智能電網(wǎng)中電力設(shè)備接入中間件的設(shè)計

熊 飛，谷勇浩，于華東，徐長福，路永玲，王永非，呂俊峰，黨育軍，王 鵬

(1. 國家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京 100761；2. 北京郵電大學(xué)，計算機學(xué)院智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室，北京 100876；3. 國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，北京 102211；4. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103；5. 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100080)

智能電網(wǎng)中電力設(shè)備接入中間件的設(shè)計

熊 飛1，谷勇浩2，于華東3，徐長福4，路永玲4，王永非2，呂俊峰1，黨育軍1，王 鵬5

(1. 國家電網(wǎng)公司信息通信分公司，北京 100761；2. 北京郵電大學(xué)，計算機學(xué)院智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室，北京 100876；3. 國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，北京 102211；4. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京 211103；5. 中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，北京 100080)

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，越來越多種類的電力設(shè)備開始應(yīng)用到生產(chǎn)中來，如何方便快捷地把新增設(shè)備接入到應(yīng)用系統(tǒng)的同時很好地匹配新增設(shè)備規(guī)約成為研究熱點。目前對新增規(guī)約處理的方法中的一種是開發(fā)新代碼匹配新增規(guī)約，但是這種方式重復(fù)工作量大。第二種是使用規(guī)約轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)新增規(guī)約與原來規(guī)約的轉(zhuǎn)換，但是該方法對系統(tǒng)應(yīng)用層代碼修改較大，同時降低了系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性、互操作性和軟件平滑升級的能力。本文提出一種基于中間件層的電力設(shè)備接入方法，通過中間件層來屏蔽不同設(shè)備不同規(guī)約間的報文差異，向應(yīng)用層提供統(tǒng)一接口，降低新增規(guī)約的工作量，最后通過總召命令實例來說明中間件層對應(yīng)用層與設(shè)備規(guī)約的匹配。

智能電網(wǎng)；規(guī)約轉(zhuǎn)換；電力設(shè)備接入；中間件

0 引言

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，我國進(jìn)入智能電網(wǎng)全面建設(shè)階段，在智能化變電站、發(fā)電、智能輸電、智能配電網(wǎng)、智能用電和智能調(diào)度等方面要接入大量新的智能設(shè)備，同時原有應(yīng)用系統(tǒng)要匹配這些新增規(guī)約。如果采用傳統(tǒng)的規(guī)約轉(zhuǎn)換方式[1]雖然能夠從一定程度上減少協(xié)議匹配中的工作量，但是仍需要修改應(yīng)用層代碼，還需要大量人力物力進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)升級，本文在原有規(guī)約轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上提出在應(yīng)用層與設(shè)備規(guī)約層間新增一個中間件層的方法，向應(yīng)用層提供統(tǒng)一穩(wěn)定的接口，降低新增設(shè)備和新增規(guī)約時的工作量。

1 相關(guān)工作

目前當(dāng)新增設(shè)備接入到系統(tǒng)時，傳統(tǒng)方法[2]是給新增設(shè)備的規(guī)約編寫一個規(guī)約匹配程序，實現(xiàn)設(shè)備與上位機或監(jiān)控主站的通信。這種方法可以把新增規(guī)約和系統(tǒng)原有規(guī)約關(guān)聯(lián)起來，此方法的優(yōu)點是通過新舊規(guī)約的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使規(guī)約轉(zhuǎn)換相對獨立，代碼修改量比較小，修改起來相對簡單。但是缺點也比較明顯，首先是不同規(guī)約轉(zhuǎn)換中會有重復(fù)部分，此方法并沒有將公共部分加以抽象、提取和封裝；其次當(dāng)出現(xiàn)協(xié)議交叉轉(zhuǎn)換時難實現(xiàn)；而且要求開發(fā)人員必須熟悉規(guī)約及規(guī)約之間的映射關(guān)系；最后由于所用協(xié)議轉(zhuǎn)換種類較多，對應(yīng)用系統(tǒng)中規(guī)約的管理帶來麻煩。

改進(jìn)后方法[3]是新增一個規(guī)約轉(zhuǎn)換器。具體做法是在源規(guī)約與目標(biāo)規(guī)約之間建立數(shù)據(jù)庫用于實時轉(zhuǎn)換(P-RTDB)。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之前先將通信規(guī)約轉(zhuǎn)換中相同功能部分提取出來組成一個通用規(guī)約，源規(guī)約和目標(biāo)規(guī)約通過調(diào)用通用規(guī)約部分實時訪問P-RTDB，對于規(guī)約特有部分進(jìn)行單獨編碼轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對不同規(guī)約的轉(zhuǎn)換，該方法節(jié)省了通信規(guī)約軟件開發(fā)的人力物力成本，使開發(fā)變的更加容易。但是這種方法仍然會出現(xiàn)在新增規(guī)約的時候?qū)?yīng)用層代碼進(jìn)行修改，仍會給應(yīng)用層軟件的維護(hù)和平滑升級帶來困難。

