曹軍　李林　王正陽　崔紅輝

摘要：WebService是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于WLAN的一種新的系統(tǒng)集成技術(shù)，基于SOAP（Simple Object Access Protocol）協(xié)議可實現(xiàn)異構(gòu)環(huán)境下的信息交互。IEC61400-25-4是風(fēng)力系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)通過WebService通信映射，可以很好解決電力系統(tǒng)中通信平臺以及通信規(guī)約繁多，模型多樣化的問題，通過實現(xiàn)異構(gòu)平臺的數(shù)據(jù)信息交互，可以極大地提高電力通信的質(zhì)量與效率。本文通過探討基于嵌入式平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)IEC61400-25-4通信服務(wù)的WebService映射方法，設(shè)計一種新型配電網(wǎng)智能配電終端的通信方式。

Abstract： WebService is a new system integration technology widely used in WLAN. Based on SOAP（Simple Object Access Protocol） Protocol， information interaction in heterogeneous environment can be realized. IEC61400-25-4 is a standard communication of wind power system. Through WebService communication mapping， the standard can well solve the problem of various communication platforms， communication protocols and models in the power system. By realizing data information interaction of heterogeneous platforms， it can greatly improve the quality and efficiency of power communication. This paper discusses the WebService mapping method of IEC61400-25-4 communication service based on embedded platform system， and designs a new communication mode of intelligent distribution terminal of distribution network.

關(guān)鍵詞：WebService;Soap;智能配電終端;服務(wù)映射

Key words： WebService;Soap;intelligent distribution terminal;service mapping

中圖分類號：TM727;TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）28-0282-06

0? 引言

當(dāng)前，電力工業(yè)迅猛發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ顚﹄娏Φ男枨罅咳找嬖黾印Ｎ墨I(xiàn)[1]提到電力系統(tǒng)變得越來越龐大，如何能有效的管理好，調(diào)度好電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)通信是關(guān)鍵。但是，文獻(xiàn)[2]提到目前的電力系統(tǒng)通信方式種類繁多，通信的平臺及系統(tǒng)軟件也多種多樣。而且，電力系統(tǒng)中通信的層次結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有終端單元，調(diào)度子站，調(diào)度主站，變電站系統(tǒng)等[3];通信的信息量大，有遙測、遙信、遙控、遙調(diào)四遙功能、故障信息錄波、采樣數(shù)據(jù)等大量不同類型的數(shù)據(jù)信息[4]。文獻(xiàn)[5]提出如何能有效的實現(xiàn)龐大復(fù)雜的電力通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息共享，高效、快速、簡潔的數(shù)據(jù)通信，采用合理恰當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議是解決問題的要點。Webservice作為一種系統(tǒng)集成技術(shù)，文獻(xiàn)[6]采用一套標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議SOAP協(xié)議實現(xiàn)信息封裝，實現(xiàn)不同信息類型、信息結(jié)構(gòu)的交互，實現(xiàn)通信雙方在Web上互操作性。并且Webservice只提供相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)封裝方式，并沒有強制用戶使用何種語言，何種平臺，這樣就有效的解決平臺和系統(tǒng)異構(gòu)問題[7-9]。本文，就是通過討論基于嵌入式的Webservice實現(xiàn)技術(shù)，來展望電力系統(tǒng)中的一種新的通信方式基于Webservice的通信服務(wù)，并且結(jié)合61400-25-4通信服務(wù)映射來實現(xiàn)一種新的智能FTU的通信功能。

1? WebService概述及實現(xiàn)方法

WebService，顧名思義就是基于Web的服務(wù)。它使用Web（HTTP）方式，接收和響應(yīng)外部系統(tǒng)的某種請求，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用。它主要是為了使原來各自孤立的站點之間的信息能夠相互通信、共享而提出的一種接口。WebService所使用的是Internet上統(tǒng)一、開放的標(biāo)準(zhǔn)，如HTTP、XML、SOAP、WSDL等，因此，WebService可以在任何支持這些標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境（Windows，Linux）中使用。

