曾 虎， 劉名揚(yáng)， 李 川， 李英娜

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)

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基于XML的電力二次設(shè)備異構(gòu)規(guī)約建模與轉(zhuǎn)換*

曾 虎， 劉名揚(yáng)， 李 川， 李英娜

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500)

電力系統(tǒng)中電力規(guī)約的可靠運(yùn)行很大程度上關(guān)系到電力二次設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與交換，規(guī)約的多樣性對(duì)電網(wǎng)通信造成了很大影響。通過對(duì)IEC101，IEC104，DL/T645三種主流傳統(tǒng)規(guī)約以及IEC61850規(guī)約的報(bào)文格式和傳輸流程的分析，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)規(guī)約與IEC61850之間的報(bào)文字段映射機(jī)制。分析形式化描述方法，結(jié)合異構(gòu)規(guī)約報(bào)文格式的特點(diǎn)，建立了規(guī)約抽象幀模型，并采用XML描述語(yǔ)言對(duì)規(guī)約抽象幀進(jìn)行形式化的描述。采用工廠模式建立了電力二次設(shè)備異構(gòu)規(guī)約的通信自動(dòng)適配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)規(guī)約間的匹配與轉(zhuǎn)換。

規(guī)約映射； IEC61850； XML； 自動(dòng)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(lái)越大，電力二次設(shè)備的規(guī)約種類也越來(lái)越多，規(guī)約的多樣性對(duì)電網(wǎng)通信技術(shù)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(gòu)規(guī)約之間的自動(dòng)適配機(jī)制，完成異構(gòu)規(guī)約的數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)通信協(xié)議之間信息的自動(dòng)解析，減少人工干預(yù)，提高設(shè)備之間的通信效率，解決設(shè)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(jī)的對(duì)偶積來(lái)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，按照規(guī)約描述進(jìn)行順序型的操作[3]。1999年，費(fèi)翔、羅軍舟等人提出了基于Petri網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)[4]?？坐P穎等人建立了轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，采用IED配置模塊配置ICD文件，使102規(guī)約節(jié)點(diǎn)映射到IEC61850規(guī)范節(jié)點(diǎn)[5]。何勇采用數(shù)據(jù)點(diǎn)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(zhuǎn)換只是在部分規(guī)約之間進(jìn)行，規(guī)約自動(dòng)適配缺少完整性。李強(qiáng)等人采用XML Schema技術(shù)設(shè)計(jì)出規(guī)約轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，通過變電站信息配置文件實(shí)現(xiàn)104規(guī)約與IEC61850的轉(zhuǎn)換[7]。劉凱、陳少華等人分別實(shí)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(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)換方法中所面臨的問題，本文提出了一種新的規(guī)約轉(zhuǎn)換方法，并建立了電力二次設(shè)備異構(gòu)規(guī)約的通信自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，剖析其中的報(bào)文結(jié)構(gòu)與傳輸方式，建立了規(guī)約間的映射機(jī)制。對(duì)規(guī)約信息進(jìn)行形式化描述，生成了通用的XML規(guī)約文檔。研發(fā)異構(gòu)規(guī)約通信自動(dòng)適配系統(tǒng)，完成主站與子站規(guī)約的規(guī)約橋接，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)規(guī)約之間的信息交互。

