giải pháp tự động thu thập và khai thác số liệu công tơ đo đếm

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt IEC International Electrotechnical Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế DLMS/COSEM Device Language Message Specification/COmpanion Specification

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Nguyễn Hữu Mạnh

GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG THU THẬP VÀ KHAI THÁC SỐ LIỆU

CÔNG TƠ ĐO ĐẾM

Chuyên ngành: Công nghệ thông tin

MỤC LỤC

Lời cam đoan 4

Lời cảm ơn 5

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG I – ĐẶT VẤN ĐỀ 12

1.1 Cơ sở thực tiễn và hiện trạng 12

1.2 Sự cấp thiết của đề tài 12

1.3 Phạm vi áp dụng 13

CHƯƠNG II – NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐỌC SỐ LIỆU CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ 14

2.1 Giới thiệu phương pháp nghiên cứu cơ bản 14

2.1.1 Giới thiệu công tơ điện tử 14

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 15

2.2 Các loại số liệu thu thập 15

2.2.1 Thông số vận hành hiện thời (Current values) 15

2.2.2 Thông số biểu đồ phụ tải (Load profile) 17

2.2.3 Thông số chỉ số chốt (Historical value) 17

2.2.4 Thông số lịch sử (Instrumentation profile) 18

2.2.5 Thông số sự kiện (Events log) 19

2.3 Công cụ giao tiếp với công tơ 19

2.4 Đọc dữ liệu từ công tơ theo giao thức IEC 62056-21 19

2.4.1 Sơ bộ về tiêu chuẩn IEC 62056-21 19

2.4.2 Đọc số liệu từ công tơ A1700 của hãng Elster 20

2.5 Đọc dữ liệu từ công tơ theo giao thức IEC 62056/DLMS 26

2.5.1 Sơ bộ về chuẩn DLMS 26

2.5.2 Đọc dữ liệu từ công tơ ZxD của hãng Landis & Gyr 28

2.6 Đọc dữ liệu từ công tơ của nhà sản xuất không công bố giao thức hoặc giao thức riêng 29

CHƯƠNG III – XÂY DỰNG GIẢI PHÁP THU THẬP SỐ LIỆU TỰ ĐỘNG 30

3.1 Mô hình chung thu thập số liệu tự động 30

3.2 Giải pháp kết nối và truyền thông 31

3.3 Mô hình xây dựng tổng thể hệ thống 34

3.4 Hệ thống đọc số liệu công tơ 35

3.4.1 Mô tả chung 35

3.4.2 Các chức năng chính 36

3.5 Hệ thống giám sát và khai thác số liệu 38

3.5.1 Mô tả chung 38

3.5.2 Các chức năng chính 40

CHƯƠNG IV – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43

5.1 Hệ thống thu thập số liệu công tơ đo đếm 43

5.1.1 Giao diện chính 43

5.1.2 Giao diện đọc số liệu 44

5.1.3 Giao diện cấu hình 45

5.2 Hệ thống giám sát và khai thác số liệu công tơ đo đếm 46

5.2.1 Màn hình đăng nhập 47

5.2.2 Màn hình quản lý các kết nối với IP Modem 48

5.2.3 Màn hình chức năng cấu hình hệ thống 49

5.2.4 Màn hình chức năng biểu đồ sản lượng tiêu thụ điện trong ngày 51

5.2.5 Màn hình báo cáo số liệu chỉ số chốt tháng 52

5.2.6 Màn hình chức năng giám sát thông số hiện thời 54

5.2.7 Màn hình chức năng lập lịch đọc số liệu công tơ 56

5.3 Kết quả triển khai 57

KẾT LUẬN 60

6.1 Kết quả về mặt nghiên cứu 60

6.2 Kết quả về mặt ứng dụng 60

6.3 Hướng phát triển của đề tài 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nếu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, những người đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức cơ bản làm nền tảng cho việc thực hiện luận văn cũng như hoàn thành công việc được giao

Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần giải pháp quản lý năng lượng (E-SOLUTIONS) đã tạo điều kiện cho em phát triển dự án “Giải pháp tự động thu thập và khai thác số liệu công tơ đo đếm” thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

kĩ thuật ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến T.S Nguyễn Tuấn Dũng, thầy đã hướng dẫn, chỉ dạy tận tình để em hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, em vô cùng biết ơn toàn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên em trong quá trình thực hiện luận văn này

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

IEC International Electrotechnical

Commission

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

DLMS/COSEM Device Language Message

Specification/COmpanion Specification for Energy Metering

Chuẩn giao thức truyền thông với công tơ điện tử

nhị phân thì Baudrate = Bitrate) PMU Power Master Unit Phần mềm chính hãng giao tiếp

với công tơ Elster A1700 HDLC High-Level Data Link

Control

Giao thức liên kết dữ liệu theo bit được định nghĩa bởi OSI

TCP/IP Transmission Control

quản lý năng lượng

Danh mục các bảng

Bảng 1: Thống kê các loại công tơ điện tử 3 pha tại Việt Nam 14

Bảng 2: Các số liệu cần thu thập của thông số vận hành 16

Bảng 3: Các số liệu cần thu thập của Biểu đồ phụ tải 17

Bảng 4: Các số liệu cần thu thập của Chỉ số chốt 18

Bảng 5: Các số liệu cần thu thập của Thông số lịch sử 18

Bảng 6: Các số liệu cần thu thập của Thông số sự kiện 19

Bảng 7: Trình tự giao tiếp với công tơ theo chuẩn IEC 62056-21 21

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1: Phạm vi áp dụng thu thập số liệu đo đếm 13

