基于CORBA技術(shù)的特高壓智能變電站通信模式研究

蘇憲華，徐 迪，熊再豹

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100094)

基于CORBA技術(shù)的特高壓智能變電站通信模式研究

蘇憲華，徐 迪，熊再豹

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100094)

IEC61850規(guī)定智能電子裝置(IED)采用客戶端/服務(wù)器模式進行通信。在現(xiàn)有方式下， IED客戶端/服務(wù)器通信模式的實現(xiàn)大多采用客戶端與服務(wù)器直接相連的兩層體系結(jié)構(gòu)。本文針對此實現(xiàn)方式的不足，根據(jù)CORBA組件的基本原理，通過CORBA提供的ORB機制建立了三層體系結(jié)構(gòu)的客戶端/服務(wù)器通信模式。在全面遵循IEC61850的體系結(jié)構(gòu)的前提下，結(jié)合目前特高壓智能變電站建設(shè)的契機，提出了通過構(gòu)建基于CORBA-MMS的通訊結(jié)構(gòu)體系來實現(xiàn)IEC61850通信的方法，實現(xiàn)特特高壓智能變電站的智能通信。

CORBA；IEC61850；中間件；特高壓；智能變電站。

1 概述

公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)(Common Object Request Broker Architecture，CORBA)是一種被廣泛使用的組件技術(shù)。CORBA提供的對象請求代理(Object Request Broker，ORB)機制是實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器連接的中間件。通過ORB機制，可以建立一種三層體系結(jié)構(gòu)的客戶端/服務(wù)器通信模式。ORB擴展了服務(wù)器通信接口的信道容量，當(dāng)有多個客戶端對服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請求時，ORB緩存客戶端服務(wù)請求，并為每個客戶端返回一個服務(wù)器對象引用，從而實現(xiàn)對多個客戶端的同時響應(yīng)。

IEC61850通信協(xié)議的實現(xiàn)，應(yīng)以不改變IEC61850的體系結(jié)構(gòu)為前提。因此，本文提出了基于CORBA-MMS的通信體系結(jié)構(gòu)的IEC61850實現(xiàn)方法。該方法利用CORBA提供的ORB機制，建立了基于IEC61850的三層體系結(jié)構(gòu)的客戶端/服務(wù)器通信模式。設(shè)計了支持并發(fā)訪問的ORB模型，使服務(wù)器能同時對多個客戶端進行響應(yīng)。通過構(gòu)建CORBA-MMS的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在全面遵循IEC61850的體系結(jié)構(gòu)前提下，實現(xiàn)了CORBA與IEC61850的有機結(jié)合。

2 三層體系結(jié)構(gòu)的IEC61850客戶端/服務(wù)器工作模型

客戶端需要向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請求時，客戶端通過ORB接口激活服務(wù)器在本地的代理，構(gòu)造請求消息，將請求消息發(fā)往服務(wù)器。服務(wù)器通過ORB接口探測到網(wǎng)絡(luò)事件時，將適配并激活相應(yīng)的事件處理器進行處理。對于網(wǎng)絡(luò)連接事件，將建立連接，生成相應(yīng)處理器，處理來自該網(wǎng)絡(luò)連接的事件；對于請求事件，請求事件處理器在讀出請求后，通過對象適配器定位目標(biāo)服務(wù)，然后適配出相應(yīng)的方法并激活，完成整個請求事件的處理過程；當(dāng)該連接準(zhǔn)備好寫事件時，對應(yīng)事件處理器將緩沖區(qū)中的返回消息送出。

由以上分析可知，ORB是實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器連接的中間件。ORB對于網(wǎng)絡(luò)事件的探測、請求消息的分發(fā)和適配以及網(wǎng)絡(luò)事件的處理策略決定了CORBA分布計算環(huán)境的吞吐率和響應(yīng)時間。因而，高性能的ORB并發(fā)模型是實現(xiàn)IEC61850通信的關(guān)鍵。

3 ORB并發(fā)模型設(shè)計

為了使服務(wù)器能夠同時接收多個客戶端的訪問，就必須設(shè)計能夠支持并發(fā)訪問的ORB模型。ORB并發(fā)模型包括通信級并發(fā)和請求級并發(fā)兩個部分。通信級并發(fā)是指ORB如何并發(fā)處理多個通信端口的通信問題；請求級并發(fā)是指ORB如何并發(fā)地調(diào)度執(zhí)行從通信級解析出來的請求。通信級并發(fā)和請求級并發(fā)有各自不同的并發(fā)模式。將通信級并發(fā)模式和請求級并發(fā)模式進行組合后，可以設(shè)計出多種ORB并發(fā)模型。其中最常見的ORB并發(fā)模型如下：