文獻(xiàn)[4]提出了一種比較通用的規(guī)約轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方案。該方案基于分布式客戶端/服務(wù)器(C/S)的體系架構(gòu)，其中請求規(guī)約轉(zhuǎn)換的程序為客戶端，提供規(guī)約轉(zhuǎn)換的程序為服務(wù)端。服務(wù)端還是一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，把不同客戶端的請求進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后發(fā)送給指定客戶端。數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)是通過“觀察者模式”實現(xiàn)，通過推/拉方式提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。同時該方法還提供了傳統(tǒng)規(guī)約與IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換時的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得每個規(guī)約轉(zhuǎn)換節(jié)點的通信程序只需開發(fā)一次，提高了效率，減輕了傳統(tǒng)規(guī)約轉(zhuǎn)換器給變電站綜合自動化帶來的負(fù)面影響。但是該系統(tǒng)的規(guī)約轉(zhuǎn)換工作集中到“觀察者”服務(wù)器上來，很容易因為一臺服務(wù)器宕機導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰，同時也沒從根本上解決新增規(guī)約后應(yīng)用層程序完全自適應(yīng)的問題。

文獻(xiàn)[5]-[8]把目前比較成熟的軟件框架技術(shù)和規(guī)約轉(zhuǎn)換方法相結(jié)合提出將CORBA技術(shù)和分布式硬件平臺結(jié)合應(yīng)用于IEC61 850規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置的方法。但該方法只是提出了非IEC61 850規(guī)約向IEC61 850規(guī)約轉(zhuǎn)換的方法，并沒有給出通用的規(guī)約轉(zhuǎn)換方法以及具體轉(zhuǎn)換形式和過程；還有的分析了變電站自動化系統(tǒng)升級改造中出現(xiàn)的許多新問題和產(chǎn)生問題原因，介紹了中間件技術(shù)的特點和幾種典型的中間件，并結(jié)合變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出了在變電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用中間件技術(shù)的思路。但是并未深入說明如何將中間件技術(shù)和規(guī)約轉(zhuǎn)換結(jié)合起來解決規(guī)約轉(zhuǎn)換中的問題；還有的提出采用COM技術(shù)將各規(guī)約做成組件的形式，最大限度地將客戶和規(guī)約的具體實現(xiàn)分開，需要某種規(guī)約就導(dǎo)入對應(yīng)的組件，客戶面對的只是接口，這樣做使程序非常靈活而且便于維護(hù)，提高了程序的重用性。但是此方法仍不能解決當(dāng)新增規(guī)約時對應(yīng)用層修改的問題。

文獻(xiàn)[9]將系統(tǒng)分為三層。業(yè)務(wù)處理層主要通過獲取通信系統(tǒng)采集設(shè)備上傳的信息后進(jìn)行綜合處理，規(guī)約的調(diào)度轉(zhuǎn)換以及資源的管理和配置等；規(guī)約適配層主要是將采集的設(shè)備信息進(jìn)行規(guī)約處理，按指定策略進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換、規(guī)約調(diào)度；物理接口層是直接與設(shè)備進(jìn)行交互的，直接從設(shè)備接收數(shù)據(jù)以及直接向設(shè)備下發(fā)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行設(shè)備物理端口的控制、參數(shù)的設(shè)定等。這種分層設(shè)計基本實現(xiàn)規(guī)約的轉(zhuǎn)換及向業(yè)務(wù)層提供設(shè)備數(shù)據(jù)，但是并沒有深入說明如何實現(xiàn)協(xié)議適配層，以及向業(yè)務(wù)層提供的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約格式。

2 電力設(shè)備接入中間件層設(shè)計

通過引用中間件層，可向應(yīng)用層提供統(tǒng)一接口，方便應(yīng)用系統(tǒng)的維護(hù)和升級。同時向下匹配各種設(shè)備規(guī)約，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)中接入設(shè)備的靈活性和多樣性。

2.1 基于中間件層的電力設(shè)備接入體系

基于中間件層的電力設(shè)備接入體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于中間件層的電力設(shè)備接入體系結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用層是面向用戶的，主站可以通過應(yīng)用層顯示設(shè)備狀態(tài)和向設(shè)備下發(fā)命令。中間件層連接應(yīng)用層和設(shè)備層并且在兩層間完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)設(shè)備接入地點和方式的不同選擇局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、VPN等。接入的電力設(shè)備包括一次設(shè)備、二次設(shè)備等。中間件是適用于應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)源之間的互操作模型[10]。中間件向上對應(yīng)用層提供設(shè)備狀態(tài)信息，向下對設(shè)備感知層下達(dá)指令信息。中間件可以接入發(fā)電、輸電、變電、用電環(huán)節(jié)設(shè)備，通過中間件可以控制單獨一個設(shè)備，也可以向一類設(shè)備發(fā)送命令，或者向一組設(shè)備下達(dá)指令。同時，應(yīng)用層屏蔽不同設(shè)備的差異，向應(yīng)用層提供統(tǒng)一接口。當(dāng)新增或刪去設(shè)備時，系統(tǒng)都能快速地自適應(yīng)。