Hình 2: Trình tự giao tiếp với công tơ theo chuẩn IEC 62056-21 21

Hình 3: Các bước giao tiếp với công tơ theo chuẩn DLMS/COSEM 27

Hình 4: Mô hình tổng quát giải pháp thu thập số liệu tự động 30

Hình 5: Sơ đồ kết nối và truyền thông nhiều công tơ 31

Hình 6: Sơ đồ kết nối và truyền thông ít công tơ 32

Hình 7: Hình ảnh thực tế kết nối IP modem với công tơ ZxD/Landis & Gyr 33

Hình 8: Lưu đồ hệ thống thu thập và khai thác số liệu đo đếm 34

Hình 9: Sơ đồ tổng quát ESMR Server 35

Hình 10: Sơ đồ chi tiết ESMR Server 36

Hình 11: Các phân hệ trong ES Metering 39

Hình 12: Luồng trao đổi dữ liệu chi tiết trong ES Metering 40

Hình 13: Giao diện chính ESMR Server 44

Hình 14: Giao diện quá trình trao đổi số liệu với công tơ 45

Hình 15: Giao diện cấu hình hệ thống ESMR Server 46

Hình 16: Giao diện đăng nhập ES Metering 47

Hình 17: Giao diện đăng nhập Web khai thác số liệu 48

Hình 18: Giao diện quản lý kết nối với IP Modem trên ES Metering 48

Hình 19: Giao diện quản lý kết nối với IP Modem trên Web khai thác số liệu 49

Hình 20: Giao diện chức năng cấu hình hệ thống trên ES Metering 50

Hình 21: Giao diện chức năng cấu hình hệ thống trên Web khai thác số liệu 50

Hình 22: Giao diện chức năng báo cáo sản lượng ngày trên ES Metering 51

Hình 23: Giao diện chức năng báo cáo sản lượng ngày trên Web khai thác số liệu 52

Hình 24: Giao diện chức năng báo cáo chỉ số chốt tháng trên ES Metering 53

Hình 25: Giao diện chức năng báo cáo chỉ số chốt tháng trên Web khai thác số liệu 54

Hình 26: Giao diện giám sát thông số U-I-F trên ES Metering 55

Hình 27: Giao diện giám sát biểu đồ P-Q trên ES Metering 55

Hình 28: Giao diện giám sát các thông số hiện thời trên Web khai thác số liệu 56

Hình 29: Giao diện chức năng lập lịch đọc tự động trên ES Metering 57

Hình 30: Giao diện chức năng lập lịch đọc tự động trên Web khai thác số liệu 57

Hình 31: Mô hình đề xuất giải pháp mới 61

MỞ ĐẦU

Tại các công ty Điện lực hiện nay, số lượng và chủng loại công tơ điện tử được lắp đặt cho các khách hàng rất nhiều Hàng tháng, nhân viên phải đi từng công tơ để ghi lại chỉ số của các công tơ đó Các công tơ này đều chưa được quản lý và theo dõi kịp thời

Qua khảo sát thực tế, cần phải tiến hành nghiên cứu và đưa ra một giải pháp nhằm hỗ trợ, cải thiện ở khâu thu thập chỉ số điện năng từ các công tơ điện tử, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và quản lý

Hệ thống này cần đạt hiệu quả cao trong khâu thu thập chỉ số công tơ, đảm bảo

độ tin cậy của dữ liệu thu thập được, giảm thiểu nhân lực và thời gian cho việc đi thu thập dữ liệu trong tháng

Đo đếm điện năng là một yêu cầu quan trọng của ngành Điện lực Đối với bất kì một Công ty Điện lực nào thì chỉ tiêu kinh doanh cũng được đặt ra hàng đầu, chỉ tiêu kinh doanh có hai vấn đề là giá thành và tổn thất Việc ứng dụng các công nghệ cao vào quản lí điện năng sẽ giảm chi phí nhân công và đặc biệt sẽ giảm được tổn thất thương mại trong quá trình truyền tải

Xuất phát từ thực tế nêu trên, hiện nay trên thế giới và ở việt nam đã bắt đầu xuất hiện hệ thống đọc và truyền dữ liệu công tơ điện tử 3 pha với chức năng cấu hình, quản lý, giám sát các thông số điểm đo từ xa về trung tâm Hệ thống này mới được thử nghiệm tại một vài Công ty Điện lực, nó hoàn toàn mới mẻ đối với ngành điện

Vì vậy việc nghiên cứu để triển khai hệ thống này có một ý nghĩa thực tiễn cao trong việc thu thập số liệu các công tơ đầu nguồn ranh giới, kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của khách hàng, phát hiện được các hành vi gian lận phục vụ công tác quản lý kinh doanh điện năng