(1)一個請求派生一個線程(thread-perrequest)模型。通信級使用thread模型，請求級使用THREAD-PER-REQUEST模型。在該并發(fā)模式下，ORB為每個對象請求都派生一個線程，來完成請求的處理。這種并發(fā)模式使需要較長時間完成服務(wù)請求的應(yīng)用系統(tǒng)共有較高的吞吐率，如對大型數(shù)據(jù)庫的查詢。但是，當(dāng)多個客戶請求需要同時處理時，將消耗大量的系統(tǒng)資源。由于創(chuàng)建新線程的開銷具有不確定性，所以該模型不能用于實時環(huán)境。

(2)線程池(thread-pool)模型。通信級使用thread模式，請求級使用THREAD-POOL模式。該模型是對第一種模型的優(yōu)化，通過預(yù)先派生一定數(shù)目的線程處理所有的請求，預(yù)約了所使用的系統(tǒng)資源和避免動態(tài)派生線程所帶來的低效。然而，當(dāng)并發(fā)處理的請求超過線程池中的線程數(shù)目時，必須將額外的請求放入激活隊列，延遲請求的響應(yīng)。另外，線程池模型對激活隊列訪問的同步控制和線程執(zhí)行上下文的切換都將影響系統(tǒng)的吞吐率和響應(yīng)時間。

(3)一個客戶派生一個線程(thread-perclient)模型。通信級使用thread模型，請求級使用SAME-THREAD模型。在該模型下，ORB為每個客戶派生一個線程，該線程負(fù)責(zé)處理來自對應(yīng)客戶的所有請求。這種并發(fā)模式節(jié)約了系統(tǒng)派生線程所耗費的資源，適合于多客戶端同時訪問，但不利于負(fù)載平衡。

通過以上分析可以看出，這幾種并發(fā)模型都是為了簡化用戶對通信級和請求級模型的設(shè)置而設(shè)計的，都有各自的優(yōu)缺點，但都不能完全滿足IEC61850通信的要求。因而需要利用CORBA提供的ORB并發(fā)模型定制機制進行設(shè)計以滿足IEC61850的通信要求。其中，一個客戶派生一個線程的并發(fā)模型主要是由于不能支持動態(tài)負(fù)載平衡，而不能適應(yīng)IEC61850的通信要求。因此，本文在一個客戶派生一個線程的并發(fā)模型基礎(chǔ)上，通過在ORB內(nèi)核中增加一個對客戶連接線程負(fù)載進行記錄的監(jiān)控線程，由該線程記錄每個客戶連接負(fù)載的大小，從而實現(xiàn)對每個客戶連接線程負(fù)載的動態(tài)平衡。其原理見圖2。

圖2 ORB并發(fā)模型原理圖

由于一個客戶派生一個線程模型在通信級使用thread模型，在請求級使用SAME THREAD策略，并且對象適配器(POA)在調(diào)度線程時會使用同步策略，請求級的多個線程會被同步執(zhí)行。服務(wù)器分別使用單獨的線程用于接收客戶的請求和發(fā)送應(yīng)答。而且有一個獨立的線程專門負(fù)責(zé)接收到來的連接請求，以便一個服務(wù)器可以同時響應(yīng)多個客戶端的請求。

一個客戶派生一個線程并發(fā)模型只允許僅有一個用戶線程處于激活狀態(tài)。這意味著即使有很多請求，也可以同時被接收，這些請求的執(zhí)行是完全串行化的，按照請求發(fā)生的時間順序進行。這樣，用戶不需關(guān)心任何的線程同步問題。這意味著用戶代碼可以書寫仿佛在使用單線程系統(tǒng)，但不會丟失ORB內(nèi)部使用多線程優(yōu)化的優(yōu)越性。

監(jiān)控線程對所有的客戶連接線程進行監(jiān)控，并根據(jù)每個線程的ID，對線程信息進行存儲。在確定連接線程的負(fù)載大小后，以參數(shù)的形式，將連接線程負(fù)載大小傳遞給系統(tǒng)。由系統(tǒng)根據(jù)具體的情況，為每個連接的客戶端線程分配資源，從而實現(xiàn)連接負(fù)載的動態(tài)平衡。

例如，在學(xué)習(xí)人教版三年級英語下冊Unit 3 At the zoo一節(jié)，在教授單詞fat、thin時，先出示熊貓的圖片，引出單詞fat，讓學(xué)生邊讀邊拼寫，我糾正學(xué)生的發(fā)音，同時引出它的反義詞thin，讓學(xué)生對比記憶。如此，我借助多媒體為學(xué)生展示了相關(guān)的圖片情景，提供了一個真實的語言環(huán)境，進而讓學(xué)生主動地進入到英語的學(xué)習(xí)中，加深學(xué)生對單詞的理解、記憶。

4 基于CORBA-MMS體系結(jié)構(gòu)的IEC61850實現(xiàn)

