曾 虎， 劉名揚， 李 川， 李英娜

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

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基于XML的電力二次設備異構規(guī)約建模與轉換*

曾 虎， 劉名揚， 李 川， 李英娜

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

電力系統(tǒng)中電力規(guī)約的可靠運行很大程度上關系到電力二次設備的數(shù)據(jù)傳輸與交換，規(guī)約的多樣性對電網(wǎng)通信造成了很大影響。通過對IEC101，IEC104，DL/T645三種主流傳統(tǒng)規(guī)約以及IEC61850規(guī)約的報文格式和傳輸流程的分析，設計了傳統(tǒng)規(guī)約與IEC61850之間的報文字段映射機制。分析形式化描述方法，結合異構規(guī)約報文格式的特點，建立了規(guī)約抽象幀模型，并采用XML描述語言對規(guī)約抽象幀進行形式化的描述。采用工廠模式建立了電力二次設備異構規(guī)約的通信自動適配系統(tǒng)，實現(xiàn)規(guī)約間的匹配與轉換。

規(guī)約映射； IEC61850； XML； 自動適配

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中傳送的數(shù)據(jù)量越來越大，電力二次設備的規(guī)約種類也越來越多，規(guī)約的多樣性對電網(wǎng)通信技術的一致性和互操作性要求造成了很大影響，因此，需要建立異構規(guī)約之間的自動適配機制，完成異構規(guī)約的數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)異構通信協(xié)議之間信息的自動解析，減少人工干預，提高設備之間的通信效率，解決設備通信的障礙[1,2]。1995年，趙錦蓉教授提出了通過通信有限狀態(tài)機的對偶積來進行協(xié)議轉換，按照規(guī)約描述進行順序型的操作[3]。1999年，費翔、羅軍舟等人提出了基于Petri網(wǎng)的協(xié)議轉換技術[4]?？坐P穎等人建立了轉換網(wǎng)關，采用IED配置模塊配置ICD文件，使102規(guī)約節(jié)點映射到IEC61850規(guī)范節(jié)點[5]。何勇采用數(shù)據(jù)點之間的映射模型，通過自定義的規(guī)約完成了信息交互[6]。目前，電力通信規(guī)約的轉換只是在部分規(guī)約之間進行，規(guī)約自動適配缺少完整性。李強等人采用XML Schema技術設計出規(guī)約轉換網(wǎng)關，通過變電站信息配置文件實現(xiàn)104規(guī)約與IEC61850的轉換[7]。劉凱、陳少華等人分別實現(xiàn)了Q/GDW 376.1規(guī)約與DL/T 645規(guī)約、CDT規(guī)約與IEC60870—5—101規(guī)約的相互轉換[8，9]。

根據(jù)電網(wǎng)規(guī)約多樣性的現(xiàn)狀，以及多樣性導致的不同規(guī)約間難以互聯(lián)互通以及傳統(tǒng)的規(guī)約轉換方法中所面臨的問題，本文提出了一種新的規(guī)約轉換方法，并建立了電力二次設備異構規(guī)約的通信自動適配系統(tǒng)。首先深入理解IEC60870—5—101，IEC60870—5—104，DL/T 645規(guī)約以及IEC61850標準，剖析其中的報文結構與傳輸方式，建立了規(guī)約間的映射機制。對規(guī)約信息進行形式化描述，生成了通用的XML規(guī)約文檔。研發(fā)異構規(guī)約通信自動適配系統(tǒng)，完成主站與子站規(guī)約的規(guī)約橋接，實現(xiàn)了異構規(guī)約之間的信息交互。

1 電力二次設備異構規(guī)約與IEC61850映射模型

通過分析規(guī)約報文，根據(jù)異構規(guī)約之間的映射機制來判定規(guī)約的轉換規(guī)則，在明確映射機制的情況下建立規(guī)約映射模型，完成異構規(guī)約的信息交互。101規(guī)約的報文結構可以分為固定幀長和可變幀長。固定幀長的報文包含啟動字符、控制域、鏈路地址域、幀校驗和以及結束字符；可變幀長的報文還包含報文長度、重復長度和數(shù)據(jù)域。104規(guī)約的報文結構由應用規(guī)約控制信息(APCI)和應用服務數(shù)據(jù)單元(ASDU)組成，具有信息傳輸格式(I格式)、監(jiān)視功能格式(S格式)和控制功能格式(U格式)，其中，只有I格式的APDU里包含ASDU，其余兩種格式的APDU只包含APCI。DL/T645規(guī)約與IEC61850規(guī)約均為傳輸設備的實時信息，報文中的目的地址字段對應于IEC61850報文中的目的MAC；控制碼對應APPID；數(shù)據(jù)域長度對應APDU長度；數(shù)據(jù)域對應APDU；校驗碼對應CRC校驗字段。變長101規(guī)約到IEC61850的映射關系、I格式的104規(guī)約到IEC61850的映射關系、DL/T 645規(guī)約與IEC61850報文的映射關系分別如圖1(a)，(b)，(c)所示。

