張航，康振全，王振岳

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

配電自動化系統(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)用功能場景下配電自動化系統(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)對嵌入式設(shè)備通信功能進行模塊化快速開發(fā)的方法。設(shè)計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，描述了配置工具對通信模型的建模過程，實現(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)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，配電自動化是提高配電網(wǎng)生產(chǎn)運行管理水平、提升供電可靠性的重要技術(shù)手段。配電自動化系統(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)將迎來新的發(fā)展機遇，智能配電網(wǎng)技術(shù)要求越來越高，功能越來越強大，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、計算、傳輸和控制。智能終端針對不同應(yīng)用場景，基于嵌入式技術(shù)實現(xiàn)差異化功能，主要功能包括傳感采集、邏輯自動化、現(xiàn)場交互、遠傳通信，如圖1所示。這些智能終端設(shè)備通常采用嵌入式計算機，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)各類功能，但不同終端采用不同硬件、不同架構(gòu)的設(shè)計方案，在不同的應(yīng)用場景中與外部系統(tǒng)進行交互，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，無法和一般的臺式機系統(tǒng)相比，所以一般嵌入式系統(tǒng)設(shè)計通信功能代碼往往與功能場景綁定，當需要將現(xiàn)有裝置應(yīng)用于其他場景時，通常需要重新編寫通信程序代碼。例如，許繼集團有限公司開發(fā)的電力計量儀表，同樣的電力計量采集功能，用于變電站時采用485通信串口協(xié)議，用于配網(wǎng)遠方數(shù)據(jù)采集時通常采用通用分組無線服務(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，大大增加了系統(tǒng)的開發(fā)、測試工作量，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)計存在的問題

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)計的最大問題。針對設(shè)備通信功能，傳統(tǒng)的設(shè)計方法為：當應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變化需要更改通信介質(zhì)時，須進行代碼級開發(fā)工作；當行業(yè)標準變化需要采用新型協(xié)議通信時，須重新設(shè)計；當系統(tǒng)升級用戶需要增加、去除某些數(shù)據(jù)測點時，須進行代碼修改才能滿足功能要求。這種設(shè)計方法在增加開發(fā)、測試人員工作量的同時，也給智能設(shè)備現(xiàn)場運行帶來通信隱患，如何改進通信框架設(shè)計，解決功能代碼復(fù)用問題，實現(xiàn)嵌入式裝置快速開發(fā)、便捷維護是通信開發(fā)工作關(guān)注的重點。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 通信功能框架設(shè)計

本文基于插件技術(shù)，對嵌入式設(shè)備通信功能進行模塊化開發(fā)[4]，設(shè)計了插件式通信框架(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，提供配置工具對通信模型進行建模，實現(xiàn)嵌入式

圖3 通信處理插件流程

4 結(jié)束語

本文解決了在不同的嵌入式軟硬件環(huán)境下、不同應(yīng)用功能場景下通信功能程序需要重新編碼的工程難題。面對不同的嵌入式系統(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，同時遵循標準接口規(guī)范對協(xié)議插件和介質(zhì)插件進行擴充，實現(xiàn)通信框架、模塊插件的迭代開發(fā)維護和擴展，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，作者研制開發(fā)的通信構(gòu)件已成功應(yīng)用于國內(nèi)多個城市配電網(wǎng)遠方數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTU)、饋線終端設(shè)備(FTU)等配電自動化設(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)場配置調(diào)試工作量。

[1]配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端：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[J].電力系統(tǒng)保護與控制，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)通信管理機的開發(fā)及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(11)：113-116，125.

[4]王康元，黃武浩，劉宇，等.設(shè)計模式在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架設(shè)計中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，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)約自動解析研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(2)：101-105.

(本文責編：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，通過交叉編譯嵌入式目標機操作系統(tǒng)中運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程序下載到嵌入式目標機；運行插件式通信服務(wù)框架的建模工具，進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系統(tǒng)中；在嵌入式設(shè)備中運行插件式通信服務(wù)框架，根據(jù)建立的通信通道模型和數(shù)據(jù)模型，動態(tài)生成各通信通道模型的通信處理插件，每個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，插件管理模塊進行協(xié)議插件的動態(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)運行插件式通信服務(wù)框架的建模工具，進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，實現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)對需要修改的通信通道進行在線變更。參數(shù)及時配置、及時生效，大大縮短了調(diào)試升級過程。

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)自動化方面的研究。

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