Trên nhu cầu thực tế đó, luận văn “Giải pháp tự động thu thập và khai thác

số liệu công tơ đo đếm” được thực hiện, với bố cục gồm các chương chính sau:

Chương 1 – Đặt vấn đề

Chương 2 – Nghiên cứu phương pháp đọc số liệu công tơ điện tử

Chương 3 – Xây dựng giải pháp thu thập số liệu tự động Chương 4 – Kết quả và bàn luận

Chương 5 – Kết luận

CHƯƠNG I – ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Cơ sở thực tiễn và hiện trạng

Căn cứ vào nhu cầu thu thập số liệu các công tơ điện tử, phục vụ công tác quản

lý và kinh doanh điện năng tại các trạm biến áp, các điểm giao nhận điện năng, các khách hàng lớn của các công ty Điện lực

Hiện nay, việc đọc số liệu công tơ chủ yếu vẫn là thủ công, đã có một số đơn vị thí điểm áp dụng biện pháp đọc số liệu từ xa bằng cách dùng các phần mềm đi kèm công tơ của nhà sản xuất Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm:

- Phần mềm chính hãng được thiết kế cho mục đích chính là cài đặt, thiết lập chế

độ làm việc… không phải chuyên dùng cho mục đích đọc số liệu và quản lý điện năng từ xa Nếu cho phép dùng phần mềm này để đọc công tơ thì biện pháp quản

lý về mặt tổ chức phải vô cùng chặt chẽ để giám sát sự thiếu trung thực của chính người vận hành do người vận hành có thể có những can thiệp trái phép, cài đặt lại chế độ làm việc của công tơ

- Phần mềm chính hãng chỉ là công cụ đọc dữ liệu thô, không có tính năng xử lý,

quản lý và khai thác dữ liệu thành các dạng thức báo cáo hiển thị phục vụ công tác quản lý, giám sát và điều hành

- Chỉ có thể đọc lần lượt từng công tơ, rất khó khăn để áp dụng cho nhu cầu quản

lý một số lượng công tơ lớn

- Phải dùng kết hợp nhiều phần mềm chính hãng khác nhau để đọc các chủng loại

công tơ khác nhau (do trên lưới điện có rất nhiều chủng loại công tơ)

- Không có chức năng tính toán tiền điện theo các tiêu chí cụ thể của từng hợp đồng

mua bán điện và in hóa đơn thanh toán

1.2 Sự cấp thiết của đề tài

Trong quá trình quản lý vận hành và kinh doanh điện năng, các Công ty Điện lực rất cần các thông số của lưới điện tại các trạm biến áp, các điểm giao nhận điện năng, các điểm đo đếm điện năng của các khách hàng lớn

Việc đánh giá tình hình tiêu thụ điện tại các điểm này cũng vô cùng quan trọng, giúp các Công ty chủ động trong hoạt động sản xuất kinh doanh, dự báo phụ tải, quản

lý và giảm tổn thất điện năng

Để triển khai nâng cao chất lượng dịch vụ khách hàng, một hệ thống đọc chỉ số

từ xa các công tơ đo đếm vận hành tự động và chính xác sẽ hỗ trợ rất nhiều công tác quản lý, kịp thời phát hiện và xử lý các trường hợp bất thường hoặc sự cố hệ thống

đo đếm điện năng, đảm bảo cung ứng điện ổn định, liên tục, an toàn góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ khách hàng cho các Công ty Điện lực

Hiện tại các Công ty Điện lực chưa áp dụng một hệ thống tự động đọc và kiểm soát từ xa nào cho các công tơ đo đếm sản lượng lớn, do đó việc nghiên cứu và xây dựng một hệ thống như vậy để phục vụ cho công tác quản lý giám sát quá trình tiêu thụ điện tại các Công ty Điện lực trở nên vô cùng cần thiết

1.3 Phạm vi áp dụng

Hệ thống có thể thu thập số liệu đo đếm của các công tơ điện tử 3 pha của khách hàng dân dụng, các khách hàng lớn (công ty, xí nghiệp, xưởng sản xuất), các trạm biến áp, các nhà máy điện và trên toàn lưới điện

CHƯƠNG II – NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐỌC SỐ

LIỆU CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ

2.1 Giới thiệu phương pháp nghiên cứu cơ bản

2.1.1 Giới thiệu công tơ điện tử

Công tơ điện (hay còn gọi là điện kế) là thiết bị dùng để đo lượng điện năng tiêu thụ Có 2 loại công tơ điện: công tơ cơ khí và công tơ điện tử

So sánh với công tơ cơ khí, công tơ điện tử có nhiều ưu điểm vượt trội như: Độ chính xác công tơ điện tử đến ± 1%, cao hơn so với công tơ điện cơ (± 2%); hoạt động tin cậy, ổn định; kết cấu nhỏ gọn, thuận tiện trong việc lắp đặt; có khả năng mở rộng

và tích hợp thêm các module rời nhằm bổ sung các tiện ích riêng theo nhu cầu của người sử dụng; đo đếm đa chức năng và đặc biệt là có các cổng giao tiếp dữ liệu (chuẩn RS232, RS485, Ethernet,…) cho phép kết nối vào các hệ thống thu thập dữ liệu tự động từ xa qua các mạng truyền dẫn phổ biến như RF, PLC, GSM, GPRS, CDMA, 3G, Wifi…