圖1 映射關系

2 基于XML的電力二次設備異構規(guī)約形式化分析與建模

2.1 異構規(guī)約形式化分析

電力二次設備異構規(guī)約報文包含幀起始符、地址域、功能域、數(shù)據(jù)域、校驗域和結束符等字段組成。在進行形式化描述前要了解規(guī)約報文的組成結構，同時還要考慮字段的長度、規(guī)約名稱和上下行標識。表1列出了本文所研究的電力二次設備規(guī)約的幀格式比對。*代表字段的長度可變。

表1 電力二次設備規(guī)約報文字段對比

通過列出的規(guī)約部分幀格式的字段類型與字段長度，可以看出，規(guī)約報文一般由1～n個字節(jié)構成一個幀的基本單元，多個基本單元如幀首部，地址單元，功能單元，數(shù)據(jù)單元，結束符等構成一個完整的幀。為了描述幀的基本單元，首先構建一個抽象幀，在XML文檔中通過一個元素描述規(guī)約的基本信息以及字段信息，字段中的性質通過元素的屬性來刻畫。XML文檔中所有元素的集合可以用來描述一個具體的規(guī)約報文。

2.2 異構規(guī)約形式化建模

根據(jù)上文對異構規(guī)約形式化描述的分析，并考慮到電力二次設備傳統(tǒng)規(guī)約以及IEC61850報文的特點，建立了基于XML的電力二次設備異構規(guī)約形式化描述模型，樹狀結構如圖2所示。

圖2 基于XML的異構規(guī)約形式化建模樹狀結構

通過這種方法描述規(guī)約的幀信息，能將不同規(guī)約的幀統(tǒng)一成一種類型的XML文檔，在解析時只需讀取對應的標簽便能理解幀的含義。對異構規(guī)約進行形式化建模后，可以生成一份統(tǒng)一的XML規(guī)約文檔模板，任何符合條件的規(guī)約都可嵌套在此模板中，完成規(guī)約的統(tǒng)一建模。

3 電力二次設備異構規(guī)約的通信自動適配系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)工作流程

異構規(guī)約的通信自動適配系統(tǒng)的工作流程依據(jù)不同的規(guī)約可采用全雙工和半雙工方式進行。通過配置多個通信接口與子站進行信息交互，各個通信接口采用RJ—45，RS—232及RS—485串口方式連接；可以支持光纖、無線、載波、電纜等多種信道；分別通過設置端口配置以適應不同規(guī)約。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作過程如下：當裝置向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)首先檢查規(guī)約的合法性，然后,對報文格式進行識別和校驗，最后,將包含電量采集或事件記錄的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。如果需要對裝置發(fā)送命令，規(guī)約轉換單元按照不同的規(guī)約對數(shù)據(jù)進行組幀，從不同的通信口發(fā)送到裝置。規(guī)約轉換系統(tǒng)可以設置規(guī)約轉換的雙方，在任意兩種規(guī)約間進行轉換。

3.2 系統(tǒng)對XML規(guī)約文檔的解析過程

根據(jù)已建立好的XML規(guī)約文檔，需要定義2個結構體類型，一個是Framebody結構體類型，表示幀屬性體，包含position，functiontype，explanation，length， mean和code 6個數(shù)據(jù)成員，對應于XML描述中的〈Subdata〉標簽中的6個屬性的值。另一個是frame結構體類型，包含F(xiàn)ramebody結構體類型的變量數(shù)組fb，framelength和framebodysum 3個數(shù)據(jù)成員，對應于XML描述中的〈Frame〉標簽中的3個子標簽的信息。

XML規(guī)約文檔的識別主要過程：首先,讀取規(guī)約的XML文檔，獲取XML文檔的根(Frames)標簽中的幀格式個數(shù)標簽〈Framesum〉的信息；然后,對〈Frames〉標簽中的〈Frame〉子標簽的信息進行解析，在標簽〈Frame〉中獲取幀字節(jié)數(shù)標簽〈FrameLength〉的值和幀字段標簽〈Framebody〉的子標簽的數(shù)目，對幀字段標簽〈Framebody〉進行解析。通過以上過程完成對整個規(guī)約報文結構的XML形式化描述的識別。

