（电力系统及其自动化专业论文）变电站自动化系统规约转换器维护测试软件研发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t u s u a l l yc o n s t r u c t i o no fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m s i s a c c o m p l i s h e db ys e v e r a lm a n u f a c t u r e r st o g e t h e r b e c a u s ec o m p a t i b i l i t y i sh a r dt or e a li z ec o m p l e t e l yb e t w e e nd e v i c e sm a d eo fd i f f e r e n t m a n u f a c t u r e r c o n n e c t i n gt h i r d p a r t ym a n u f a c t u r e rd e v i c e si sa n i m p o r t a n ti t e mo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mc o n s t r u c t i o n p r o t o c o l c o n v e r t e ri st h ei n t e r f a c ee q u i p m e n tu s e dt oc o n n e c tt h i r d p a r t y i n t e l l i g e n td e v i c e s i n t e l l i g e n td e v i c eu s i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i n c o m p a t i b l ew i t ht h a t o fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mo ru s i n g c o m u n i c a t i o nm e d i u md i s t i n c tt ot h a to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m t or e a l i z ec o m m u n i c a t i o n i n t os u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m s p r o t o c o lc o n v e r t e rd o e sn o tp o s s e s so p e r a t i o ni n t e r f a c e s oi t i s n e c e s s a r yt od e v e l o pm a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r et or e a l i z e f u n c t i o n ss u c ha sp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o na n ds t a t eo b s e r v a t i o nf o r i t t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t hd e v e l o p i n gm a i n t a i n i n ga n dt e s t i n g s o f t w a r ef o rp r o t o c o lc o n v e r t e ri np r a c t i c a ls u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c e t h ea i mi st op r o v i d e c o m p l e t em a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o l u t i o nt op r o t o c o lc o n v e r t e ra n d s o l v et h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m sf a c e dd u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s o fm a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r e t h es i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t sa r e a sf o l l o w s 1 r e q u i r e m e n ta n a l y s i si sm a d ef o rt h em a i n t a i n i n ga n dt e s t i n g s o f t w a r ef o rp r o t o c o lc o n v e r t e r o nt h eb a s eo