IEC 61850在技術(shù)上的一個顯著特點就是使用了報文制造規(guī)范(MMS)，其高層抽象定義最終都映射到底層的報文制造規(guī)范(MMS)上去，所以MMS是IEC 61850的基礎(chǔ)之一。在全面遵循IEC61850的體系結(jié)構(gòu)為前提下，本文通過構(gòu)建CORBA-MMS的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了IEC61850通信。

利用CORBA機制來開發(fā)程序，關(guān)鍵的一步是用接口描述語言(IDL)定義客戶端和服務(wù)器端之間的接口。IDL定義的服務(wù)在服務(wù)器端實現(xiàn)，客戶端依賴接口獲得服務(wù)器所提供的服務(wù)。因此，利用CORBA實現(xiàn)IEC61850的關(guān)鍵是完成IDL對IEC61850信息模型的描述，并形成相應(yīng)的IDL接口文件。

4.1 基于CORBA-MMS的IEC61850體系結(jié)構(gòu)

從CORBA的分布式對象技術(shù)特點可知，CORBA可為IEC61850的客戶端/服務(wù)器之間的報文通訊規(guī)范(MMS)提供一個實現(xiàn)客戶機/服務(wù)器報文通訊的機制。將MMS融入CORBA的通訊機制見圖3。

圖3 實時CORBA-MMS體系結(jié)構(gòu)圖

其特點如下：

(1)ORB實現(xiàn)了客戶端程序和服務(wù)器間通信的透明性，它屏蔽了服務(wù)器的位置、實現(xiàn)方法(編譯語言和操作系統(tǒng))、狀態(tài)(是否正在執(zhí)行)和通信機制等細(xì)節(jié)，以及不同實現(xiàn)方法間可能存在的差異。

(2)ORB接口是為了實現(xiàn)使用接口與實現(xiàn)細(xì)節(jié)的分離而定義了抽象接口，這些接口提供了各種實用函數(shù)，如對象引用和字符之間的轉(zhuǎn)換、為動態(tài)調(diào)用請求創(chuàng)建參數(shù)列表等。

(3)對象適配器位于ORB核心和服務(wù)器之間，負(fù)責(zé)服務(wù)對象的注冊、對象引用的創(chuàng)建和解釋、對象實現(xiàn)的服務(wù)進程的激活、對象實現(xiàn)的激活以及客戶端程序請求的分發(fā)。對象適配器可以使ORB核心盡可能簡單，從而提高ORB核心的穩(wěn)定性和效率。

(4)MMS-IDL樁為客戶提供了靜態(tài)調(diào)用接口(Static Invocation Interface， SII)。IDL編譯器編譯描述服務(wù)對象接口的MMS規(guī)范的IDL文件，生成對應(yīng)于具體編程語言的MMS-IDL樁和MMS-IDL框架。MMS-IDL樁負(fù)責(zé)把客戶端程序的請求進行編碼，發(fā)送到服務(wù)器，并對收到的處理結(jié)果進行解釋，把結(jié)果或異常信息返回給客戶端程序；MMS-IDL框架對客戶端程序的請求進行譯碼，定位所請求對象的方法，執(zhí)行該方法并把執(zhí)行結(jié)果或異常信息，編碼后發(fā)送給MMS客戶程序的請求。

(5)MMS服務(wù)相關(guān)聯(lián)的PDUs的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，遵循標(biāo)準(zhǔn)的抽象文法——ANS.1語法。

4.2 基于CORBA-MMS體系結(jié)構(gòu)的IEC61850通信接口設(shè)計

接口的設(shè)計過程就是用IDL對IEC61850的數(shù)據(jù)模型以及相應(yīng)服務(wù)的描述過程。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用了面向?qū)ο蟮乃枷雭斫ED的通信數(shù)據(jù)模型，并對此數(shù)據(jù)模型按層次進行了分類。依次分為：服務(wù)器(SERVER)、邏輯設(shè)備(LD)、邏輯節(jié)點(LN)、數(shù)據(jù)(DATA)以及數(shù)據(jù)屬性(DATA_ATTRIBUTE)。其中服務(wù)器包含了所有從通信網(wǎng)絡(luò)可訪問的數(shù)據(jù)和服務(wù)，并提供IED的外部可視行為。服務(wù)器實現(xiàn)了邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)的封裝并提供了供外界訪問的抽象通信服務(wù)接口(ACSI)。

ACSI的具體通信服務(wù)映射主要在應(yīng)用層進行，ACSI并不定義具體的ACSI報文。ACSI服務(wù)首先通過特定通信服務(wù)映射(SCSM)將服務(wù)映射為應(yīng)用層服務(wù)，應(yīng)用層服務(wù)通過各層協(xié)議將服務(wù)映射為一個一個的協(xié)議數(shù)據(jù)單元在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，而IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定現(xiàn)有特定通信服務(wù)映射為報文制造規(guī)范(MMS)。

