張航，王振岳，韓冬，王爽，劉婧孜

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌　461000； 2.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，鄭州　450045)

?

一種電力規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)程間通信優(yōu)化方法

張航1，王振岳1，韓冬1，王爽2，劉婧孜2

(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌461000； 2.華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院，鄭州450045)

通過闡述傳統(tǒng)電力規(guī)約轉(zhuǎn)換方式存在的問題，提出了一種基于嵌入式操作系統(tǒng)的電力規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)程間通信優(yōu)化方法，介紹了其消息結(jié)構(gòu)和消息處理邏輯，并分析了優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)越性。該方法解決了嵌入式操作系統(tǒng)在多進(jìn)程間通信情況下，常規(guī)共享內(nèi)存消息傳遞機(jī)制所存在的無用消息重復(fù)傳遞、消息處理效率不高的問題。

嵌入式；進(jìn)程；通信；電力規(guī)約轉(zhuǎn)換

0　引言

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)主要由保護(hù)系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、“五防”系統(tǒng)、交直流供電系統(tǒng)、智能一次系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成[1]，隨著智能電網(wǎng)的快速建設(shè)，接入變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的智能子系統(tǒng)越來越多，各子系統(tǒng)普遍采用不同規(guī)約、不同網(wǎng)絡(luò)通信方式的智能裝置[2]。為了增加不同規(guī)約設(shè)備間的互操作性和兼容性，通常采用嵌入式計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換[3]。常規(guī)嵌入式計(jì)算機(jī)主要利用管道、先入先出隊(duì)列(FIFO)、消息隊(duì)列、域間套接字及共享內(nèi)存等技術(shù)手段進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)的交互與傳遞[4]，由于共享內(nèi)存具備簡(jiǎn)單、靈活、訪問效率高、數(shù)據(jù)量不受限制的特點(diǎn)，在嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)程間通信中得到了廣泛應(yīng)用[5]。

隨著接入子系統(tǒng)的增加，需要規(guī)約轉(zhuǎn)換的智能設(shè)備數(shù)量呈幾何式增長，出現(xiàn)大量多對(duì)多復(fù)雜規(guī)約轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場(chǎng)景，造成通道進(jìn)程間消息數(shù)量激增，很多本進(jìn)程不需要的信息也被傳遞，從而引起互斥同步操作過于頻繁，數(shù)據(jù)交換效率低下，尤其是在20個(gè)以上通道進(jìn)程互斥訪問共享內(nèi)存的情況下，如何使數(shù)據(jù)交換更高效，成為一個(gè)亟待解決的課題。

1　傳統(tǒng)方式存在的問題

利用共享內(nèi)存的消息機(jī)制解決嵌入式計(jì)算機(jī)作為通信管理機(jī)時(shí)通信接口間相互轉(zhuǎn)換的問題，一般由1個(gè)優(yōu)先進(jìn)程建立共享內(nèi)存空間，進(jìn)行消息通信并管理，其余通道訪問、讀取和寫入共享內(nèi)存以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。為保證信息交互過程的同步性和數(shù)據(jù)的可靠性，通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的互斥訪問，防止共享內(nèi)存讀寫失步，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

這種方案沒有考慮多進(jìn)程通信在數(shù)據(jù)同步方面的時(shí)間損耗。由于每個(gè)進(jìn)程在訪問共享內(nèi)存時(shí)都需要經(jīng)歷等待、鎖定、操作、釋放的過程，原本效率較高的共享內(nèi)存消息機(jī)制在多通道通信模式下效率大幅下降，在突然出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)，通信處理延時(shí)較長，甚至?xí)袛?。因此，這種技術(shù)只適用于少量或單一設(shè)備規(guī)約轉(zhuǎn)換的通信場(chǎng)合。

2　優(yōu)化進(jìn)程間通信的方法

首先由管理進(jìn)程依據(jù)測(cè)點(diǎn)配置文件創(chuàng)建實(shí)時(shí)內(nèi)存庫，包括參數(shù)共享內(nèi)存和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫共享內(nèi)存，然后管理進(jìn)程讀取系統(tǒng)通道設(shè)備配置文件，確定系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備接口數(shù)量、設(shè)備數(shù)量等信息，采用不同特征值建立特征消息結(jié)構(gòu)體，最后啟動(dòng)若干設(shè)備通信進(jìn)程，進(jìn)入規(guī)約轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)。實(shí)時(shí)內(nèi)存庫讀寫操作由管理進(jìn)程負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)通信進(jìn)程都有自己獨(dú)立的消息處理隊(duì)列。

通道進(jìn)程只對(duì)各自的消息隊(duì)列進(jìn)行讀取操作以獲得自身需要處理的信息，并將需要與其他進(jìn)程交互的消息寫入管理進(jìn)程消息隊(duì)列；管理進(jìn)程從管理消息隊(duì)列中讀取消息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并將結(jié)果根據(jù)消息特征發(fā)送到不同的通信消息隊(duì)列中。消息機(jī)制如圖1所示。

圖1　消息機(jī)制

2.1消息結(jié)構(gòu)

消息隊(duì)列共享內(nèi)存單元由管理進(jìn)程消息內(nèi)存空間和通道進(jìn)程消息內(nèi)存空間2個(gè)獨(dú)立的部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

