一種改進的電力通信協議優化方法與應用

梁洪浩， 伍少成， 王 波， 劉 洋， 李 鵬

（中國南方電網有限公司 深圳供電局， 廣東 深圳 518000）

隨著各種能源技術的研究和發展，智能電網的設計和建設逐漸成為新能源技術應用的焦點[1].由于具有高速、雙向和實時等多種基本特征，計量基礎設施成為智能電網的關鍵建設項目，而電能數據采集系統又是計量基礎設施的重要部分[2-5].一般而言，電能數據采集系統需要及時準確地采集不同地區的供電和用電數據，其通信模塊廣泛使用電能表通信協議.DLT_645協議對智能電表與采集終端之間傳輸的數據量、格式、長度進行標準化，成為電力通信網中最常用的通信協議之一[6-9].然而隨著時代發展和科技進步，DLT_645協議的傳輸時延與效率亟待進一步的優化和改進.目前在實時性、可靠性、多功能和傳輸效率上，互聯網中的各種網絡通信技術已逐漸取得了突破，例如Modbus協議.因此，如何結合DLT_645、Modbus等通信協議，優化與改進智能電網中的電力通信協議成為了研究熱點.

國內外學者提出了一些具有借鑒和參考意義的研究[10-12].然而，由于智能電網與普通互聯網之間存在較大的差異，這些相關研究難以應用于實際的通信數據傳輸中[13-16].為了解決這一問題，本文提出了一種基于DLT_645的改進電力通信協議.首先介紹了電力通信網的功率計算公式，并在此基礎上，詳細分析采集終端與智能電表之間的交互需求；其次，根據交互需求的分析結果，給出了智能電表與采集終端之間的信息傳輸策略.通過融合Modbus/TCP通信協議和DLT_645協議，提出了改進的電力通信協議，同時本文還設計了該通信協議網絡接口的硬件.相關仿真結果表明，改進的通信協議運行穩定，平均響應時間和數據傳輸成功率均滿足實際要求.

1 功率計算

在電力通信網絡中，令N表示通信信號每個周期的采樣數量，u（n）與i（n）分別表示通信信號周期內第n個采樣點的電壓值和電流值，U與I分別表示通信信號的電壓有效值和電流有效值，具體計算表達式為

（1）

（2）

此時，P表示通信信號的有功功率，其計算表達式為

（3）

利用S表示信號的視在功率，Q表示通信信號的無功功率，有功電能與無功電能可以利用有功功率和無功功率積分得到，因此有功電能WP和無功電能WQ的計算表達式分別為

（4）

（5）

式中：t為計算能量的時間單位；T為能量積累的時間.在一個信號周期內，有功功率需求是通信信號功率的平均值，令Pn表示第n次采樣的有功功率，則有功功率需求Pd的計算表達式為

（6）

2 電力通信協議

為了詳細地闡述基于DLT_645的Modbus/TCP通信協議，本文分別介紹了該協議的需求分析、數據傳輸規則、數據幀格式和網絡接口設計等內容.

2.1 需求分析

根據DLT_645協議，從智能電表到采集終端的傳輸數據主要包括：電能數據、最大需求數據及其發生時刻、電能變量、事件統計、電壓合格率、事件確認、事件記錄和凍結數據.其中電能數據主要包括：有功電能、無功電能和視在電能，其總長度為452 bit；最大需求數據是指一定的時間內，電能數據的最大瞬時需求量，其發生時刻為最大瞬時需求發生的時間點數據，最大需求數據及發生時刻的數據總長度為904 bit；電能變量主要包括：電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數和波形畸變等變量，其總長度為360 bit；事件統計主要包括失壓、過壓、欠壓、斷相、倒相序、不平衡、失流、倒流、過載的時間和次數，這些數據的總長度為264 bit；電壓合格率一共包含4個參數，總長度為102 bit；事件確認需要11 bit來記錄事件類型、發生時間或終止時間；事件記錄數據記錄了事件過程中每個變量數據的變化，這些數據的總長度為61 860 bit；凍結數據是指在某些特定時間內需要保存的電能數據，可分為日凍結和月凍結數據，其總長度為245 bit.當采集系統正常工作時，智能電表還需要向采集終端發送1 bit的狀態確認數據，表明智能電表處于正常工作狀態.此外還需要說明的是，采集終端最多可以連接500個智能電表.以上數據的傳輸成功率和響應時間的標準如表1所示.

