智能電網中電力設備接入中間件的設計

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. 國家電網公司信息通信分公司，北京 100761；2. 北京郵電大學，計算機學院智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室，北京 100876；3. 國網信息通信產業集團有限公司研發中心，北京 102211；4. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 211103；5. 中國科學院計算技術研究所，北京 100080)

智能電網中電力設備接入中間件的設計

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. 國家電網公司信息通信分公司，北京 100761；2. 北京郵電大學，計算機學院智能通信軟件與多媒體北京市重點實驗室，北京 100876；3. 國網信息通信產業集團有限公司研發中心，北京 102211；4. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京 211103；5. 中國科學院計算技術研究所，北京 100080)

隨著電力行業的發展，越來越多種類的電力設備開始應用到生產中來，如何方便快捷地把新增設備接入到應用系統的同時很好地匹配新增設備規約成為研究熱點。目前對新增規約處理的方法中的一種是開發新代碼匹配新增規約，但是這種方式重復工作量大。第二種是使用規約轉換器，實現新增規約與原來規約的轉換，但是該方法對系統應用層代碼修改較大，同時降低了系統的兼容性、穩定性、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備接入方法，通過中間件層來屏蔽不同設備不同規約間的報文差異，向應用層提供統一接口，降低新增規約的工作量，最后通過總召命令實例來說明中間件層對應用層與設備規約的匹配。

智能電網；規約轉換；電力設備接入；中間件

0 引言

隨著電力行業的發展，我國進入智能電網全面建設階段，在智能化變電站、發電、智能輸電、智能配電網、智能用電和智能調度等方面要接入大量新的智能設備，同時原有應用系統要匹配這些新增規約。如果采用傳統的規約轉換方式[1]雖然能夠從一定程度上減少協議匹配中的工作量，但是仍需要修改應用層代碼，還需要大量人力物力進行系統維護升級，本文在原有規約轉換的基礎上提出在應用層與設備規約層間新增一個中間件層的方法，向應用層提供統一穩定的接口，降低新增設備和新增規約時的工作量。

1 相關工作

目前當新增設備接入到系統時，傳統方法[2]是給新增設備的規約編寫一個規約匹配程序，實現設備與上位機或監控主站的通信。這種方法可以把新增規約和系統原有規約關聯起來，此方法的優點是通過新舊規約的關聯關系，使規約轉換相對獨立，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，首先是不同規約轉換中會有重復部分，此方法并沒有將公共部分加以抽象、提取和封裝；其次當出現協議交叉轉換時難實現；而且要求開發人員必須熟悉規約及規約之間的映射關系；最后由于所用協議轉換種類較多，對應用系統中規約的管理帶來麻煩。

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

文獻[4]提出了一種比較通用的規約轉換器的設計方案。該方案基于分布式客戶端/服務器(C/S)的體系架構，其中請求規約轉換的程序為客戶端，提供規約轉換的程序為服務端。服務端還是一個數據轉發中心，把不同客戶端的請求進行規約轉換后發送給指定客戶端。數據實時轉發是通過“觀察者模式”實現，通過推/拉方式提高數據轉發效率。同時該方法還提供了傳統規約與IEC61850規約轉換時的數據結構，使得每個規約轉換節點的通信程序只需開發一次，提高了效率，減輕了傳統規約轉換器給變電站綜合自動化帶來的負面影響。但是該系統的規約轉換工作集中到“觀察者”服務器上來，很容易因為一臺服務器宕機導致整個系統崩潰，同時也沒從根本上解決新增規約后應用層程序完全自適應的問題。

文獻[5]-[8]把目前比較成熟的軟件框架技術和規約轉換方法相結合提出將CORBA技術和分布式硬件平臺結合應用于IEC61 850規約轉換裝置的方法。但該方法只是提出了非IEC61 850規約向IEC61 850規約轉換的方法，并沒有給出通用的規約轉換方法以及具體轉換形式和過程；還有的分析了變電站自動化系統升級改造中出現的許多新問題和產生問題原因，介紹了中間件技術的特點和幾種典型的中間件，并結合變電站自動化系統的結構，提出了在變電站自動化系統中應用中間件技術的思路。但是并未深入說明如何將中間件技術和規約轉換結合起來解決規約轉換中的問題；還有的提出采用COM技術將各規約做成組件的形式，最大限度地將客戶和規約的具體實現分開，需要某種規約就導入對應的組件，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，提高了程序的重用性。但是此方法仍不能解決當新增規約時對應用層修改的問題。

文獻[9]將系統分為三層。業務處理層主要通過獲取通信系統采集設備上傳的信息后進行綜合處理，規約的調度轉換以及資源的管理和配置等；規約適配層主要是將采集的設備信息進行規約處理，按指定策略進行規約轉換、規約調度；物理接口層是直接與設備進行交互的，直接從設備接收數據以及直接向設備下發數據，并進行設備物理端口的控制、參數的設定等。這種分層設計基本實現規約的轉換及向業務層提供設備數據，但是并沒有深入說明如何實現協議適配層，以及向業務層提供的數據標準規約格式。

