配電自動(dòng)化系統(tǒng)智能設(shè)備通信功能的快速構(gòu)建

張航，康振全，王振岳

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)智能設(shè)備通信功能的快速構(gòu)建

張航，康振全，王振岳

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

為解決不同嵌入式軟硬件環(huán)境下、不同應(yīng)用功能場(chǎng)景下配電自動(dòng)化系統(tǒng)智能設(shè)備通信功能程序需要重新編碼的難題，提出了一種基于插件技術(shù)對(duì)嵌入式設(shè)備通信功能進(jìn)行模塊化快速開發(fā)的方法。設(shè)計(jì)了嵌入式通信功能的插件式通信服務(wù)框架、通信處理插件、通信介質(zhì)插件、通信協(xié)議處理插件，描述了配置工具對(duì)通信模型的建模過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了嵌入式通信功能的快速構(gòu)建和在線更新。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)；智能設(shè)備；嵌入式；通信；快速構(gòu)建；在線更新

0 引言

配電網(wǎng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，配電自動(dòng)化是提高配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行管理水平、提升供電可靠性的重要技術(shù)手段。配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要由主站系統(tǒng)、智能終端、智能一次設(shè)備等多個(gè)功能系統(tǒng)組成[1]。智能終端作為采集、傳輸信息，接受、執(zhí)行命令的主要設(shè)備，是配電系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化建設(shè)的關(guān)鍵。

1 基于嵌入式系統(tǒng)的智能終端設(shè)備

“十三五”期間，智能電網(wǎng)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，智能配電網(wǎng)技術(shù)要求越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)大，系統(tǒng)需要各種智能終端設(shè)備完成不同數(shù)據(jù)類型、不同采樣周期、不同傳輸方式的信息交互，實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、傳輸和控制。智能終端針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，基于嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)差異化功能，主要功能包括傳感采集、邏輯自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)交互、遠(yuǎn)傳通信，如圖1所示。這些智能終端設(shè)備通常采用嵌入式計(jì)算機(jī)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類功能，但不同終端采用不同硬件、不同架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中與外部系統(tǒng)進(jìn)行交互，其中通信功能作為嵌入式設(shè)備的主要功能，決定了智能設(shè)備的設(shè)計(jì)成敗[2]。

圖1 智能終端功能架構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)的硬件資源匱乏，無(wú)法和一般的臺(tái)式機(jī)系統(tǒng)相比，所以一般嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信功能代碼往往與功能場(chǎng)景綁定，當(dāng)需要將現(xiàn)有裝置應(yīng)用于其他場(chǎng)景時(shí)，通常需要重新編寫通信程序代碼。例如，許繼集團(tuán)有限公司開發(fā)的電力計(jì)量?jī)x表，同樣的電力計(jì)量采集功能，用于變電站時(shí)采用485通信串口協(xié)議，用于配網(wǎng)遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集時(shí)通常采用通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(GPRS)通信以太網(wǎng)協(xié)議[3]，必須修改代碼重新設(shè)計(jì)，大大增加了系統(tǒng)的開發(fā)、測(cè)試工作量，不利于智能設(shè)備的快速構(gòu)建和功能開發(fā)。

2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

在嵌入式系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)資源的局限性與通信介質(zhì)和通信協(xié)議的多樣性是通信功能設(shè)計(jì)的最大問(wèn)題。針對(duì)設(shè)備通信功能，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為：當(dāng)應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變化需要更改通信介質(zhì)時(shí)，須進(jìn)行代碼級(jí)開發(fā)工作；當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)變化需要采用新型協(xié)議通信時(shí)，須重新設(shè)計(jì)；當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)用戶需要增加、去除某些數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)時(shí)，須進(jìn)行代碼修改才能滿足功能要求。這種設(shè)計(jì)方法在增加開發(fā)、測(cè)試人員工作量的同時(shí)，也給智能設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行帶來(lái)通信隱患，如何改進(jìn)通信框架設(shè)計(jì)，解決功能代碼復(fù)用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)嵌入式裝置快速開發(fā)、便捷維護(hù)是通信開發(fā)工作關(guān)注的重點(diǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通信功能框架設(shè)計(jì)

本文基于插件技術(shù)，對(duì)嵌入式設(shè)備通信功能進(jìn)行模塊化開發(fā)[4]，設(shè)計(jì)了插件式通信框架(如圖2所示)、通信處理插件、通信介質(zhì)插件、通信協(xié)議處理插件，提供配置工具對(duì)通信模型進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)嵌入式

圖3 通信處理插件流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文解決了在不同的嵌入式軟硬件環(huán)境下、不同應(yīng)用功能場(chǎng)景下通信功能程序需要重新編碼的工程難題。面對(duì)不同的嵌入式系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)智能終端的硬件資源、具體通信功能需求，靈活配置協(xié)議插件和介質(zhì)插件，快速構(gòu)建設(shè)備通信功能，同時(shí)遵循標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范對(duì)協(xié)議插件和介質(zhì)插件進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)通信框架、模塊插件的迭代開發(fā)維護(hù)和擴(kuò)展，適應(yīng)嵌入式智能設(shè)備不斷變化的信息需求。

基于本文介紹的插件框架化設(shè)計(jì)，作者研制開發(fā)的通信構(gòu)件已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)城市配電網(wǎng)遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTU)、饋線終端設(shè)備(FTU)等配電自動(dòng)化設(shè)備，大大縮短了智能終端通信功能開發(fā)調(diào)試周期，提升了開發(fā)工作效率，降低了現(xiàn)場(chǎng)配置調(diào)試工作量。

[1]配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端：DL/T 721—2013[S].