fi n d e p t hc o m p r e h e n s i o n t of u n c t i o n sa n d o p e r a t i o nc i r c u m s t a n c eo fp r o t o c o lc o n v e r t e r f u n c t i o n s t or e a l i z et h r o u g ht h em a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r ea r e d e f i n e di nd e t a i la c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fd e v e l o p e r so ft h e p r o t o c o lc o n v e r t e r 2 e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu s e df o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h ep r o t o c o lc o n v e r t e ra n di t sm a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r ei s e s t a b i i s h e d s t a n d a r dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lu s e di ns u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mc a nn o tm e e tt h es p e c i f i cc o n m m n i c a t i o nr e q u i r e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第j ji 页 b e t w e e nt h ep r o t o c o lc o n v e r t e ra n d i t s m a i n t a i n i n g a n dt e s t i n g s o f t w a r e s oc o m p l e t ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li se s t a b l i s h e da c c o r d i n g t oe t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nc i r c u m s t a n c ei nw h i c ht h ep r o t o c o lc o n v e r t e r o p e r a t e t h eu s e r d e f i n e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li se n c a p s u l a t e di n a p p l i c a t i o nl a y e rt r a n s m i s s i o np r o t o c o lu s e di ns u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m h e n c ec o n s i s t e n c yo ft h ee t h e r n e tm e s s a g ef o r m a ti ns u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mi si n s u r e d 3 m a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r ef o rt h ep r o t o c o lc o n v e r t e ri s d e s i g n e da n dd e v e l o p e du s i n gv i s u a lc 6 0 f u n c t i o n ss u c ha s p a r a m e t e r ss e t t i n ga n dq u e r y i n g p o r tm e s s a g ed i s p l a y i n gf o r t h e p r o t o c o lc o n v e r t e ra r ei m p l e m e n t e d m a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r e f o r t h ep r o t o c o lc o n v e r t e rh a sm a d ei t sa p p l i c a t i o ni np r a c t i c a l e n g i n e e r i n g n i c ee f f e c ti sa c h i e v e d 4 k e yt e c h n i c a lp r o b l e m st od e v e l o pm a i n t a i n i n ga n dt e s t i n g s o f