Công tơ điện tử 3 pha thường dùng để đo những nơi tiêu thụ điện lớn (các xí nghiệp, trạm phân phối điện…)

Hiện nay, trên lưới điện Việt Nam phổ biến 6 loại công tơ điện tử 3 pha, qua tìm hiểu sơ bộ, có thể phân nhóm công tơ theo chuẩn truyền tin như sau:

Bảng 1: Thống kê các loại công tơ điện tử 3 pha tại Việt Nam

STT Loại công tơ/Hãng sản xuất Giao thức truyền tin

2 ZxD/Landis & Gyr (Thụy sĩ) IEC 62056/DLMS

5 DTS27/Shenzen star (Trung Quốc) Nhà sản xuất không công

bố

6 Genius/EDMI (Singapore) Nhà sản xuất không công

bố

Do hiện nay, tỷ lệ công tơ A1700 của hãng Elster chiếm trên 90% tổng số công

tơ điện tử 3 pha trên lưới điện Việt Nam nên trong luận văn này, tác giả xin đi sâu vào phương pháp đọc số liệu của công tơ này

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Để có thể giao tiếp được với công tơ, cần phải tuần tự tiến hành các bước nghiên cứu như sau:

- Tìm hiểu sơ bộ về từng loại công tơ, tính năng, xác định giao thức truyền tin, sử

dụng thành thạo các công cụ và phần mềm của nhà sản xuất để cài đặt, đọc dữ liệu

từ công tơ

- Tìm hiểu về các giao thức truyền tin của công tơ được quy định trong bộ tiêu

chuẩn IEC 62056 (part 61, 62, 53, 46, 42), IEC 13239, IEC 61334 (part 6, 41) và

bộ sách DLMS/COSEM (Green book, Blue book – rất bị hạn chế vì không có tài liệu đầy đủ)

- Sử dụng phần mềm của nhà sản xuất để giao tiếp với công tơ, phân tích giao thức,

cách mã hóa và giải mã dữ liệu, đồng thời tham chiếu ngược lại với các tiêu chuẩn

mà nhà sản xuất công bố để hiểu rõ hơn giao thức của từng loại công tơ (những điểm phù hợp với tiêu chuẩn và những điểm khác biệt), từ đó có cơ sở để giao tiếp với công tơ bằng các công cụ và phần mềm thử nghiệm

- Sử dụng các công cụ và phần mềm thử nghiệm để đọc dữ liệu từ công tơ, thử phân

tích kết quả đọc về, so sánh kết quả với dữ liệu được đọc bằng phần mềm của nhà sản xuất, viết mô tả giao thức để dựa trên các mô tả này có thể viết module chương trình đọc dữ liệu

2.2 Các loại số liệu thu thập

2.2.1 Thông số vận hành hiện thời (Current values)

Là các thông số ngay tại thời điểm thu thập, bao gồm:

Bảng 2: Các số liệu cần thu thập của thông số vận hành

4 Dòng điện pha A (Ampere phase A) A_A A

5 Dòng điện pha B (Ampere phase B) A_B A

6 Dòng điện pha C (Ampere phase C) A_C A

7 Tần số pha A (Frequency phase A) F_A Hz

8 Tần số pha B (Frequency phase B) F_B Hz

9 Tần số pha C (Frequency phase C) F_C Hz

10 Hệ số công suất pha A (Power Factor

11 Hệ số công suất pha B (Power Factor

16 Công suất hữu công pha A (Active

17 Công suất hữu công pha B (Active

18 Công suất hữu công pha C (Active

19 Công suất vô công pha A (Reactive

20 Công suất vô công pha B (Reactive

21 Công suất vô công pha C (Reactive

22 Công suất biểu kiến pha A (Apparent

23 Công suất biểu kiến pha B (Apparent

24 Công suất biểu kiến pha C (Apparent

25 Công suất hữu công tổng kênh giao IMPORTKWH kWh

26 Công suất hữu công tổng kênh nhận EXPORTKWH kWh

27 Công suất vô công tổng kênh giao IMPORTKVARH kVarh

28 Công suất vô công tổng kênh nhận EXPORTKVARH kVarh

29 Công suất hữu công kênh giao giờ

30 Công suất hữu công kênh giao giờ

31 Công suất hữu công kênh giao giờ

32 Công suất vô công kênh nhận giờ

33 Công suất vô công kênh nhận giờ

34 Công suất vô công kênh nhận giờ

2.2.2 Thông số biểu đồ phụ tải (Load profile)

Biểu thị các giá trị sản lượng tiêu thụ điện theo từng chu kỳ thời gian (30 phút/lần – tức 48 chu kỳ trong 1 ngày):

