CN101707586A - 基于dnp协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法。电力系统主站(1)与电力系统仿真器RTDS之间通过主站通信模块DNP实现基于TCP/IP协议的LAN/WAN的数据通信。上述电力系统主站(1)与电力系统仿真器RTDS之间的数据通信包括电力系统主站(1)和电力系统仿真器RTDS之间的数据写入与读取，完成的功能包括DNP协议处理和与电力系统仿真器RTDS的实时通信。本发明可以在实时仿真系统上对电力系统进行在线的故障分析、事故研究、发事故措施验证、事故预决策等研究，使电力系统仿真器的仿真运行环境更紧结电力系统的实际过程，便于仿真结果更接近真实电网，以获得更准确的分析结论和更有效的决策信息。

Description

基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法

技术领域

本发明是一种基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，属于电力系统在线通讯技术的创新技术。

背景技术

现有电力系统主站与电力系统仿真器RTDS之间没有实现真正的数据交换，难于在实时仿真系统上对电力系统进行在线的故障分析、事故研究、发事故措施验证、事故预决策等研究。也难于使电力系统仿真器的仿真运行环境与电力系统的实际过程相对应，以至仿真结果难于接近真实电网，难于获得到更准确的分析结论和更有效的决策信息。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可以在实时仿真系统上对电力系统进行在线的故障分析、事故研究、发事故措施验证、事故预决策等研究，使电力系统仿真器的仿真运行环境更紧结电力系统的实际过程，便于仿真结果更接近真实电网，以获得到更准确的分析结论和更有效的决策信息的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法。

本发明的技术方案是：本发明基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，电力系统主站(1)与电力系统仿真器RTDS之间通过主站通信模块DNP实现基于TCP/IP协议的LAN/WAN的数据通信。

上述电力系统主站与电力系统仿真器RTDS之间的数据通信包括电力系统主站和电力系统仿真器RTDS之间的数据写入与读取，完成的功能包括DNP协议处理和与电力系统仿真器RTDS的实时通信。

上述电力系统主站与电力系统仿真器RTDS之间的数据通信所涉及的逻辑功能包括：DNP3数据对象的解析与封装、DNP及网络地址的配置、实时通信处理、数据包的发送与接受和外部程序调用接口。

上述DNP3数据对象的解析与封装包括对于来自电力系统仿真器RTDS的DNP数据的读取和将电力系统主站(1)的控制信息给经过通信网络回送电力系统仿真器RTDS。

上述实时通信处理与数据包收发模块的功能是完成电力系统主站PC机与电力系统仿真器RTDS的TNET卡之间的实时双向通信，其分解为2个部分：1)主站通信模块DNP的读取功能：对于电力系统仿真器RTDS实时数据包的读取，并处理DNP传输和链路从的握手通信；2)主站通信模块DNP的写入功能：对来自电力系统主站(1)的控制信息封装成DNP对象，通过TCP/UDP返回从站；上述数据包收发处理实现来自LAN的网络数据包实时发送和接收，在接收过程中处理不同层次的报文，发送过程要考虑将应用层数据封装成TCP/UDP报文；DNP连接管理则是建立电力系统主站(1)和电力系统仿真器RTDS之间的DNP通信握手，以进一步实现应用层模拟或者二进制数据的封装；DNP消息分类处理主要涉及对于电力系统仿真器RTDS所需要的数据对象的处理，包括模拟状态量、二进制状态量、模拟控制量和二进制控制量；本地数据保存则是为便于通信模块历史数据查询而设置的保存功能.