t w a r ef o rt h ep r o t o c o lc o n v e r t e ra r es o l v e d p r o g r a mf u n c t i o n sa r e r e a l i z e d u s i n g t e c h n o l o g i e s s u c ha ss o c k e t p r o g r a m m i n g o b j e c t o r i e n t e d t h r e a da n db u f f e ra r e at of u l la d v a n t a g e r e a lt i m e p o r tm e s s a g ed i s p l a y i n gf o rt h ep r o t o c o lc o n v e r t e ri sr e a l i z e du s i n g t h r e a da n db u f f e ra r e at e c h n o l o g i e sj o i n t l y u s e rf r i e n d l yp r o g r a m i n t e r f a c ei sd e s i g n e df o r t h em a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r e 5 d e t a i l e da n dc o m p l e t es o f t w a r et e s t i n gp l a ni se s t a b l i s h e dt o t e s te a c hf u n c t i o no ft h em a i n t a i n i n ga n dt e s t i n gs o f t w a r ef o rt h e p r o t o c o lc o n v e r t e r b u g sd e t e c t e dd u r i n gs o f t w a r et e s ta r ec o r r e c t e d k e yw o r d s s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m p r o t o c o lc o n v e r t e r e t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r et e s t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 本节在对规约转换技术进行现状分析的基础上总结并提出了规约转换器 维护测试软件研发的必要性和面临的主要技术问题 1 1 1 规约转换技术的发展及其研究现状 目前 信息技术发展的趋势是 通过不同种类的通信结构与网络平台 实现超价值的通信业务与应用n 电力通信网中存在许多不同类型的用于监 控通信设备运行状态的监控系统 由于通信规约互不兼容 彼此间无法互联 难以实现信息高速传递的现代化通信要求 规约转换是实现监控系统互联的 关键技术 而该系统的中心部件就是规约转换器 规约转换器有基于单片机 和基于p c 个人计算机 p e r s o n a lc o m p u t e r 机两种实现方式 基于单片机实 现的优点是 结构简单 容易实现各种非r s 2 3 2 接口的数据传输方式 缺 点是转换过程复杂 不适合破译数据量较大的系统 基于p c 机实现的优点 是开发周期短 灵活 适合于r s 2 3 2 r s 4 2 2 局域网接口等数据传输方式 缺点是投资较大m g r e e n 于1 9 8 6 年最早指出有必要开发一种设计协议 规约 转换器的正规方法 其他人在这方面也有许多研究m 1 文献n 进行了r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 等接口信息向l o n w o r k s 网络的转换 文献n 进行了基于软件 的规约转换研究 实现了c d t 1 0 4 c a n 等规约和1 0 1 规约之间的相互转 换 文献n 研究了1 0 3 规约和c d t 规约与i e c 6 1 8 5 0 规约之间的转换 文献 运用智能技术进行了规约的智能识别和自动转换方法的研究 目前解决规约 转换的普遍做法是首先知道互联双方所采用规约的类型 然后根据双方具体 的规约文本来做规约转换工作 本课题涉及的规约转换器就采用这种方法实 现规约转换 其功能是基于单片机来实现的 1 1 2 开发规约转换器维护测试软件的必要性和主要技术问题 本文以实际的变电站自动化系统研发环境中的规约转换器维护测试软件 开发为主题展开研究 规约转换器所处的变电站自动化系统采用以太网作为 通信媒介 为了实现与第三方智能设备 使用的通信规约与变电站自动化系统 采用的通信规约不兼容或者使用不同于变电站自动化系统采用的通信介质进 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 行通信的智能设备 的互连 需要开发规约转换器实现通信规约的双向转换 规约转换器维护测试软件的开发是伴随着规约转换器的开发而进行的 需要为其开发维护测试软件的规约转换器基于单片机实现 由于以下因 素需要为规约转换器开发专用的维护测试软件 1 规约转换器不具备操作晃面 2 规约转换器开发人员对规约转换器进行调试的时候 需要对规约转换 器的状态 