電能表通信規(guī)約一致性自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)?

宮游，劉惠穎，殷鑫，梁言賀，吳瓊

（1．國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力科學(xué)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(duì)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(dǎo)致電能采集通信過(guò)程中增加了大量不必要的規(guī)約轉(zhuǎn)換工作［1-2］。需要對(duì)不同廠家生產(chǎn)的電能表進(jìn)行規(guī)約一致性自動(dòng)檢測(cè)。并且當(dāng)前用于電能采集的通信協(xié)議主要是面向過(guò)程的數(shù)據(jù)型協(xié)議，其在拓展性、復(fù)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(jìn)行系統(tǒng)主站與采集終端的通信，又可以實(shí)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(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于下達(dá)2017年度公司第一批技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)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(bǔ)了國(guó)內(nèi)無(wú)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(wèn)題，又解決了設(shè)備互操作性的問(wèn)題，增強(qiáng)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(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)于開(kāi)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(cè)方法和檢測(cè)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(tái)上開(kāi)發(fā)了一套基于C++語(yǔ)言的DL／T 698．45通信規(guī)約一致性自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主流的可視化界面開(kāi)發(fā)工具，使用面向?qū)ο蟮姆椒ā?/p>

1 系統(tǒng)檢測(cè)依據(jù)與檢測(cè)項(xiàng)目

1．1 通信規(guī)約簡(jiǎn)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?？蛻魴C(jī)與服務(wù)器不存在于同一設(shè)備，兩者間需要通過(guò)通信協(xié)議來(lái)進(jìn)行信息交互［6］。只有應(yīng)用層中包含服務(wù)器組件，數(shù)據(jù)鏈路層用于傳輸應(yīng)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(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信時(shí)，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(duì)報(bào)文進(jìn)行解析之前，要對(duì)幀頭、幀尾及密匙進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)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(huì)收到對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀。若是未得到與此相對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀，會(huì)間隔1 s再次發(fā)送一次命令，共計(jì)6次，若仍無(wú)應(yīng)答，那么再次進(jìn)行通信時(shí)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(duì)應(yīng)的模型解析數(shù)據(jù)域內(nèi)容。

1．2 檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)項(xiàng)目分為3個(gè)級(jí)別：第1級(jí)別是“物理通道”的檢測(cè)。檢測(cè)各通道是否暢通，預(yù)連接是否建立好，并保證預(yù)連接通道處于活動(dòng)狀態(tài)。第2級(jí)別是對(duì)幀進(jìn)行檢測(cè)，保證幀的格式符合表一。第3級(jí)別是對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。將應(yīng)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(yīng)指令，看電能表有無(wú)應(yīng)答反應(yīng)［9-10］。

因項(xiàng)目需求，主要針對(duì)第2級(jí)別和第3級(jí)別進(jìn)行檢測(cè)，其中針對(duì)電能量類對(duì)象、最大需量類對(duì)象、變量類對(duì)象、事件類對(duì)象、參變量類對(duì)象、凍結(jié)類對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件測(cè)試，顯示出成功或失敗來(lái)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(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確。另外，該自動(dòng)檢測(cè)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(jì)和社會(huì)價(jià)值巨大。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2．1 系統(tǒng)工作原理

電能表通信規(guī)約檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。圖中，計(jì)算機(jī)通過(guò)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(cè)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(cè)系統(tǒng)原理圖Fig．2 Schematic diagram of communication protocol detection system for electric energy meter

當(dāng)計(jì)算機(jī)與待測(cè)電能表通過(guò)某種通信方式連接后，測(cè)試人員就可以組幀向待測(cè)電能表發(fā)送幀報(bào)文。待測(cè)電能表在收到報(bào)文后會(huì)做出應(yīng)答，返回應(yīng)答報(bào)文，電能表通信規(guī)約檢測(cè)軟件可以對(duì)返回的報(bào)文進(jìn)行解析并得到檢測(cè)結(jié)果。

