示。

表 1 DL／T 698．45 通信規(guī)約幀格式Tab．1 DL／T 698．45 communication protocol frame format

在對報文進行解析之前，要對幀頭、幀尾及密匙進行校驗，校驗不合格的數(shù)據(jù)幀直接被舍棄［8］。每一條上行數(shù)據(jù)或者下行命令都會收到對應的應答幀。若是未得到與此相對應的應答幀，會間隔1 s再次發(fā)送一次命令，共計6次，若仍無應答，那么再次進行通信時再發(fā)送命令。規(guī)約中，可根據(jù)鏈路用戶數(shù)據(jù)生成對應的模型解析數(shù)據(jù)域內(nèi)容。

1．2 檢測項目

檢測項目分為3個級別：第1級別是“物理通道”的檢測。檢測各通道是否暢通，預連接是否建立好，并保證預連接通道處于活動狀態(tài)。第2級別是對幀進行檢測，保證幀的格式符合表一。第3級別是對應用層數(shù)據(jù)進行檢測。將應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)按照規(guī)則解析成相應指令，看電能表有無應答反應［9-10］。

因項目需求，主要針對第2級別和第3級別進行檢測，其中針對電能量類對象、最大需量類對象、變量類對象、事件類對象、參變量類對象、凍結(jié)類對象進行設(shè)計，通過軟件測試，顯示出成功或失敗來分辨出電能表是否符合DL／T 698．45規(guī)約通信。也間接地保證了電能表計費的準確。另外，該自動檢測系統(tǒng)可以向各省公司推廣，可以向各生產(chǎn)廠商推廣，其經(jīng)濟和社會價值巨大。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計方案

2．1 系統(tǒng)工作原理

電能表通信規(guī)約檢測系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。圖中，計算機通過RS-485轉(zhuǎn)換器、載波通信轉(zhuǎn)換器、紅外或光通信轉(zhuǎn)換器與被測試電能表相連，模擬三種形式的通信情況。

圖2 電能表通信規(guī)約檢測系統(tǒng)原理圖Fig．2 Schematic diagram of communication protocol detection system for electric energy meter

當計算機與待測電能表通過某種通信方式連接后，測試人員就可以組幀向待測電能表發(fā)送幀報文。待測電能表在收到報文后會做出應答，返回應答報文，電能表通信規(guī)約檢測軟件可以對返回的報文進行解析并得到檢測結(jié)果。

2．2 檢測軟件設(shè)計

此規(guī)約檢測軟件主要通過串口方式實現(xiàn)與DL／T 698．45電能表的通信，使用開發(fā)平臺為VS2010，此平臺功能強大，方便實用，支持和集成很多開發(fā)工具和技術(shù)，使用面向?qū)ο蟮木幊藽++語言，主要由于其語言非常靈活，功能非常強大，此項目主要圍繞類層次結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。這種設(shè)計思路主要優(yōu)勢在于易維護、效率高、易擴展，后續(xù)軟件更新容易，方便增加相似類檢測相關(guān)的項目，也可通過此軟件思路編寫類似的其他協(xié)議軟件，軟件設(shè)計思路如圖3所示。此軟件主要由四部分組成：

（1）發(fā)送幀部分主要針對GetRquest數(shù)據(jù)類型進行組幀，其中包括數(shù)據(jù)鏈路層DataLink類，地址域AddressDomain類，控制域ControlDomain類，以及重要的OITail對象標識類，由此四類靈活組成完整的普通型發(fā)送幀和記錄型發(fā)送幀；