上述主站通信模块DNP及网络地址的配置对于DNP协议的封装，需要明确DNP源和目的地址，电力系统主站(1)EMS界面提供DNP的目的地址；该部分配置DNP地址与网络地址的映射，为DNP地址与IP地址提供对应关系列表；当主站请求包括DNP目的地址时，本模块提供DNP目的地址所对应的IP地址，以便于DNP数据包和UDP/TCP数据包的封装。

上述外部程序调用接口为电力系统主站(1)的程序提供主站通信模块DNP通信协议动态数据调用方法，开放外部调用接口，其包括数据读取和写入功能，在调用接口中提供通信实现的开放函数和需要传递的数据参数，外部程序通过开放函数所需要的DNP地址、读写功能标识、点号和数据执行操作。

上述来自电力系统仿真器RTDS的DNP数据包括2种类型，一种是二进制输入，另一个是模拟量输入，协议解析过程完成的主要功能就是将从来自电力系统仿真器RTDS输出的数据包中解出对应的模拟或者二进制信息；根据电力系统仿真器RTDS对于数据操作，实现4类数据处理过程，分别包括二进制数据的读取、模拟量数据的读取、二进制数据的写入，模拟量数据的写入；上述二进制数据和模拟量数据读取流程是将从电力系统仿真器RTDS的通信端口输出的以UDP数据报形式封装的DNP数据解析出来，并将DNP数据中应用层有用数据转化成实值数据保存并显示；上述二进制数据的写入是将主站的数据修改到对仿真模型中的对应点上；数据的通信端口输出的以UDP数据报形式封装的DNP数据解析出来，并将DNP数据中应用层有用数据封装成DNP3.0数据格式，然后按TCP/UDP协议进行数据打包，发送到RTDS通信接口；上述模拟量数据的写入是将用户数据对象封装成DNP3.0数据格式，然后按TCP/UDP协议进行数据打包，发送到RTDS通信接口。

上述主站通信模块DNP从电力系统仿真器RTDS读取数据为输入过程，其步骤为：

1)首先，外部接口接收来自电力系统主站(1)的图形界面的读取请求，并将数据请求发送给主站通信模块DNP的数据对象解析和封装模块；

2)数据对象解析和封装模块根据请求的电力系统仿真器RTDS中的DNP地址取得网络IP地址，并根据点号、DNP目的地址、目的地址封装形成DNP数据帧；

3)主站通信模块DNP传输帧通过实时处理程序，写入源IP和目的IP封装成UDP或者TCP数据包；

4)数据包发送和接收过程则利用Socket，将封装好的UDP或者TCP数据包通过网络发送出去；

5)数据包发送和接收过程进入侦听状态，等待RTDS返回信息；

6)如果数据包发送和接收过程侦听到电力系统仿真器RTDS返回的请求数据，则将接收到的数据通过实时处理程序取出DNP传输数据包，交给数据对象解析和封装模块；

7)主站通信模块DNP中的数据对象解析和封装模块去掉传输层报头，取得应用层数据，并根据相关数据对象格式，解析出对应点号和该点的数据；

8)外部程序调用接口将读取的点号和该点的数据返回给电力系统主站(1)的图形界面作为显示。

上述主站通信模块DNP将数据写入到电力系统仿真器RTDS为输出过程，其步骤为：

1)首先，外部接口接收来自电力系统主站(1)图形界面的写入请求，该请求包括写入的点号、对应的数据、写入DNP地址；

2)主站通信模块DNP中的数据对象解析和封装模块收到来自外部程序接口的写请求，根据写入到电力系统仿真器RTDS的数据类型创建相应的数据对象；

3)然后对写入的数据进行DNP数据格式封装，封装的内容包括DNP源和目的地址、点号范围、数据内容，形成DNP数据帧；

4)主站通信模块DNP传输帧通过实时处理程序，写入源IP和目的IP封装成UDP或者TCP数据包；

5)数据包发送和接收过程利用Socket，将封装好的UDP或者TCP数据包通过网络发送出去；

6)电力系统仿真器RTDS根据DNP数据包的功能码，执行对应点号的数据修改。

本发明由于建立了电力系统主站与电力系统仿真器RTDS之间的数据交换而采用的通信协议和通讯方法，通过该方法可以在实时仿真系统上对电力系统进行在线的故障分析、事故研究、发事故措施验证、事故预决策等研究。本发明使电力系统仿真器的仿真运行环境更紧结电力系统的实际过程，便于仿真结果更接近真实电网，以获得到更准确的分析结论和更有效的决策信息。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法。