2．2 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

此規(guī)約檢測(cè)軟件主要通過(guò)串口方式實(shí)現(xiàn)與DL／T 698．45電能表的通信，使用開(kāi)發(fā)平臺(tái)為VS2010，此平臺(tái)功能強(qiáng)大，方便實(shí)用，支持和集成很多開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)，使用面向?qū)ο蟮木幊藽++語(yǔ)言，主要由于其語(yǔ)言非常靈活，功能非常強(qiáng)大，此項(xiàng)目主要圍繞類層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)思路主要優(yōu)勢(shì)在于易維護(hù)、效率高、易擴(kuò)展，后續(xù)軟件更新容易，方便增加相似類檢測(cè)相關(guān)的項(xiàng)目，也可通過(guò)此軟件思路編寫(xiě)類似的其他協(xié)議軟件，軟件設(shè)計(jì)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(duì)GetRquest數(shù)據(jù)類型進(jìn)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(duì)象標(biāo)識(shí)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(duì)收到的幀各個(gè)部分進(jìn)行讀取，其Scissors解析類是去掉了DataLink鏈路層類之后進(jìn)行的編程，通過(guò)DecodeContext類進(jìn)行分流，特指把解析幀分成讀取響應(yīng)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(jìn)行讀取解析，由于本項(xiàng)目目前只需要進(jìn)行讀取響應(yīng)幀，而不需要進(jìn)行設(shè)置、上報(bào)和代理等功能，所以例如DecordSet等類均是為了后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展而預(yù)留的類。在DecordGet類里，根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(guò)定義的BaseData基本方法。此方法是根據(jù)標(biāo)記數(shù)據(jù)的基本數(shù)據(jù)類型進(jìn)行編寫(xiě)；

（3）為了實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收幀，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有兩個(gè)基本類，一個(gè)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(gè)是定義了公共數(shù)據(jù)的PublicData類；

（4）在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，界面才是使用者直觀能見(jiàn)到的成果，界面的設(shè)計(jì)也就成了重要的一部分，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，追求簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)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(jì)初衷，所以有一個(gè)單獨(dú)Form類進(jìn)行界面編程。

圖3 檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)思路Fig．3 Design ideas of testing software

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)檢測(cè)兩塊電能表；設(shè)置串口開(kāi)閉按鈕，控制串口的連接狀態(tài)；因?yàn)橛行╇娔鼙沓鰪S時(shí)設(shè)有自己的加密幀格式，所以設(shè)計(jì)進(jìn)廠與出廠模式，增加按鈕是考慮檢測(cè)工作的便利性；開(kāi)始檢測(cè)和停止檢測(cè)就是最基本的控制檢測(cè)按鈕；記錄型作為特殊的幀格式類型單獨(dú)檢測(cè)按鈕。檢測(cè)的每個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)在右側(cè)表格均有體現(xiàn)并可以導(dǎo)出到本地留檔。左側(cè)上方顯示框則實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)檢測(cè)項(xiàng)的具體解析幀結(jié)構(gòu)，下方則可以統(tǒng)計(jì)成功項(xiàng)與失敗項(xiàng)的個(gè)數(shù)。檢測(cè)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(chǎng)的前提，只有幀結(jié)構(gòu)檢測(cè)通過(guò)，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(cè)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(cè)系統(tǒng)通過(guò)RS-485轉(zhuǎn)換器與被測(cè)電能表連接，分別取三個(gè)廠家的5只電能表各進(jìn)行DL／T 698．45通信規(guī)約一致性自動(dòng)測(cè)試，檢測(cè)順序依次為電能量類對(duì)象、最大需量類對(duì)象、變量類對(duì)象、事件類對(duì)象、參變量類對(duì)象、凍結(jié)類對(duì)象，若返回?cái)?shù)據(jù)是正確的幀格式判斷為成功，否則為失敗，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

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

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出有1只電能表通信失敗。同時(shí)來(lái)自同一個(gè)廠家的電能表，測(cè)試出不同結(jié)果，表明檢測(cè)系統(tǒng)可以有效地檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)的功能。此通信規(guī)約一致性檢測(cè)系統(tǒng)仍有很大的升級(jí)空間，還可以增加加密解密、密匙修改、錯(cuò)誤幀檢測(cè)等項(xiàng)目?jī)?nèi)容。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際要求針對(duì)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(jì)出電能表的檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)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(duì)后續(xù)通信規(guī)約兼容升級(jí)、避免因通信規(guī)約導(dǎo)致的實(shí)際使用問(wèn)題［11］，為今后符合 DL／T 698．45 通信規(guī)約電能表批量應(yīng)用提供良好的基礎(chǔ)。