（2）解析幀部分主要針對收到的幀各個部分進行讀取，其Scissors解析類是去掉了DataLink鏈路層類之后進行的編程，通過DecodeContext類進行分流，特指把解析幀分成讀取響應幀，讀取設(shè)置幀等，由于不同種類的幀都具有不同的幀格式，所以特分成不同的幀類別進行讀取解析，由于本項目目前只需要進行讀取響應幀，而不需要進行設(shè)置、上報和代理等功能，所以例如DecordSet等類均是為了后續(xù)項目進行擴展而預留的類。在DecordGet類里，根據(jù)協(xié)議標準又可以分成Parameter參變量類、ElectricEnergy電能量類、Vatiables變量類等接口類，這些類幀的讀取解析主要都通過定義的BaseData基本方法。此方法是根據(jù)標記數(shù)據(jù)的基本數(shù)據(jù)類型進行編寫；

（3）為了實現(xiàn)發(fā)送和接收幀，在整個系統(tǒng)的設(shè)計中有兩個基本類，一個是所有發(fā)送和接收類都需要繼承的父類BaseClass，父類主要定義了一些共用方法，另一個是定義了公共數(shù)據(jù)的PublicData類；

（4）在系統(tǒng)的設(shè)計中，界面才是使用者直觀能見到的成果，界面的設(shè)計也就成了重要的一部分，在系統(tǒng)的設(shè)計中，追求簡潔、準確、直觀的給予使用者，讓其能一目了然的知道按鈕功能和使用順序是設(shè)計初衷，所以有一個單獨Form類進行界面編程。

圖3 檢測軟件設(shè)計思路Fig．3 Design ideas of testing software

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，配置了基本功能按鈕，用按鈕與顯示框等組成了系統(tǒng)界面，界面中設(shè)置了雙通道，可以同時檢測兩塊電能表；設(shè)置串口開閉按鈕，控制串口的連接狀態(tài)；因為有些電能表出廠時設(shè)有自己的加密幀格式，所以設(shè)計進廠與出廠模式，增加按鈕是考慮檢測工作的便利性；開始檢測和停止檢測就是最基本的控制檢測按鈕；記錄型作為特殊的幀格式類型單獨檢測按鈕。檢測的每個數(shù)據(jù)標識在右側(cè)表格均有體現(xiàn)并可以導出到本地留檔。左側(cè)上方顯示框則實時顯示現(xiàn)檢測項的具體解析幀結(jié)構(gòu)，下方則可以統(tǒng)計成功項與失敗項的個數(shù)。檢測系統(tǒng)的主界面圖如圖4所示。

正常通信是電能表大量投入市場的前提，只有幀結(jié)構(gòu)檢測通過，電能表可以與系統(tǒng)正常通信，才可以正常投入使用。

圖4 電能表規(guī)約檢測系統(tǒng)主界面Fig．4 Main interface of electric energy meter protocol detection system

電能表規(guī)約檢測系統(tǒng)通過RS-485轉(zhuǎn)換器與被測電能表連接，分別取三個廠家的5只電能表各進行DL／T 698．45通信規(guī)約一致性自動測試，檢測順序依次為電能量類對象、最大需量類對象、變量類對象、事件類對象、參變量類對象、凍結(jié)類對象，若返回數(shù)據(jù)是正確的幀格式判斷為成功，否則為失敗，測試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab．2 Test result of the system

通過測試結(jié)果可以看出有1只電能表通信失敗。同時來自同一個廠家的電能表，測試出不同結(jié)果，表明檢測系統(tǒng)可以有效地檢測出不符合DL／T 698．45協(xié)議的電能表，具備了通信規(guī)約一致性自動檢測的功能。此通信規(guī)約一致性檢測系統(tǒng)仍有很大的升級空間，還可以增加加密解密、密匙修改、錯誤幀檢測等項目內(nèi)容。

4 結(jié)束語

根據(jù)項目實際要求針對面向?qū)ο蠡ゲ僮餍詳?shù)據(jù)交換協(xié)議的通信規(guī)約設(shè)計出電能表的檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)能夠有效甄別出不符合通信規(guī)約的電能表，并且滿足對后續(xù)通信規(guī)約兼容升級、避免因通信規(guī)約導致的實際使用問題［11］，為今后符合 DL／T 698．45 通信規(guī)約電能表批量應用提供良好的基礎(chǔ)。