Bảng 3: Các số liệu cần thu thập của Biểu đồ phụ tải

1 Sản lượng hữu công tổng của kênh

2 Sản lượng hữu công tổng của kênh

3 Sản lượng vô công tổng của kênh

4 Sản lượng vô công tổng của kênh

5 Cờ sự kiện (Events Flag) FLAG

2.2.3 Thông số chỉ số chốt (Historical value)

Là chỉ số tiêu thụ điện trong một khoảng thời gian (Thường là 1 tháng chốt chỉ

số điện một lần):

Bảng 4: Các số liệu cần thu thập của Chỉ số chốt

1 Công suất hữu công

2 Công suất hữu công

3 Công suất vô công tổng

4 Công suất vô công tổng

5

Công suất hữu công của

kênh giao giờ bình

thường

6 Công suất hữu công của

7 Công suất hữu công của

9 Công suất hữu công của

10 Công suất hữu công của

11 Số lần đã chốt chỉ số BILLING_RESET_NUMBER

12 Thời điểm chốt chỉ số BILLING_RESET_TIME

13 Thời gian bắt đầu chốt

14 Thời gian kết thúc chốt

2.2.4 Thông số lịch sử (Instrumentation profile)

Là các giá trị thông số mạch được công tơ tự động lưu lại trong bộ nhớ trong

một chu kỳ thời gian (thường 30 phút, công tơ sẽ tự động chốt các chỉ số này 1 lần)

Bảng 5: Các số liệu cần thu thập của Thông số lịch sử

1 Điện áp pha A (Voltage phase A) V_A V

2 Điện áp pha B (Voltage phase B) V_B V

3 Điện áp pha C (Voltage phase C) V_C V

4 Dòng điện pha A (Ampere phase A) A_A A

5 Dòng điện pha B (Ampere phase B) A_B A

6 Dòng điện pha C (Ampere phase C) A_C A

7 Hệ số công suất tổng (Power Factor - cosφ) PF

2.2.5 Thông số sự kiện (Events log)

Là các sự kiện bất thường xảy ra được công tơ ghi nhận và lưu trữ lại trong bộ

nhớ (Mất điện áp, có điện, mất điện áp từng pha…)

Bảng 6: Các số liệu cần thu thập của Thông số sự kiện

2.3 Công cụ giao tiếp với công tơ

Công cụ sử dụng để giao tiếp, phân tích dữ liệu, truyền nhận dữ liệu với công tơ được sử dụng gồm:

- Phần mềm giao tiếp với công tơ của nhà sản xuất: Power Master Unit hoặc

Datalink (đối với công tơ Elster A1700), MAP120 và MAP110 (đối với công tơ Landis & Gyr ZxD), và các phần mềm chuyên dùng với các loại công tơ khác

- Phần mềm giám sát và chụp lại dữ liệu truyền nhận qua cổng COM: Portmon

- Phần mềm cho phép gửi/nhận dữ liệu qua cổng COM: Comm Operator

2.4 Đọc dữ liệu từ công tơ theo giao thức IEC 62056-21

2.4.1 Sơ bộ về tiêu chuẩn IEC 62056-21

Tiêu chuẩn IEC 62056-21 mô tả các quy định về phần cứng và giao thức cho việc trao đổi dữ liệu với công tơ (local meter data exchange) Các thiết bị trao đổi dữ liệu có thể là máy tính/HHU và công tơ/thiết bị đo (tariff device)

Các kiểu kết nối vật lý giữa máy tính và công tơ có thể sử dụng kiểu kết nối bằng điện (RS232, RS485 hoặc các bộ chuyển đổi) hoặc kết nối qua cổng quang (chi tiết xem mục 4, trang 11- 18) Các chế độ truyền tin, tốc độ truyền, dạng ký tự truyền được qui định trong mục 5 (trang 18)

Mục 6 của tiêu chuẩn qui định các Protocol mode, định dạng các bản tin và quy định các phần dữ liệu trong bản tin Theo đó, IEC 62056-21 đưa ra 5 Protocol mode (là các chế độ giao thức mà nhà sản xuất công tơ phải theo) là A, B, C, D và mode E Protocol mode A hỗ trợ chế độ truyền dữ liệu theo 2 chiều (đọc từ công tơ và ghi xuống công tơ), ở tốc độ cố định là 300Bd, việc đọc dữ liệu và lập trình cho công

tơ có thể phải qua mức mật khẩu bảo mật

Protocol mode B cũng tương tự mode A nhưng tốc độ truyền tin có thể thay đổi trong quá trình truyền tin (được định nghĩa bởi công tơ)

Protocol mode C được xem là chặt chẽ và linh hoạt, với việc cho phép trao đổi

dữ liệu 2 chiều, tốc độ truyền nhận có thể thay đổi, mức bảo vệ mật khẩu truy nhập nâng cao (cho phép sử dụng tạo mật khẩu bảo vệ theo thuật toán)

Protocol mode D quy định dữ liệu chỉ có thể đọc ra và ở tốc độ cố định 2400Bd Trong các Protocol mode A và D, máy tính/HHU đóng vai trò là master và công tơ đóng vai trò là slave

Trong Protocol mode E máy tính đóng vai trò là Client và công tơ đóng vai trò

là Server Đối với protocol mode E, việc khởi tạo giao thức phải tuân theo các qui định trong mode này, sau giai đoạn khởi tạo và bắt tay, việc truyền nhận dữ liệu tiếp theo có thể theo HDLC protocol/DLMS (được quy định trong DLMS standard hoặc được mô tả trong IEC 62056-42/46/53) hoặc quay trở lại Protocol mode C