從WebService的工作模式上理解的話，它跟普通的Web程序（比如ASP、JSP等）并沒有本質(zhì)的區(qū)別，都是基于HTTP傳輸協(xié)議的程序。但是，WebService與普通的Web程序還是有一個重要差別，同時也是進(jìn)行Webservice編程中需要仔細(xì)注意的地方：WebService只采用HTTP POST方式傳輸數(shù)據(jù)，不使用GET方式。

WebService中所使用的數(shù)據(jù)均采用XML格式，目前標(biāo)準(zhǔn)的WebService主要采用SOAP協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式封裝，SOAP協(xié)議實際上就是一種基于XML編碼規(guī)范的文本協(xié)議。XML是Web Service平臺中表示數(shù)據(jù)的基本格式。除了易于建立和易于分析外，XML主要的優(yōu)點在于它既與平臺無關(guān)，又與廠商無關(guān)。XML是由萬維網(wǎng)協(xié)會（W3C）創(chuàng)建，W3C制定的XML SchemaXSD定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型，并給出了一種語言來擴(kuò)展這套數(shù)據(jù)類型。

Web Service平臺需要一套協(xié)議來實現(xiàn)分布式應(yīng)用程序的創(chuàng)建。任何平臺都有它的數(shù)據(jù)表示方法和類型系統(tǒng)。要實現(xiàn)互操作性，Web Service平臺必須提供一套標(biāo)準(zhǔn)的類型系統(tǒng)，用于溝通不同平臺、編程語言和組件模型中的不同類型系統(tǒng)。目前這些協(xié)議有：XML和XSD。

Web Service平臺是可采用XML作為數(shù)據(jù)類型系統(tǒng)的。當(dāng)用某種語言如C/C++，Java，VB. NET或C#來構(gòu)造一個Web Service時，為了符合Web Service標(biāo)準(zhǔn)，所有使用的數(shù)據(jù)類型都必須被轉(zhuǎn)換為XML類型。如想讓它使用在不同平臺和不同軟件的不同組織間傳遞，還需要用某種東西將它包裝起來。這種東西就是一種協(xié)議，如SOAP。

不管如何，WebService運行必須有個平臺，即web服務(wù)器。WebService和web服務(wù)器的關(guān)系是：WebService是Web服務(wù)器上應(yīng)用;反過來說，Web服務(wù)器是WebService運行時所必需的容器。Web服務(wù)器不僅可以是Windows，而且可以是Linux;既可以是龐大的服務(wù)器群，又可以是簡單的嵌入式服務(wù)器。本文實現(xiàn)的正是基于嵌入式環(huán)境下IEC61400-25-4的通信服務(wù)WebService的映射。

2? SOAP及GSOAP

SOAP是實現(xiàn)WebService重要的協(xié)議，一種輕量級協(xié)議，主要用于在分散型、分布式環(huán)境中交換結(jié)構(gòu)化信息。SOAP利用XML技術(shù)定義一種可擴(kuò)展的消息處理框架，它提供了一種可通過多種底層協(xié)議進(jìn)行交換的消息結(jié)構(gòu)。這種框架的設(shè)計思想是要獨立于任何一種特定的編程模型和其他特定實現(xiàn)的語義。

SOAP定義了一種方法以便將XML消息從A點傳送到B點（如圖1）。為此，它提供了一種基于XML且具有以下特性的消息處理框架：

2.1 可擴(kuò)張性

在Web中，簡單性總是比效率和純技術(shù)更重要，因為互操作性成敗的關(guān)鍵，就在于必須絕對要求簡單。SOAP協(xié)議實現(xiàn)WebService，提供異構(gòu)平臺的互操作性，簡單性仍然是主要設(shè)計目標(biāo)之一。因此，SOAP就會缺少分布式系統(tǒng)的很多重要特性（如安全性、路由、可靠性等）。為了解決這個矛盾，SOAP定義了一種開發(fā)框架，允許以分層擴(kuò)展的形式隨時間推移加入這些特性。