附图说明

图1为本发明通信系统的结构图；

图2为本发明模块组成及相互关系图；

图3为本发明DNP协议解析过程图；

图4为本发明通信功能模块图；

图5为本发明应用层报文数据处理流程图；

图6为本发明网络报文处理流程图；

图7为本发明应用层设置图；

图8为本发明链路层设置图；

图9为本发明过程执行流程图。

具体实施方式

实施例：

本发明通信网络的结构如图1所示，电力系统主站1作为主站，电力系统仿真器RTDS作为从站，电力系统主站1与电力系统仿真器RTDS之间通过主站通信模块DNP实现基于TCP/IP协议的LAN/WAN的数据通信。本方法的作用是实现主站EMS图形界面和RTDS电力仿真系统之间数据写入与读取，完成的功能包括DNP协议处理和与从站(RTDS)的实时通信。当从站为RTDS设备时，作为主站和从站之间的数据通信机制，实现模拟量、二进制数据在主站和RTDS之间的读取和写入。主站将RTDS仿真模型中的数据进行修改或者更新叫做写入，主站获取RTDS仿真模型中的数据，包括模拟量和二进制量，叫做读取。

电力系统仿真器RTDS的仿真系统利用DNP协议实现主站与RTDS从站通信.DNP协议处理实现来自从站的数据的读取，并根据使用的DNP dataobject解析出相关的模拟量数据和二进制数据；同时，根据需要，将主站的控制信息包括二进制和模拟量数据信息封装成DNP data object发送给从站，实现控制信息的写入。实时通信通信模块则是完成主站和从站之间数据读写的在线通信处理，并借助于TCP/IP协议完成网络通信。