1 電力二次設(shè)備異構(gòu)規(guī)約與IEC61850映射模型

通過分析規(guī)約報(bào)文，根據(jù)異構(gòu)規(guī)約之間的映射機(jī)制來(lái)判定規(guī)約的轉(zhuǎn)換規(guī)則，在明確映射機(jī)制的情況下建立規(guī)約映射模型，完成異構(gòu)規(guī)約的信息交互。101規(guī)約的報(bào)文結(jié)構(gòu)可以分為固定幀長(zhǎng)和可變幀長(zhǎng)。固定幀長(zhǎng)的報(bào)文包含啟動(dòng)字符、控制域、鏈路地址域、幀校驗(yàn)和以及結(jié)束字符；可變幀長(zhǎng)的報(bào)文還包含報(bào)文長(zhǎng)度、重復(fù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)域。104規(guī)約的報(bào)文結(jié)構(gòu)由應(yīng)用規(guī)約控制信息(APCI)和應(yīng)用服務(wù)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(shè)備的實(shí)時(shí)信息，報(bào)文中的目的地址字段對(duì)應(yīng)于IEC61850報(bào)文中的目的MAC；控制碼對(duì)應(yīng)APPID；數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)APDU長(zhǎng)度；數(shù)據(jù)域?qū)?yīng)APDU；校驗(yàn)碼對(duì)應(yīng)CRC校驗(yàn)字段。變長(zhǎng)101規(guī)約到IEC61850的映射關(guān)系、I格式的104規(guī)約到IEC61850的映射關(guān)系、DL/T 645規(guī)約與IEC61850報(bào)文的映射關(guān)系分別如圖1(a)，(b)，(c)所示。

圖1 映射關(guān)系

2 基于XML的電力二次設(shè)備異構(gòu)規(guī)約形式化分析與建模

2.1 異構(gòu)規(guī)約形式化分析

電力二次設(shè)備異構(gòu)規(guī)約報(bào)文包含幀起始符、地址域、功能域、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)域和結(jié)束符等字段組成。在進(jìn)行形式化描述前要了解規(guī)約報(bào)文的組成結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要考慮字段的長(zhǎng)度、規(guī)約名稱和上下行標(biāo)識(shí)。表1列出了本文所研究的電力二次設(shè)備規(guī)約的幀格式比對(duì)。*代表字段的長(zhǎng)度可變。

表1 電力二次設(shè)備規(guī)約報(bào)文字段對(duì)比

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

2.2 異構(gòu)規(guī)約形式化建模

根據(jù)上文對(duì)異構(gòu)規(guī)約形式化描述的分析，并考慮到電力二次設(shè)備傳統(tǒng)規(guī)約以及IEC61850報(bào)文的特點(diǎn)，建立了基于XML的電力二次設(shè)備異構(gòu)規(guī)約形式化描述模型，樹狀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于XML的異構(gòu)規(guī)約形式化建模樹狀結(jié)構(gòu)

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(shí)只需讀取對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽便能理解幀的含義。對(duì)異構(gòu)規(guī)約進(jìn)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(shè)備異構(gòu)規(guī)約的通信自動(dòng)適配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)工作流程

異構(gòu)規(guī)約的通信自動(dòng)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(jìn)行。通過配置多個(gè)通信接口與子站進(jìn)行信息交互，各個(gè)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(wú)線、載波、電纜等多種信道；分別通過設(shè)置端口配置以適應(yīng)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(dāng)裝置向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)首先檢查規(guī)約的合法性，然后,對(duì)報(bào)文格式進(jìn)行識(shí)別和校驗(yàn)，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(kù)中。如果需要對(duì)裝置發(fā)送命令，規(guī)約轉(zhuǎn)換單元按照不同的規(guī)約對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，從不同的通信口發(fā)送到裝置。規(guī)約轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以設(shè)置規(guī)約轉(zhuǎn)換的雙方，在任意兩種規(guī)約間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.2 系統(tǒng)對(duì)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(gè)結(jié)構(gòu)體類型，一個(gè)是Framebody結(jié)構(gòu)體類型，表示幀屬性體，包含position，functiontype，explanation，length， mean和code 6個(gè)數(shù)據(jù)成員，對(duì)應(yīng)于XML描述中的〈Subdata〉標(biāo)簽中的6個(gè)屬性的值。另一個(gè)是frame結(jié)構(gòu)體類型，包含F(xiàn)ramebody結(jié)構(gòu)體類型的變量數(shù)組fb，framelength和framebodysum 3個(gè)數(shù)據(jù)成員，對(duì)應(yīng)于XML描述中的〈Frame〉標(biāo)簽中的3個(gè)子標(biāo)簽的信息。

