基于狀態(tài)機(jī)方法的國網(wǎng)專變終端控制模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周軍武

（寧波三星智能電氣有限公司，浙江 寧波 315034）

0 引 言

狀態(tài)機(jī)提供一種以系統(tǒng)狀態(tài)為中心、以事件為變量的設(shè)計(jì)方法，它專注于各個(gè)狀態(tài)的特點(diǎn)以及狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由事件引起的，在研究某個(gè)具體狀態(tài)的時(shí)候，我們必然會考慮任何一個(gè)事件對這個(gè)狀態(tài)有什么樣的影響。這樣，每一個(gè)狀態(tài)中發(fā)生的每一個(gè)事件都會在我們的預(yù)料之中，也就不會留下邏輯漏洞。邏輯完備性是狀態(tài)機(jī)編程最大的優(yōu)點(diǎn)。專變終端控制模塊各項(xiàng)子功能之間存在關(guān)聯(lián)性，其在運(yùn)行調(diào)度的過程中需要良好的協(xié)調(diào)能力。采用狀態(tài)機(jī)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)可使控制邏輯結(jié)構(gòu)更加清晰，大大提高了程序的魯棒性，降低異常情況發(fā)生的概率，對保證產(chǎn)品品質(zhì)具有很大的幫助。

1 功能需求

專變終端控制模塊的功能主要分為功率定值控制、電量定值控制、保電控制、遙控這四種。

1.1 功率定值控制

終端功率定值控制按照控制參數(shù)的不同可分為廠休控、時(shí)段控、營業(yè)報(bào)?？兀赂】?。終端在接收到主站下發(fā)的控制投入命令和設(shè)置參數(shù)后，當(dāng)未處于保證用電的狀態(tài)時(shí)，如果所監(jiān)測的實(shí)時(shí)用電功率超過限定額度，就會發(fā)出告警并根據(jù)基于控制條件的判斷結(jié)果和設(shè)置參數(shù)執(zhí)行跳閘動作，直到控制解除之后才允許用戶合閘，并對過程狀態(tài)信息進(jìn)行記錄和提示。

1.2 電量定值控制

電量定值控制主要分為月電控和購電控兩種。終端在接收到主站下發(fā)的控制投入命令和設(shè)置參數(shù)后，如果采集到的月電量或剩余電量超過使用額度，就會發(fā)出告警并根據(jù)基于控制條件的判斷結(jié)果和設(shè)置參數(shù)執(zhí)行跳閘動作。月電控在控制解除或月末24時(shí)允許用戶合閘；購電控在控制解除或重新購電使剩余電量大于跳閘門限時(shí)允許用戶重新合閘，控制狀態(tài)、過程等信息應(yīng)有記錄和提示。

1.3 保電控制

保電即保證用電需求，終端在接收到保電投入命令或與主站通信中斷后，則解除原有控制狀態(tài)且在任何情況下都不再執(zhí)行跳閘命令，直至通信恢復(fù)或收到解除命令。終端保電在投入和解除前后記錄控制狀態(tài)信息。

1.4 遙控（遠(yuǎn)程控制）

終端在接收到主站的跳閘控制命令后，會立即對按照設(shè)定參數(shù)確定的被執(zhí)行對象進(jìn)行拉閘動作。直至接收到允許合閘控制命令后才允許用戶合閘。控制狀態(tài)信息應(yīng)有記錄和提示。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)框架概述

控制模塊主要為專變終端提供負(fù)荷管理控制功能，主要包括功率控制、電量控制、遙控、保電、催費(fèi)報(bào)警等功能。控制模塊以獨(dú)立任務(wù)的形式進(jìn)行業(yè)務(wù)判斷和實(shí)時(shí)處理，與其他外部模塊完全獨(dú)立，但需要外部模塊提供總加組等數(shù)據(jù)?？刂苾?nèi)部模擬多任務(wù)方，保電、功控、電控等功能由主函數(shù)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)判斷，然后由專門的控制、保電等切換狀態(tài)函數(shù)負(fù)責(zé)最終的拉合閘、聲光、液晶顯示等硬件狀態(tài)切換。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，整體實(shí)物效果如圖2所示。

圖1 控制模塊設(shè)計(jì)框圖

圖2 終端控制功能運(yùn)行效果示意圖

2.2 控制狀態(tài)切換狀態(tài)圖

功控和電控控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)換統(tǒng)一為一個(gè)狀態(tài)切換函數(shù)對狀態(tài)遷移進(jìn)行集中管理。控制整體狀態(tài)切換圖如圖3所示。

圖3 控制狀態(tài)切換圖

3 控制子模塊設(shè)計(jì)