运行于规约转换器上的应用程序的重要变量的数值 规约转换器通 信端口转发的报文等 进行观测 3 参数整定和查询的需要 如配置或获取规约转换器的口地址 4 规约转换器需要专门的软件工具对其进行维护 确保正常运行 规约转换器维护测试软件是规约转换器开发和维护的一个有力工具 开 发规约转换器维护测试软件面临的主要技术问题如下 1 规约转换器维护测试软件应为规约转换器开发和维护人员提供友好 的用户界面 2 规约转换器维护测试软件提供维护测试功能的对象是基于多种规约 的一系列规约转换器 每一种转换器对应一个待转换的规约 维护测试软件 应具备良好的可扩展性 包括软件界面的扩展和功能的扩展 3 如何实现规约转换器与维护测试软件的通信 并确保两者之间的通信 报文和变电站自动系统其它通信报文互不干扰 4 如何实现维护测试软件功能并保证其正确 1 2 变电站自动化系统概述 变电站是输配电系统中的重要环节 随着电压等级的提高 供电范围的 扩大及输配电容量的增大 采用传统的变电站一次及二次设备越来越难以满 足以下两个方面的要求 1 降低变电站造价 减少新建交电站的投资 2 提高变电站的安全与经济运行水平 减少变电站的运行值班人员并逐步对 2 2 0 k v 及以下电压等级的变电站实现无人值班 为此研制和开发以计算机技 术和网络通信技术为基础的 各种电压等级的变电站自动化系统 取代 更 新和改造传统变电站的二次系统成为2 0 世纪8 0 年代之后国内外各大电气公 司纷纷努力的目标n 一 变电站自动化是将变电站二次设备 包括测量仪表 信 号系统 继电保护 自动装置和远动装置等 经过功能的组合和优化设计 利 用先进的计算机技术 现代电子技术 通信技术和信号处理技术 实现对全 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 变电站的主要设备和输 配电线路的自动监视 测量 自动控制和微机保护 以及与调度通信等综合性的自动化功能 规约转换器维护测试软件研发是在基于以太网的变电站自动化系统研发 的大环境中进行的 其实现需要综合考虑变电站自动化系统的通信体系结构 因此有必要了解变电站自动化系统采用的通信技术 通信技术是变电站自动 化系统的关键技术之 从2 0 世纪9 0 年代初变电站内开始采用变电站自动 化技术 变电站自动化系统的通信网络经历了多次变革 在带宽 可靠性兼 容性等方面的指标也逐步提高 变电站自动化系统采用的通信协议也向标准 化方向发展 本节首先介绍了变电站自动化系统的通信网络和通信规约 然后定义了 规约转换器维护测试软件研发所处的变电站自动化系统环境 1 2 1 变电站自动化系统的通信网络 目前变电站自动化系统采用的通信网络主要有r s 4 2 2 4 8 5 接口总线网 现场总线网 c a n 控制器局域网络 c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k l o n w o r k s 等 以太网这三种类型t l e l t t m 以太网在带宽 可扩展性 可靠性 经济性 兼 容性等方面的优势使其逐渐成为变电站自动化系统通信网络的发展方向 t t t l m 九 分述如下 1 r s 4 2 2 4 8 5 接口总线网 该网络结构简单 具有运行状态稳定 故障率较低 易于实现 成本低 等优点 在国内早期的变电站自动化系统中使用较多 使用一个主站对多个 从站的通信方式 在应用中存在以下缺陷 1 只能有一个主站 无法实现多主站信息互为备份的冗余设计 2 从站无法主动上送重要信息 实时性差 3 各从站之间无法直接通信 只能通过主站中继才能相互通信 4 对较小规模的系统 实时性可以得到保证 但随着系统规模的扩大 系统的实时性能将会急剧降低 5 抗干扰及纠错能力较差 一般只适合在控制室内部使用 不能用于开 关场或开关间隔内 即不能使用于分散安装的变电站自动化系统 2 现场总线网 为了解决r s 4 2 2 4 8 5 接口总线网等早期变电站自动化系统通信解决方 案存在的问题 人们把目光投向了迅速发展的现场总线技术 由于现场总线 技术具有简单易用 组网方便 抗干扰能力强等特点 很快被国内电力自动 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 化设备厂商采用 现场总线种类较多 在变电站自动化系统中使用较多的主 要是c a n 总线和l o n w o r k s 网络 1 l o n w o r k s 网络 l o n w o r k s 网络技术是一种强劲有力的现场总线技术 它由美国e c h e l o n 公司推出并由该公司与摩托罗拉 东芝公司共同倡导 于1 9 9 0 年正式公布而 形成的 l o n 是l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 的简称 它采用了开放系统互联模型 o s i 的全部七层通信协议 采用了面向对象的设计方法 通过网络变量把网 络通信设计简化为参数设置 其通信速率从3 0 0 b p s 到2 5 m b p s 不等 支持双 绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电力线等多种通信介质 l o n w o r k s 技术采用的l o n t a l k 协议被封装在称为n e u r o n 的神经元芯片 中 n e u r o n 芯片中有3 个8 位c p u 一个用于完成o s i 模型中第1 和第2 层的功能 称为媒介访问控制处理器 实现介质访问的控制与处理 第二个 芯片用于完成o