上述主站通信模块DNP从电力系统仿真器RTDS读取数据为输入过程，其步骤为：

1)首先，外部接口接收来自电力系统主站(1)的图形界面的读取请求，并将数据请求发送给主站通信模块DNP的数据对象解析和封装模块；

2)数据对象解析和封装模块根据请求的电力系统仿真器RTDS中的DNP地址取得网络IP地址，并根据点号、DNP目的地址、目的地址封装形成DNP数据帧；

3)主站通信模块DNP传输帧通过实时处理程序，写入源IP和目的IP封装成UDP或者TCP数据包；

4)数据包发送和接收过程则利用Socket，将封装好的UDP或者TCP数据包通过网络发送出去；

5)数据包发送和接收过程进入侦听状态，等待RTDS返回信息；

6)如果数据包发送和接收过程侦听到电力系统仿真器RTDS返回的请求数据，则将接收到的数据通过实时处理程序取出DNP传输数据包，交给数据对象解析和封装模块；

7)主站通信模块DNP中的数据对象解析和封装模块去掉传输层报头，取得应用层数据，并根据相关数据对象格式，解析出对应点号和该点的数据；

8)外部程序调用接口将读取的点号和该点的数据返回给电力系统主站(1)的图形界面作为显示。

上述主站通信模块DNP将数据写入到电力系统仿真器RTDS为输出过程，其步骤为：

1)首先，外部接口接收来自电力系统主站(1)图形界面的写入请求，该请求包括写入的点号、对应的数据、写入DNP地址；

2)主站通信模块DNP中的数据对象解析和封装模块收到来自外部程序接口的写请求，根据写入到电力系统仿真器RTDS的数据类型创建相应的数据对象；

3)然后对写入的数据进行DNP数据格式封装，封装的内容包括DNP源和目的地址、点号范围、数据内容，形成DNP数据帧；

4)主站通信模块DNP传输帧通过实时处理程序，写入源IP和目的IP封装成UDP或者TCP数据包；

5)数据包发送和接收过程利用Socket，将封装好的UDP或者TCP数据包通过网络发送出去；

6)电力系统仿真器RTDS根据DNP数据包的功能码，执行对应点号的数据修改。

本发明电力系统EMS图形界面和RTDS仿真系统之间的通信机制实现方法所涉及的逻辑功能包括：DNP3数据对象的解析与封装、DNP及网络地址的配置、实时通信处理、数据包的发送与接受和用于外部程序调用本方法提供的接口。在上述逻辑功能中，核心是DNP3协议中4个数据对象及对应变体的解析和封装，实时通信处理和数据包发送与接收则实现与RTDS设备之间的数据交换，外部程序调用接口，则提供开放的。与本发明相关的功能模块组成及相互关系如图2所示。

其中DNP协议处理模块包括对于来自从站RTDS的DNP数据的读取和将主站的控制信息给经过通信网络回送从站RTDS。对于来自从站RTDS的DNP数据包括2种类型，一种是二进制输入，另一个是模拟量输入。协议解析过程完成的主要功能就是将从来自从站(RTDS)输出的数据包中解出对应的模拟或者二进制信息，如下图3所示。

该部分实现DNP data object数据对象的输入输出转换，DNP规约实现字模块，包括的内容为RTDS中关于DNP实现主站与从站之间通信的8个数据对象，包括二进制数据对象的读取，二进制数据对象的写入；模拟数据对象的读取和模拟数据对象的写入。由于在RTDS系统中对于通信方式的选择有TCP、UDP和TCP/UDP方式，可采取TCP/UDP方式配置，也就是默认的TCP形式。TCP/UDP在网络上传送TCP数据报文，提供连续的数据流。DNP建立EPA应用层的连接和数据封装，执行对等通信过程。读取的过程DNP解析应用层数据包，给出二进制或者模拟数据。写入过程则从应用层封装成TCP/UDP报文，并能为RTDS系统识别的data objects数据对象，以传送二进制或者模拟控制量给RTDS系统。连接管理则是建立主站和从站之间的握手过程，并管理TCP连接。主站和从站通过为DNP提供的端口20000发送和接受信息。

上述实时通信处理与数据包收发模块的功能就是完成主站PC机与从站GTNET卡之间的实时双向通信，可以分解为2个部分：主站通信模块的读取功能--对于从站(RTDS)实时数据包的读取，并处理DNP传输和链路从的握手通信；主站通信模块的写入功能--对来自主站的控制信息封装成DNP对象，通过TCP/UDP返回从站。

上述DNP及网络地址的配置对于DNP协议的封装，需要明确DNP源和目的地址，主站EMS界面提供DNP的目的地址。该部分配置DNP地址与网络地址的映射，为DNP地址与IP地址提供对应关系列表。当主站请求包括DNP目的地址时，本模块提供DNP目的地址所对应的IP地址，以便于DNP数据包和UDP/TCP数据包的封装。

上述外部程序调用接口为主站程序提供DNP3通信协议动态数据调用方法，开放外部调用接口，包括数据读取和写入功能。在调用接口中提供通信实现的开放函数，和需要传递的数据参数，外部程序通过开放函数所需要的DNP地址、读写功能标识、点号和数据执行操作。

上述数据处理流程根据RTDS对于数据操作，实现4类数据处理过程，分别包括二进制数据的读取、模拟量数据的读取、二进制数据的写入，模拟量数据的写入。

数据包收发处理实现来自LAN的网络数据包实时发送和接收，在接收过程中处理不同层次的报文，发送过程要考虑将应用层数据封装成TCP/UDP报文。DNP连接管理则是建立主站和从站之间的DNP通信握手，以进一步实现应用层模拟或者二进制数据的封装。DNP消息分类处理主要涉及对于RTDS所需要的数据对象的处理，包括模拟状态量、二进制状态量、模拟控制量和二进制控制量。本地数据保存则是为便于通信模块历史数据查询而设置的保存功能。