[2]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(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(9)：118-122.

[3]陳杰，杜偉春，王振岳，等.基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)通信管理機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(11)：113-116，125.

[4]王康元，黃武浩，劉宇，等.設(shè)計(jì)模式在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(13)：50 -53.

[5]張艷林，李慧勇，李紹滋.基于編譯器的通信規(guī)約自動(dòng)解析研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(2)：101-105.

(本文責(zé)編：劉芳)

圖2 插件式通信框架

通信功能的快速構(gòu)建和在線更新。

3.2 通信功能快速構(gòu)建

搭建嵌入式硬件軟件平臺(tái)，通過(guò)交叉編譯嵌入式目標(biāo)機(jī)操作系統(tǒng)中運(yùn)行的插件式通信服務(wù)框架、協(xié)議插件、介質(zhì)插件，將編譯完成后的目標(biāo)程序下載到嵌入式目標(biāo)機(jī)；運(yùn)行插件式通信服務(wù)框架的建模工具，進(jìn)行通信通道的建模和數(shù)據(jù)模型的建模，在建模工具中增加相應(yīng)協(xié)議的通信處理插件，配置其需要的協(xié)議插件和介質(zhì)插件，并將模型文件下載到目標(biāo)系統(tǒng)中；在嵌入式設(shè)備中運(yùn)行插件式通信服務(wù)框架，根據(jù)建立的通信通道模型和數(shù)據(jù)模型，動(dòng)態(tài)生成各通信通道模型的通信處理插件，每個(gè)通信處理插件處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互，不需要任何代碼編寫工作就可快速完成嵌入式系統(tǒng)通信方式的構(gòu)建。

介質(zhì)插件實(shí)現(xiàn)各類網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的連接、鏈路控制及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作。支持種類包括串口、GPRS、以太網(wǎng)TCPServer、以太網(wǎng)TCPClient和以太網(wǎng)UDP[5]。

協(xié)議插件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的分析處理、上下行傳送及業(yè)務(wù)邏輯分析，所述協(xié)議種類包括IEC 101/102/103/104/61850，OPC，MODBUS，SPI等[5]。

3.3 數(shù)據(jù)處理通信過(guò)程

通信處理插件生成其插件管理模塊和接口管理模塊。首先，插件管理模塊進(jìn)行協(xié)議插件的動(dòng)態(tài)加載，接口管理模塊采用回調(diào)函數(shù)的方式將協(xié)議插件和插件式通信服務(wù)框架的應(yīng)用層接口進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使得應(yīng)用層接口和協(xié)議插件的數(shù)據(jù)可以互通；然后插件管理模塊再根據(jù)配置完成介質(zhì)插件的動(dòng)態(tài)加載，接口管理模塊同樣以回調(diào)函數(shù)的方式將介質(zhì)插件和協(xié)議插件的接口進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使協(xié)議插件和介質(zhì)插件的數(shù)據(jù)可以互通，完成具體數(shù)據(jù)通信功能，具體流程如圖3所示。

3.4 在線更新功能

通信功能框架提供在線更新功能，主要步驟如下。

(1)運(yùn)行插件式通信服務(wù)框架的建模工具，進(jìn)行通信通道模型的修改。

(2)建模工具通知通信框架相應(yīng)的通信處理插件變更內(nèi)容。

(3)插件式通信服務(wù)框根據(jù)配置變更處理插件提交的變更內(nèi)容，通知通信處理插件進(jìn)行模型配置變更同步。

(4)最后，由通信處理插件按照新的通信介質(zhì)或協(xié)議進(jìn)行通信，完成嵌入式系統(tǒng)通信方式的變更。

嵌入式系統(tǒng)通信方式的在線變更，實(shí)現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)對(duì)需要修改的通信通道進(jìn)行在線變更。參數(shù)及時(shí)配置、及時(shí)生效，大大縮短了調(diào)試升級(jí)過(guò)程。

2017-04-14；

2017-06-10

TM 76

B

1674-1951(2017)07-0042-02

張航(1979—)，男，河南許昌人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的研究(E-mail:33809750@qq.com)。

康振全(1977—)，男，北京人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的研究。

王振岳(1979—)，男，河南平頂山人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的研究。