s i 第3 层至第6 层的功能 称为网络处理器 进行网络变量 的寻址 处理 背景诊断 路径选择 软件计时 两络管理 并负责网络通 信控制 收发数据包等 第三个是应用处理器 执行操作系统服务与用户代 码 芯片中还具有存储信息缓冲区 以实现三个c p u 之间的通信传递 并作 为网络缓冲区和应用缓冲区 e c h e l o n 公司为l o n w o r k s 技术提供了完整的开发平台 包括l o n b u i l d e r n o d e b u i l d e r 和网络开发语言n e u r o nc 等 n e u r o nc 语言对于不同节点所定 义的变量都可以简单地作为本地变量一样使用 只要给予 捆绑 b i n g b p 可 这种方式大大地简化了网络应用 使开发人员几乎感觉不到是在网络环境下 设计程序 开发人员也不需要关心网络底层通信的细节 这些细节都由封装 在n e u r o n 芯片中的l o n t a l k 协议完成 简单易用是l o n w o r k s 技术的一个显 著特点 2 a 岱总线 c a n 总线是德国b o s c h 公司从2 0 世纪8 0 年代初为解决汽车中众多的测 控与测试仪器之间的数据交换而开发的 种串行数据协议 目前已成为国际 标准化组织1 s o l l 8 9 8 标准 它是一种有效支持分布式控制或实肘控制的串 行通信网络 c a n 总线的应用范围遍及高速网络到低成本的多线路网络 南 瑞科技生产的d l s a 2 及n s 2 0 0 0 系统测控主网均采用c a n 总线 其总控与 其总控与监控后台采用以太网实现通信 3 以太网 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 当前 国际上基于以太网的i n t c r n e t 技术和w e b 技术的嵌入式应用日益 广泛 美国 欧洲以及日本等发达国家对基于以太网的变电站自动化技术都 给予了前所未有的重视 i e c 的有关工作组也制订了变电站自动化系统过程 层 间隔层和变电站层的一系列标准 其中以太网的嵌入式应用是很重要的 一个方面 利用嵌入式技术在微控制器 微处理器和以太网控制器上实现的 以太网就是嵌入式以太网 嵌入式以太网与传统以太网在物理上都遵循 i e e e 8 0 2 3 标准 高层协议大都选用广泛使用的t c p i p 协议族 嵌入式以太 网与传统以太网的最大区别在于 传统以太网技术是基于p c 机 工作站的 软件和硬件环境 与p c 机 工作站的硬件直接配合 其使用的网络协议如 t c p i p 等内嵌在w i n d o w sn t u n i x 等操作系统中 一 传统以太网技术总脱 离不了p c 机 工作站的软 硬件环境 这就限制了传统以太网在工业控制 领域的应用 而嵌入式以太网是基于微控制器 处理器的软 硬件环境的 使用的网络协议族f 如t c p i p 内嵌在嵌入式操作系统中 从而为嵌入式以太 网技术应用于工业控制领域打开了方便之门 从另一角度来看 由于嵌入式 以太网技术与传统以太网在物理上和通信协议上相互兼容 因此它们之间能 够相互通信 嵌入式以太网用于变电站自动化系统内部的通信网络一般有3 种典型应 用模式 如图1 所示n m 网 图1 1 嵌入式以太网在变电站自动化系统的应用模式 a 每个间隔层设备都配置嵌入式以太网接口 将该设备作为以太网节点 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 直接连到以太网上 b 几个不具备以太网接口的智能电子设备 i e d 通过r s 2 3 2 4 8 5 或现场 总线等方式连接 然后通过具有嵌入式以太网接口的通信管理单元 将其作为 以太网节点连到以太网上 c 应用模式a 和应用模式b 的混合 对比3 种应用模式 从技术实现而言 三者都必须设计嵌入式以太网接 口 本质上没有太大差别 就具体应用 变电站自动化系统中的智能设备可 能由不同厂家提供 有些智能设备可能不具备嵌入式以太网接口 因此 现 阶段的变电站自动化系统 尤其是中低压变电站自动化系统 一般采用应用 模式b 或c 但是应用模式a 是变电站自动化系统发展的趋势 1 2 2 变电站自动化系统通信协议 规约 为了提高变电站自动化系统的通信开放性 最有效的办法是采用标准的 通信协议 变电站自动化系统的站内局域网采用国际标准的通信协议是今后 的发展趋势 目前比较流行的变电站自动化系统通信协议有国际电工委员会t c 5 7 技 术委员会制订的i e c 6 0 8 7 0 一m 和i e c 6 1 8 5 0 系列通信协议 1 i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信协议体系 i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信协议体系是国际电工委员会第5 7 技术委员会第3 工作组 m ct c 5 7w c 0 3 用了多年时间制订的一套用于变电站远动通信的协 议体系 与传统的远动通信协议不同 i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信协议体系借鉴了 网络通信协议的分层技术 将协议分为链路层和应用层 链路层由 i e c 6 0 8 7 0 5 1 和m c 6 0 8 7 0 5 2 描述 应用层的基础部分由i e c 6 0 8 7 0 5 3 i e c 6 0 8 7 0 5 4 和i e c 6 0 