XML規(guī)約文檔的識(shí)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(biāo)簽中的幀格式個(gè)數(shù)標(biāo)簽〈Framesum〉的信息；然后,對(duì)〈Frames〉標(biāo)簽中的〈Frame〉子標(biāo)簽的信息進(jìn)行解析，在標(biāo)簽〈Frame〉中獲取幀字節(jié)數(shù)標(biāo)簽〈FrameLength〉的值和幀字段標(biāo)簽〈Framebody〉的子標(biāo)簽的數(shù)目，對(duì)幀字段標(biāo)簽〈Framebody〉進(jìn)行解析。通過以上過程完成對(duì)整個(gè)規(guī)約報(bào)文結(jié)構(gòu)的XML形式化描述的識(shí)別。

3.3 異構(gòu)規(guī)約間轉(zhuǎn)換過程

規(guī)約適配與轉(zhuǎn)換的大致步驟為：報(bào)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(bào)文格式轉(zhuǎn)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(bào)文信息；按照匹配規(guī)則對(duì)報(bào)文信息進(jìn)行重組，使其幀格式符合目標(biāo)設(shè)備的規(guī)約類型并發(fā)送，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)規(guī)約之間的橋接。

異構(gòu)規(guī)約自動(dòng)適配系統(tǒng)在進(jìn)行規(guī)約間的映射時(shí)，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(biāo)規(guī)約定義的信息模型進(jìn)行重新組裝。規(guī)約適配與轉(zhuǎn)換模型一方面作為接收端，把異構(gòu)規(guī)約所攜帶的信息收集起來(lái)，另一方面又作為發(fā)送端，把源規(guī)約所攜帶的信息轉(zhuǎn)換成符合目標(biāo)規(guī)約的報(bào)文格式，發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)信息的交互。就規(guī)約適配與轉(zhuǎn)換模型而言，所需要實(shí)現(xiàn)的功能包括識(shí)別規(guī)約、識(shí)別XML文檔、配置XML文檔、載入轉(zhuǎn)換配置文件、進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換、組裝目標(biāo)規(guī)約幀格式、XML文檔數(shù)據(jù)庫(kù)管理。規(guī)約映射流程圖如圖4所示。

圖4 規(guī)約轉(zhuǎn)換流程

規(guī)約轉(zhuǎn)換主要流程如下：首先,進(jìn)行初始化配置，等待接收?qǐng)?bào)文。當(dāng)數(shù)據(jù)按照源規(guī)約的報(bào)文格式發(fā)送后，對(duì)發(fā)送幀進(jìn)行解析，識(shí)別報(bào)文類型，再對(duì)照預(yù)先編寫好的具有源規(guī)約類型的XML文檔，對(duì)照相應(yīng)的字段，將數(shù)據(jù)代碼提取出來(lái)，挖掘出幀里面所包含的信息，再調(diào)用報(bào)文轉(zhuǎn)換配置文件，將發(fā)送幀所攜帶的信息按照目標(biāo)規(guī)約的幀格式重新組裝起來(lái)，發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)不同規(guī)約間的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)設(shè)備的互操作性，實(shí)現(xiàn)IEC61850規(guī)約與其他規(guī)約之間的轉(zhuǎn)換，建立了的異構(gòu)規(guī)約與IEC61850規(guī)約的映射機(jī)制。通過分析異構(gòu)規(guī)約的報(bào)文結(jié)構(gòu)，建立了基于XML的異構(gòu)規(guī)約形式化建模和規(guī)約轉(zhuǎn)換配置模型，從而實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)規(guī)約的自動(dòng)適配。同時(shí)，開發(fā)了不同通信規(guī)約之間自動(dòng)適配系統(tǒng)，減少了人工干預(yù)，提高了異構(gòu)規(guī)約設(shè)備的通信效率。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567013)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013FZ021)；昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金資助項(xiàng)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?yàn)楫悩?gòu)電力通信協(xié)議結(jié)構(gòu)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。