適配器模式在異構協議接入IEC61850的轉換研究

王 昕 曹 敏 李仕林 程 航 李英娜 李 川

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院；2.南方電網電能計量重點實驗室；3.昆明理工大學信息工程與自動化學院)

適配器模式在異構協議接入IEC61850的轉換研究

王 昕1,2曹 敏1,2李仕林1,2程 航3李英娜3李 川3

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院；2.南方電網電能計量重點實驗室；3.昆明理工大學信息工程與自動化學院)

根據IEC61850標準本身的特點，比較分析異構協議和IEC61850的差異，對其轉換功能需求進行分析，以IEC61850的通信體系為基礎，采用面向對象的技術提出將適配器模式應用于異構協議接入IEC61850的轉換研究。該研究不僅能夠實現原有的異構協議向IEC61850的接入，并且異構協議之間也可以通過IEC61850為橋梁實現信息的交互，解決了智能變電站建設中異構協議與IEC61850的信息傳遞和多種廠家異構協議相互不兼容的問題。

協議轉換 適配器模式 異構協議 IEC61850

IEC61850是智能變電站的國際通用標準，在中國電力行業對應的標準編號為DL/T 860。該標準從變電站的過程層到調度層采用了統一的通信協議和統一的數據對象標簽庫，用以方便建模[1～3]。并且建立各個控制層次的公共對象建模工具，建立全局性對象模型和同一標簽名字庫字典，形成無縫的遠動通信體系結構[4～6]。從2004年開始，IEC61850應用于變電站通信網絡和系統協議，但由于變電站內原有的部分智能電子設備主要采用的是老的協議和廠家內部的通信規范，會導致變電站設備的通信困難，形成信息孤島[7～11]。同時過多的異構協議數量也使得對每個協議進行轉換變得更加繁瑣、耗費成本[12，13]。

筆者介紹一種基于適配器模式的IEC61850協議轉換系統，實現了IEC61850與異構協議的相互轉換，同時適配器模式簡化了軟件的設計和過程的實現，使軟件系統的基礎架構更加清晰，更重要的是如果有新的協議需要進行轉換，只需增加新的適配器類即可，系統最大的優點就是復用性、穩定性和可擴展性。

1 適配器模式

筆者主要關注結構化設計方法中的適配器模式，適配器模式的意圖就是通過接口轉換使本來不兼容的接口可以協作。適配器模式主要包含3個角色：

a. 目標接口。客戶所期待的接口。目標可以是具體的或抽象的類，也可以是接口。

b. 需要適配的類。需要適配的類或適配者類。

c. 適配器。通過包裝一個需要適配的對象，把原接口轉換成目標接口。

為了實現這個目標，在適配器里保存一個既有類型的引用，它自身又能夠按照客服程序的要求實現新接口，這種方式被稱為對象適配器。在變電站的應用中，異構協議是需要適配的類，需要對它進行包裝，使之能夠在IEC61850標準的這個接口使用；經過包裝后的適配器類成為了適配器，適配器的接口變為目標接口；目標接口即為變電站中廣泛使用的IEC61850標準。

2 協議轉換系統的功能需求

通過軟件需求分析[14，15]可知協議轉換系統應具備3方面的功能：

a. 配置系統中的設備、轉發、通道和協議信息。設備信息包括設備地址、所用通道信息和設備擁有的具體遙信、遙測、遙控及遙調等信息點的信息；轉發信息包括轉發地址、轉發通道和轉發擁有的具體遙信、遙測、遙控及遙調等信息點的信息；通道信息包括該通道使用的協議、輔助的通道地址及端口號等；協議信息用來配置具體使用的協議庫。

b. 將上下行的數據按照具體的數據格式收發，并且不進行協議解析和轉發處理，信息交換獨立于具體通信模型之外，通信模型的改變不影響應用，對通信技術是開放的。

c. 除了可以將異構協議轉換為IEC61850標準外，還可以將IEC61850轉換為目前大部分信息系統廠家的通信協議。支持不同廠商的設備之間的信息交換，對廠商是開放的。

3 協議轉換軟件的設計方案

3.1 系統構架

圖1是基于適配器模式的IEC61850標準轉換系統構架框圖，控制中心與后臺監控采用IEC61850標準通過廣域網和協議轉換系統相連接，協議轉換系統能夠將異構協議與IEC61850相互轉換。在方案中，僅需一個能夠擴充的協議轉換系統，能夠添加多個智能設備的協議信息，每個異構協議向協議轉換系統轉換的程序只需開發一次，相對于傳統協議轉換器大幅降低了工作量。