8 7 0 5 5 描述 i e c 6 0 8 7 0 5 系列协议根据应用领域定 义了一系列配套标准 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 用于常规远动 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 用于 电能计量信息的接入 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 用于继电保护信号的接入 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 是将i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 用在t c p l p 网络协议之上的扩展 这里对i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 协议做一些简单介绍 1 0 3 协议属于问答式 俾o l l i n g 协议 其目的是为了在变电站或厂站中 不同继电保护设备和控 制系统之间达到信息互换 该协议采用非平衡传输 控制系统组成主站 继 电保护设备 或间隔单元 为从站 子站 配套标准描述了两种信息交换方法 一种方法是基于严格规定的应用服务数据单元 a s d u s 和 标准化 提出报 文的传输应用过程 方法 另一种方法是使用通用分类服务可以传输几乎所 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 有可能信息的方法 该协议的特点是详细地描述了遥测 遥信 遥脉 遥控 保护事件信息 保护定制 录波等数据传输格式和传输规则 可以满足变电 站传输保护和监控的信息 2 i e c 6 1 8 5 0 系列通信协议体系 随着变电站自动化技术的迅速发展 急需制订相关的国际标准 为此国 际电工委员会第5 7 技术委员会专门成立了3 个工作组 w g l 0 w g i i w g l 2 负责制订i e c 6 1 8 5 0 i e c 6 1 8 5 0 是国际土关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体 系 与传统通信协议体系相比 在技术上i e c 6 1 8 5 0 有如下突出特点 1 使用面向对象建模技术 2 使用分层 分布体系 3 使用抽象通信服务接口 a c s d 和特殊通信服务映射 s c s o 技术 钔使用m m s 技术 5 具有互操作佳 6 具有面向未来的 开放的体系结构 i e c 6 1 8 5 0 协议体系的两个重要概念是 1 i n t e r o p e r a b i l i t y 百操作性 同 一个生产厂商或不同生产厂商制造的两个或多个智能电子设备之间能够交换 信息 能够使用这些信息正确地执行特定功能 称之为互操作性 2 i n t e r c h a n g e a b l i l i t y i 换性 在不改变系统内的其它元件的前提下 一个制 造商生产的装置能够代替另一个制造商的装置 称之为互换性 1 2 3 一种基于以太网的变电站自动化系统 规约转换器维护测试软件研发所处的变电站自动化系统如图1 2 所示 该变电站自动化系统属于本章1 2 1 节提到的嵌入式以太网在变电站自动化 系统应用模式的模式c 变电站自动化系统内部的保护测控装置都具备以太 同接口及相应的t c p i p 软件包以实现以太网通信 所有站控层设备也连接 到以太网上 为了兼顾第三方智能设备 使用的通信规约与变电站自动化系统 采用的通信规约不兼容或者使用不同于变电站自动化系统采用的通信介质进 行通信的智能设备 的接入 专门开发规约转换器 在本文第二章中将详细介 绍规约转换器 以实现上述需求 为了增强系统的可靠性 采用了双机双网结 构 后台监控机和远动枫使用双枧互各模式 变宅站自动化系统以太网采用双 以太网 以太网应用层使用了厂家自定义的传输规约 在本文第三章中进行 详细介绍 变电站层与间隔层间i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 报文和规约转换器及其维 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 护测试软件之间的通信报文及其它一些通信报文都封装予上述协议格式之 中 在以太网上传输 以太网传输层协议选用了u d p 用户数据报协议 u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 通信报文采用u d p 组播 u d p 广播和u d p 点对点 单播 三种通信方式 图1 2 一种基于以太网的变电站自动化系统示意图m 1 3 主要工作和章节安排 本文在基于以太网的变电站自动化系统研发环境中设计开发了规约转换 器维护测试软件 实现了对规约转换器进行参数整定 查询 端口报文观测 等功能 针对规约转换器及其维护测试软件之间特定的通信需求 制订了用 于两者之间进行通信的自定义通信规约 全文章节安排如下 第1 章介绍了规约转换技术的发展及其研究现状 指出了开发规约转换 器维护测试软件的必要性及面临的主要技术问题 对变电站自动化系统的通 信网络和通信规约及规约转换器维护测试软件研发所处的变电站自动化系统 环境进行7 简要介绍 本章内容是对规约转换器维护测试软件开发背景的总 体描述 第2 章对规约转换器做了全面介绍 包括规约转换技术 规约转换器的 软硬件构成 