電能表通信規約一致性自動檢測系統?

宮游，劉惠穎，殷鑫，梁言賀，吳瓊

（1．國網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

針對現行用于電能采集的通信協議已經因各種廠家理解不同而非常不統一，這導致電能采集通信過程中增加了大量不必要的規約轉換工作［1-2］。需要對不同廠家生產的電能表進行規約一致性自動檢測。并且當前用于電能采集的通信協議主要是面向過程的數據型協議，其在拓展性、復用性和靈活性方面顯現出一些不足。

基于面向對象互操作性的數據交換協議既能進行系統主站與采集終端的通信，又可以實現采集終端與電能表的通信，規范并統一了電能采集系統的通信規約［3-4］。 DL／T 698．45 通信協議是根據《國家電網公司關于下達2017年度公司第一批技術標準制修訂計劃的通知》的要求而制訂的面向對象的用電信息數據交換協議［5］。 DL／T 698．45 協議的提出彌補了國內無面向對象互操作性的數據交換協議，既兼顧了目前的硬件設備更新緩慢的問題，又解決了設備互操作性的問題，增強了通信協議的統一性和規范性。但由于DL／T 698．45協議的發布時間不長，對于開發有關DL／T 698．45協議的軟件程序、硬件設備以及協議的檢測方法和檢測設備都處于起步狀態。

從以上所述方面考慮，文章在微軟的Visual Studio 2010平臺上開發了一套基于C++語言的DL／T 698．45通信規約一致性自動檢測系統。該系統采用主流的可視化界面開發工具，使用面向對象的方法。

1 系統檢測依據與檢測項目

1．1 通信規約簡述

面向對象互操作性的數據交換協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備，兩者間需要通過通信協議來進行信息交互［6］。只有應用層中包含服務器組件，數據鏈路層用于傳輸應用層協議數據單元數據［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據需要滿足所用DL／T698．45通信規約的幀格式，如表1所示。

表 1 DL／T 698．45 通信規約幀格式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，校驗不合格的數據幀直接被舍棄［8］。每一條上行數據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送命令。規約中，可根據鏈路用戶數據生成對應的模型解析數據域內容。

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。第2級別是對幀進行檢測，保證幀的格式符合表一。第3級別是對應用層數據進行檢測。將應用層協議數據單元數據按照規則解析成相應指令，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、凍結類對象進行設計，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，該自動檢測系統可以向各省公司推廣，可以向各生產廠商推廣，其經濟和社會價值巨大。

2 檢測系統設計方案

2．1 系統工作原理

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

圖2 電能表通信規約檢測系統原理圖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，電能表通信規約檢測軟件可以對返回的報文進行解析并得到檢測結果。

2．2 檢測軟件設計

此規約檢測軟件主要通過串口方式實現與DL／T 698．45電能表的通信，使用開發平臺為VS2010，此平臺功能強大，方便實用，支持和集成很多開發工具和技術，使用面向對象的編程C++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構進行設計。這種設計思路主要優勢在于易維護、效率高、易擴展，后續軟件更新容易，方便增加相似類檢測相關的項目，也可通過此軟件思路編寫類似的其他協議軟件，軟件設計思路如圖3所示。此軟件主要由四部分組成：

（1）發送幀部分主要針對GetRquest數據類型進行組幀，其中包括數據鏈路層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送幀和記錄型發送幀；

（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，而不需要進行設置、上報和代理等功能，所以例如DecordSet等類均是為了后續項目進行擴展而預留的類。在DecordGet類里，根據協議標準又可以分成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。此方法是根據標記數據的基本數據類型進行編寫；

（3）為了實現發送和接收幀，在整個系統的設計中有兩個基本類，一個是所有發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據的PublicData類；

（4）在系統的設計中，界面才是使用者直觀能見到的成果，界面的設計也就成了重要的一部分，在系統的設計中，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 檢測軟件設計思路Fig．3 Design ideas of testing software

3 系統實現

根據系統設計方案，配置了基本功能按鈕，用按鈕與顯示框等組成了系統界面，界面中設置了雙通道，可以同時檢測兩塊電能表；設置串口開閉按鈕，控制串口的連接狀態；因為有些電能表出廠時設有自己的加密幀格式，所以設計進廠與出廠模式，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。檢測的每個數據標識在右側表格均有體現并可以導出到本地留檔。左側上方顯示框則實時顯示現檢測項的具體解析幀結構，下方則可以統計成功項與失敗項的個數。檢測系統的主界面圖如圖4所示。

正常通信是電能表大量投入市場的前提，只有幀結構檢測通過，電能表可以與系統正常通信，才可以正常投入使用。

圖4 電能表規約檢測系統主界面Fig．4 Main interface of electric energy meter protocol detection system

電能表規約檢測系統通過RS-485轉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、凍結類對象，若返回數據是正確的幀格式判斷為成功，否則為失敗，測試結果如表2所示。

表2 系統測試結果Tab．2 Test result of the system

通過測試結果可以看出有1只電能表通信失敗。同時來自同一個廠家的電能表，測試出不同結果，表明檢測系統可以有效地檢測出不符合DL／T 698．45協議的電能表，具備了通信規約一致性自動檢測的功能。此通信規約一致性檢測系統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容。

4 結束語

根據項目實際要求針對面向對象互操作性數據交換協議的通信規約設計出電能表的檢測系統。該檢測系統能夠有效甄別出不符合通信規約的電能表，并且滿足對后續通信規約兼容升級、避免因通信規約導致的實際使用問題［11］，為今后符合 DL／T 698．45 通信規約電能表批量應用提供良好的基礎。