2.2 多規(guī)約性

SOAP可以在多種傳輸協(xié)議（TCP、HTTP、SMTP等）上使用。但是，為了保持互操作性，需要確定一些具體的協(xié)議綁定以便通信規(guī)則。實際應(yīng)用中，SOAP規(guī)范提供了一種用于定義任意協(xié)議綁定的靈活框架，由于Web中HTTP被廣泛大量的使用，所以實際采用的是HTTP協(xié)議綁定。

2.3 獨立于編程模型

SOAP允許任何編程模型，并且不依賴于RPC（Request For Comments）。圖1說明了一種簡單的單向消息，其中發(fā)送方不會受到相應(yīng)。圖2中，定義了一種數(shù)據(jù)信心交互的消息模式，SOAP允許使用任何數(shù)量的消息交換模式，請求/響應(yīng)只是其中一種。其他還包括命令/響應(yīng)、通知、點對點對話等。

正是具有這三個主要特性，SOAP可以在異構(gòu)的環(huán)境中交換XML消息，實現(xiàn)互操作性。

簡單來說，SOAP可以理解為HTTP+XML+遠(yuǎn)程調(diào)用規(guī)則，因此SOAP消息的處理也分為3個部分：HTTP協(xié)議的實現(xiàn)（即特性2，協(xié)議的綁定）、XML解析（特性1，可擴(kuò)展性）、遠(yuǎn)程調(diào)用規(guī)則（特性3，獨立于編程模型）如圖3所示。

客戶端與Web服務(wù)器端按照如下步驟進(jìn)行信息交互：

①客戶端利用SOAP工具按照應(yīng)用程序要求生成SOAP消息;

②客戶端使用HTTP POST方法通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)端發(fā)送SOAP請求;

③Web服務(wù)端收到HTTP信息后，解包提取SOAP消息;

④啟動XML文檔分析器進(jìn)行解析，獲取客戶端請求信息;

⑤調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)程序，并進(jìn)行SOAP消息封裝;

⑥向客戶端發(fā)送HTTP消息相應(yīng)，完成WebService遠(yuǎn)程調(diào)用。

SOAP消息是由XML語言組成的，因此對XML的解析式處理SOAP消息的重點，當(dāng)前常用的XML解析器主要有兩種DOM（Document Object Model）和SAX（Simple API for XML）。因此要實現(xiàn)基于SOAP的WebService必須對SOAP協(xié)議和XML進(jìn)行深入分析，增加了研發(fā)工作量，同時對平臺的軟硬件資源要求比較高。采用此方法在嵌入式平臺，實現(xiàn)WebService難度較大。

為此，我們采用一款開源軟件包GSOAP來實現(xiàn)在Linux C平臺上創(chuàng)建一個WebService應(yīng)用。GSOAP編譯工具提供了一個SOAP/XML關(guān)于C/C++語言的實現(xiàn)，從而讓C/C++語言開發(fā)Web服務(wù)或客戶端程序的工作變動輕松。目前的絕大多數(shù)嵌入式開發(fā)都是基于C/C++，GSOAP極大的滿足了嵌入式平臺上WebService的要求，GSOAP利用編譯器技術(shù)提供了一組簡單的API將用戶從SOAP細(xì)節(jié)實現(xiàn)工作中解脫出來，可以專注于應(yīng)用程序的開發(fā)。GSOAP編譯器可以集成C/C++代碼，嵌入式系統(tǒng)，其他SOAP程序提供的實時軟件的資源和信息;可以跨越多個操作系統(tǒng)，語言環(huán)境。GSOAP的解釋器及導(dǎo)入器可以讓用戶不需要分析Web服務(wù)的細(xì)節(jié)就可以實現(xiàn)一個客戶端或服務(wù)端程序。