3.1 功率控制

3.1.1 功控設(shè)計(jì)說明

功率控制的種類包括時(shí)段控、廠休控、營業(yè)報(bào)?？?、功率下浮控：

（1）時(shí)段控是指在一天當(dāng)中，將24小時(shí)最多分成8個(gè)時(shí)段，并設(shè)定各個(gè)時(shí)段的功率定值，以此為依據(jù)對用戶進(jìn)行用電控制。一般用于錯(cuò)峰用電，按最近一次時(shí)段投入?yún)?shù)的總加組滑差功率進(jìn)行控制。功率時(shí)段控最多有3套方案，每套定值方案最多可配置8個(gè)時(shí)段功控定值，不同方案的時(shí)段可有不同的功率定值，終端根據(jù)主站下發(fā)的方案號進(jìn)行功率控制。

（2）廠休控是指對一周內(nèi)的某幾天設(shè)定控制定值，并以此為依據(jù)對用戶進(jìn)行用電控制。一般用于諸如停三開四之類的負(fù)荷控制。

（3）營業(yè)報(bào)?？厥侵冈谟脩羯暾埻I(yè)期間對用戶進(jìn)行用電控制。

（4）功率下浮控一般用于臨時(shí)限電，以當(dāng)前滑差功率為基準(zhǔn)求得限值。

功控存在四個(gè)控制類型，均取滑差功率進(jìn)行判斷，僅限值及控制時(shí)間條件不一致的情況，因此整個(gè)功控功能僅需一個(gè)功控檢測函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，將獲取功率定值以及進(jìn)行時(shí)間檢查兩部分剝離出來，根據(jù)不同的功控類型來判斷控制條件，取功控定值。

3.1.2 功控實(shí)現(xiàn)流程圖

控制模塊內(nèi)部模擬多任務(wù)異步執(zhí)行，功控檢測函數(shù)僅負(fù)責(zé)控制業(yè)務(wù)邏輯判斷，不執(zhí)行具體的跳合閘及液晶顯示、聲光報(bào)警工作，只需將對應(yīng)狀態(tài)置位，由統(tǒng)一的控制狀態(tài)切換函數(shù)來實(shí)現(xiàn)最終的狀態(tài)切換。功控檢測函數(shù)流程圖如圖4所示。

圖4 功控實(shí)現(xiàn)流程圖

3.2 電量控制

3.2.1 電控設(shè)計(jì)說明

當(dāng)?shù)亻]環(huán)電量控制有月電控、購電控兩種控制方式。兩種電量控制具有相同優(yōu)先級，可同時(shí)執(zhí)行。在參數(shù)修改、控制投入或解除以及控制執(zhí)行時(shí)有蜂鳴器告警通知客戶。電控的失效和生效原理與功控相同，電控的必要條件為總加組已配置且輪次已設(shè)置。電控投入后根據(jù)主站新設(shè)置參數(shù)而自動調(diào)整的方式與功控相同。所有電量控制一旦超過定值，無需延時(shí)，LED、蜂鳴器、LCD同步動作。

控制模塊內(nèi)部模擬多任務(wù)異步執(zhí)行，電控將月電控及購電控邏輯判斷函數(shù)分兩個(gè)業(yè)務(wù)函數(shù)執(zhí)行，該函數(shù)不執(zhí)行具體的跳合閘及液晶顯示、聲光報(bào)警工作，只需將對應(yīng)控制狀態(tài)置位，由統(tǒng)一的控制狀態(tài)切換函數(shù)實(shí)現(xiàn)最終狀態(tài)。

電控非跳閘前告警，由專門的告警函數(shù)實(shí)現(xiàn)，區(qū)分控制狀態(tài)切換函數(shù)中拉閘前告警功能。

3.2.2 月電控流程

月電控業(yè)務(wù)函數(shù)根據(jù)外部模塊提供的總加組、月電量等數(shù)據(jù)，執(zhí)行業(yè)務(wù)層面的判斷并置位控制標(biāo)志，月電控業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖5 月電控流程圖

3.2.3 購電控流程

購電控業(yè)務(wù)函數(shù)根據(jù)外部模塊提供的總加組、月電量和剩余電量等數(shù)據(jù)，執(zhí)行業(yè)務(wù)層面的判斷并置位控制標(biāo)志，購電控業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

圖6 購電控流程圖

3.3 遙控

3.3.1 設(shè)計(jì)說明

遙控又稱為遠(yuǎn)方控制，主要用于現(xiàn)場調(diào)試，即負(fù)荷管理的情況下實(shí)時(shí)下發(fā)拉合閘命令。遙控支持控制過程中突然停電重新上電后，終端依然可以正常檢測判斷，所有之前的控制命令及參數(shù)不會丟失。如果終端已經(jīng)跳閘，則開始對用戶限電，突然斷電再上電后，終端從可以跳閘開始接著計(jì)算（終端上電可能有保電）限電時(shí)間，直至到達(dá)規(guī)定時(shí)間則解除用戶跳閘狀態(tài)。如果終端還在告警中，突然斷電，則重新上電后重新告警延時(shí)。