Để có thể giao tiếp được với công tơ tuân theo chuẩn IEC 62056-21, cần phải nắm được:

- Communication mode: Xác định rõ công tơ giao tiếp theo mode nào? Từ đó xác

định tốc độ truyền/nhận, các bước giao tiếp, dạng khung bản tin truyền nhận…

- Các định dạng bản tin, các trường dữ liệu trong bản tin, thuật toán kiểm tra dữ liệu

trong bản tin (Block check character – tham khảo trong IEC 1745:1975)

2.4.2 Đọc số liệu từ công tơ A1700 của hãng Elster

Theo tài liệu kỹ thuật do hãng Elster công bố, công tơ A1700 tuân theo chuẩn truyền thông IEC 60256-21 Dựa trên phân tích bằng phần mềm giao tiếp với công tơ

của hãng (Power Master Unit và Datalink), đã xác định được giao thức truyền tin với công tơ được thực hiện theo Protocol mode C Trình tự giao tiếp được quy định cụ thể trong tiêu chuẩn như sau:

Hình 2: Trình tự giao tiếp với công tơ theo chuẩn IEC 62056-21

Bảng 7: Trình tự giao tiếp với công tơ theo chuẩn IEC 62056-21

Bước Thao tác theo chuẩn IEC 62056-21 Thực tế giao tiếp với công tơ

A1700

0 Thiết lập cổng truyền thông vật lý giữa công tơ và máy tính

1 Máy tính gửi bản tin /?Device

address!<CR>< LF> xuống công tơ Bản tin gửi: -> /?001!<CR><LF>

2 Công tơ gửi về /XXXZ Ident <CR><

LF>

/GEC3090100301000@000<CR>

<LF>

3 Máy tính gửi xác nhận: <ACK> 0 Z

Tham số P0 mà công tơ gửi lên máy tính (trong bước 4) là một dữ liệu ngẫu nhiên có độ dài 8 byte, dữ liệu ngẫu nhiên này là đầu vào cho hàm tính toán để đưa

ra Password (P2) (trong bước 5) Hiện chưa xác định được thuật toán của hàm tính password cùng các tham số đầu vào khác (có thể có) cho hàm này nên việc giao tiếp với công tơ A1700 dừng lại ở bước 5

Công tơ A1700 chỉ tuân theo IEC 62056-21, trong tiêu chuẩn này không quy định phương thức mã hóa dữ liệu và hệ thống ID của các dữ liệu cần thao tác Do vậy, chưa biết được ID của các dữ liệu và phương thức mã hóa dữ liệu của nhà sản xuất để có thể truy xuất dữ liệu và giải mã dữ liệu được đọc ra từ công tơ

Nếu vượt qua được bước bảo mật, các lệnh đọc và ghi dữ liệu vào công tơ được thực hiện theo cú pháp sau:

- Đối với lệnh đọc: <SOH>R1<STX>A A(N N)<ETX><BCC>

- Đối với lệnh ghi: <SOH>W1<STX>A A(D D)<ETX><BCC>

- Dữ liệu trả về có dạng: <STX>(d…d)<ETX><BCC>

Trong đó:

- A A là ID/Adress của dữ liệu cần thao tác

- N N là độ dài của dữ liệu cần đọc

- D D là dữ liệu cần ghi

- d d là dữ liệu công tơ gửi về sau lệnh đọc

Để có thể truy xuất được dữ liệu từ công tơ, cần biết được phương thức mã hóa

dữ liệu của nhà sản xuất (phần mềm Power Master Unit và Datalink không hỗ trợ việc phân tích dữ liệu), việc phân tích dữ liệu một cách phán đoán không đáng tin cậy

và mang nhiều rủi ro

2.4.2.1 Đọc thông số Biểu đồ phụ tải

COM-> <SOH>W1<STX>556001(0200)<ETX>c // Máy tính truyền vào số

ngày cần đọc với lệnh W1

<-COM <ACK> // Công tơ cho phép đọc dữ liệu

COM-> <SOH>R1<STX>556001(02)<ETX>f // Máy tính truyền vào lệnh đo

nhận biết bằng kết thúc gói tin FF

COM14-> <SOH>B0<ETX>q // Kết thúc

2.4.2.2 Đọc thông số chỉ số chốt

Khối block được tính dựa trên số set muốn lấy và blockcount theo từng loại phiên bản của công tơ

COM-> <SOH>R1<STX>543001(40)<ETX>d // Địa chỉ thanh ghi 543000,

khối block 543001, Độ dài block 40

<-COM

<STX>(2032876560580900526916116727000060148408559203007292956078 45000044919076230000008495522761250400281439415898130044568069333

80400

)<ETX><ETX> // Dữ liệu sẽ được phân tách từng 8 bytes

COM-> <SOH>R1<STX>543002(40)<ETX>g // Khối block thứ 2

<-COM

<STX>(8431440485250400000000000000000084469716120507008843682973 32010064091719752001002825414070170000601578752106000044019794740 30000)<ETX><BEL>