表1 數據傳輸成功率和響應時間標準Tab.1 Data transmission success rate and response time standard

2.2 數據傳輸規則

為了保持采集終端與智能電表之間流暢的數據傳輸，本文采用輪詢與事件觸發相結合的方式進行傳輸，其輪詢流程如圖1所示.

圖1 采集終端與智能電表的輪詢過程Fig.1 Polling process of acquisition terminal and smart meter

從圖1可以看出，在每次輪詢時，按照智能電表的自然順序，采集終端向所有智能電表發送輪詢命令，智能電表在收到輪詢命令后會發送響應數據.在最大的等待時間之內，若采集終端未收到智能電表的響應數據，則標記當前的智能電表，并向下一個智能電表發送輪詢命令.當采集終端收到未被標記的所有智能電表的響應數據之后，再次向已標記的智能電表發送輪詢命令.此時，若標記的智能電表仍未響應，則將這種智能電表的標記設置為故障.

在來自采集終端的輪詢命令中，發送“狀態確認”數據的輪詢周期為1 min，電能數據、最大需求及其發生時刻、電能變量數據的輪詢周期為10 min，事件統計、電壓合格率和日凍結數據發送輪詢命令的周期為24 h，月凍結數據的輪詢周期為1個月，這些數據的最大等待時間為60 ms，發送數據的對象是指所有處于正常工作狀態的智能電表.當事件發生或終止時，智能電表會向采集終端發送事件確認數據.當采集終端獲知某個事件已終止時，其將發送事件記錄的輪詢命令.事件記錄數據輪詢命令的最大等待時間為200 ms.在數據交換過程中，按照一定的組合方式，采集終端與智能電表完成所有數據的輪詢通信，完成輪詢命令的發送和響應數據的接收.由于這兩種通信流程是類似的，因此本文只給出了發送命令的通信流程，如圖2所示.

2.3 基于DLT_645的Modbus/TCP協議

在實際的通信過程中，所有的數據將以一定的格式封裝為若干個數據幀，每個數據幀可分為幀開始標識、幀結束標識和幀數據.其中，幀開始標識和幀結束標識實現了數據幀的同步，幀數據的主要內容由MBAP頭、功能碼和數據域組成.其中，MBAP頭由事務標識符、協議標識符、長度和單元標識符組成；功能代碼可以分為位操作和字操作兩類，位操作的最小單位為1 bit，字操作的最小單位為2 bit；數據字段包括幀內計數器和有效數據.

圖2 采集終端發送輪詢命令的通信流程Fig.2 Communication flow chart of polling command sent by acquisition terminal

為了制定實用的數據傳輸協議，本文建立了Modbus/TCP協議與DLT_645協議之間的映射，其映射模型如圖3所示.

由圖3可知，DLT_645幀的“地址字段”與“單元標識符”之間具有映射關系，“控制代碼”與“功能代碼”之間具有映射關系，DLT_645協議的“數據字段”與Modbus/TCP協議的“有效數據”之間產生映射關系.通過添加1 bit“數據字段長度”與“長度”進行映射.“事務標識符”設置為0×00，而代表Modbus協議的“協議標識符”設置為0×00.

DLT_645的“數據字段”主要由兩部分組成，其字段的前4 bit是“數據標識符”，其余數據字段表示具體的“數據”.在電能數據采集系統中，由于所有數據參數的采集和傳輸集中于一次輪詢中，所以在DLT_645內部數據標識符的基礎上，本文添加了數據標識符的校驗碼字.此時，電能數據的數據標識符為0×00 FFUM000；最大需求及其發生時刻數據為0×01FFUM000；電能變量的數據標識符為0×02FFUM000；事件統計數據的數據標識符為0×03FFUM000.需要說明的是，由于“數據字段長度”的最大值為200，“電能變量”數據需要使用兩個數據幀來傳輸.

