适配器模式在异构协议接入IEC61850的转换研究

王 昕 曹 敏 李仕林 程 航 李英娜 李 川

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院；2.南方电网电能计量重点实验室；3.昆明理工大学信息工程与自动化学院)

适配器模式在异构协议接入IEC61850的转换研究

王 昕1,2曹 敏1,2李仕林1,2程 航3李英娜3李 川3

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院；2.南方电网电能计量重点实验室；3.昆明理工大学信息工程与自动化学院)

根据IEC61850标准本身的特点，比较分析异构协议和IEC61850的差异，对其转换功能需求进行分析，以IEC61850的通信体系为基础，采用面向对象的技术提出将适配器模式应用于异构协议接入IEC61850的转换研究。该研究不仅能够实现原有的异构协议向IEC61850的接入，并且异构协议之间也可以通过IEC61850为桥梁实现信息的交互，解决了智能变电站建设中异构协议与IEC61850的信息传递和多种厂家异构协议相互不兼容的问题。

协议转换 适配器模式 异构协议 IEC61850

IEC61850是智能变电站的国际通用标准，在中国电力行业对应的标准编号为DL/T 860。该标准从变电站的过程层到调度层采用了统一的通信协议和统一的数据对象标签库，用以方便建模[1～3]。并且建立各个控制层次的公共对象建模工具，建立全局性对象模型和同一标签名字库字典，形成无缝的远动通信体系结构[4～6]。从2004年开始，IEC61850应用于变电站通信网络和系统协议，但由于变电站内原有的部分智能电子设备主要采用的是老的协议和厂家内部的通信规范，会导致变电站设备的通信困难，形成信息孤岛[7～11]。同时过多的异构协议数量也使得对每个协议进行转换变得更加繁琐、耗费成本[12，13]。

笔者介绍一种基于适配器模式的IEC61850协议转换系统，实现了IEC61850与异构协议的相互转换，同时适配器模式简化了软件的设计和过程的实现，使软件系统的基础架构更加清晰，更重要的是如果有新的协议需要进行转换，只需增加新的适配器类即可，系统最大的优点就是复用性、稳定性和可扩展性。

1 适配器模式

笔者主要关注结构化设计方法中的适配器模式，适配器模式的意图就是通过接口转换使本来不兼容的接口可以协作。适配器模式主要包含3个角色：

a. 目标接口。客户所期待的接口。目标可以是具体的或抽象的类，也可以是接口。

b. 需要适配的类。需要适配的类或适配者类。

c. 适配器。通过包装一个需要适配的对象，把原接口转换成目标接口。

为了实现这个目标，在适配器里保存一个既有类型的引用，它自身又能够按照客服程序的要求实现新接口，这种方式被称为对象适配器。在变电站的应用中，异构协议是需要适配的类，需要对它进行包装，使之能够在IEC61850标准的这个接口使用；经过包装后的适配器类成为了适配器，适配器的接口变为目标接口；目标接口即为变电站中广泛使用的IEC61850标准。

2 协议转换系统的功能需求

通过软件需求分析[14，15]可知协议转换系统应具备3方面的功能：

a. 配置系统中的设备、转发、通道和协议信息。设备信息包括设备地址、所用通道信息和设备拥有的具体遥信、遥测、遥控及遥调等信息点的信息；转发信息包括转发地址、转发通道和转发拥有的具体遥信、遥测、遥控及遥调等信息点的信息；通道信息包括该通道使用的协议、辅助的通道地址及端口号等；协议信息用来配置具体使用的协议库。

b. 将上下行的数据按照具体的数据格式收发，并且不进行协议解析和转发处理，信息交换独立于具体通信模型之外，通信模型的改变不影响应用，对通信技术是开放的。

c. 除了可以将异构协议转换为IEC61850标准外，还可以将IEC61850转换为目前大部分信息系统厂家的通信协议。支持不同厂商的设备之间的信息交换，对厂商是开放的。

3 协议转换软件的设计方案

3.1 系统构架

图1是基于适配器模式的IEC61850标准转换系统构架框图，控制中心与后台监控采用IEC61850标准通过广域网和协议转换系统相连接，协议转换系统能够将异构协议与IEC61850相互转换。在方案中，仅需一个能够扩充的协议转换系统，能够添加多个智能设备的协议信息，每个异构协议向协议转换系统转换的程序只需开发一次，相对于传统协议转换器大幅降低了工作量。

图1 基于适配器模式的IEC61850标准转换系统构架框图

3.2 协议转换系统的结构

在进行协议转换系统的设计时，不同的协议采用的物理通道都是不相同的，而实际上通信方式的种类远远少于所用协议的种类。那么当协议中包含具体的通信方式时，虽然通信方式相同，但还是会出现大量重复性工作。此时把不同种类的通信方式抽象为一个基类，在具体的协议中去实现它自己的通信方式，会大量简化软件设计的工作量。

从外部做一些适应性的改变，以确保旧的通信方式通过外面增加的新对象以适合新的通信方式的需要。由于类适配器一次最多只能适配一个适配者类，而且目标抽象类只能为抽象类，不能为具体类，其使用有一定的局限性。而对象适配器可以把多个不同的适配者适配到同一个目标，也就是说，同一个适配器可以把适配者类与其子类都适配到目标通信方式。为此，笔者选择对象适配器模式来实现协议转换系统。如图2所示，依据IEC61850构建抽象协议类，具体协议类是需要转换的异构协议，在适配器类中包装了新的通信方式，它所包装的对象就是适配者，即异构协议。适配器类提供客户所需的通信方式，实现了把客户的请求转换为对具体协议通信方式的调用，也就是说，当客户调用适配器类的方法时，在适配器类的内部将调用具体协议的通信方式，而这个过程是透明的，客户不必直接访问具体的异构协议。这就使得协议转换系统可以使通信方式不兼容的两个协议能够正常通信。

图2 协议转换系统应用类

对于图2，在只有一种具体协议类时的适配器类能充分地调用异构协议的操作，将异构协议转换为IEC61850标准；但是当具体协议类不止一个时，适配器类则需要添加更多不同的操作来满足每个异构协议，这又使得软件的可扩展性变得不足。为了解决此类问题，继续增加一个抽象层，即添加子适配器类，在每增加一个具体协议类的同时添加一个相对应的子适配器类，每个子适配器依赖于相对应的具体协议，而且每个子适配器类继承父适配器类的所有操作。如图3所示，以IEC101、IEC104等协议为例，每个子适配器类依赖对应的异构协议，能够完全实现异构协议的操作，而且子适配器继承父类，使得父类能够通过子类调用异构协议的操作，实现IEC61850协议与IEC101、IEC104等协议的正常通信。

图3 多个异构协议情况下协议转换系统类

4 结束语

在符合IEC61850通信体系的变电站自动化系统中，多异构协议与IEC61850通信的实现是一个编程复杂、成本高的工作，适配器模式为协议转换系统提供了新的思路和解决方案。笔者对异构协议和IEC61850进行比较分析，研究了协议转换系统的需求，基于对象适配器模式，完成了多种异构协议向IEC61850的转换，实现了变电站中异构协议与IEC61850协议的相互兼容。并且，如果再有新的协议加入，只需增加新的对象类型，实现具体协议类的操作即可，这就使得笔者所介绍的协议转换系统拥有更好的可复用性。

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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

基于多源传感的配网设备故障检测数据融合关键技术研究项目(2013FZ021)。

王昕(1967-)，高级工程师，从事电能计量技术研究工作，wx3128@126.com。

2016-03-21)