基于DLMS、COSEM协议的远程抄表通信系统设计

陈 伟，侯荣旭，田桂岩，杨庆林

(1.广东电网肇庆怀集供电局 营销部，广东 肇庆 526400；2.沈阳工程学院 计算机基础教学部，辽宁 沈阳 110136)

随着通信技术的飞快发展，国内外不断将新型网络技术应用到智能电网建设中，推进智能电网向全球健康发展，因此我国也对智能电网的建设提出了更高的层次要求。远程抄表技术作为智能电网建设的重要组成部分，综合运用计算机技术、自动化技术、通信技术、软件技术和信息网络技术，实现用户电能表信息的抄收、控制与传递，解决电力企业与用户间最后一公里智能处理问题[1]。该技术具有效率高、误差率低等优点，近年来在国内外研究中取得了很大的发展，推动了电能行业科学管理，逐渐成为智能电网建设领域的研究热点。

通信协议的选取是保障远程抄表系统通用性及数据传输准确性的关键。但由于同一区域内多个厂家的电能表采用不同的通信协议，以及多样化的复杂通信网络环境，造成区域内通信协议往往不统一，必然大幅增加系统运营成本。因此，采用国际通用DLMS/COSEM标准，设计开发具有互操作性的远程抄表系统，实现了不同厂家不同规格的仪表和抄表设备之间数据自由交换。

1 DLMS/COSEM协议

设备语言报文规范(Device Language Message Specification，DLMS)和能源计量配套协议(Companion Specification for Energy Metering，COSEM)是一组具有互操作性的通信协议[2]。该协议采用面向对象设计方法，提供了与通信介质无关的应用层设计理念，从信息通信角度建立统一标识、接口、服务模型，响应远程抄表系统的数据通信请求，该协议具有适用性强、移植维护方便、可扩展性较强的特点，厂商根据对外接口可添加数据接口，完成数据通信，实现不同厂商设备数据接口间互操作[3]。遵守DLMS/COSEM协议的设备兼容性强，适合有线、无线等多种通信方式，同时还有利于系统功能进行扩展和升级。DLMS/COSEM协议具备如下特点：

1)采用面向对象思想，定义COSEM对象信息模型，用标准化方式定义数据；

2)该协议基于服务端(仪表)、客户端(抄表主机)通讯机制，基于应用层设计协议，与物理层相互分离；

3)数据对象模型通用性强，可以适用于多种类型仪器，协议具有自解析、互操作的特性；

4)协议应用介质广泛，可基于RS485、以太网、GPRS等有线、无线网络介质传输。

DLMS/COSEM协议简化了传统的OSI网络模型结构，采用仅包含物理层、数据链路层和应用层的三层增强性能架构，DLMS/COSEM的网络通信协议如图1所示。

图1 DLMS/COSEM的网络通信协议

2 远程抄表系统总体方案

2.1 系统架构层次设计

集中器部件是远程抄表系统的核心，按照集中器位置将通信网络分为本地通信网络和远程通信网络两个部分[4]。集中器与现场电能表构成的通信网络是本地通信网络，完成日常电能数据采集任务; 集中器与管理中心构成远程通信网络，承担着电能数据远程传输任务。系统的本地与远程通信网络两部分全部采用DLMS/COSEM协议进行数据交互，避免了协议转换，增强了兼容性、系统互操作性，提高了采集效率。

远程抄表系统由下至上分为电能表、集中器和管理中心三层结构。电能表负责计量户内或局部区域电能、电量使用情况；集中器作为系统的核心部件，即负责对区域内的电能表数据进行采集，同时也担负着电能数据的存储、传输至管理中心的双重任务；管理中心处于应用层与用户交互，完成用户发布的各项命令，定时发送抄表任务，收集、整理、存储、分析各项电能数据，同时也具有对集中器、电能表设备的实时监测与配置。系统结构如图2所示。

图2 远程抄表系统结构

2.2 集中器工作原理

集中器部件是远程抄表系统的核心设备，处于电能表与管理中心之间，负责命令解析、任务分配、数据传输等多项任务，在系统中扮演着服务端与客户端双重角色[4,5]。在与电能表通信时，电能表响应集中器的请求并返回电能表数据给集中器，集中器接收到数据后存储到本地数据库中，此时集中器作为客户端；在与管理中心构成的远程网络中，集中器作为服务端，为管理中心提供数据服务。集中器端响应管理中心的实时请求，并将电能表数据采用DLMS/COSEM协议给管理中心。系统的基本工作原理如图3所示。