3? IEC61400-25-4通信服務(wù)WebService具體實現(xiàn)

當(dāng)前的電力系統(tǒng)通信規(guī)約繁多，電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)，信息數(shù)據(jù)也多種多樣。為了增加不同類型，不同通信規(guī)約的電氣設(shè)備信息共享和交互，IEC制定了一系列的通信協(xié)議來實現(xiàn)電氣設(shè)備之間的互操作性，其中最具有代表意義的就是IEC61850。IEC61850通信規(guī)約最初目的是為了解決變電站內(nèi)部一次、二次設(shè)備的通信、互操作問題。變電站的電氣設(shè)備中一次、二次設(shè)備種類較多，各個廠家的通信規(guī)約也各有區(qū)別。傳統(tǒng)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)中，主要是依靠調(diào)動中心的監(jiān)控或者變電站控制中心。這樣的做法往往會加大網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量，特別是一次、二次設(shè)備較多的情況下，容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)堵塞。而且，在設(shè)備發(fā)生故障時，繼電保護(hù)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備之間要協(xié)調(diào)處理，需要通過主站或調(diào)動中心的控制，效率和實施性會大大降低。

正是為了有效的解決變電站系統(tǒng)中存在的這些矛盾，IEC提出了IEC61850通信規(guī)約。IEC61850的核心思想就是面向?qū)ο?，抽象模型方法對電力設(shè)備進(jìn)行模塊化、抽象化，提出了LD（邏輯設(shè)備額）、LN（邏輯節(jié)點）、CDC（公用數(shù)據(jù)類）來映射現(xiàn)實世界的物理設(shè)備、通用功能、實際數(shù)據(jù)。IEC61850通信方式采用ACSI（抽象通信服務(wù)接口），不規(guī)定具體的通信規(guī)約，只提供抽象的接口服務(wù)。根據(jù)變電所的實際情況，IEC61850提出了GOOSE（面向?qū)ο笞冸娬就ㄓ檬录?、MMS（制造報文協(xié)議）、SNTP（簡單網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議）等來實現(xiàn)SCSM（特定通信服務(wù)映射）。通過抽象模型及特定通信服務(wù)映射，變電站系統(tǒng)的設(shè)備之間可實現(xiàn)互操作，并且實現(xiàn)了分布式控制的方式。大大的減輕的變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，同時增加故障處理的實時性和有效性。

隨著IEC61850的逐步推廣，國內(nèi)外越來越多的變電站系統(tǒng)采用IEC61850通信規(guī)約，實現(xiàn)數(shù)字化變電站，促進(jìn)了電力系統(tǒng)的智能化。同時，IEC61850的外延性也不斷增加，陸續(xù)增加了61850-7-410水電站監(jiān)控模型，61850-7-420分布式新能源模型，并起草61850-7-500，61850-7-510，61850-7-520建模導(dǎo)則。國內(nèi)很多公司和大學(xué)，積極促進(jìn)IEC61850在配網(wǎng)、新能源、水電系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

IEC委員會順勢推出一系列基于面向?qū)ο髽?biāo)準(zhǔn)IEC61970，IEC61400-25等。其中IEC61400系列應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組通訊與監(jiān)測，是61850在風(fēng)電系統(tǒng)的延伸，同61850一樣采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢ΜF(xiàn)實設(shè)備，實際功能進(jìn)行模塊化、抽象化（61400-25-2信心模型，61400-25-3信息交換模型）。通信服務(wù)仍然是采用ACSI，具體通信規(guī)約采用（SCSM）。與61850有所不同的是，61400-25-4通信服務(wù)映射分別為WebService、MMS、OPC XML-DA，104，DNP規(guī)約，如圖4。在現(xiàn)在的我國電力系統(tǒng)中，主要采用WebService、MMS和104規(guī)約。