COM-> <SOH>R1<STX>54300a(27)<ETX>5 // Khối block cuối cùng tùy

thuộc vào từng phiên bản công tơ

<-COM

<STX>(28A22F510200000000000000B0572E51020000000000000079008005 0B5180EF2F510180EF2F51)<ETX>|

COM-> <SOH>R1<STX>548001(2E)<ETX><FS>

<-COM

<STX>(5106530651065106510651065106510603040506000001010102020200 0000000000000000000101010102020202)<ETX><BEL>

COM-> <SOH>B0<ETX>q

2.4.2.3 Đọc thông số vận hành

< SOH>R1<STX>861001(07)<ETX>j // Địa chỉ thanh ghi 861001 Time & Date,

đô dài dữ liệu 07

<STX>(35491385920014)<ETX> // Dữ liệu DateTime

<SOH>R1<STX>507001(40)<ETX>d // Lấy dữ liệu "Import Wh", "Export

Wh", "Q1 varh", "Q2 varh", "Q3 varh", "Q4 varh", "VAh", "CD1", "CD2", "CD3"

<STX>(3076880906026709872072857138070063411414444556012088921728 00000016257754937905003077723114100000488492254374920983290732724 55601)<ETX><ACK> \\ Khối dữ liệu bao gồm cả 10 bytes ở lệnh dưới phân tách

5 bytes từng loại số liệu theo thứ tự

<ETX> [61] // Dữ liệu dòng điện hiện thời 3 pha

<SOH>W1<STX>605001(1B2B4B00)<ETX> [22] // Truy xuất dữ liệu điện áp

3 pha hiện thời

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] \\ Đọc dữ liệu điện áp hiện thời

<STX>(00001318830974000013171564960000130760681600FF0000000000)

<ETX>Dữ liệu điện áp 3 pha

<SOH>W1<STX>605001(1C2C4C0C)<ETX>c [22] // Truy xuất dữ liệu công

suất đang phát của 3 pha và pha tổng

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] // Đọc dữ liệu công suất đang phát

<STX>(00000907870205000009273459690000090787020500002744959050)< ETX> [61] // Dữ liệu công suất đang phát

<SOH>W1<STX>605001(1D2D4D0D)<ETX>c [22] // Truy xuất dữ liệu công

suất phản kháng hiện thời

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] // Đọc dữ liệu công suất phản kháng

<STX>(00000095880681000000940080100000012471979200000314983020)< ETX> [61] // Dữ liệu công suất phản kháng tức thời

<SOH>W1<STX>605001(1E2E4E0E)<ETX>c [22] // Truy xuất dữ liệu công

suất biểu kiến

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] // Đọc dữ liệu công suất biểu kiến

<STX>(00000911990078000009329639770000091610995100002761064008)< ETX><LF> [61] // Khối dữ liệu công suất biểu kiến

<SOH>W1<STX>605001(13234303)<ETX>c [22] // Truy xuất hệ số công suất

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] // Đọc dữ liệu hệ số công suất

<STX>(01000000009936010000000099430100000000989701000000009929)< ETX>

[61] // Khối dữ liệu hệ số công suất

<SOH>W1<STX>605001(18284800)<ETX>k [22] Truy xuất dữ liệu tần số

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] // Đọc dữ liệu tần số

<STX>(00000000498828000000004988280000000049882800FF0000000000)

<ETX> [61] // Khối dữ liệu tần số

<SOH>W1<STX>605001(19294900)<ETX>j [22] // Truy xuất dữ liệu góc pha

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] // Đọc dữ liệu góc pha

<STX>(80000000049995800000000400098000000009000900FF0000000000)

<ETX> [61] // Khối dữ liệu góc pha

<SOH>W1<STX>605001(07000000)<ETX>c [22] // Truy xuất thứ tự quay các

pha

<ACK> [1]

<SOH>R1<STX>606001(1C)<ETX> [16] // Đọc thứ tự quay

<STX>(0000000000000100FF000000000000FF000000000000FF0000000000)

<ETX><ETX> [61] // Khối dữ liệu thứ tự pha

<SOH>B0<ETX>q // Lệnh kết thúc giao tiếp

2.5 Đọc dữ liệu từ công tơ theo giao thức IEC 62056/DLMS

2.5.1 Sơ bộ về chuẩn DLMS

Chuẩn DLMS/COSEM quy định cách thức mô hình hóa dữ liệu (data model) và các giao thức truyền tin cho việc trao đổi dữ liệu với các thiết bị đo đếm Theo đó, khi thiết lập kênh truyền tin giữa các thiết bị với nhau phải qua 3 bước như sau:

Hình 3: Các bước giao tiếp với công tơ theo chuẩn DLMS/COSEM

Bước 1: Modelling

Bước này thực hiện việc mô hình hóa dữ liệu cho thiết bị đo và các quy tắc để phân loại dữ liệu Theo mô hình hóa dữ liệu, các chức năng của thiết bị đo được nhìn thông qua các lớp giao diện (Interface class), dữ liệu được chia làm các đối tượng bao gồm các thuộc tính và phương thức