2 電力設備接入中間件層設計

通過引用中間件層，可向應用層提供統一接口，方便應用系統的維護和升級。同時向下匹配各種設備規約，實現應用系統中接入設備的靈活性和多樣性。

2.1 基于中間件層的電力設備接入體系

基于中間件層的電力設備接入體系結構如圖1所示。

圖1 基于中間件層的電力設備接入體系結構圖

應用層是面向用戶的，主站可以通過應用層顯示設備狀態和向設備下發命令。中間件層連接應用層和設備層并且在兩層間完成協議轉換。網絡層根據設備接入地點和方式的不同選擇局域網、互聯網、VPN等。接入的電力設備包括一次設備、二次設備等。中間件是適用于應用程序與數據源之間的互操作模型[10]。中間件向上對應用層提供設備狀態信息，向下對設備感知層下達指令信息。中間件可以接入發電、輸電、變電、用電環節設備，通過中間件可以控制單獨一個設備，也可以向一類設備發送命令，或者向一組設備下達指令。同時，應用層屏蔽不同設備的差異，向應用層提供統一接口。當新增或刪去設備時，系統都能快速地自適應。

2.2 電力設備接入中間件層的設計

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

2.2.1 中間件層向應用層提供一接口

中間件層在應用層之下，向應用層提供統一接口，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）包括校驗字段但不包括開始字符和結束字符。

（3）傳輸方向：（1字節）從主站到子站為1，從子站到主站為2。

（4）命令字：（8字節）定義不同命令如初始化鏈路、遙控、總召喚等。

（5）主站標識符：（20字節）點對點通信中主站的唯一標識符。

（6）設備標識符：（20字節）點對點通信中設備的唯一標識符。

（7）設備類型ID：（20字節）離散數值類型設備：斷路器，刀閘。連續數據類型設備：變壓器等。

（8）數據個數：（8字節）本次傳送的數據的個數。

（9）數據類型：（8字節）分為離散型、連續型、字符型。

（10）數據值域：（不定長）由數據個數字段及數據類型決定數據值域的大小。

（11）幀校驗和：（定長-2字節）CRC校驗的校驗和。

（12）結束字符：（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）設備類型ID：離散數值類型設備：斷路器，刀閘。連續數據類型設備：變壓器、互感器，智能表，用電設備等。根據不同類型的設備，定義每一種類型的ID。

（3）數據類型：分為離散型、連續型、字符型。其中，離散型數據為整型數據，標識設備狀態，例如刀閘狀態（連接為1，斷開為0）；連續型數據為浮點型數據，標識設備采集的數值，例如五遙信息[11]、定值信息等；字符型為不定長字符串類型，標識除離散型和連續以外的數據類型，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約

在圖1的體系結構圖中，中間件層通過網絡監控電力設備，在監控過程中常用到的規約有IEC101、IEC103、MODBUS等，把這些規約定義為設備規約層，中間件層需要對這些規約進行匹配，中間件層與設備規約層匹配如圖3所示。

圖3 中間件層與規約層的匹配

中間件層需要與設備現有協議進行對接，從設備層發來的不同類型的報文中提取出相應字段，封裝成圖2所示的報文后發送給應用層。

3 中間件層設計實例

總召是在主站初始化后召喚子站的所有數據，主站下發總召命令，子站需回復確認命令，然后等待主站召喚數據。主站下發召喚數據命令，子站收到命令后就連續地以總召喚的信息內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總召命令的過程，并通過中間件層協議報文的設計來匹配IEC101規約。其中IEC101規約格式如圖5所示。其中ASDU (Application Service Data Unit)是應用服務數據單元，L表示報文長度。

圖5 IEC101規約格式

總召命令報文中只有命令字段，根據命令字段就可以完成對IEC101規約中總召報文的轉換，所以數據字段為空，主站下發總召命令下發規約報文如圖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，對應圖6中的ALL TYPE ID字段，圖5中的類型標識對應圖6中的命令字段CALL，圖5中的公共地址對應圖6中的設備標識符中的ALL ID字段，圖5中的信息體時標為當前系統時間，傳送原因根據命令字定義為總召。另外，圖6中其他字段含義見圖2中的字段說明。

圖6 應用層下發報文

4 結語

針對電力系統中不同新增電力設備種類的接入，導致頻繁修改用戶應用程序的問題，我們在應用層之下新增一個設備接入中間件層，此中間件層向應用層提供了統一的接口，從而方便了用戶使用和維護現有的電力系統軟件，最后通過一個總召命令實例來說明中間件層對應用層與設備規約的匹配。

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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

本文受國家電網科技項目（SGTYHT/15-JS-191），國家自然科學基金資助項目（61173017），工信部通信軟科學基金資助項目（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、物聯網技術的研究；谷勇浩(1980-)，男，博士，高工，研究方向：網絡及信息安全技術研究；于華東(1973-)，男，碩士，高工，研究方向：無線通信技術研究；徐長福(1970-)，男，碩士，高工，研究方向：電力無線專網應用技術研究、智能巡檢及狀態監測新技術研究等。

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