规约转换器的运行方式 本章内容有助于理解开发规约转换器 维护测试软件的必要性 为后续章节提供了背景信息 第3 章对规约转换器维护测试软件避行了需求分析 详细定义了规约转 换器维护测试软件要实现的功能 确定维护测试软件的功能和运行环境后 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 结合规约转换器所处的以太网通信环境自定义了完善的通信规约 为规约转 换器维护测试软件的实现打下了良好基础 第4 章介绍了规约转换器维护测试软件的设计开发过程 并对设计开发 过程遇到的技术问题进行了介绍并予以解决 规约转换器维护测试软件由抽 象概念转换为实体存在 第5 章制订了详细 全面的测试计划 对规约转换器维护测试软件的各 项功能进行测试 并修正了软件测试中发现的问题 保证了规约转换器维护 测试软件运行的健壮性和功能的正确性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章规约转换器 规约转换器是变电站自动化系统中用来接入第三方智能设备 使用的通 信规约与变电站自动化系统采用的通信规约不兼容或者使用不同于变电站自 动化系统采用的通信介质进行通信的智能设备 的接口装置 是交宅站自动化 系统的重要组成部分 本章首先介绍了协议 规约 转换技术 然后定义了本 文研究课题涉及到的规约转换器的软硬件构成和运行方式 目的在于为后续 章节提供相关的背景信息 2 1 协议 规约 转换技术 在结构复杂的分布式网络环境中 协议转换可以解决协议的不兼容问题 实现不同网络用户的交互操作 在两个已知协议之问建立一个起调解作用的 协议转换 它从一个协议接收信息 经翻译后送向另一个协议 协议转换的作 用在于协调不兼容网络边界的信息交换m g r e e n 于1 9 8 6 年最早指出有必要 开发一种设计协议转换器的正规方法 他在文献 3 中阐明了协议转换的基本 概念 文献 4 指出协议转换器的集成方法可以分为三类 一 图2 1 服务级协议转换示意图 1 服务级转换方 法 s e r v i c cl e v e lc o n v e r s i o na p p r o a c h 在服务级转换中 基于协议的抽象模型对两种协议的服务原语进行映射 从而完成服务级的协议转换 如图2 1 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 假如两个协议n c m 层以上各层是兼容的 协议转换在第n m 层进行 由于第n 层向n i 层提供的服务与第m 层向第m i 层提供的服务互不兼容 要想实现两个网络的通信 就要通过一种映射使得这两种网络能够互相理解 各自的服务原语的含义 接口适配器 i n t e r f a c ea d a p t 0 0 1 j 勺功能就是完成两种 网络的不同服务原语之间的转换 这种方法不考虑p d u p r o t o c o ld a bu m t 协议数据单元 和相关控制信息 只考虑网络提供的服务的不兼容性 在进行 服务级协议转换设计时 往往采用自顶向下的设计方法 服务级转换方法的缺点在于 协议转换器与网络的相互作用严格限制在 业务用户级 转换过程中 转换器无法通过传送网络间的协议数据单元来创造 功能 原因在于这种方法不包括对协议级的处理 2 协议级转换方法 p r o t o c o ll e v e lc o n v e r s i o na p p r o a c h 在协议级转换中 基于协议的抽象模型 对两种网络的同一层次的对等 协议机采用的不同协议进行转换 如图2 2 所示 图2 2 协议级协议转换示意图 协议级转抉中 互操作性是基于目标协议层的转换之上的 根据在两个 互连网络第n 层交换的p d u 清楚地定义了网关 g a t e w a y 的功能 n 层以上 的协议是兼容的 协议转换器处于网络a 的第n 层和网络b 的第m 层 这种方法提供了更有效的转换 但规格太复杂 实施起来也很困难 选择 协议级转换方法集成的转换器 行为上缺乏主动性 因为协议层转换忽略了对 网络之间业务用户级的所有处理 转换器只能在不兼容协议问进行端到端的 数据翻译与转换 它无法在转换期间创建功能 3 混合转换方法 h y b r i dc o n v e r s i o na p p r o a c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 混合式转换方法是服务级方法与协议级方法相结合的产物 采用这种方 法的转换器 其集成处理开始于业务级 延伸至协议级 所产生的转换器既 反映了对协议级的处理 也反映了对业务级的处理 采用混合式转换方法 克 服了以上两种方法的不足之处 功能更加强大 能动性也有所提高 但在转换 器设计的初始阶段 嚣要输入协议说明及业务程序说明 增加了设计的复杂 性 目前解决规约转换的普遍做法是首先知道互联双方所采用规约的类型 然后根据双方具体的规约文本来做规约转换工作 总结目前人们所做的工作 规约转换器的实现方式有两大类 1 基于单片机实现m n m 2 基于p c 机的软件实现 n w 一 2 2 规约转换器的软硬件构成 2 2 1 规约转换器硬件配置 规约转换器以图2 3 所示的插件形式出现 每个插佟对应一种待转换的 图2 3 规约转换器插件示意图 规约 所有插件统一放置在一个机箱中 插件是以a r m 9 处理器为核心的单 片机 每个插件有四个硬件通信端口 两个上位以太网口 用于接入双网互备 环境或者与维护测试软件进行通信 一个备用以太网口 一个下位口 c a