三種通信規(guī)約服務(wù)映射中，映射104通信規(guī)約是因為在國內(nèi)調(diào)度主站大多采用104通信規(guī)約，這樣可以方便風(fēng)電系統(tǒng)與調(diào)度主站數(shù)據(jù)通信，但是104規(guī)約僅僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并不能夠完成數(shù)據(jù)模型通信。體現(xiàn)不出抽象的信息模型，信息交互的內(nèi)涵，削弱了IEC61400-25-4通信規(guī)約的意義。MMS規(guī)約在IEC61850中被用來實現(xiàn)各個IED之間通信，采用C/S模式，模型數(shù)據(jù)采用ASN.1中的BER方式進(jìn)行二進(jìn)制方式通信，通信效率高并且可以傳送任何類型的數(shù)據(jù)模型，正是這些有點，所以在IEC61850中被用來實現(xiàn)SCSM。但是MMS規(guī)約也有自身的弱點，規(guī)約本身龐大復(fù)雜，模型數(shù)據(jù)傳輸需要進(jìn)行ASN.1編碼解碼，這樣就造成了MMS應(yīng)用程序開發(fā)量劇增;而且MMS是建立在ISO的OSI七層協(xié)議基礎(chǔ)上，目前一般的操作系統(tǒng)是以TCP/IP為主，要在此上實現(xiàn)OSI的七層協(xié)議棧需要對于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議要進(jìn)行開發(fā)。目前國內(nèi)的產(chǎn)品開發(fā)都是基于思科的MMSLite軟件包的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，MMSLite軟件包價格比較昂貴，增加了開發(fā)成本。有些是基于Wrishark抓包軟件，進(jìn)行MMS通信，此方法只適合用于簡單的通信測試，無法在此基礎(chǔ)上進(jìn)行商業(yè)開發(fā)的開發(fā)。

基于WLAN的WebService，可以說是這兩個軟件的折中。WebService是比較成熟的新技術(shù)，開發(fā)難度小。模型數(shù)據(jù)采用XML方式描述封裝，并通過SOAP協(xié)議在HTTP上進(jìn)行發(fā)送，HTTP是基于TCP/IP上實現(xiàn)的，非常簡單，并實現(xiàn)了信息結(jié)構(gòu)模型的發(fā)送，體現(xiàn)了61400-25-2信息模型。目前，國內(nèi)的電力系統(tǒng)中，基本上都實現(xiàn)了以太網(wǎng)通信，這恰好就是WebServie實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)平臺。

國家電網(wǎng)公司在配網(wǎng)系統(tǒng)中，提出了一種新型終端設(shè)備：智能化FTU。它與普通的FTU區(qū)別：是否支持即插即用。要實現(xiàn)FTU的即插即用，必須要實現(xiàn)FTU的自描述，只有這樣，主站或調(diào)度中心才能夠自動的識別此FTU，并實現(xiàn)與FTU的通信。過去常用的調(diào)度軟件中，101或者104沒有辦法實現(xiàn)自描述，即插即用功能無法實現(xiàn)。故，國家電網(wǎng)公司推薦使用IEC6180通信規(guī)約，在IEC61850-6中，用戶可以通過SCL（XML在變電站系統(tǒng)的一種應(yīng)用）對每個IED設(shè)備配置ICD文件，實現(xiàn)對IED設(shè)備的自描述，如圖5所示。

智能FTU實現(xiàn)即插即用最重要的步驟是注冊，配電終端加入網(wǎng)絡(luò)后，會向配電主站發(fā)送注冊信息，信息包括：名字（FTU的唯一標(biāo)識-編號），描述信息（FTU監(jiān)測的配網(wǎng)一次設(shè)備信息），SCL文件下載地址，SCL版本，心跳時間間隔。通過這些信息并下載SCL文件，配電主站可以識別FTU，并可在配電主站系統(tǒng)里自動的加入FTU，完成注冊。

