面向電力供配電環(huán)境的通信管理裝置設計

魏勇　史宏光　劉星　李俊剛　張義

摘 要：本文分析了電力系統(tǒng)供配電應用場景下智能電子設備互聯(lián)互通對通信管理設備的通信需求，針對其通信介質、通信協(xié)議多樣化，且同時接入及轉出多種協(xié)議的特點，提出了一種具備靈活通信接入及轉出能力的通用型通信管理裝置設計方案，給出了硬件設計方案和軟件開發(fā)框架及接入/轉出機理和軟件模塊功能設計。本文的研究成果在智能配用電設備智能化方面將發(fā)揮重要作用，同時對于了解智能電子設備的通信接入及轉出機理具有參考價值。

關鍵詞：通信管理裝置；電力通信；靈活通信接入及轉出；通信服務框架

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

Abstract：The paper analyzes the communication requirements of communication management device in power transmission and distribution system，and proposes a design solution to general communication management device with flexible communication functions according to different communication media，protocol，etc.as well as the hardware design scheme and software development framework and communication mechanism.The research findings will lead to a great improvement in device intelligence of smart distribution power system，and also give some reference to those who has the requirement of understanding communication mechanism of IEDs.

Keywords：communication unit devices；electrical communication；flexible communication；communication service

framework

1 引言（Introduction）

隨著智能電網技術發(fā)展及工程應用的縱深推進，智能配電網的建設成為當前熱點領域，電網供配電環(huán)境下設備的智能化程度日益提高，具體表現(xiàn)為智能電子設備具有較強的狀態(tài)感知和通信接口能力，便于遠程監(jiān)視和運維，智能電子設備的通信接入一般通過通信管理單元進行集中管理，因此對于電力供配電環(huán)境下，具有靈活通信能力的通信管理技術研究和設備研制是智能供配電領域的研究熱點之一。相關的研究主要包括：王平等以智能家居控制系統(tǒng)為例，從硬件上闡述實現(xiàn)通信模塊、執(zhí)行模塊其功能，以及內部通信總線的技術實現(xiàn)方案[1]；陳杰等提出了應用于工業(yè)環(huán)境的通信管理機在嵌入式硬件設備選型、嵌入式軟件操作系統(tǒng)、應用軟件設計等方面相關設計方法和策略。重點分析了嵌入式通信管理機的基本設計思想、應用功能設計、開發(fā)經驗分享等內容[2]；劉姜濤等設計了一種基于ARM和Linux操作系統(tǒng)的配電房通信管理機，實現(xiàn)配電房數(shù)據(jù)的全面監(jiān)視與分析[3]；陳雄設計并實現(xiàn)了一種分布式的具有多種通信方式的適用于10kV開閉所的配電自動化終端，具有較強的靈活性和通用性[4]；西南交通大學的丁俊杰選用“嵌入式核心主板+應用底板”的分布式架構方式設計基于ARM的嵌入式通信管理機硬件系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)規(guī)約設備和IEC 61850規(guī)約設備同時接入地鐵PSCADA系統(tǒng)的問題[5]。

本文將分析電力系統(tǒng)供配電應用場景下智能電子設備互聯(lián)互通對通信管理設備的通信需求，針對其通信介質、通信協(xié)議多樣化，且同時接入及轉出多種協(xié)議的特點，提出一種具備靈活通信接入及轉出能力的通用型通信管理裝置設計方案，給出硬件選型方案和軟件開發(fā)框架及主要軟件模塊定義。

2 需求特點（Characteristics of the requirements）

在電力系統(tǒng)的電能“發(fā)、輸、變、配、用”諸環(huán)節(jié)中，處于整個體系頂端的電網網架建設目前已基本完成，電網建設的重點落在了電能傳輸及消耗的底層環(huán)節(jié)，即配用電環(huán)節(jié)，供配電系統(tǒng)設備智能化是當今的技術研究熱點，設備智能化的基礎支撐是設備具有靈活的通信接口能力。供配電環(huán)境相比于電網環(huán)境有顯著特點：智能設備供應廠商、設備類型繁多，為了實現(xiàn)這些設備的可觀測、可感知、可遠程監(jiān)視及運維，需要供配電環(huán)境下的通信管理設備具有更強、更靈活通用的通信能力。同時，電力系統(tǒng)對設備的安全性和可靠性要求非常高，因此在操作系統(tǒng)選型、抗電磁干擾能力、低功耗等方面也有嚴格的應用需求。

