適配器模式在異構(gòu)協(xié)議接入IEC61850的轉(zhuǎn)換研究

王 昕 曹 敏 李仕林 程 航 李英娜 李 川

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院；2.南方電網(wǎng)電能計量重點實驗室；3.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院)

適配器模式在異構(gòu)協(xié)議接入IEC61850的轉(zhuǎn)換研究

王 昕1,2曹 敏1,2李仕林1,2程 航3李英娜3李 川3

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院；2.南方電網(wǎng)電能計量重點實驗室；3.昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院)

根據(jù)IEC61850標準本身的特點，比較分析異構(gòu)協(xié)議和IEC61850的差異，對其轉(zhuǎn)換功能需求進行分析，以IEC61850的通信體系為基礎(chǔ)，采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)提出將適配器模式應(yīng)用于異構(gòu)協(xié)議接入IEC61850的轉(zhuǎn)換研究。該研究不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原有的異構(gòu)協(xié)議向IEC61850的接入，并且異構(gòu)協(xié)議之間也可以通過IEC61850為橋梁實現(xiàn)信息的交互，解決了智能變電站建設(shè)中異構(gòu)協(xié)議與IEC61850的信息傳遞和多種廠家異構(gòu)協(xié)議相互不兼容的問題。

協(xié)議轉(zhuǎn)換 適配器模式 異構(gòu)協(xié)議 IEC61850

IEC61850是智能變電站的國際通用標準，在中國電力行業(yè)對應(yīng)的標準編號為DL/T 860。該標準從變電站的過程層到調(diào)度層采用了統(tǒng)一的通信協(xié)議和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對象標簽庫，用以方便建模[1～3]。并且建立各個控制層次的公共對象建模工具，建立全局性對象模型和同一標簽名字庫字典，形成無縫的遠動通信體系結(jié)構(gòu)[4～6]。從2004年開始，IEC61850應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議，但由于變電站內(nèi)原有的部分智能電子設(shè)備主要采用的是老的協(xié)議和廠家內(nèi)部的通信規(guī)范，會導(dǎo)致變電站設(shè)備的通信困難，形成信息孤島[7～11]。同時過多的異構(gòu)協(xié)議數(shù)量也使得對每個協(xié)議進行轉(zhuǎn)換變得更加繁瑣、耗費成本[12，13]。

筆者介紹一種基于適配器模式的IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)了IEC61850與異構(gòu)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，同時適配器模式簡化了軟件的設(shè)計和過程的實現(xiàn)，使軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)更加清晰，更重要的是如果有新的協(xié)議需要進行轉(zhuǎn)換，只需增加新的適配器類即可，系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是復(fù)用性、穩(wěn)定性和可擴展性。

1 適配器模式

筆者主要關(guān)注結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法中的適配器模式，適配器模式的意圖就是通過接口轉(zhuǎn)換使本來不兼容的接口可以協(xié)作。適配器模式主要包含3個角色：

a. 目標接口。客戶所期待的接口。目標可以是具體的或抽象的類，也可以是接口。

b. 需要適配的類。需要適配的類或適配者類。

c. 適配器。通過包裝一個需要適配的對象，把原接口轉(zhuǎn)換成目標接口。

為了實現(xiàn)這個目標，在適配器里保存一個既有類型的引用，它自身又能夠按照客服程序的要求實現(xiàn)新接口，這種方式被稱為對象適配器。在變電站的應(yīng)用中，異構(gòu)協(xié)議是需要適配的類，需要對它進行包裝，使之能夠在IEC61850標準的這個接口使用；經(jīng)過包裝后的適配器類成為了適配器，適配器的接口變?yōu)槟繕私涌冢荒繕私涌诩礊樽冸娬局袕V泛使用的IEC61850標準。

