配電自動化系統智能設備通信功能的快速構建

張航，康振全，王振岳

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

配電自動化系統智能設備通信功能的快速構建

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境下、不同應用功能場景下配電自動化系統智能設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對嵌入式設備通信功能進行模塊化快速開發的方法。設計了嵌入式通信功能的插件式通信服務框架、通信處理插件、通信介質插件、通信協議處理插件，描述了配置工具對通信模型的建模過程，實現了嵌入式通信功能的快速構建和在線更新。

配電自動化系統；智能設備；嵌入式；通信；快速構建；在線更新

0 引言

配電網是國民經濟和社會發展的重要公共基礎設施，配電自動化是提高配電網生產運行管理水平、提升供電可靠性的重要技術手段。配電自動化系統主要由主站系統、智能終端、智能一次設備等多個功能系統組成[1]。智能終端作為采集、傳輸信息，接受、執行命令的主要設備，是配電系統信息化、自動化建設的關鍵。

1 基于嵌入式系統的智能終端設備

“十三五”期間，智能電網將迎來新的發展機遇，智能配電網技術要求越來越高，功能越來越強大，系統需要各種智能終端設備完成不同數據類型、不同采樣周期、不同傳輸方式的信息交互，實現電量數據、氣象數據、環境數據的采集、計算、傳輸和控制。智能終端針對不同應用場景，基于嵌入式技術實現差異化功能，主要功能包括傳感采集、邏輯自動化、現場交互、遠傳通信，如圖1所示。這些智能終端設備通常采用嵌入式計算機，通過物聯網技術實現各類功能，但不同終端采用不同硬件、不同架構的設計方案，在不同的應用場景中與外部系統進行交互，其中通信功能作為嵌入式設備的主要功能，決定了智能設備的設計成敗[2]。

圖1 智能終端功能架構

嵌入式系統的硬件資源匱乏，無法和一般的臺式機系統相比，所以一般嵌入式系統設計通信功能代碼往往與功能場景綁定，當需要將現有裝置應用于其他場景時，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通信串口協議，用于配網遠方數據采集時通常采用通用分組無線服務技術(GPRS)通信以太網協議[3]，必須修改代碼重新設計，大大增加了系統的開發、測試工作量，不利于智能設備的快速構建和功能開發。

2 傳統設計存在的問題

在嵌入式系統中，硬件系統資源的局限性與通信介質和通信協議的多樣性是通信功能設計的最大問題。針對設備通信功能，傳統的設計方法為：當應用環境發生變化需要更改通信介質時，須進行代碼級開發工作；當行業標準變化需要采用新型協議通信時，須重新設計；當系統升級用戶需要增加、去除某些數據測點時，須進行代碼修改才能滿足功能要求。這種設計方法在增加開發、測試人員工作量的同時，也給智能設備現場運行帶來通信隱患，如何改進通信框架設計，解決功能代碼復用問題，實現嵌入式裝置快速開發、便捷維護是通信開發工作關注的重點。

3 系統設計

3.1 通信功能框架設計

本文基于插件技術，對嵌入式設備通信功能進行模塊化開發[4]，設計了插件式通信框架(如圖2所示)、通信處理插件、通信介質插件、通信協議處理插件，提供配置工具對通信模型進行建模，實現嵌入式

圖3 通信處理插件流程

4 結束語

本文解決了在不同的嵌入式軟硬件環境下、不同應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，用戶可以根據智能終端的硬件資源、具體通信功能需求，靈活配置協議插件和介質插件，快速構建設備通信功能，同時遵循標準接口規范對協議插件和介質插件進行擴充，實現通信框架、模塊插件的迭代開發維護和擴展，適應嵌入式智能設備不斷變化的信息需求。

基于本文介紹的插件框架化設計，作者研制開發的通信構件已成功應用于國內多個城市配電網遠方數據終端設備(DTU)、饋線終端設備(FTU)等配電自動化設備，大大縮短了智能終端通信功能開發調試周期，提升了開發工作效率，降低了現場配置調試工作量。

[1]配電網自動化系統遠方終端：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約解析系統研究與設計[J].電力系統保護與控制，2012，40(9)：118-122.

[3]陳杰，杜偉春，王振岳，等.基于嵌入式技術的工業通信管理機的開發及應用[J].電力系統保護與控制，2010，38(11)：113-116，125.

[4]王康元，黃武浩，劉宇，等.設計模式在電網監控系統軟件框架設計中的應用[J].電力系統自動化，2003，27(13)：50 -53.

[5]張艷林，李慧勇，李紹滋.基于編譯器的通信規約自動解析研究[J].電力系統保護與控制，2010，38(2)：101-105.

(本文責編：劉芳)

圖2 插件式通信框架

通信功能的快速構建和在線更新。

3.2 通信功能快速構建

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中運行的插件式通信服務框架、協議插件、介質插件，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框架的建模工具，進行通信通道的建模和數據模型的建模，在建模工具中增加相應協議的通信處理插件，配置其需要的協議插件和介質插件，并將模型文件下載到目標系統中；在嵌入式設備中運行插件式通信服務框架，根據建立的通信通道模型和數據模型，動態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的數據交互，不需要任何代碼編寫工作就可快速完成嵌入式系統通信方式的構建。

介質插件實現各類網絡介質的連接、鏈路控制及數據的發送和接收工作。支持種類包括串口、GPRS、以太網TCPServer、以太網TCPClient和以太網UDP[5]。

協議插件實現數據源數據的分析處理、上下行傳送及業務邏輯分析，所述協議種類包括IEC 101/102/103/104/61850，OPC，MODBUS，SPI等[5]。

3.3 數據處理通信過程

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議插件的動態加載，接口管理模塊采用回調函數的方式將協議插件和插件式通信服務框架的應用層接口進行關聯，使得應用層接口和協議插件的數據可以互通；然后插件管理模塊再根據配置完成介質插件的動態加載，接口管理模塊同樣以回調函數的方式將介質插件和協議插件的接口進行關聯，使協議插件和介質插件的數據可以互通，完成具體數據通信功能，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的通信處理插件變更內容。

(3)插件式通信服務框根據配置變更處理插件提交的變更內容，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或協議進行通信，完成嵌入式系統通信方式的變更。

嵌入式系統通信方式的在線變更，實現了在嵌入式系統對需要修改的通信通道進行在線變更。參數及時配置、及時生效，大大縮短了調試升級過程。

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，從事電力系統自動化方面的研究。