2.2 電力設(shè)備接入中間件層的設(shè)計

中間件層向應(yīng)用層提供初始化鏈路、設(shè)備添加、設(shè)備刪除、設(shè)備分組、設(shè)備實時信息監(jiān)控、設(shè)備指令操作等接口。中間件層對不同種類設(shè)備進(jìn)行分類接入處理，對同一類設(shè)備也有添加、刪除、控制和監(jiān)視等操作。中間件層與電力設(shè)備間的交互數(shù)據(jù)分為連續(xù)型、離散型、字符型等數(shù)據(jù)類型。添加過程需要新接入的設(shè)備先發(fā)送請求添加報文，在主監(jiān)控站對設(shè)備相關(guān)信息進(jìn)行確認(rèn)并決定授權(quán)后，再下發(fā)允許添加報文，在設(shè)備添加成功后，要向主監(jiān)控站發(fā)添加成功確認(rèn)報文。刪除過程由主監(jiān)控站先行發(fā)起。在控制操作中主監(jiān)控站下發(fā)控制命令，比如對開關(guān)的遙控命令，包括控開和控合等；在監(jiān)視操作中由設(shè)備向主監(jiān)控站上傳實時信息，如電度信息，刀閘狀態(tài)信息等。

2.2.1 中間件層向應(yīng)用層提供一接口

中間件層在應(yīng)用層之下，向應(yīng)用層提供統(tǒng)一接口，接口報文格式如圖2所示。

圖2 中間件層向上提供接口的報文格式

1、字段含義如下：

（1）啟動字符：（固定字符）68H。

（2）報文長度：（10字節(jié)）包括校驗字段但不包括開始字符和結(jié)束字符。

（3）傳輸方向：（1字節(jié)）從主站到子站為1，從子站到主站為2。

（4）命令字：（8字節(jié)）定義不同命令如初始化鏈路、遙控、總召喚等。

（5）主站標(biāo)識符：（20字節(jié)）點對點通信中主站的唯一標(biāo)識符。

（6）設(shè)備標(biāo)識符：（20字節(jié)）點對點通信中設(shè)備的唯一標(biāo)識符。

（7）設(shè)備類型ID：（20字節(jié)）離散數(shù)值類型設(shè)備：斷路器，刀閘。連續(xù)數(shù)據(jù)類型設(shè)備：變壓器等。

（8）數(shù)據(jù)個數(shù)：（8字節(jié)）本次傳送的數(shù)據(jù)的個數(shù)。

（9）數(shù)據(jù)類型：（8字節(jié)）分為離散型、連續(xù)型、字符型。

（10）數(shù)據(jù)值域：（不定長）由數(shù)據(jù)個數(shù)字段及數(shù)據(jù)類型決定數(shù)據(jù)值域的大小。

（11）幀校驗和：（定長-2字節(jié)）CRC校驗的校驗和。

（12）結(jié)束字符：（固定字符）86H。

2、重點字段說明

（1）命令字：定義不同控制命令，如初始化鏈路、遙控、總召喚等。

（2）設(shè)備類型ID：離散數(shù)值類型設(shè)備：斷路器，刀閘。連續(xù)數(shù)據(jù)類型設(shè)備：變壓器、互感器，智能表，用電設(shè)備等。根據(jù)不同類型的設(shè)備，定義每一種類型的ID。

（3）數(shù)據(jù)類型：分為離散型、連續(xù)型、字符型。其中，離散型數(shù)據(jù)為整型數(shù)據(jù)，標(biāo)識設(shè)備狀態(tài)，例如刀閘狀態(tài)（連接為1，斷開為0）；連續(xù)型數(shù)據(jù)為浮點型數(shù)據(jù)，標(biāo)識設(shè)備采集的數(shù)值，例如五遙信息[11]、定值信息等；字符型為不定長字符串類型，標(biāo)識除離散型和連續(xù)以外的數(shù)據(jù)類型，例如SOE（事件順序記錄）、時間等。

2.2.2 中間件層向下匹配各類規(guī)約

在圖1的體系結(jié)構(gòu)圖中，中間件層通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控電力設(shè)備，在監(jiān)控過程中常用到的規(guī)約有IEC101、IEC103、MODBUS等，把這些規(guī)約定義為設(shè)備規(guī)約層，中間件層需要對這些規(guī)約進(jìn)行匹配，中間件層與設(shè)備規(guī)約層匹配如圖3所示。