3 通用型通信管理裝置設計（Design of the universal

communication management device）

本文所研發(fā)設計的通用型通信管理裝置的設計方案基于課題組在變配電保護控制領域設備研制中積累的軟硬件平臺設計成果，結合工業(yè)供配電系統(tǒng)的特點，采用高性能數(shù)據(jù)吞吐及數(shù)據(jù)運算能力、通信信息技術的電力系統(tǒng)統(tǒng)一通信平臺（以下簡稱統(tǒng)一平臺），平臺以先進適用的通信信息技術為基礎，實現(xiàn)工業(yè)配電通信業(yè)務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)與底層軟硬件驅動支撐系統(tǒng)的分離，屏蔽應用系統(tǒng)對底層的依賴，為通用型通信管理裝置提供統(tǒng)一應用平臺。

3.1 硬件架構設計

在硬件總體架構方面，圍繞工業(yè)供配電環(huán)境下通信接入/轉出的多態(tài)性，設計以ARM系列的MCU為核心CPU板，由于其先進的流水線并行指令執(zhí)行技術，在提供超高性能的同時，還具有較低的功耗。同時借鑒現(xiàn)代電信設備開發(fā)的理念，實現(xiàn)統(tǒng)一背板總線，可選、可配異構通信接入硬件適配卡的方式解決工業(yè)供配電通信環(huán)境下異構數(shù)據(jù)源的靈活適應性問題。endprint

在上述硬件平臺設計的基礎上，同時為滿足通用型通信管理裝置“靈活通信接入”的設計目標，借鑒電信設備研制的經驗，從背板總線擴展、機械結構、散熱管理、電源分配和系統(tǒng)管理等方面實現(xiàn)強大的通信適配接入和顯著提高的散熱能力和更高的運算性能。其核心思想就是利用高速互聯(lián)網絡替代系統(tǒng)級總線，管理模塊和交換模塊通過高速網絡對各刀片進行管理和功能數(shù)據(jù)的冗余備份。

3.2 軟件架構設計

在軟件總體架構方面，圍繞工業(yè)供配電通信多源異構數(shù)據(jù)源的特點，重點解決異構接入及信息統(tǒng)一建模問題，統(tǒng)一平臺采用分層設計理念，自下而上主要分為數(shù)據(jù)通信層、通用信息處理層、業(yè)務開發(fā)層。

（1）其中數(shù)據(jù)通信層處于最底層，通過CSF（通信服務框架）處理工業(yè)供配電通信應用環(huán)境下不同物理介質、不同數(shù)據(jù)通信協(xié)議等各種異構通信數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一、透明接入，支持傳統(tǒng)的串行232、485總線，zigbee無線傳感自組網，CAN、lonworks、profibus現(xiàn)場總線網，gprs/3G無線公網，以太網光纖接口或者電接口等接口形式進行連接，數(shù)據(jù)通信層向上層屏蔽了底層的通信技術細節(jié)，它需要提供模塊化的硬件結構，穩(wěn)定的工業(yè)以太網、光網絡技術，同時支持電力實時控制報文的優(yōu)先轉發(fā)、時間同步等功能。數(shù)據(jù)通信層能同時提供光以太網接口和電以太網接口，可以同時處理來自現(xiàn)場采樣值數(shù)據(jù)、來自智能操作箱的GOOSE數(shù)據(jù)，也能處理來自監(jiān)控系統(tǒng)的MMS數(shù)據(jù)。通信處理層可以對通信網絡進行靈活的配置和管理。

（2）通用信息處理層位于數(shù)據(jù)通信層和業(yè)務層之間，它的主要職責是為業(yè)務層屏蔽電網測控數(shù)據(jù)的采集、控制細節(jié)，使得業(yè)務開發(fā)者只關注業(yè)務功能本身的開發(fā)，而不必糾纏于各種硬件、通信的實現(xiàn)方法和技術。它基于信息統(tǒng)一建模的思想和方法，將在線監(jiān)測、保護、測控等數(shù)據(jù)的模型標準化，標準信息模型、信息交換模型、模型映射、信息接口、信息服務模型、信息描述語言等。信息模型層的設計遵守了IEC 61850標準。本層除了能處理對外的通信協(xié)議之外還能對接收到的數(shù)據(jù)進行初步的計算處理，包括頻率計算、有效值計算等，本層的計算結果可以被上層多個不同的應用所共享。

（3）業(yè)務應用層面向工業(yè)供配電通信應用提供開發(fā)和運行環(huán)境，它為業(yè)務開發(fā)者提供業(yè)務開發(fā)接口，包括開發(fā)包、開發(fā)環(huán)境、仿真和測試環(huán)境，同時提供詳盡的開發(fā)規(guī)范和測試規(guī)范。同時，它為各種業(yè)務模塊提供運行基礎，各模塊通過插件方式運行在平臺上，插件之間互相隔離、互不影響。

3.3 通信服務軟件框架設計

譚方勇等提出了一種基于ZigBee與MQTT的物聯(lián)網網關協(xié)議轉換通信框架設計方法，解決多協(xié)議、多消息格式的兼容與擴展的問題、多協(xié)議擴展和通信效率的問題[6]。本文將提出一種更通用、更高效、更能適應多源異構通信場景的通用通信服務方案。

