面向對象互操作數據交換協議的應用研究

沈曙明，田家樂，黃瑞，王朝亮，嚴華江，陳紅芳

(1. 國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014； 2.威勝集團有限公司，長沙410205)

0 引 言

目前用于采集電能的通信協議規約版本眾多。目前在電能表中廣泛采用的DL/T 645協議結構簡單，易實現，但是不靈活，無法適應電力市場改革的互動式需求，缺乏擴展性和靈活性，且單幀報文短，通信傳輸效率低下。面向對象通信協議的設計在修訂和擴充功能上十分復雜，程序繁瑣，容易出錯。文中研究了適用于主站、電能表之間采用點對點、多點共線及一點對多點通信方式的通信數據交換。綜合現有協議優缺點以及國內智能電能表的功能特點，研究面向對象互操作數據交換通信協議在電能表上的應用，依照協議規則進行擴展和定制的數據項，實現了適用于用戶自定義靈活配置的功能，準確高效采集現場用戶需要信息，對于建設智能電網，實現互操作性應用需求具有實用價值[1-3]。

1 國內外現狀

目前國內電能信息采集大都采用DL/T 645協議，但傳統的面向過程的DL/T 645協議由于系統規約的各省網以及派生版本眾多，頻繁修訂通信協議，大規模升級設備程序，欠缺擴展性和靈活性。經過多次備案后，數據項存在重復，與其他協議對應關系混亂，兼容性和互操作性亟需加強提高。如何解決這些問題，提升電能表通信效率和速率是文中所要研究的方向。

國際上通用的IEC 62056標準是具有良好互聯性和互操作性的電能表通信標準，可解決計費裝置的數據采集、數據傳輸及系統集成等方面問題，但因為我國大規模用電負控管理系統、電力信息綜合管理系統、電能信息集成與交互要求速率較低等問題，IEC 62056協議無法適應國內的應用，研究一套適應國內需求的協議是志在必行的。

研究一套適應電能信息采集與管理系統主站、采集終端或電能表之間的通信協議，包括通信架構、數據鏈路層、應用層、以及接口類及其對象和對象標識，采用點對點、多點共線及一點對多點通信方式的通信數據交換。支持主動上報，規范同一類對象的屬性和方法，以面向對象建模以及接口類實現繼承關系，以對象封裝數據及操作，以對象為互操作的基本要素的一套適用于采集系統的互操作協議。該協議就是面向對象互操作數據交換協議(簡稱“DL/T 698.45協議”)。

文中介紹了新協議的框架結構，探討了新協議的技術特點，對DL/T 645和DL/T 698.45協議進行了對比，最后通過DL/T 698.45掉電事件可靈活配置為例，分析DL/T 698.45通信協議與現有DL/T 645協議規約的優勢和改進。實例驗證了新協議采集效率高、靈活高效、互操作性強、兼容性好等技術特點[4-10]。

2 面向對象通信協議設計

2.1 面向對象通信協議模型設計

基于面向對象建模方法建立的一套適用于采集系統的互操作性協議。面向對象建模以接口類實現繼承關系，以對象來封裝數據及操作，以對象為互操作的基本要素。DL/T 698.45采用的面向對象具有互操作性的數據傳輸協議，包括通信架構，數據鏈路層、應用層以及接口類及其對象和對象標識。在OBIS兼容了傳統的DL/T 645 規約。由于國內大部分智能電能表是基于單片機上的設計，所以相比IEC 62056標準在通信體系上降低了難度。其次大數據包不限字數，打破傳統固定幀長結構。采用ESAM安全權限代替IEC 62056的用戶管理權限，如圖1所示。

圖1 DL/T 698.45協議模型

物理層將接收的數據存在接收緩存區，將要發送的數據存儲在發生緩存區。數據鏈路層主要由幀校驗、協議幀解析、應答幀及鏈路管理四個功能模塊組成，具體功能如表1所示。

表1 數據鏈路層功能模塊介紹

應用層的主要任務在于數據幀的編解碼、服務原語的組建和解析。通過預連接對身份進行認證管理，設置對象訪問。采用A-XDR解碼方式對客戶端傳輸的數據進行解碼，對發生到客戶端的數據進行A-XDR編碼。當傳輸數據量大時，根據應用協商的分幀方案進行數據分幀處理。

面向對象建模以接口類實現繼承關系如圖2所示，接口類包括屬性和方法，屬性是對固有特征的描述，方法是對動態特征的描述。其次對象進行封裝及操作，封裝大大降低模塊隨意改動和訪問，從而提高數據的可靠性，最大可能排除數據安全隱患。封裝完畢的對象可以作為基類(也稱父類)進行繼承，子類在基類的特點上可以增減特有的屬性和方法。直接在父類上重新改變和封裝在所有子類都會體現，使得現場運維壓力大大減小。通過重寫，使得數據類型表現不同的行為，同一屬性和方法又可以應用在不同的類中，使得程序更容易擴展。