3.3.2 功能狀態(tài)圖

遙控狀態(tài)主要分為以下幾種：收到主站的拉閘命令而執(zhí)行拉閘狀態(tài)、收到主站的合閘命令而執(zhí)行合閘狀態(tài)、拉閘前告警狀態(tài)、控制超時(shí)解除狀態(tài)（未控制）、檢測是否控制超時(shí)狀態(tài)。遙控主函數(shù)主要負(fù)責(zé)各狀態(tài)切換，以及各狀態(tài)下的相關(guān)聲光、液晶顯示操作。在控制模塊中，模擬多任務(wù)方式，遙控主函數(shù)主要負(fù)責(zé)遙控狀態(tài)切換，UTM模塊收到拉合閘命令，只需將當(dāng)前遙控狀態(tài)作為參數(shù)傳遞給遙控主函數(shù)即可。遙控狀態(tài)切換如圖7所示。

圖7 遙控功能狀態(tài)圖

3.4 保電

3.4.1 設(shè)計(jì)說明

保電狀態(tài)下終端在任何情況下都不執(zhí)行跳閘命令，如果已有跳閘則立即合閘。

3.4.2 功能狀態(tài)圖

保電狀態(tài)主要分為以下幾種：收到主站的保電投入命令而執(zhí)行投入保電狀態(tài)、收到主站的保電解除命令而執(zhí)行保電解除狀態(tài)、未投入狀態(tài)、自動保電解除狀態(tài)、自動保電投入、保電檢測狀態(tài)等。保電主函數(shù)模擬狀態(tài)機(jī)，主要負(fù)責(zé)各狀態(tài)切換，以及各狀態(tài)下的液晶顯示操作。保電狀態(tài)切換如圖8所示。

圖8 保電功能狀態(tài)圖

3.5 催費(fèi)告警

3.5.1 設(shè)計(jì)說明

主站下發(fā)催費(fèi)告警命令可實(shí)時(shí)提醒用戶及時(shí)繳費(fèi)購電，蜂鳴器和LCD同步動作。支持讀取控制狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，該狀態(tài)與終端參數(shù)及命令下發(fā)狀態(tài)一致，保電情況下支持催費(fèi)告警。在用戶重新繳費(fèi)之后，根據(jù)主站下發(fā)的解除命令解除告警。

3.5.2 功能狀態(tài)圖

催費(fèi)告警功能相對簡單，主要體現(xiàn)在幾個(gè)狀態(tài)切換，涉及告警態(tài)、告警檢測態(tài)、告警投入態(tài)、告警命令解除態(tài)、告警解除態(tài)；因此也同保電處理，模擬狀態(tài)機(jī)方式，在主函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，外部負(fù)責(zé)參數(shù)更新及更新控制投入解除狀態(tài)，催費(fèi)告警接口函數(shù)負(fù)責(zé)狀態(tài)切換及具體業(yè)務(wù)判斷及功能實(shí)現(xiàn)。催費(fèi)告警狀態(tài)切換如圖9所示。

3.6 控制數(shù)據(jù)保存

控制中部分關(guān)鍵的命令，尤其是剩余電量計(jì)算中相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)均需妥善保存，該子模塊主要負(fù)責(zé)控制模塊中數(shù)據(jù)的保存及處理機(jī)制?？刂乒δ苌婕袄祥l可能會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所有控制命令、剩余電能量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)均采用了非易失性的鐵電和EEPROM存儲器備份存儲，防止數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)存儲控制命令整體采取16位CRC效驗(yàn)，備份存儲也采取CRC效驗(yàn)。設(shè)計(jì)控制存儲機(jī)制時(shí)考慮了存儲設(shè)備的壽命特性，針對鐵電采取每1分鐘存儲一次，針對EEPROM每5分鐘或停電時(shí)存儲一次。終端上電之后，按參數(shù)、電量、命令從不同存儲介質(zhì)中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，用全局變量緩存，方便控制模塊判斷使用情況以及進(jìn)行相應(yīng)更新。

圖9 催費(fèi)告警功能狀態(tài)圖

4 結(jié) 論

專變采集終端本身業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，總體代碼量多達(dá)幾十萬行，這對產(chǎn)品代碼的后期維護(hù)帶來不小的挑戰(zhàn)，因此在產(chǎn)品的開發(fā)階段就必須要建立業(yè)務(wù)流程清晰，功能模塊彼此獨(dú)立又可以靈活擴(kuò)展的設(shè)計(jì)框架，實(shí)現(xiàn)這一目的則需采用一種高效可靠的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)控制模塊的總體程序框架不失為一種優(yōu)良的方案，其在產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)營中也取得了維護(hù)投入低、客戶投訴少的良好成效。因此，基于狀態(tài)機(jī)思想的設(shè)計(jì)方法對電網(wǎng)自動化信息采集設(shè)備在一些業(yè)務(wù)場景中的具體應(yīng)用具有極其重要的指導(dǎo)和借鑒意義。