图3 系统工作原理

2.3 选择通信模式

2.3.1 管理中心与集中器的通信模式

按照网络连接方式将通信媒介分为有线和无线两种，在管理中心与集中器构成的远程网络环境中，可以选择的通信网络通信媒介有光纤、以太网、无线网(GPRS/CDMA)等。但是从费用成本、后期维护等方面综合考虑，GPRS方式均具有明显优势，GPRS能同时发起多个通信连接，大大提升通信效率，同时GPRS网络环境日趋稳定，兼具费用低廉的优点。所以，在管理中心与集中器构成的远程网络通信方案的选择上，GPRS具有更强的适应性，符合系统设计要求。

2.3.2 集中器与电表间的通信模式

在集中器与电能表构成的本地网络环境中，环境复杂，干扰因素多，不适合无线网络通信模式。而有线通信模式主要有电力线载波PLC和RS-485两种类型。但是从建设成本、维护成本、传输速率以及可靠性进行比较分析，低压电力载波PLC是正在发展中的传输模式，建设维护成本较低，具有现成的线路环境，但是低压电力载波在传输速率及通信稳定性方面较低，不适合大范围复杂场景应用。综合比较而言，RS-485在成本维护、传输速率和可靠性方面都是最为理想，而且RS-485已经在多个领域得到了成功应用，符合系统稳定性和低成本的设计要求。

3 构建集中器DLMS/COSEM协议模型

3.1 构建集中器COSEM对象模型

COSEM使用了面向对象理念构建解决方案，建立了开放的仪器仪表数据交换规则，解决了不同厂家、不同型号、不同设备的数据通讯问题，实现了数据读取、数据共享。集中器模型按照功能分工分为物理设备层、逻辑设备层、COSEM对象接口层三个层次。物理设备层是指数字逻辑设备，负责管理逻辑存储设备、时钟、服务接入、参数配置等底层功能，数字逻辑设备与集中器分开，实现数据存储与设备分开，便于软件升级及系统功能扩展，是与电能表对应层次，负责描述电能表的各功能单元，逻辑设备层中含有多个数字逻辑设备，分别与电能表一一对应。COSEM对象接口层，负责管理COSEM对象的接口，用户可以通过访问COSEM对象的属性和方法，实现对集中器及电能表的控制管理。

3.2 基于TCP/IP的COSEM通信

管理中心与集中器构成的远程网络通信采用GPRS通信模式，GPRS通信模式是在TCP/IP协议基础上构建，通过PPP协议进行封装，而以太网采用IEEE802.3以太网帧格式封装数据传输。COSEM通信在TCP/IP协议上的模型如图4所示。

图4 COSEM通信模型

TCP/IP协议模型的应用层与DLMS/COSEM协议相对应，APDU(Application Protocol Data Unit，应用协议数据单元)在传输数据时需要包装子层寻址相关信息，确保数据准确传输到目的地，寻址信息包括版本号、数据源端口、发送目的地端口以及数据长度等。COSEM应用协议在TCP/IP上的传输帧格式如图5所示。

GPRS通信时APDU数据协议单元按照通讯双方定义的标志、协议等封装Wrapper节点，采用PPP(Point To Point Protocol，点到点协议)协议，将封装的数据包经过传输层、网络层、经数据链路层传输，最后接收端通过GPRS网络接收数据，完成一次数据传输任务[6]。接收端接收到数据后再按照包装的逆顺序层层解包、解析，最后得到PPP协议的APDU数据帧，然后将该数据转交给COSEM应用程序进行下一步处理，完成COSEM协议通讯过程。

图5 COSEM应用协议传输帧格式

4 集中器软件算法实现

4.1 集中器软件架构

通信是集中器软件的主要功能，既包括与电能表的下行通信，还包括与远程控制中心的上行通信，同时由于集中器处于三者之间，自身还包括数据存储、通讯传输、命令传递等复杂功能。

集中器的软件模块按照功能可以划分为公共函数库、平台层和用户应用层三层结构。公共函数库将集中器常用的函数(如数据类型转换、安全验证、时间处理等)做了封装，供其他软件模块调用。平台层负责基础环境提供，负责硬件驱动、数据传输，主要包含stm32库函数、Bootloader、内核驱动、硬件驱动等。用户应用层发布了多项扩展功能接口，通过调用平台层和公共函数库的接口完成用户具体的任务需求，如串口通讯、数据采集、液晶显示、GPRS远程调用等。集中器软件功能模块如图6所示。

4.2 上行通信算法设计

集中器与管理中心的通信称为上行，采用基于TCP、IP、PPP协议的GPRS通信模式。上行通信集中器负责响应远程管理中心的命令请求，并按照命令要求完成对电能表的访问、操作，将结果回复至控制中心，上行通信的实质是访问集中器对象模型。DLMS/COSEM的应用层协议是面向连接，因此服务器应用进程与客户机之间的通信必须建立在双方连接基础上进行。基于TCP的上行通信信息交换流程如图7所示。