圖3 中間件層與規(guī)約層的匹配

中間件層需要與設(shè)備現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行對接，從設(shè)備層發(fā)來的不同類型的報文中提取出相應(yīng)字段，封裝成圖2所示的報文后發(fā)送給應(yīng)用層。

3 中間件層設(shè)計實例

總召是在主站初始化后召喚子站的所有數(shù)據(jù)，主站下發(fā)總召命令，子站需回復(fù)確認(rèn)命令，然后等待主站召喚數(shù)據(jù)。主站下發(fā)召喚數(shù)據(jù)命令，子站收到命令后就連續(xù)地以總召喚的信息內(nèi)容按組地形成被召喚的信息（如遙信、遙測信息）返回給主站。總召過程如圖4所示。

圖4 總召過程

本實例只描述主站向子站下發(fā)總召命令的過程，并通過中間件層協(xié)議報文的設(shè)計來匹配IEC101規(guī)約。其中IEC101規(guī)約格式如圖5所示。其中ASDU (Application Service Data Unit)是應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元，L表示報文長度。

圖5 IEC101規(guī)約格式

總召命令報文中只有命令字段，根據(jù)命令字段就可以完成對IEC101規(guī)約中總召報文的轉(zhuǎn)換，所以數(shù)據(jù)字段為空，主站下發(fā)總召命令下發(fā)規(guī)約報文如圖6所示。

在與IEC101匹配的過程中，圖5中的鏈路地址就是子站地址，對應(yīng)圖6中的ALL TYPE ID字段，圖5中的類型標(biāo)識對應(yīng)圖6中的命令字段CALL，圖5中的公共地址對應(yīng)圖6中的設(shè)備標(biāo)識符中的ALL ID字段，圖5中的信息體時標(biāo)為當(dāng)前系統(tǒng)時間，傳送原因根據(jù)命令字定義為總召。另外，圖6中其他字段含義見圖2中的字段說明。

圖6 應(yīng)用層下發(fā)報文

4 結(jié)語

針對電力系統(tǒng)中不同新增電力設(shè)備種類的接入，導(dǎo)致頻繁修改用戶應(yīng)用程序的問題，我們在應(yīng)用層之下新增一個設(shè)備接入中間件層，此中間件層向應(yīng)用層提供了統(tǒng)一的接口，從而方便了用戶使用和維護(hù)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)軟件，最后通過一個總召命令實例來說明中間件層對應(yīng)用層與設(shè)備規(guī)約的匹配。

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Middleware Design of Power Equipment Access for Smart Grid

XIONG Fei1, GU YONG-hao2, YU Hua-dong3, XU Chang-fu4, LU Yong-ling4, WANG Yong-fei2, LV Jun-feng1, DANG Yu-jun1, WANG Peng5
(1. State Grid Information & Telecommunication Branch Company,Beijing 100761, China; 2. Beijing Key Laboratory of Intelligent Telecommunication Software and Multimedia, School of Computer Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China; 3. R&D Center of State Grid Information & Telecommunication Group Co., LTD., Beijing 102211, China; 4. Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing City 211103, China; 5. Institute of computing technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)

With the development of the power industry, and more types of electrical equipment being used in production, how to quickly and easily add new devices to the application system and match the new equipment protocols has become a hot topic. One kind of current methods for new protocols is developing new code to match these protocols, which has too heavy workload. The second method is to use protocol converters between new protocols and the original protocols, which needs great changes of application code and at the same time reduces system’s compatibility, stability, interoperability and the ability of software upgrade smoothly. This paper presents a power devices access method based on middleware to mask the differences on different packets between different devices and different protocols, and provide a unified interface for application layer to reduce the workload of adding new protocol. In the final section, one example of total by-call command is illustrated to explain how to match the application layer and device statute by design the protocol packet of the middleware layer.

Smart grid; Protocol conversion; Power equipment access; Middleware

TM73

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.12.003

本文受國家電網(wǎng)科技項目（SGTYHT/15-JS-191），國家自然科學(xué)基金資助項目（61173017），工信部通信軟科學(xué)基金資助項目（2014-R-42，2015-R-29）

熊飛(1983-)，男，博士，高工，研究方向：從事電力骨干傳輸網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究；谷勇浩(1980-)，男，博士，高工，研究方向：網(wǎng)絡(luò)及信息安全技術(shù)研究；于華東(1973-)，男，碩士，高工，研究方向：無線通信技術(shù)研究；徐長福(1970-)，男，碩士，高工，研究方向：電力無線專網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究、智能巡檢及狀態(tài)監(jiān)測新技術(shù)研究等。

本文著錄格式：熊飛，谷勇浩，于華東，等. 智能電網(wǎng)中電力設(shè)備接入中間件的設(shè)計[J]. 軟件，2016，37（12）：13-16