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功能需求

通過軟件需求分析[14，15]可知協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)具備3方面的功能：

a. 配置系統(tǒng)中的設(shè)備、轉(zhuǎn)發(fā)、通道和協(xié)議信息。設(shè)備信息包括設(shè)備地址、所用通道信息和設(shè)備擁有的具體遙信、遙測、遙控及遙調(diào)等信息點的信息；轉(zhuǎn)發(fā)信息包括轉(zhuǎn)發(fā)地址、轉(zhuǎn)發(fā)通道和轉(zhuǎn)發(fā)擁有的具體遙信、遙測、遙控及遙調(diào)等信息點的信息；通道信息包括該通道使用的協(xié)議、輔助的通道地址及端口號等；協(xié)議信息用來配置具體使用的協(xié)議庫。

b. 將上下行的數(shù)據(jù)按照具體的數(shù)據(jù)格式收發(fā)，并且不進行協(xié)議解析和轉(zhuǎn)發(fā)處理，信息交換獨立于具體通信模型之外，通信模型的改變不影響應(yīng)用，對通信技術(shù)是開放的。

c. 除了可以將異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850標準外，還可以將IEC61850轉(zhuǎn)換為目前大部分信息系統(tǒng)廠家的通信協(xié)議。支持不同廠商的設(shè)備之間的信息交換，對廠商是開放的。

3 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件的設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

圖1是基于適配器模式的IEC61850標準轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)架框圖，控制中心與后臺監(jiān)控采用IEC61850標準通過廣域網(wǎng)和協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相連接，協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠?qū)悩?gòu)協(xié)議與IEC61850相互轉(zhuǎn)換。在方案中，僅需一個能夠擴充的協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠添加多個智能設(shè)備的協(xié)議信息，每個異構(gòu)協(xié)議向協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的程序只需開發(fā)一次，相對于傳統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器大幅降低了工作量。

圖1 基于適配器模式的IEC61850標準轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)架框圖

3.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在進行協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計時，不同的協(xié)議采用的物理通道都是不相同的，而實際上通信方式的種類遠遠少于所用協(xié)議的種類。那么當協(xié)議中包含具體的通信方式時，雖然通信方式相同，但還是會出現(xiàn)大量重復(fù)性工作。此時把不同種類的通信方式抽象為一個基類，在具體的協(xié)議中去實現(xiàn)它自己的通信方式，會大量簡化軟件設(shè)計的工作量。

從外部做一些適應(yīng)性的改變，以確保舊的通信方式通過外面增加的新對象以適合新的通信方式的需要。由于類適配器一次最多只能適配一個適配者類，而且目標抽象類只能為抽象類，不能為具體類，其使用有一定的局限性。而對象適配器可以把多個不同的適配者適配到同一個目標，也就是說，同一個適配器可以把適配者類與其子類都適配到目標通信方式。為此，筆者選擇對象適配器模式來實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。如圖2所示，依據(jù)IEC61850構(gòu)建抽象協(xié)議類，具體協(xié)議類是需要轉(zhuǎn)換的異構(gòu)協(xié)議，在適配器類中包裝了新的通信方式，它所包裝的對象就是適配者，即異構(gòu)協(xié)議。適配器類提供客戶所需的通信方式，實現(xiàn)了把客戶的請求轉(zhuǎn)換為對具體協(xié)議通信方式的調(diào)用，也就是說，當客戶調(diào)用適配器類的方法時，在適配器類的內(nèi)部將調(diào)用具體協(xié)議的通信方式，而這個過程是透明的，客戶不必直接訪問具體的異構(gòu)協(xié)議。這就使得協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以使通信方式不兼容的兩個協(xié)議能夠正常通信。

圖2 協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)用類

對于圖2，在只有一種具體協(xié)議類時的適配器類能充分地調(diào)用異構(gòu)協(xié)議的操作，將異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEC61850標準；但是當具體協(xié)議類不止一個時，適配器類則需要添加更多不同的操作來滿足每個異構(gòu)協(xié)議，這又使得軟件的可擴展性變得不足。為了解決此類問題，繼續(xù)增加一個抽象層，即添加子適配器類，在每增加一個具體協(xié)議類的同時添加一個相對應(yīng)的子適配器類，每個子適配器依賴于相對應(yīng)的具體協(xié)議，而且每個子適配器類繼承父適配器類的所有操作。如圖3所示，以IEC101、IEC104等協(xié)議為例，每個子適配器類依賴對應(yīng)的異構(gòu)協(xié)議，能夠完全實現(xiàn)異構(gòu)協(xié)議的操作，而且子適配器繼承父類，使得父類能夠通過子類調(diào)用異構(gòu)協(xié)議的操作，實現(xiàn)IEC61850協(xié)議與IEC101、IEC104等協(xié)議的正常通信。