圖2 接口類繼承關系

2.2 DL/T 698.45詳細說明

(1)將具有共享公共特征的對象歸納為接口類(IC)，接口類是同一類對象共同特征及行為的集合，一個對象有且只有一個接口類，對應唯一標識，即對象標識(OI)。接口類包括類名、屬性和方法，如表2所示。

表2 接口屬性和方法

(a)類名：類的說明，如：電能量類、最大需量類、功率類、凍結類等;

(b)屬性：規定類的屬性，靜態(static)表示終端自身不能更改的屬性，例如：配置參數；動態(dyn.)表示載有過程的屬性，此屬性是由終端自主當時更新;

(c)方法：規定類的方法：Method Name()，這些方法應在“方法說明”中說明。

(2)對象標識(OI)由兩字節組成，采用分類編碼的方式為系統的各個對象提供標識碼，未定義的對象標識編碼皆作為保留。可供用戶自行定義和擴展。如表3所示。

表3 對象標識

(3)對象屬性描述符(OAD)，包括對象標識、屬性標識、索引標識，屬性索引是指向對象的指針，以需量為例，將需量(即邏輯名)設為第一屬性，最大需量設為第二屬性，分相最大需量設為第三屬性，依次設置屬性，當用戶需要查詢A相組合無功最大需量，即可通過該屬性索引查詢。所以用戶采集查詢方案主要通過配置OAD采集配置表的屬性完成。

2.3 面向對象協議技術特點

面向對象建模以接口類實現繼承關系，以對象來封裝數據及操作，以對象為互操作的基本要素。面向對象協議的主要特點是業務適應性強、采集效率高，可靈活定制采集對象集，數據源唯一，互操作性強，含義一致，功能兼容，設備兼容等特點。

通過邏輯名引用來訪問接口對象的屬性或方法。從而將具有同一屬性和方法的對象劃分為同一接口類，構成從屬關系，使得對象屬性的操作更加方便簡單。耦合性強，極大的提高了操作速度，且能全面得到用戶所需要的信息。而傳統的DL/T 645協議中各個特征是平行關系，不能靈活配置，不能適應電力改革需求。

鏈路層采用變長服務器地址，可兼容各類通信設備的互聯互通。采用線性幀結構與IEC 62056 抽象語法相結合。幀頭校驗HCS與幀校驗FCS采用CRC-16循環校驗，并提供統一高效的算法。首先對協議對象標識查找，根據通信應用層、顯示模塊輸入的對象標識完成協議數據對象列表的查找定位，輸出對象標識在列表中的起始地址、包含的數據中心對象數量等信息。其次獲取協議數據對象列表中的數據并進行相應的數據格式轉換處理。相對1376.1和645的累加和校驗可極大提高數據傳輸的可靠性 。通信應用層數據交換模塊見圖3。

圖3 通信應用層數據交換模塊

該協議采用對象建模技術，對象是屬性和方法的集合。對象的信息在對象的屬性當中能很好的體現出來，屬性的值表示對象的特征，并能影響對象的行為特征。每個對象都提供了一些檢查或修改屬性值的方法。對象和屬性方法是唯一索引。當用戶需要修改或檢查其中某些信息是否正確，直接通過訪問對象的屬性+方法形式得到。極大的減輕了測試人員的工作，提高效率。同時也為功能擴展，靈活定制提供了方便。

對象標識(OI)采用分類編碼的方式為系統的各個對象提供標識碼，該標識是唯一索引的，用十六進制數表示，凡未定義的對象標識編碼皆作為保留。保留區的標識能為用戶提供自由空間，用戶可自行提供新的功能和定義，增加新的屬性，給對象增加新的功能。具有對象標識系統，將對象標識和屬性特征分離，提高了對象標識的通用性，減少OI字節數。相比IEC 62056 更加簡單便捷。還可直接通過對象屬性描述符(Object Attribute Descriptor,簡稱OAD)描述對象的屬性和方法，訪問對象屬性。流程簡單實用，且能高效獲取對象特點。接口類標識碼取值范圍為1～255，其中1～200由電力行業電測量標準化技術委員會定義；201～220留作制作商專屬接口類；221～225留作用戶集團專屬接口類。接口類不接受修訂以及版本的代替，對現有接口類作修改都必須創建新的接口類。舊的接口類將不再使用但不會被撤銷，僅保持對舊版本的兼容。221～225接口為用戶提供了大量可供修改的接口。解決了對象認知混亂，修改和擴充功能需要大幅度修改，相關對象模糊概念等問題。