CSF（Communication Service Framework：通信服務框架）是為實時和準實時性的自動化系統(tǒng)提供通訊服務，屏蔽各種底層軟硬件設施及實際通訊環(huán)境的差異，使系統(tǒng)內功能模塊得以靈活部署，處于復雜網絡結構的系統(tǒng)間得以簡便互聯(lián)，同時具備二次開發(fā)能力的一個通訊服務平臺。

首先，恰當?shù)貙⑼ㄓ崗谋O(jiān)控系統(tǒng)中抽出（分屬不同進程），使監(jiān)控后臺軟件不需要去關心它所要監(jiān)控的對象使用的是何種介質，什么協(xié)議，只是按照某種固定的接口和通訊服務進行交互，避免因通訊環(huán)境的變化導致而后臺的修改，同時由于進程的隔離又可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

進一步，將通訊服務本身進行合理的層次和模塊化處理，再將經常改變的介質和協(xié)議處理抽出（二進制級），針對不同需求只開發(fā)或加載相應的介質或協(xié)議處理，從而減小開發(fā)的工作量，避免了全方位的重新編譯和調試。

將“通訊服務”劃分為三個部分：“介質處理、協(xié)議處理和服務進程框架”，在通訊服務進程保持不變的條件下（避免改寫代碼、重新編譯和調試），只需依據(jù)不同配置，利用動態(tài)加載，即可形成不同通訊類型的服務程序。

可以任意組合協(xié)議庫和介質庫中的現(xiàn)有模塊；同時按照指定的接口，用戶還可二次開發(fā)出新的協(xié)議或介質處理，添加到原有的協(xié)議庫和介質庫，達到模塊的復用，如圖1所示。

在通訊服務框架體系下，服務端是可以映射各種未知數(shù)據(jù)模型的，一個規(guī)范好的，無需重新編譯的程序框架，提供了各種統(tǒng)一的二次開發(fā)接口，可以是網關（嵌入式系統(tǒng)）、OPC接口，IEC61850封裝，包括其他的通訊中間件等；客戶端組件面對的則是用戶端系統(tǒng)模型，解析滿足用戶端系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)，或將它們進行轉發(fā)。

通用型通信服務框架具有下列技術特征。

（1）每一個通訊服務完成一種協(xié)議解析的處理，但是可以同時支持兩種介質類型，以滿足“點對點”模式。

（2）一個系統(tǒng)中可以有任意多個通訊服務存在，以滿足必要的分流，和同時接入多種介質和協(xié)議的需求，同時一部分通訊處理的異常不致引起整個通訊的崩潰。

（3）“通訊服務框架”提供“訪問客戶端（動態(tài)庫）”給外部使用（如監(jiān)控后臺軟件），每個客戶端可以訪問指定的通訊服務，也可訪問所有通訊服務的數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)中可以允許同時有多個“訪問客戶端”存在。

（5）通訊服務框架能夠自動完成數(shù)據(jù)轉發(fā)的目標辨認，譬如應當轉發(fā)給遠動的數(shù)據(jù)不會發(fā)送至當?shù)乇O(jiān)控。

（6）依據(jù)具體部署，轉發(fā)功能既可以存在于監(jiān)控后臺，也可以存在于另外一個獨立的進程。

3.4 通信規(guī)約接入/轉出設計

通用型通信管理裝置僅提供通訊服務的框架，其本身并不包含任何實際的通訊介質處理，而是通過加載外部的相關模塊，利用通信服務框架所提供的程序框架及接口，才能完成某種具體介質的處理，并提供實際的通訊功能。

通信服務平臺提供了“介質庫”，其中包含以太網TCP服務端，以太網TCP客戶端，以太網UDP（單播、組播、廣播），RS232（RS485），LONWORKS等主流的介質處理模塊以供使用，用戶通過簡單的配置即可完成上述介質的選擇。endprint

通信服務平臺還提供了“二次開發(fā)接口”。利用該開發(fā)接口，用戶可以依據(jù)自己實際的需要，開發(fā)出某種獨特的介質處理模塊，按照通信服務平臺接口規(guī)范，它將是一個動態(tài)鏈接庫（共享庫），將其加入到CSF的介質庫中后，即可被通信服務平臺動態(tài)加載以完成實際的通訊功能。

開發(fā)一個通信服務平臺的介質處理模塊，需要做的就是將某種介質的打開、關閉、接收、發(fā)送等具體的功能處理，按照通信服務平臺二次開發(fā)接口的規(guī)定進行封裝，并以動態(tài)鏈接庫的形式被CSF所加載，所管理。