在實現(xiàn)C O R B A-M M S體系結(jié)構(gòu)的IEC61850通信接口設(shè)計時，首先要按照MMS服務(wù)的ASN.1語法描述客戶端(IEC61850 客戶程序)對服務(wù)器(IEC61850服務(wù)器)服務(wù)請求的PDUs報文格式。然后，在遵循CORBA IDL語法下，將MMS服務(wù)的ANS.1報文格式轉(zhuǎn)換成IDL語言。主要包括了基本數(shù)據(jù)類型、函數(shù)以及服務(wù)的轉(zhuǎn)換。

(1)基本數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

IEC61850-7-2部分定義了基本數(shù)據(jù)類型。基本數(shù)據(jù)類型是構(gòu)成所有數(shù)據(jù)類型和模型的基本元素，因此基本數(shù)據(jù)類型的映射是所有映射的基礎(chǔ)。IDL是一種說明性語言，由IDL可以很容易實現(xiàn)對IEC61850基本數(shù)據(jù)的描述。

(2)函數(shù)的轉(zhuǎn)換

抽象通信服務(wù)接口提供的是一種抽象函數(shù)，只有聲明部分。即只是定義了函數(shù)的一個框架而沒有定義函數(shù)的具體實現(xiàn)。接口函數(shù)的定義形式與類的定義十分相似，但是接口函數(shù)中沒有成員變量。因此，在接口函數(shù)的映射時不需要考慮接口中的方法如何實現(xiàn)。但在對接口函數(shù)的實現(xiàn)過程中，必須實現(xiàn)接口函數(shù)中的所有方法。IEC61850-8-1部分詳細(xì)的描述了IEC61850到MMS相關(guān)函數(shù)的映射。因而，要完成相關(guān)函數(shù)的映射，只需用CORBA的IDL將相關(guān)函數(shù)描述出來即可。

(3) 服務(wù)的轉(zhuǎn)換

IEC61850定義的主要通信服務(wù)可歸納為四類服務(wù)，這四類服務(wù)到CORBA的映射關(guān)系見表1。在表1中， IEC61850中定義的請求和單向請求可以通過ORB代理來實現(xiàn)服務(wù)；GOOSE狀態(tài)變化和采樣值傳輸事件通道則通過CORBA事件服務(wù)來實現(xiàn)；在push模式中，事件提供方把時間數(shù)據(jù)“推”給用戶；在pull模式中，事件用戶把事件數(shù)據(jù)從提供方“拉”到用戶，從而實現(xiàn)事件提供方和用戶之間的事件數(shù)據(jù)通信。

表1 IEC61850到CORBA通信機制的映射

5 結(jié)論

本文描述和分析了C O R B A技術(shù)和IEC61850的通信原理。在此基礎(chǔ)上，完成了MMS到CORBA的映射。并通過CORBA提供的ORB機制建立了三層體系結(jié)構(gòu)的IEC61850客戶端/服務(wù)器，解決了在傳統(tǒng)實現(xiàn)方式下服務(wù)器不能同時對多個客戶端進行響應(yīng)的問題。

改進了原有的一個客戶派生一個線程的ORB并發(fā)模型，提出通過構(gòu)建CORBA-MMS通信體系結(jié)構(gòu)的方式來實現(xiàn)IEC61850。隨著西北電網(wǎng)750kV特高壓智能變電站的興建，本文提出的思想方法可以在特高壓智能變電站建設(shè)中起到一定的參考作用。

[1]王濤．基于CORBA的分布式代理模型研究[D]．哈爾濱工程大學(xué)，2004．

[2]任雁銘，秦立軍，楊奇遜．IEC 61850通信協(xié)議體系介紹和分析[J]．電力系統(tǒng)自動化，2000，24(8)．

[3]項軍，高洪奎，吳泉源．支持多種并發(fā)模式的ORB實現(xiàn)模型．計算機工程[J]．2000，26(11)．

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Study on Communication Model of EHV-intelligent Substation Based on CORBA Technology

SU Xian-hua, XU Di, XIONG Zai-bao
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100094, China)

In IEC61850, IEDs should be communicated by client/sever model. Within the present IEDs’ client/server model, the client is mostly directly linked to the server by two-layer system. Aiming at the lacks of the method this paper builds up a three-layer client/server communication system through ORB supplied by CORBA technology.With the constructing of ehv-intelligent substation, and following the IEC61850 system completely, the paper proposes a communicating system based on CORBA-MMS to achieve IEC61850 communicating and thus realize the communication of ehv-intelligent substation.

CORBA; IEC61850; middleware; EHV; intelligent substation.

TM73

B

1671-9913(2011)03-0052-05

2011-04-12

蘇憲華 (1969- )，男，山東人，碩士，高級工程師，主要從事輸變電工程技術(shù)管理工作。