圖1 基于適配器模式的IEC61850標準轉換系統構架框圖

3.2 協議轉換系統的結構

在進行協議轉換系統的設計時，不同的協議采用的物理通道都是不相同的，而實際上通信方式的種類遠遠少于所用協議的種類。那么當協議中包含具體的通信方式時，雖然通信方式相同，但還是會出現大量重復性工作。此時把不同種類的通信方式抽象為一個基類，在具體的協議中去實現它自己的通信方式，會大量簡化軟件設計的工作量。

從外部做一些適應性的改變，以確保舊的通信方式通過外面增加的新對象以適合新的通信方式的需要。由于類適配器一次最多只能適配一個適配者類，而且目標抽象類只能為抽象類，不能為具體類，其使用有一定的局限性。而對象適配器可以把多個不同的適配者適配到同一個目標，也就是說，同一個適配器可以把適配者類與其子類都適配到目標通信方式。為此，筆者選擇對象適配器模式來實現協議轉換系統。如圖2所示，依據IEC61850構建抽象協議類，具體協議類是需要轉換的異構協議，在適配器類中包裝了新的通信方式，它所包裝的對象就是適配者，即異構協議。適配器類提供客戶所需的通信方式，實現了把客戶的請求轉換為對具體協議通信方式的調用，也就是說，當客戶調用適配器類的方法時，在適配器類的內部將調用具體協議的通信方式，而這個過程是透明的，客戶不必直接訪問具體的異構協議。這就使得協議轉換系統可以使通信方式不兼容的兩個協議能夠正常通信。

圖2 協議轉換系統應用類

對于圖2，在只有一種具體協議類時的適配器類能充分地調用異構協議的操作，將異構協議轉換為IEC61850標準；但是當具體協議類不止一個時，適配器類則需要添加更多不同的操作來滿足每個異構協議，這又使得軟件的可擴展性變得不足。為了解決此類問題，繼續增加一個抽象層，即添加子適配器類，在每增加一個具體協議類的同時添加一個相對應的子適配器類，每個子適配器依賴于相對應的具體協議，而且每個子適配器類繼承父適配器類的所有操作。如圖3所示，以IEC101、IEC104等協議為例，每個子適配器類依賴對應的異構協議，能夠完全實現異構協議的操作，而且子適配器繼承父類，使得父類能夠通過子類調用異構協議的操作，實現IEC61850協議與IEC101、IEC104等協議的正常通信。

圖3 多個異構協議情況下協議轉換系統類

4 結束語

在符合IEC61850通信體系的變電站自動化系統中，多異構協議與IEC61850通信的實現是一個編程復雜、成本高的工作，適配器模式為協議轉換系統提供了新的思路和解決方案。筆者對異構協議和IEC61850進行比較分析，研究了協議轉換系統的需求，基于對象適配器模式，完成了多種異構協議向IEC61850的轉換，實現了變電站中異構協議與IEC61850協議的相互兼容。并且，如果再有新的協議加入，只需增加新的對象類型，實現具體協議類的操作即可，這就使得筆者所介紹的協議轉換系統擁有更好的可復用性。

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ResearchonAdapterPatternUsedinConversionofHeterogeneousProtocolintoIEC61850Standard

WANG Xin1,2,CAO Min1,2,LI Shi-lin1,2,CHENG Hang3,LI Ying-na3,LI Chuan3

(1.YunnanPowerGridElectricPowerResearchInstituteCo.,Ltd.; 2.SouthernPowerGridElectricityMeasurementKeyLaboratory; 3.FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology)

Through considering characteristics of IEC61850 and comparing differences between heterogeneous protocol and IEC61850, the functional requirements of their conversion were analyzed. Based on the communication system of IEC61850, adopting the object-oriented technology to research the conversion of having adapter pattern used in inserting heterogeneous protocols into IEC61850 was proposed. The research can complete heterogeneous protocols’ inserting into IEC61850 and information interaction between heterogeneous protocols through the IEC61850. This solves the information transmission between heterogeneous protocols and IEC61850 in construction of smart substation and the incompatibility among the heterogeneous protocols.

protocol conversion, adapter pattern,heterogeneous protocol,IEC61850

TH862+.7

B

1000-3932(2017)01-0069-04

基于多源傳感的配網設備故障檢測數據融合關鍵技術研究項目(2013FZ021)。

王昕(1967-)，高級工程師，從事電能計量技術研究工作，wx3128@126.com。

2016-03-21)