在設計通信規(guī)約接入及轉出功能時，劃分為多個模塊并且各個模塊間保持相對的獨立性能夠很容易實現(xiàn)方便維護性、提高模塊代碼的重用性、降低開發(fā)與調試的難度、有效的縮短開發(fā)周期等優(yōu)點。主要模塊包括（1）數(shù)據(jù)庫服務器程序模塊；（2）接入規(guī)約服務器程序模塊；（3）轉出規(guī)約處理程序模塊，以及模塊間訪問接口動態(tài)連接庫模塊構成。系統(tǒng)全部模塊使用統(tǒng)一定義的控點名稱、進程間消息類型與數(shù)據(jù)格式作為各個模塊之間通訊的標準，利用數(shù)據(jù)庫API函數(shù)實現(xiàn)進程訪問數(shù)據(jù)庫服務器。每個模塊完成一部分相對獨立的功能。

（1）數(shù)據(jù)庫服務程序模塊負責在讀取配置文件后創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫，接收由接入規(guī)約服務器模塊提供的數(shù)據(jù)，保存在對應的各個子庫內。在運行期間，負責接收接入規(guī)約服務器模塊、轉出規(guī)約處理模塊發(fā)送的消息，并把消息轉發(fā)給其他需要接受的模塊。在接入通道和轉出通道上的上行、下行報文，以及進程間通訊的消息發(fā)送到調試界面上顯示。

（2）接入規(guī)約服務器程序模塊負責處理在接入串口/以太網口上的全部數(shù)據(jù)，其中跟設備有關的全部數(shù)據(jù)進入報文收發(fā)緩沖區(qū)，提交到規(guī)約解析進行處理。規(guī)約解析驗證報文的數(shù)據(jù)是否有效，調用數(shù)據(jù)庫訪問接口模塊的API函數(shù)更新實時數(shù)據(jù)庫的各個子庫，并且根據(jù)報文的類型決定向轉出規(guī)約處理模塊發(fā)送相關的消息。

（3）轉出規(guī)約處理模塊從實時數(shù)據(jù)庫獲取當前的設備數(shù)據(jù)，規(guī)約處理后存放到遠動報文緩沖區(qū)，按照各個指定規(guī)約的格式打包后發(fā)送串口/網口；從主站下發(fā)的調度命令經規(guī)約處理解釋后封裝為進程間通訊指定的消息格式，調用模塊間訪問接口模塊的API函數(shù)將消息發(fā)送到接入規(guī)約服務器。

從數(shù)據(jù)的流向上基本上可以表示為上行：保護設備→接入規(guī)約服務器模塊→轉出規(guī)約處理模塊→主站；下行：主站→轉出規(guī)約處理模塊→接入規(guī)約服務器模塊→保護設備。

為便于說明，下面以串口終端設備的接入為例介紹各部

對常用的串口規(guī)約來說，只需要對黃色標注部分的模塊需要修改。在主循環(huán)中定時發(fā)送串口問詢命令，根據(jù)接收數(shù)據(jù)進行各種處理。需要修改的部分主要在串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收處理部分。

對于問答式規(guī)約，定時下發(fā)問詢命令，然后開始檢查串口是否有接收到數(shù)據(jù)。如果接收到數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)格式是否正確，如果正確則解析，按遙測和遙信處理。如果未接收到數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)不正確則返回。同時增加錯誤計數(shù)，用于判斷通訊中斷。

4 結論（Conclusion）

本文提出了一種可廣泛適用于電力供配電環(huán)境下不同類型IED通信接入及轉出的通用型通信管理裝置的軟硬件設計方案。本技術成果具有很強的應用靈活性，在不同的應用場景下，可承擔不同類型的設備角色，如變電站的遠動通信裝置、站內的保護信息管理機裝置、前置單元裝置、通信總控單元裝置等。隨著智能電網的建設重點向配用電端側重的趨勢，越來越多的配用電設備具有通信接入、互聯(lián)互通的需求，本技術成果將在這些領域發(fā)揮巨大作用。

參考文獻（References）

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[6] 譚方勇，王昂，劉子寧.基于ZigBee與MQTT的物聯(lián)網網關通信框架的設計與實現(xiàn)[J].軟件工程，2017，20（4）：43-45.

作者簡介：

魏 勇（1973-），男，碩士生.研究領域：電力系統(tǒng)自動化監(jiān)控軟件開發(fā).

史宏光（1976-），男，碩士.研究領域：嵌入式系統(tǒng)軟硬件驅動軟件開發(fā).

劉 星（1972-），男，碩士，高級工程師.研究領域：電力自動裝置嵌入式系統(tǒng)開發(fā).

李俊剛（1981-），男，博士，高級工程師.研究領域：電力自動裝置嵌入式系統(tǒng)開發(fā).

張 義（1984-），男，本科，工程師.研究領域：電力自動裝置嵌入式系統(tǒng)開發(fā).endprint