圖3 DLT_645與Modbus/TCP協議的映射模型Fig.3 Mapping model between DLT_645 and Modbus/TCP protocols

2.4 網絡接口設計

在電能數據采集系統中，網絡接口主要由型號為STM32F407的MCU、LAN8720A芯片和HR911157A網絡端口組成，具體接口結構如圖4所示.

圖4 網絡接口結構Fig.4 Network interface structure

在網絡接口結構中，STM32F407的MCU采用了Cortex M4內核，具有良好的控制功能和數字信號處理能力.此外，MCU集成了相應的網絡模塊，使用RXD0與RXD1接收數據、使用TXD0與TXD1發送數據、使用TX_EN發送啟用新號.利用MDC與MDIO接口訪問芯片LAN8720A的所有PHY寄存器，同時使用RMII接口與外部的PHY芯片進行通信.LAN8720A是一種低功耗物理層芯片，其I/O引腳電壓符合IEEE802.3-2005標準.利用nINT/REFCLKO接口為MCU提供50 MHz時鐘，同時使用RMII接口與互聯網的MAC層進行通信.

3 仿真結果與分析

為了驗證改進電力通信協議的有效性和穩定性，利用PMA軟件分別對Modbus/RTU協議、Modbus/TCP協議進行仿真與對比.Modbus/RTU協議是支持RS-485總線的通信協議，由于該協議主要使用二進制表示數據并采用緊湊的數據結構，其具有較高的通信效率和廣泛的應用.因此，使用該協議與基于DLT_645的Modbus/TCP協議進行比較，分析本文改進協議的實際性能.

在協議測試過程中，本文分別設置相同的網絡參數.每當增加200次輪詢次數時，記錄兩種協議的平均響應時間和傳輸成功率.在200～4 000個輪詢次數的情況下，對這兩種協議“電能數據”的平均響應時間與傳輸成功率進行統計，得到一系列數據并繪制為相應的曲線，如圖5、6所示.

圖5、6中，“實線”與“虛線”曲線分別表示在輪詢次數為200～4 000時，Modbus/TCP協議和Modbus/RTU協議的平均響應時間和傳輸成功率.需要說明的是，當輪詢次數小于4 000時，Modbus/TCP和Modbus/RTU協議的平均響應時間均小于50 ms，即滿足表1對于響應時間的協議要求，而當輪詢次數大于3 200時，Modbus/TCP和Modbus/RTU協議的傳輸成功率達到了99%，即滿足表1對于傳輸成功率的協議要求.

圖5 Modbus/RTU協議和Modbus/TCP協議的平均響應時間

圖6 Modbus/RTU協議和Modbus/TCP協議的傳輸成功率

在此基礎上，本文對Modbus/TCP和Modbus/RTU協議進行了更詳細的對比和分析.由圖5可知，Modbus/RTU協議的平均響應時間明顯高于Modbus/TCP協議的平均響應時間.其主要原因是Modbus/TCP協議中沒有發生CRC校驗過程，與Modbus/RTU協議相比，Modbus/TCP協議的執行步驟較少，這直接導致Modbus/TCP協議的平均響應時間一定小于Modbus/RTU協議.由圖6可知，Modbus/TCP協議的傳輸成功率略高于Modbus/RTU協議，兩者之間的差距較小，這主要是由于Modbus/RTU協議和Modbus/TCP協議的設計均比較合理，且其協議執行又較為類似，所以其傳輸成功率區別較小.

4 結 論

基于DLT_645協議，本文提出了一種適用于電能數據采集系統的Modbus/TCP通信協議，縮短了采集終端到智能電表之間的數據傳輸時延，提高了這兩者之間的數據傳輸成功率，較好地滿足了智能電網中的通信需求，具有較好的參考意義和借鑒價值.然而，由于實驗條件與實驗環境的限制，本文并未對該協議的安全性和可靠性進行分析與檢驗，因此該協議的推廣與應用需要進一步的仿真實驗進行驗證，下一步研究將致力于解決該問題.