图6 集中器软件功能模块

图7 基于TCP的上行通信信息交换流程

基于DLMS/COSEM协议的数据通信按照通信步骤可以分为建立连接、数据传输、释放连接三个步骤。建立连接是指分别建立传输层、应用层两个层次连接，传输层连接是应用层连接的基础。

首先，构建COSEM对象连接通信底层建立传输层，该层包括UDP/TCP传输层和数据包装层。数据包装层包括发送与接收双方的通信端口号、协议版本号和数据内容。数据包装层提供了设备地址，便于发现目的地实现寻址功能，同时还提供了数据长度信息，该长度可以用来校验APDU(数据)一致性与正确性。数据包装层(WPDU)的结构如图8所示。

图8 WPDU结构

其次，COSEM传输层连接之后，可以建立COSEM应用层的连接，实现集中器与管理中心的数据通信。应用层连接为COSEM客户端和服务端提供了数据交换接口，便于客户端从服务端获取数据。客户端可以发送Request命令请求至COSEM服务器对象，服务端可以响应GET、SET和ACTION三类服务集合。以SET服务为例，其数据帧如图9所示。

最后，当管理中心完成集中器COSEM对象接口访问后，向COSEM服务器发起断开连接请求，请求确认后同时断开应用层、传输层、网络层的连接，释放网络资源及销毁COSEM等对象，完成此次数据交互过程。

图9 Request数据帧结构

4.3 下行通信算法设计

集中器与电能表间的通信称为下行通信，下行通信采用本地数据采集模式，预先在集中器与电能表间定义数据帧格式和交互命令模式，实现数据通信需要经过集中器和电表的身份互验证、模式选择和数据读写请求应答三个步骤。下行通信数据采集流程如图10所示。

图10 下行通信数据采集流程

1)集中器和电能表的身份互验证

所谓的互验证是指通信双方各自负责自身发起的验证。身份互验证包括集中器向电能表发起的验证和电能表向集中器发起的验证请求两类。当集中器按照管理中心要求向指定的电能表主动发起电能读取命令时，通过集中器设备地址列表确定待请求的电能表，然后携带双方命令标识触发身份验证请求，只有与请求对应的电能表才被允许反馈通讯结果。电表向集中器传输电能查询结果时通过密码验证完成身份验证。

2)模式选择

电能表定义了数据读写模式和编程模式两类，通过控制命令关键字来区分模式。数据读写模式是指集中器按照预先设定时间间隔自动读取、存储区域内电能表，适用于管理中心的一般日常数据分析采集，当控制器发送定时查询命令时，电能表返回所有数据。编程模式是指实时读取电能表数据，适用于电能表计费统计获取。两种模式均通过管理中心进行命令切换，可以满足目前电量远程抄表系统的设计要求。

3)数据读写请求应答

集中器发送数据读取指令后，即按照格式读取数据帧，完成数据传输，数据帧内容包括身份识别号、数据单位、数据值、界定符号等。

5 结 论

分析了国内外远程抄表系统存在的问题，设计了基于DLMS/COSEM协议构建远程抄表通信网络系统，合理的解决了通信协议不统一、互操作性差等数据通信难题，实现了不同厂家不同规格的仪表、抄表设备之间数据通信。系统以集中器为核心，构建基于TCP/IP网络通信协议COSEM模型，分别设计了上行、下行通信算法，拓展了通信介质种类，提高了抄表系统稳定性与实用性，具有很好的实用价值。

[1] 侯志辉.智能抄表系统的研发与应用[D].北京：华北电力大学,2015.

[2] 李 菲.用电信息采集系统设计与实际应用[D].济南：山东大学,2015.

[3] 谷江涛,王 颖,孙 经,等.基于NFC技术和短距离无线通信技术在智能抄表中的应用[J].自动化与仪器仪表,2016,12:61-64.

[4] 易浩勇,刘 柱.智能配电混合通信系统的设计与实现[J].华东电力,2011,39(10):1675-1678.

[5] 张 倩，周春阳，冯北北，等.智能电器通信系统的设计与实现[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2016,12(4):353-356.

[6] 刘 柱,赵明科,张京娜.基于基带拉远LTE230MHz的配电自动化通信系统设计[J].电力系统通信,2012,33(12):35-39.

[7] GOTZ M,RAPP M,DOSTERT K.Power line channel characteristics and their effect on communication system design[J].Communications Magazine,IEEE,2004,42(4):78-86.

[8] ZIMMERMANN M,DOSTERT K.A multipath model for the powerline channel[J].Communications,IEEE Transactions on,2002,50(4):553-559.

[9] 李 勇.智能配电通信网中信道编码技术研究[D].昆明:云南大学,2014.

[10]李建岐,陆 阳,赵 涛,等.新一代电力线载波通信关键技术探讨[J].电力信息与通信技术,2013,11(12):1-5.

[11]陈 琳,黄 怿.电力线通信技术的研究[J].上海电力学院学报,2009,25(2):161-164.