基于代理模式的分層規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

許曉飛

摘要：該文針對目前電力系統(tǒng)關(guān)口電力計量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在的通信規(guī)約不統(tǒng)一、重復(fù)開發(fā)、維護困難的問題設(shè)計完成了一種通用性的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊，該模塊基于代理模式，采用分層設(shè)計思想，可以適用于現(xiàn)行的大多數(shù)規(guī)約，規(guī)約接口的維護相對簡單，提高了電力系統(tǒng)的工作效率。使用該設(shè)計模塊的關(guān)口電力計量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在山西、四川等地運行。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；規(guī)約轉(zhuǎn)換；代理模式；分層設(shè)計

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）30-0253-02

自2011年以來，“全國一張網(wǎng)”工程的實施、鞏固，中國國家電網(wǎng)提出堅強智能電網(wǎng)概念[1-2]。智能電網(wǎng)要求“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合即數(shù)據(jù)的集成，但是由于之前國家電網(wǎng)已建成的變電站采用的電能表廠商不一，各個廠商使用的電能表協(xié)議規(guī)范也不統(tǒng)一，使得在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為不同終端設(shè)備解析其通信規(guī)約相當復(fù)雜[3-4]，堅強智能電網(wǎng)計劃的數(shù)據(jù)集成面臨著嚴峻的問題。

目前看來，規(guī)約轉(zhuǎn)換在解決數(shù)據(jù)集成問題中是不可或缺的。為了解決規(guī)約轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開發(fā)問題，文獻[5]采用基于模板的通信規(guī)約設(shè)計思想，實現(xiàn)了使用103這一標準規(guī)約模板的不同廠家的設(shè)備接入了變電站自動化系統(tǒng)；文獻[6]將基于CORBA技術(shù)的軟件平臺和分布式硬件平臺相結(jié)合，應(yīng)用在了IEC61850的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置中，解決了在采用IEC61850通訊體系變電站自動化系統(tǒng)中接入非IEC61850協(xié)議的智能設(shè)備的問題；文獻[7]通過使用XML技術(shù)對協(xié)議映射建模，利用以太網(wǎng)通信來設(shè)計規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊，以此傳統(tǒng)的104通信協(xié)議與IEC61850協(xié)議的轉(zhuǎn)換。從實際開發(fā)看，基于模板的思想僅適用如部分規(guī)約解析，基于CORBA技術(shù)的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置雖然使其變得靈活方便，互操作性良好，但是并沒有給出通用的規(guī)約轉(zhuǎn)換方法和具體的轉(zhuǎn)換過程，而且CORBA沒有和開發(fā)工具緊密耦合，給CORBA應(yīng)用帶來了問題；同時基于XML技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的規(guī)約轉(zhuǎn)換器雖然符合工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向，但是也只能完成104規(guī)約與IEC61850協(xié)議的無縫轉(zhuǎn)換。為此，本文提出一種采用分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，基于代理模式的規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊，該模塊組件可以與大多數(shù)現(xiàn)行規(guī)約通信，添加新的通信規(guī)約僅需要少量代碼，并且在系統(tǒng)更新或者軟件升級時也可以保持組件接口不變，不會影響到相鄰層實現(xiàn)，維護相對簡單。

1 分層設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)

為了與現(xiàn)行規(guī)約進行轉(zhuǎn)換通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成，本模塊采用分層的設(shè)計思想將軟件分為三層。業(yè)務(wù)處理層主要完成業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的主站任務(wù)或者獲取關(guān)口電力計量裝置上傳的數(shù)據(jù)信息后進行綜合處理，將之上傳給主站系統(tǒng)。規(guī)約層主要通過兩層間接口接收關(guān)口電力計量裝置等硬件介質(zhì)的信息數(shù)據(jù)，按照規(guī)約的處理流程分析數(shù)據(jù)包，之后將數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)處理層通過接口完成交互。硬件抽象層覆蓋在關(guān)口電力計量裝置等硬件介質(zhì)上，通過通道號選擇不同的關(guān)口電力計量裝置，在此基礎(chǔ)上負責(zé)各個通道關(guān)口電力計量數(shù)據(jù)的收發(fā)。分層設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三層軟件結(jié)構(gòu)中的規(guī)約層是規(guī)約轉(zhuǎn)換的核心。系統(tǒng)配置主要配置系統(tǒng)中的設(shè)備信息、規(guī)約信息和轉(zhuǎn)發(fā)信息。數(shù)據(jù)采集與處理負責(zé)數(shù)據(jù)的交互，將上行和下行的數(shù)據(jù)按照一定的格式發(fā)送出去。中間數(shù)據(jù)處理組件是專門的用來進行規(guī)約解析的，按照系統(tǒng)配置完成不同設(shè)備間的通信。持久化組件將處理過的數(shù)據(jù)作持久化處理，以便隨時保存和讀取采集到的數(shù)據(jù)。配置腳本保存的是規(guī)約的一些定義信息。

圖1 分層設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計模式的運用

設(shè)計模式從本質(zhì)上講，描述了在某一背景下某個問題的解決方案的核心，是解決面向?qū)ο笾蟹磸?fù)出現(xiàn)問題的最佳方案，它使我們不必去一次又一次地使用該方案，而是將其總結(jié)歸納成為一種模式，形成可復(fù)用的面向?qū)ο筌浖？蓮?fù)用的面向?qū)ο筌浖c不使用設(shè)計模式的軟件系統(tǒng)相比，可以降低軟件系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，并且可以提高代碼復(fù)用率，使對象建模更合理。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不論是在線監(jiān)測任務(wù)還是在線校驗業(yè)務(wù)，都需要跟電能表進行信息、數(shù)據(jù)的交換，規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊是需要頻繁調(diào)用的，這種情況下，使用設(shè)計模式設(shè)計規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊就很有必要了。