n r s 4 8 5 口等 下位口用来接入第三方智能设备 插件上设置了硬件跳线以区 分规约转换器的不同运行状态 分为出厂模式 调试模式 和正常运行模式 三种 出厂模式用于对规约转换器进行软件烧写 调试模式用于维护测试软 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 件与规约转换器建立通信并对其提供维护测试功能 正常运行模式下规约转 换器履行其规约转换的功能 需要转换的规约有d i s a 规约 j b k 规约 l f p 规约 x t 9 7 1 2 规约等 规约转换器的出厂参数分为硬件参数和规约参数 参数名及其典型值的 列表如下 1 硬件参数 1 系统参数 运行方式 双网 单网运行时的有效端口号 端口o 即u 蝌0 双网运行时 a 网段对应的端口号 端口o 即l a n o 双网运行时 b 网段对应的端口号 端口l 酃t a m 下位端口号 端口3 下位端口类型 r s 4 8 5 2 两个上位以太网e l 和备用以太网口的参数 碑地址 1 9 2 1 6 8 3 2 5 3 u d p 端口号 1 9 9 9 多播口地址 目标i p 2 2 4 0 0 8 1 目标端口 8 0 0 1 3 下位口参数 波特率 9 6 0 0 效验 无 停止位 1 数据长度 8 2 规约参数 协议名称 l 千 装置数 1 遥测数据全部转发标志 全部转发 遥信数据全部转发标志 全部转发 脉冲电度数据全部转发标志 全都转发 双字节计算电度全部转发标志 全部转发 四字节计算电度数据全部转发标志 全部转发 装置o 西南交通大学硕士研完生学位论文第j4 页 装置地址 1 2 遥控数 0 遥调数 0 遥测数 o 遥信数 0 计算电度数 0 脉冲电度数 0 2 2 2 规约转换器软件结构 规约转换器上运行的软件程序由p r o t o c o l 规约部分 和b o o t l o a d e r 远 程下载部分 两个工程组成 它们独立编译 分别生成下载文件 b o o t l o a d c r 通过i s p 软件从串口写入f l a s h p r o t o c o l 则在b o o t l o a d c r 的引导下 通过 以太口写入f l a s h 写入地址由b o o t l o a d e r 决定 固定为o x l 0 0 0 0 而 b o o t l o a d c r 程序空闯更 被设置成从0 到0 x 0 0 0 0 6 2 2 0 p r o t o c o l 工程的文件结 构如图2 4 所示 斌 与c p u 相关的启动代码和驱动程序 u d p 协议 吣 用于调试模式的相关代码 h 1 c d 规约程序 图2 4 规约转换器程序结构 规约转换器启动后首先判断标志寄存器的值 如等于0 x a a 则进入正 常运行模式 否则判断硬件跳线编码 进入相应的三个运行状态 在调试状 态下 规约转换器也进行规约转换功能 维护测试软件可以发送投文要求规 约转换器上送其任一个通信端口的上行或下行报文以进行实时观测 2 2 3 规约转换器研发流程 规约转换器的研发和维护测试软件的研发是相辅相成的 期间双方的研 发人员进行了多次沟通 各自确立了要实现的功能 研发完成后维护测试软 留目口目 西南交通大学硕士磅究生学位论文第1 5 页 件和规约转换器进行了互连测试 并对规约转换器的功能进行调试 通过一 系列的测试和调试过程 修正了发现的问题 规约转换器投入运行 规约转 换器的研发流程如图2 5 所示 图2 5 规约转换器研发流程 2 3 规约转换器的运行方式 本章2 2 1 节提到规约转换器以硬件跳线的形式将其运行状态划分为出 厂模式 调试模式 和正常运行模式 本节对正常运行模式和调试模式下的 运行方式进行介绍 图2 6 规约转换器正常运行模式示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 3 1 规约转换器处于正常运行模式时的运行方式 正常运行对 规约转换器的职能是在第三方智能设备 使用的通信规约与 变电站自动化系统采用的通信规约不兼容或者使用不同于变电站自动化系统 采用的通信介质进行通信的智能设备 和变电站自动化系统以太网设备之间 迸行规约转换 保证两类设备之间的正常通信 规约转换器正常运行模式下 的运行状态如图2 6 所示 在两种情况下需要进行规约转换 1 相对于变电 站自动化系统 智能设备采用不同的通信规约 2 相对于变电站自动化系统 智能设备采用相同的通信规约 但是物理层通信介质不同 本文所指的规约 转换器实现以上两方面的转换 2 3 2 规约转换器处于调试模式时的运行方式 规约转换器处于调试模式的时候 维护测试软件可以与规约转换器通过 直通网线连接或者通过以太网连接 使用u d p 方式通信 1 通过直通网线连接 如图2 7 所示 图2 7 直通网线连接 这种连接方式的好处是简单 直观 其缺点是不够灵活 想要调试不同 的规约转换器则必须改动物理连接 2 通过以太网远程连接 如图2 8 所示 f 规约转换 叫蓑磊薷蕃霎蓑 l 器插件1r 一 以 l 规约转换l 太 网 i 器插件nr 图2 8 以太网连接 这种连接方式的好处是操作灵活 在不同的规约转换器之间切换时不需 要改动物理连接 只需要知道目的规约转换器i p 互联网协议 i n t e r n e t p r o t o c 0 1 地址即可使用维护测试软件与其连接并进行调试 这种连接方式带 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 来一个问