配電系統(tǒng)的這些智能終端既可以采用數(shù)據(jù)報告的形式向主站發(fā)送實時數(shù)據(jù)，同時支持主站查詢實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)報告支持帶緩沖的報告和無緩沖報告。雖然101和104在一定的情況下可以實現(xiàn)這種平衡式通信，但是由于它們沒辦法實現(xiàn)自描述，所以不被單獨采納。

④WSDL。

根據(jù)需要，將2、3兩部分所將涉及到的信心模型和信息交換（服務(wù)）用XML格式完成，最終形成一個WSDL文檔。

⑤GSOAP實現(xiàn)SOAP協(xié)議。

我們研發(fā)的智能終端單元，硬件平臺采用的是FreeScale基于ARM9的Imax287，軟件平臺是Linux嵌入式操作系統(tǒng)2.6核，可實現(xiàn)多任務(wù)。其中SOAP通信為單獨一個線程來完成。

1）通過編寫好的WSDL文檔，生成C頭文件

#/usr/local/gSoap/bin/wsdl2 –c –o FTUHeader.h

http：//local/kdjc/service/smart_ftu_wsdl

2）解析FTUHeader.h文件，生成標(biāo)準(zhǔn)C客戶端、服務(wù)端文檔

#/usr/local/gSoap/bin/soapcpp2 –c FUTHeader.h

soapStub.h、soapH.h/soapC.c、soapClient.c、soapServer.c、Stdoap2.h、Stdsoap2.c? ews.nsmap、

ews.req.xml、ews.res.xml

3）代碼開發(fā)

調(diào)用WebService的getdatavalue（WebService的具體調(diào)用方式可以參見生成的soapStub.h文件）

#include “soapH.h”

#include “ews.nsmap”

int main（int argc， char**argv）

{

int master_sock， slave_sock;

struct soap? smart_ftu_soap

soap_init（&smart_ftu_soap）;

soap_set_namespaces（&smart_ftu_soap， namespaces）;

….

master_sock=soap_bind（&smart_ftu_soap，NULL，atoi（argv[1]），100）;

slave_scoke=soap_accept（&smart_ftu_soap）;

soap_serve（&smart_ftu_soap）;//處理遠(yuǎn)程調(diào)用

soap_end（&smart_ftu_soap）;

soap_end（&smart_ftu_soap）;

}

int ews_getdatavalue（struct soap *soap， struct? _ews_getdatavalue *request， struct _ews_getdatavalue *response）

{

//具體根據(jù)request里的UUID，AssoID，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

}其他的service實現(xiàn)都可以采用這種方法，并且在FTUHeader.H定義。這樣就完成了基于嵌入式系統(tǒng)的IEC61400-25-4通信服務(wù)WebService實現(xiàn)。

通過客戶端與服務(wù)器端的聯(lián)調(diào)，我們在Imax287的硬件平臺上實現(xiàn)了基于WebService和104通信協(xié)議的SmartFTU，達(dá)到了國網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4? 結(jié)語

將來的電力系統(tǒng)中，智能電網(wǎng)慢慢的會替代當(dāng)前的電網(wǎng)，不難想象越來越多的智能電力產(chǎn)品會出現(xiàn)在智能電網(wǎng)中，智能繼電保護(hù)設(shè)備，智能電表，智能終端等。抽象化設(shè)計，結(jié)構(gòu)化，模塊化設(shè)計，自描述等將會應(yīng)用于整個電力通信里，所以將WebService應(yīng)用于電力通信系統(tǒng)中，這會是電力通信今后發(fā)展的方向。

由于規(guī)約自身設(shè)計的因素，傳統(tǒng)的101、102、104無法實現(xiàn)信息模型的交互，不適合未來電力通信的發(fā)展要求，會逐漸的別的通信規(guī)約所代替。WebService以其簡單、通用、跨平臺并能夠進(jìn)行模型交互等優(yōu)點被IEC61850，IEC61400采納作為ACSI的通信服務(wù)映射。特別是配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中，WebService更能體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

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