管理進(jìn)程消息內(nèi)存空間用于存儲(chǔ)管理進(jìn)程需要處理的消息隊(duì)列信息，建立獨(dú)立的索引身份標(biāo)志號(hào)(ID)，內(nèi)存讀、寫指針，采用獨(dú)立的信號(hào)量控制同步。

通道進(jìn)程消息內(nèi)存空間用于交互通信進(jìn)程的消息隊(duì)列，所有通信進(jìn)程采用1個(gè)公用的信號(hào)量來控制同步，每個(gè)通信進(jìn)程具有1個(gè)獨(dú)立特征值標(biāo)志的消息隊(duì)列，各消息隊(duì)列均采用相同的消息結(jié)構(gòu)體，所述消息結(jié)構(gòu)體包括3個(gè)部分：讀寄存器序號(hào)，寫寄存器序號(hào)，消息隊(duì)列空間。

圖2　消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)

2.2消息處理邏輯

在整個(gè)通信轉(zhuǎn)換過程中，管理進(jìn)程按照FIFO的方式讀取管理消息并檢測(cè)未處理管理消息量是否為零：如果是，結(jié)束本次處理過程；否則，作如下判斷。若是管理進(jìn)程自身操作的消息，根據(jù)要求處理并繼續(xù)讀取剩余消息；若是其他進(jìn)程的消息，根據(jù)所屬映射，將其寫入通道進(jìn)程相應(yīng)標(biāo)識(shí)的通道消息隊(duì)列，循環(huán)直至完成所有消息的讀取操作。

對(duì)于通道進(jìn)程，標(biāo)明消息數(shù)量的讀指針、寫指針采用循環(huán)指針，如果所屬通道消息寫指針加1后與讀指針重疊，則將消息讀指針加1，舍棄相應(yīng)消息數(shù)據(jù)，同時(shí)上送消息溢出異常信號(hào)。通道進(jìn)程消息處理過程與管理進(jìn)程類似，不同點(diǎn)在于通道進(jìn)程從各自獨(dú)有的消息內(nèi)存中讀取消息，向管理進(jìn)程消息內(nèi)存中寫入交互消息。

3　系統(tǒng)優(yōu)越性分析

(1)通過建立不同的消息隊(duì)列，建立一種單向的消息讀取和寫入模式，每個(gè)進(jìn)程間的通信均采用寫入管理消息隊(duì)列，讀取自身特征值標(biāo)示的消息隊(duì)列方式。通過以上步驟，可以解決較多進(jìn)程下的共享內(nèi)存訪問瓶頸，滿足嵌入式系統(tǒng)在多進(jìn)程通信情況下對(duì)通信效率的要求。

(2)管理進(jìn)程采用讀取管理消息隊(duì)列并寫入相應(yīng)特征值通道進(jìn)程的方式進(jìn)行操作。通過此種操作方式，可以有序地進(jìn)行消息讀取、寫入，減少公共信息處理次數(shù)，減少非必要信息寫入、讀取操作次數(shù)。同時(shí)在管理進(jìn)程處理過程中，可以便捷地增加管理消息內(nèi)容，便于進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和控制。

(3)在消息讀取過程中，采用一次操作讀取多個(gè)消息的方式，可以減少對(duì)消息隊(duì)列的操作次數(shù)，減少各進(jìn)程在消息處理過程中的排隊(duì)時(shí)間，也可以與異步通信方式結(jié)合，將高速的中央處理器(CPU)和低速通信設(shè)備有序結(jié)合，綜合提高設(shè)備通信效率。

4　結(jié)束語

本文提出的基于嵌入式操作系統(tǒng)的電力規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)程間通信優(yōu)化的方法，能夠建立更加有效的消息傳遞機(jī)制，降低消息傳遞過程中出現(xiàn)的消息重復(fù)問題，提高消息處理效率，提高設(shè)備整體性能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間消息處理與通信接口之間的快速聯(lián)系?；诒疚脑O(shè)計(jì)思想的規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置在220 kV及以下電壓等級(jí)常規(guī)變電站已經(jīng)大量應(yīng)用。

后續(xù)改造可以在此基礎(chǔ)上優(yōu)化信號(hào)數(shù)量，建立批量分類化的消息訪問機(jī)制，以便適應(yīng)更大規(guī)模的信息處理。該技術(shù)同時(shí)可以應(yīng)用到其他嵌入式系統(tǒng)環(huán)境，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)多進(jìn)程運(yùn)行、高效率的協(xié)同特點(diǎn)。

[1]陳杰，杜偉春，王振岳，等.基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)通信管理機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(11):113-116.

[2]遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)：第5部分 數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約: DL/T 719—2000[S].

[3]張艷林，李慧勇，李紹滋. 基于編譯器的通信規(guī)約自動(dòng)解析研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(2):101-105.

[4]理查德·史蒂文斯，拉戈. UNIX 環(huán)境高級(jí)編程[M].尤晉元，張亞英，戚正偉,譯. 北京：人民郵電出版社，2006.

[5]蔣湘濤, 賀建飚, 李楠. 電力信息采集的通用型通信規(guī)約解析系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(9): 118-122.

(本文責(zé)編：弋洋)

2016-01-07；

2016-06-11

TM 769

B

1674-1951(2016)06-0058-02

張航(1979—)，男，河南許昌人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化方面的工作(E-mail:33809750@qq.com)。

王振岳(1979—)，男，河南平頂山人，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)研究。

韓冬(1976—)，男，吉林吉林人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化相關(guān)研究。