客戶機和服務器通過預連接機制簡化了通信架構，提高通信效率，數據上報直接基于預連接發起，從而大大提高了通信速度。服務器如果想得到更高的訪問權限，必須重新建立更高權限的應用連接，在數據安全方面起了重要作用。

2.4 DL/T 698.45與DL/T645的比較

DL/T 698.45與DL/T 645協議的差異對比分析，見表4。

表4 連鎖故障預測線路及其指標

3 應用實例

將DL/T 698.45通信協議應用于智能電能表體系，通過對幀解析與現有DL/T 645 協議進行比較，得出在大數據接收下的優勢，以及修改對象特性進行分析比較，得出該協議實用性強、可擴展，具有很好的靈活性。下面通過對DL/T 698.45掉電事件可靈活配置為例，分析DL/T 698.45通信協議與現有DL/T 645協議規約的優勢和改進。

當在2017年06月05日15:31:52發生掉電事件后重新在2017年06月09日11:15:53重新上電，基于DL/T 645通信協議的電能表傳輸固定的數據項，會記錄上一次掉電時間170605133152和結束時刻170609111553。基于面向對象協議可以通過OAD靈活配置掉電事件關聯屬性幀文對比，如表5所示。

幀文解析：

發送：

05----讀取一個對象請求

03----讀取一個記錄型對象

00----PIID

30110201---OAD 讀取最近一次掉電事件記錄

09----RSD 選擇方法9

01----抄表

00----時間標簽

響應：

85 03 00 30 11 02 00 05 00 20 22 02 00 00 20 1E 02

00 00 20 20 02 00 00 20 24 02 00 00 33 00 02 00 01

01 06 00 00 00 33 1C 07 E1 06 08 0D 1C 11 1C 07

E1 06 08 0D 1C 28 00 01 01 02 02 51 F2 01 02 00

11 00 00 00

85----讀取一個對象響應

表5 OAD靈活配置關聯屬性幀

注：斜體字表示新增屬性狀態返回幀

03----讀取一個記錄型對象

00----PIID

30110201---OAD 讀取最近一次掉電事件記錄

05---- RCSD，SEQUENCE OF個數=5

00 20 22 02 00---第一列OAD ：事件記錄序號

00 20 1E 02 00---第二列OAD ：事件發生時間

00 20 20 02 00---第三列OAD ：事件結束時間

00 20 24 02 00---第四列OAD ：事件發生源

00 33 00 02 00--- 第五列OAD ：通道上報狀態

01----記錄數據

01----1條記錄數據

06 00 00 00 33--第一列數據：事件記錄序號：51

1C 07 E1 06 080D1C 11----第一列數據：事件發生時間：20170608 13:28:17

1C 07 E1 0608 0D 1C 28----第一列數據：事件發生時間：2017060813:28:40

00----事件發生源=NULL

01 03 02 02 51 F2 01 02 01(485通道)16 00

00 02 02 51 F2 09 02 01(載波通道) 16 00

00 02 02 51 F2 02 02 01 (紅外通道)16 00---三個通道的上報狀態:上行通信

增加掉電事件發生前正向有功電能量和反向有功電能量關聯屬性狀態，B狀態接收幀時，出現07，07代表 RCSD，SEQUENCE OF個數=7，因此B狀態較A狀態多了兩個新增屬性，由于返回幀是組合幀狀態，所以較A狀態會出現多個返回幀，該要素可以根據用戶需求進行靈活配置，實現定制功能。A狀態與B狀態抄讀數據如圖4所示。

圖4 A狀態與B狀態數據對比界面

通過OAD添加對象屬性狀態，可以得到不同的關聯對象信息。掉電事件發生后，默認狀態下，描述符為事件記錄序號，事件發生時間、事件結束時間、事件發生源、事件上報狀態等詳細信息。當用戶想增加關聯對象信息，如增加掉電事件發生前正向有功電能量和事件發生前反向有功電能量，只需通過OAD增加或刪減用戶所需要的信息，即可滿足。這樣就可以靈活配置用戶所需的任何信息，實現定制功能。

4 結束語

文中分析了面向對象協議在智能電能表應用研究問題，得出了該通信協議具有耦合性強、靈活性高，能根據用戶需求定制，具有互操作性和互連性等優點。最后通過面向對象協議在智能電能表上的應用實例進行論證，該規約能滿足市場需求，對適應下一代智能電能表發展需要有一定的參考價值。提出了一種基于改進貝葉斯分類器的基本信任分配函數的構造方法，該方法根據不同的屬性值來確定滿足條件的取值區間，從而更準確的提供了屬性值本身所包含的故障信息，克服了貝葉斯分類器同一區域內基本信任分配函數無法變化的弊端。

實驗結果表明改進后所得結果更能合理的反應區間內故障的信度分配，取得了更精確的分配結果，實現了基本信任分配的客觀化。