基于XML的电力二次设备异构规约建模与转换*

曾 虎， 刘名扬， 李 川， 李英娜

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500)



基于XML的电力二次设备异构规约建模与转换*

曾 虎， 刘名扬， 李 川， 李英娜

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500)

电力系统中电力规约的可靠运行很大程度上关系到电力二次设备的数据传输与交换，规约的多样性对电网通信造成了很大影响。通过对IEC101，IEC104，DL/T645三种主流传统规约以及IEC61850规约的报文格式和传输流程的分析，设计了传统规约与IEC61850之间的报文字段映射机制。分析形式化描述方法，结合异构规约报文格式的特点，建立了规约抽象帧模型，并采用XML描述语言对规约抽象帧进行形式化的描述。采用工厂模式建立了电力二次设备异构规约的通信自动适配系统，实现规约间的匹配与转换。

规约映射； IEC61850； XML； 自动适配

0 引 言

随着智能电网的发展，电力系统中传送的数据量越来越大，电力二次设备的规约种类也越来越多，规约的多样性对电网通信技术的一致性和互操作性要求造成了很大影响，因此，需要建立异构规约之间的自动适配机制，完成异构规约的数据融合，实现异构通信协议之间信息的自动解析，减少人工干预，提高设备之间的通信效率，解决设备通信的障碍[1,2]。1995年，赵锦蓉教授提出了通过通信有限状态机的对偶积来进行协议转换，按照规约描述进行顺序型的操作[3]。1999年，费翔、罗军舟等人提出了基于Petri网的协议转换技术[4]。孔凤颖等人建立了转换网关，采用IED配置模块配置ICD文件，使102规约节点映射到IEC61850规范节点[5]。何勇采用数据点之间的映射模型，通过自定义的规约完成了信息交互[6]。目前，电力通信规约的转换只是在部分规约之间进行，规约自动适配缺少完整性。李强等人采用XML Schema技术设计出规约转换网关，通过变电站信息配置文件实现104规约与IEC61850的转换[7]。刘凯、陈少华等人分别实现了Q/GDW 376.1规约与DL/T 645规约、CDT规约与IEC60870—5—101规约的相互转换[8，9]。

根据电网规约多样性的现状，以及多样性导致的不同规约间难以互联互通以及传统的规约转换方法中所面临的问题，本文提出了一种新的规约转换方法，并建立了电力二次设备异构规约的通信自动适配系统。首先深入理解IEC60870—5—101，IEC60870—5—104，DL/T 645规约以及IEC61850标准，剖析其中的报文结构与传输方式，建立了规约间的映射机制。对规约信息进行形式化描述，生成了通用的XML规约文档。研发异构规约通信自动适配系统，完成主站与子站规约的规约桥接，实现了异构规约之间的信息交互。

1 电力二次设备异构规约与IEC61850映射模型

通过分析规约报文，根据异构规约之间的映射机制来判定规约的转换规则，在明确映射机制的情况下建立规约映射模型，完成异构规约的信息交互。101规约的报文结构可以分为固定帧长和可变帧长。固定帧长的报文包含启动字符、控制域、链路地址域、帧校验和以及结束字符；可变帧长的报文还包含报文长度、重复长度和数据域。104规约的报文结构由应用规约控制信息(APCI)和应用服务数据单元(ASDU)组成，具有信息传输格式(I格式)、监视功能格式(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，其余两种格式的APDU只包含APCI。DL/T645规约与IEC61850规约均为传输设备的实时信息，报文中的目的地址字段对应于IEC61850报文中的目的MAC；控制码对应APPID；数据域长度对应APDU长度；数据域对应APDU；校验码对应CRC校验字段。变长101规约到IEC61850的映射关系、I格式的104规约到IEC61850的映射关系、DL/T 645规约与IEC61850报文的映射关系分别如图1(a)，(b)，(c)所示。

图1 映射关系

2 基于XML的电力二次设备异构规约形式化分析与建模

2.1 异构规约形式化分析

电力二次设备异构规约报文包含帧起始符、地址域、功能域、数据域、校验域和结束符等字段组成。在进行形式化描述前要了解规约报文的组成结构，同时还要考虑字段的长度、规约名称和上下行标识。表1列出了本文所研究的电力二次设备规约的帧格式比对。*代表字段的长度可变。

表1 电力二次设备规约报文字段对比

通过列出的规约部分帧格式的字段类型与字段长度，可以看出，规约报文一般由1～n个字节构成一个帧的基本单元，多个基本单元如帧首部，地址单元，功能单元，数据单元，结束符等构成一个完整的帧。为了描述帧的基本单元，首先构建一个抽象帧，在XML文档中通过一个元素描述规约的基本信息以及字段信息，字段中的性质通过元素的属性来刻画。XML文档中所有元素的集合可以用来描述一个具体的规约报文。

2.2 异构规约形式化建模

根据上文对异构规约形式化描述的分析，并考虑到电力二次设备传统规约以及IEC61850报文的特点，建立了基于XML的电力二次设备异构规约形式化描述模型，树状结构如图2所示。

图2 基于XML的异构规约形式化建模树状结构

通过这种方法描述规约的帧信息，能将不同规约的帧统一成一种类型的XML文档，在解析时只需读取对应的标签便能理解帧的含义。对异构规约进行形式化建模后，可以生成一份统一的XML规约文档模板，任何符合条件的规约都可嵌套在此模板中，完成规约的统一建模。