Bước 2: Messaging

Bước này đề cập tới các dịch vụ truyền tin và các giao thức để tham chiếu các thành phần dữ liệu (đã được thực hiện trên lớp modelling) tới các đơn vị dữ liệu trên lớp giao thức ứng dụng (application protocol data unit - APDU)

2.5.2 Đọc dữ liệu từ công tơ ZxD của hãng Landis & Gyr

Theo công bố của nhà sản xuất, công tơ ZxD Landis & Gyr tuân theo chuẩn truyền thông IEC 62056/DLMS Dựa trên phân tích bằng phần mềm giao tiếp với công tơ từ hãng, thấy rằng giao thức công tơ sử dụng theo HDLC protocol thông qua mode E Cụ thể:

Theo Protocol mode E, thiết bị đọc (máy tính/HHU) đóng vai trò là Client, công

tơ đóng vai trò là Master Sau khi thiết lập cổng truyền thông, máy tính gửi bản tin

</><?>SerialNumber<!> xuống công tơ, công tơ trả lời lại bằng bản tin /XXX\W Ident <CR><LF> (XXX là mã của nhà sản xuất, W là thông số cho biết tốc độ truyền thông ở bước tiếp theo, Ident là số Serial của công tơ) Nếu máy tính trả lời bản tin xác nhận ACK 2 Z 2 <CR><LF>, phiên giao tiếp tiếp theo sẽ được thực hiện theo HDLC protocol, nếu không trả lời bản tin xác nhận, phiên giao tiếp sẽ đi vào chế độ Readout data (công tơ gửi các dữ liệu mặc định của nhà sản xuất lên máy tính) Khi vào giai đoạn giao tiếp theo HDLC Protocol, máy tính (Client) gửi bản tin hỏi/hoặc ra lệnh, công tơ (Server) gửi bản tin trả lời/hoặc đáp ứng

Để có thể đọc dữ liệu từ công tơ L&G, nhất thiết phải qua 4 bước sau:

- Bước 1: Khởi tạo truyền thông theo Protocol mode E

 S-> /?SerialNuber!<CR><LF> // Máy tính gửi yêu cầu

 R<- /LGZ5\2ZMD4054407.B21<CR><LF> //Công tơ gửi bản tin trả lời

 wait for minimum response time delay (minimum reaction time: 200ms)

 S-> <ACK>252<CR><LF> //Máy tính gửi mã xác nhận

 R<- <ACK>252<CR><LF> //Công tơ xác nhận lại

- Bước 2: Giai đoạn bắt tay trong HDLC Protocol

 Máy tính gửi SNRM Frame để thiết lập kênh truyền thông trên lớp HDLC, công tơ gửi đáp ứng qua UA Frame

 Máy tính gửi lệnh khởi tạo kênh truyền thông trên lớp COSEM/DLMS, công

tơ gửi bản tin đáp ứng

 Máy tính gửi lệnh đọc cấu hình công tơ, công tơ gửi bản tin trả lời

- Bước 3: Đọc dữ liệu từ công tơ

 Máy tính gửi thông tin về đối tượng/ giá trị cần đọc, công tơ gửi bản tin trả lời

 Trong bước này cần chú ý tới việc chuyển tải dữ liệu gửi đúng cấu trúc và phương thức mã hóa dữ liệu để giải mã dữ liệu công tơ gửi về

- Bước 4: Giải phóng kênh truyền thông

 Máy tính gửi lệnh kết thúc kênh truyền thông (qua DISC Frame), công tơ gửi bản tin xác nhận, kênh truyền thông được giải phóng

2.6 Đọc dữ liệu từ công tơ của nhà sản xuất không công bố giao thức hoặc giao thức riêng

Phương án đề xuất đối với loại công tơ này là:

- Liên lạc với nhà sản xuất hoặc các đơn vị trong nước có giao thức của nhà sản

xuất (các công ty điện lực, các đơn vị sản xuất bàn kiểm công tơ…) để có giao thức từ đó mới có thể triển khai xây dựng module phần mềm

- Có thể mua bản quyền hoặc mua thư việc dll (chứa các hàm truy xuất dữ liệu từ

công tơ) từ các bên thứ 3

CHƯƠNG III – XÂY DỰNG GIẢI PHÁP THU THẬP SỐ LIỆU

PC GPRS/3G

INTERNET

ROUTER

GPRS/3G GPRS/3G

IP modem IP modem IP modem

Hình 4: Mô hình tổng quát giải pháp thu thập số liệu tự động

Tất cả các công tơ cần thu thập số liệu, sẽ được kết nối đến một hệ thống máy chủ:

- Máy chủ đọc số liệu: Làm nhiệm vụ đọc số liệu công tơ, tích hợp rất nhiều giao

thức đọc cho phép đọc nhiều loại công tơ điện tử khác nhau, xuất ra các file số liệu và đẩy số liệu vào cơ sở dữ liệu

- Máy chủ cơ sở dữ liệu: Lưu trữ các số liệu thu thập

- Máy chủ khai thác số liệu: Làm nhiệm vụ vận hành, giám sát và khai thác các số

liệu thu thập