3.3 異構規(guī)約間轉換過程

規(guī)約適配與轉換的大致步驟為：報文接入模塊將含有規(guī)約信息XML文檔發(fā)送至消息總線，傳入報文格式轉換模塊，系統(tǒng)讀取并解析XML規(guī)約文檔，獲取其中的規(guī)約報文信息；按照匹配規(guī)則對報文信息進行重組，使其幀格式符合目標設備的規(guī)約類型并發(fā)送，實現(xiàn)異構規(guī)約之間的橋接。

異構規(guī)約自動適配系統(tǒng)在進行規(guī)約間的映射時，由于規(guī)約的信息模型不同，所以，需要將源規(guī)約的信息按照目標規(guī)約定義的信息模型進行重新組裝。規(guī)約適配與轉換模型一方面作為接收端，把異構規(guī)約所攜帶的信息收集起來，另一方面又作為發(fā)送端，把源規(guī)約所攜帶的信息轉換成符合目標規(guī)約的報文格式，發(fā)送給目標設備，從而實現(xiàn)信息的交互。就規(guī)約適配與轉換模型而言，所需要實現(xiàn)的功能包括識別規(guī)約、識別XML文檔、配置XML文檔、載入轉換配置文件、進行規(guī)約轉換、組裝目標規(guī)約幀格式、XML文檔數(shù)據(jù)庫管理。規(guī)約映射流程圖如圖4所示。

圖4 規(guī)約轉換流程

規(guī)約轉換主要流程如下：首先,進行初始化配置，等待接收報文。當數(shù)據(jù)按照源規(guī)約的報文格式發(fā)送后，對發(fā)送幀進行解析，識別報文類型，再對照預先編寫好的具有源規(guī)約類型的XML文檔，對照相應的字段，將數(shù)據(jù)代碼提取出來，挖掘出幀里面所包含的信息，再調用報文轉換配置文件，將發(fā)送幀所攜帶的信息按照目標規(guī)約的幀格式重新組裝起來，發(fā)送到目標設備，從而實現(xiàn)不同規(guī)約間的轉換。

4 結 論

為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)設備的互操作性，實現(xiàn)IEC61850規(guī)約與其他規(guī)約之間的轉換，建立了的異構規(guī)約與IEC61850規(guī)約的映射機制。通過分析異構規(guī)約的報文結構，建立了基于XML的異構規(guī)約形式化建模和規(guī)約轉換配置模型，從而實現(xiàn)了異構規(guī)約的自動適配。同時，開發(fā)了不同通信規(guī)約之間自動適配系統(tǒng)，減少了人工干預，提高了異構規(guī)約設備的通信效率。

[1] 王智莉,卜方玲.異構感知數(shù)據(jù)的動態(tài)適配接入方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(6):13-16.

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[3] 趙錦蓉.通信協(xié)議轉換器及其構造[J].軟件學報,1995(2):90-98.

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[5] 孔鳳穎,侯思祖,劉 瑋.102規(guī)約向IEC61850規(guī)約轉換網(wǎng)關的研究[J].電力信息與通信技術,2013,11(4):27-30.

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Electric power secondary equipment heterogeneous protocols modeling and transformation based on XML*

ZENG Hu, LIU Ming-yang, LI Chuan, LI Ying-na

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

In electricity power system,reliable operation of power protocol is largely related to data transmission and exchange power secondary device,and diversity of the protocol has a great impact on power grid communication.By analysis on three main traditional statutes of IEC101,IEC104,DL/T645 statute,packet format and transmission process of IEC61850,design message field mapping mechanism between the traditional protocol and IEC61850.Analysis on formal description method,combining the characteristics of heterogeneous protocol packet format,abstract frame model for protocol is established and an XML description language is used to describe for protocol abstract frame formalized.Use factory mode,establish a communication system automatically adapts to Second Power Equipment heterogeneous for protocol,achieve matching and conversions between protocols.

protocol mapping; IEC61850; XML; automatically adapt

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0049—03

2016—09—02

國家自然科學基金資助項目(51567013)；云南省應用基礎研究計劃資助項目(2013FZ021)；昆明理工大學人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303044)

TM 714

A

1000—9787(2017)08—0049—03

曾 虎(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為異構電力通信協(xié)議結構分析與適配等。

李英娜(1974-)，女，通訊作者，副教授，從事傳感網(wǎng)組建與信息集成和智能分析研究工作，E—mail:84077971@qq.com。