3 电力二次设备异构规约的通信自动适配系统实现

3.1 系统工作流程

异构规约的通信自动适配系统的工作流程依据不同的规约可采用全双工和半双工方式进行。通过配置多个通信接口与子站进行信息交互，各个通信接口采用RJ—45，RS—232及RS—485串口方式连接；可以支持光纤、无线、载波、电缆等多种信道；分别通过设置端口配置以适应不同规约。系统工作流程如图3所示。

图3 系统工作流程

系统工作过程如下：当装置向系统发送数据时，系统首先检查规约的合法性，然后,对报文格式进行识别和校验，最后,将包含电量采集或事件记录的数据保存到数据库中。如果需要对装置发送命令，规约转换单元按照不同的规约对数据进行组帧，从不同的通信口发送到装置。规约转换系统可以设置规约转换的双方，在任意两种规约间进行转换。

3.2 系统对XML规约文档的解析过程

根据已建立好的XML规约文档，需要定义2个结构体类型，一个是Framebody结构体类型，表示帧属性体，包含position，functiontype，explanation，length， mean和code 6个数据成员，对应于XML描述中的〈Subdata〉标签中的6个属性的值。另一个是frame结构体类型，包含Framebody结构体类型的变量数组fb，framelength和framebodysum 3个数据成员，对应于XML描述中的〈Frame〉标签中的3个子标签的信息。

XML规约文档的识别主要过程：首先,读取规约的XML文档，获取XML文档的根(Frames)标签中的帧格式个数标签〈Framesum〉的信息；然后,对〈Frames〉标签中的〈Frame〉子标签的信息进行解析，在标签〈Frame〉中获取帧字节数标签〈FrameLength〉的值和帧字段标签〈Framebody〉的子标签的数目，对帧字段标签〈Framebody〉进行解析。通过以上过程完成对整个规约报文结构的XML形式化描述的识别。

3.3 异构规约间转换过程

规约适配与转换的大致步骤为：报文接入模块将含有规约信息XML文档发送至消息总线，传入报文格式转换模块，系统读取并解析XML规约文档，获取其中的规约报文信息；按照匹配规则对报文信息进行重组，使其帧格式符合目标设备的规约类型并发送，实现异构规约之间的桥接。

异构规约自动适配系统在进行规约间的映射时，由于规约的信息模型不同，所以，需要将源规约的信息按照目标规约定义的信息模型进行重新组装。规约适配与转换模型一方面作为接收端，把异构规约所携带的信息收集起来，另一方面又作为发送端，把源规约所携带的信息转换成符合目标规约的报文格式，发送给目标设备，从而实现信息的交互。就规约适配与转换模型而言，所需要实现的功能包括识别规约、识别XML文档、配置XML文档、载入转换配置文件、进行规约转换、组装目标规约帧格式、XML文档数据库管理。规约映射流程图如图4所示。

图4 规约转换流程

规约转换主要流程如下：首先,进行初始化配置，等待接收报文。当数据按照源规约的报文格式发送后，对发送帧进行解析，识别报文类型，再对照预先编写好的具有源规约类型的XML文档，对照相应的字段，将数据代码提取出来，挖掘出帧里面所包含的信息，再调用报文转换配置文件，将发送帧所携带的信息按照目标规约的帧格式重新组装起来，发送到目标设备，从而实现不同规约间的转换。

4 结 论

为了实现电力系统设备的互操作性，实现IEC61850规约与其他规约之间的转换，建立了的异构规约与IEC61850规约的映射机制。通过分析异构规约的报文结构，建立了基于XML的异构规约形式化建模和规约转换配置模型，从而实现了异构规约的自动适配。同时，开发了不同通信规约之间自动适配系统，减少了人工干预，提高了异构规约设备的通信效率。

[1] 王智莉,卜方玲.异构感知数据的动态适配接入方法[J].传感器与微系统，2015，34(6):13-16.

[2] 李 秀,黄容生,宋靖东.一种支持传感器即插即用的动态适配器方法[J].传感器与微系统,2014,33(27):20-23.

[3] 赵锦蓉.通信协议转换器及其构造[J].软件学报,1995(2):90-98.

[4] 费 翔,罗军舟,王 军，等.基Petri网的异构协议转换的构造[J].计算机研究与发展,1999(3):320-324.

[5] 孔凤颖,侯思祖,刘 玮.102规约向IEC61850规约转换网关的研究[J].电力信息与通信技术,2013,11(4):27-30.

[6] 何 勇.电力系统通讯规约转换器的研制[D].成都：西南交通大学,2013.

[7] 李 强,朱永利,董志敏.104规约向IEC 61850信息模型转换的研究与实现[J].华北电力大学学报:自然科学版,2008,35(2):98-102.

[8] 刘 凯,廖晓群.Q/GDW 376.1规约与DL/T645规约相互转换的设计与实现[J].电工电能新技术,2013,32(2):72-75.

[9] 陈少华,陈章宝,陶 涛，等.CDT和IEC60870—5—101规约转换的软件实现研究[J].水力发电,2008,34(8):105-107.

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

国家自然科学基金资助项目(51567013)；云南省应用基础研究计划资助项目(2013FZ021)；昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303044)

TM 714

A

1000—9787(2017)08—0049—03

曾 虎(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为异构电力通信协议结构分析与适配等。

李英娜(1974-)，女，通讯作者，副教授，从事传感网组建与信息集成和智能分析研究工作，E—mail:84077971@qq.com。