如圖2所示，本文使用的設(shè)計模式主要是繼承式代理模式?，F(xiàn)實的采集系統(tǒng)中，種類繁多的規(guī)約遠遠多于通信的方式，在本系統(tǒng)中，將不同的規(guī)約抽象成為一個統(tǒng)一的接口ICommonProtocol，在其中定義了初始化方法和請求數(shù)據(jù)方法，分別是init（）和requestData（）；通信的通道參數(shù)寫在協(xié)議接口的實現(xiàn)類AbstractProtocolTargetImpl中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到具體的在線抄表或者二次回路檢測任務(wù)時，通過具體的電能表號獲取相應(yīng)的協(xié)議和通道參數(shù)。協(xié)議接口的實現(xiàn)類的子類則是具體的協(xié)議，當需要添加新的規(guī)約時，也是在實現(xiàn)類的子類添加的。從OCP原則來講，協(xié)議類定義成了一個統(tǒng)一的接口。如果遇到需求變化，需要新增規(guī)約時，只需要增加該類型對應(yīng)的子類，而不必去修改原來的代碼，這樣代理的設(shè)計就可以擴展了，符合了對擴展開放，對修改封閉的原則。

3 規(guī)約轉(zhuǎn)換實現(xiàn)示例

規(guī)約轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個重要的組成部分，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的基礎(chǔ)功能是在線監(jiān)測功能，包括在線抄表和二次回路檢測。在線監(jiān)測可能面臨著不同廠家的電能表，這些電能表使用著標準不一的規(guī)約，只有將不同廠家的電能表數(shù)據(jù)采集上報給主戰(zhàn)系統(tǒng)，才能說明規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計是成功的，圖3顯示的是97表在線抄表時獲取交流模擬量數(shù)據(jù)的時序圖。

當主站系統(tǒng)開啟了交流模擬量任務(wù)即在線抄表任務(wù)時，大體可以歸結(jié)為以下三個步驟：

1） 首先要獲取電能表標識號sn和電能表的資源信息MeterResource。在此之前需要判斷標識號是否屬于電能表MeterManage，從MeterResourceCache中獲取Map的map集合，其中鍵是電能表標識號sn，通過MeterManage對象中的getDeviceSN（）方法取得電能表標識號sn，從而在map集合中獲取相應(yīng)的電能表的資源信息MeterResource；

2） 從電能表的資源信息MeterResource獲取該電能表的協(xié)議信息，通過協(xié)議值可以從枚舉中取得協(xié)議name，然后從spring初始化中的protocolMap中取得交流模擬量對應(yīng)的ICommonProtocol，同時通過協(xié)議類型數(shù)值可以在CommConfCache中獲取對應(yīng)的通信通道參數(shù)，由此就可以采用具體的通信接口發(fā)送請求數(shù)據(jù)指令。

3） SerialCommChanelMessageMonitor類接收到通道消息，然后在本類中的doBeforeNotify（）方法中將接收到的消息添加到messageQueue隊列中，接著在doBeforeWait（）方法中進行消息消費，然后調(diào)用MessageCommonUtil中的reflectParser（）方法反射出相應(yīng)的具體協(xié)議解析者，然后調(diào)用parserData（）方法，實現(xiàn)報文的解析，最后由具體的規(guī)約類調(diào)用buildMessage（）構(gòu)建報文，發(fā)送報文。至此，完成了97表的交流模擬量數(shù)據(jù)的采集。

4 總結(jié)

采用三層設(shè)計結(jié)構(gòu)的規(guī)約轉(zhuǎn)換模塊，將之分割成了相對獨立的功能模塊，當需要更新硬件或者平臺移植時，需要改動的僅僅是硬件抽象層，規(guī)約層僅需要較小的改動或者保持不變，實現(xiàn)了軟件的模塊化，繼承性強。同時，代理模式完成了多種不同規(guī)約的通信問題，彌補了以前添加新規(guī)約、代碼改動量大的問題，保證實用性、重用性的同時，也符合了開閉原則。采用該設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在四川、山西等地的變電站運行，驗證了方案的通用性和有效性。

參考文獻：

[1] IEA.Smart grid roadmap[R/OL].2011.www.iea.org/ publications/.../smartgrids_roadmap.pdf.

[2] 張東霞， 姚良忠， 馬文媛. 中外智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2013， 33（31）：1-14.

[3] 蔣湘濤， 賀建飚， 李楠. 電力信息采集的通用型通信規(guī)約解析系統(tǒng)研究與設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2012， 40（9）：118-122.

[4] 王瑞雪， 林其友. 以太網(wǎng)103規(guī)約在黑龍江省保信主站和齊齊哈爾熱電廠子站之間通信的工程應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2010， 38（19）：195-198.

[5] 張艷林， 李紹滋. 基于模板的電力保護系統(tǒng)通信規(guī)約研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2007， 35（22）：23-26.

[6] 李強， 朱永利， 董志敏. 104規(guī)約向IEC61850信息模型轉(zhuǎn)換的研究與實現(xiàn)[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2008， 35（2）：98-102.

[7] 王文龍， 徐廣輝， 朱中華. 基于CORBA技術(shù)的IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制， 2009， 37（7）：63-66.endprint