圖3 多個異構(gòu)協(xié)議情況下協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)類

4 結(jié)束語

在符合IEC61850通信體系的變電站自動化系統(tǒng)中，多異構(gòu)協(xié)議與IEC61850通信的實現(xiàn)是一個編程復(fù)雜、成本高的工作，適配器模式為協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了新的思路和解決方案。筆者對異構(gòu)協(xié)議和IEC61850進行比較分析，研究了協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需求，基于對象適配器模式，完成了多種異構(gòu)協(xié)議向IEC61850的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了變電站中異構(gòu)協(xié)議與IEC61850協(xié)議的相互兼容。并且，如果再有新的協(xié)議加入，只需增加新的對象類型，實現(xiàn)具體協(xié)議類的操作即可，這就使得筆者所介紹的協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)擁有更好的可復(fù)用性。

[1] 譚文恕.遠動信息的網(wǎng)絡(luò)訪問[J].電力系統(tǒng)自動化,2001,25(12):51～52.

[2] 孫其博,楊放春,鄒華.基于CORBA技術(shù)的分布式智能網(wǎng)[J].數(shù)據(jù)通信,2001,(4):32～35.

[3] 譚文恕.變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議IEC61850介紹[J].電網(wǎng)技術(shù),2001,25(9):8～11,15.

[4] 朱炳銓,任雁銘,姜健寧,等.變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)IEC61850的過渡期策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(23):54～57.

[5] IEC.IEC61850:Communication Networks and Systems in Substations[M/CD].Geneva:IEC,2003.

[6] 張勇,陳樹恒,王利平,等.基于以太網(wǎng)的規(guī)約轉(zhuǎn)換器組態(tài)軟件的研發(fā)[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,3l(14):89～92.

[7] 趙淵,沈智健.基于TCP/IP的IEC60870-5-104遠動規(guī)約在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(10):56～60.

[8] 林知明,揚豐萍,余瑛.IEC61850到MMS映射分析及實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2007,35(2):64～67.

[9] 王文龍,徐廣輝,朱中華.基于CORBA技術(shù)的IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(7):63～66.

[10] 高志勇,宋康,陳勇,等.一種通用的基于“觀察者模式”的規(guī)約轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案[J].電力自動化設(shè)備,2011,31(9):108～110.

[11] Gamma E,Helm R,Johnson R,et al.Design Pattern[M].New Jersey,USA:Person Education Corporate Sales Division,2000:194～201.

[12] 孔鳳穎,侯思祖,劉瑋.102規(guī)約向IEC61850規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的研究[J].電力信息與通信技術(shù),2013,11(4):27～30.

[13] 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[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(9):118～122.

[14] 談俊峰.用用例分析技術(shù)進行需求分析和構(gòu)架建模[J].計算機工程與設(shè)計，2004，25(2):252～254.

[15] 王繼成,高珍.軟件需求分析的研究[J].計算機工程與設(shè)計,2002,23(8):18～21.

ResearchonAdapterPatternUsedinConversionofHeterogeneousProtocolintoIEC61850Standard

WANG Xin1,2,CAO Min1,2,LI Shi-lin1,2,CHENG Hang3,LI Ying-na3,LI Chuan3

(1.YunnanPowerGridElectricPowerResearchInstituteCo.,Ltd.; 2.SouthernPowerGridElectricityMeasurementKeyLaboratory; 3.FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology)

Through considering characteristics of IEC61850 and comparing differences between heterogeneous protocol and IEC61850, the functional requirements of their conversion were analyzed. Based on the communication system of IEC61850, adopting the object-oriented technology to research the conversion of having adapter pattern used in inserting heterogeneous protocols into IEC61850 was proposed. The research can complete heterogeneous protocols’ inserting into IEC61850 and information interaction between heterogeneous protocols through the IEC61850. This solves the information transmission between heterogeneous protocols and IEC61850 in construction of smart substation and the incompatibility among the heterogeneous protocols.

protocol conversion, adapter pattern,heterogeneous protocol,IEC61850

TH862+.7

B

1000-3932(2017)01-0069-04

基于多源傳感的配網(wǎng)設(shè)備故障檢測數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)研究項目(2013FZ021)。

王昕(1967-)，高級工程師，從事電能計量技術(shù)研究工作，wx3128@126.com。

2016-03-21)