二进制数据和模拟量数据读取流程将从RTDS的通信端口输出的以UDP数据报形式封装的DNP数据解析出来，并将DNP数据中应用层有用数据(二进制输入对象Object 01，02和模拟输入对象Object30，32)转化成实值数据保存并显示。

二进制数据的写入将主站的数据修改到对仿真模型中的对应点上.数据的通信端口输出的以UDP数据报形式封装的DNP数据解析出来，并将DNP数据中应用层有用数据(二进制输入对象Object 10和12)封装成DNP3.0数据格式，然后按TCP/UDP协议进行数据打包，发送到RTDS通信接口。

模拟量数据的写入将用户数据对象(40，41模拟输出数据)封装成DNP3.0数据格式，然后按TCP/UDP协议进行数据打包，发送到RTDS通信接口。

Claims (10)

1.一种基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于电力系统主站(1)与电力系统仿真器RTDS之间通过主站通信模块DNP实现基于TCP/IP协议的LAN/WAN的数据通信。

2.根据权利要求1所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述电力系统主站(1)与电力系统仿真器RTDS之间的数据通信包括电力系统主站(1)和电力系统仿真器RTDS之间的数据写入与读取，完成的功能包括DNP协议处理和与电力系统仿真器RTDS的实时通信。

3.根据权利要求1所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述电力系统主站(1)与电力系统仿真器RTDS之间的数据通信所涉及的逻辑功能包括：DNP3数据对象的解析与封装、DNP及网络地址的配置、实时通信处理、数据包的发送与接受和外部程序调用接口。

4.根据权利要求3所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述DNP3数据对象的解析与封装包括对于来自电力系统仿真器RTDS的DNP数据的读取和将电力系统主站(1)的控制信息给经过通信网络回送电力系统仿真器RTDS。

5.根据权利要求3所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述实时通信处理与数据包收发模块的功能是完成电力系统主站(1)PC机与电力系统仿真器RTDS的GTNET卡之间的实时双向通信，其分解为2个部分：1)主站通信模块DNP的读取功能：对于电力系统仿真器RTDS实时数据包的读取，并处理DNP传输和链路从的握手通信；2)主站通信模块DNP的写入功能：对来自电力系统主站(1)的控制信息封装成DNP对象，通过TCP/UDP返回从站；上述数据包收发处理实现来自LAN的网络数据包实时发送和接收，在接收过程中处理不同层次的报文，发送过程要考虑将应用层数据封装成TCP/UDP报文；DNP连接管理则是建立电力系统主站(1)和电力系统仿真器RTDS之间的DNP通信握手，以进一步实现应用层模拟或者二进制数据的封装；DNP消息分类处理主要涉及对于电力系统仿真器RTDS所需要的数据对象的处理，包括模拟状态量、二进制状态量、模拟控制量和二进制控制量；本地数据保存则是为便于通信模块历史数据查询而设置的保存功能。

6.根据权利要求3所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述主站通信模块DNP及网络地址的配置对于DNP协议的封装，需要明确DNP源和目的地址，电力系统主站(1)EMS界面提供DNP的目的地址；该部分配置DNP地址与网络地址的映射，为DNP地址与IP地址提供对应关系列表；当主站请求包括DNP目的地址时，本模块提供DNP目的地址所对应的IP地址，以便于DNP数据包和UDP/TCP数据包的封装。

7.根据权利要求3所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述外部程序调用接口为电力系统主站(1)的程序提供主站通信模块DNP通信协议动态数据调用方法，开放外部调用接口，其包括数据读取和写入功能，在调用接口中提供通信实现的开放函数和需要传递的数据参数，外部程序通过开放函数所需要的DNP地址、读写功能标识、点号和数据执行操作。

8.根据权利要求3所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述来自电力系统仿真器RTDS的DNP数据包括2种类型，一种是二进制输入，另一个是模拟量输入，协议解析过程完成的主要功能就是将从来自电力系统仿真器RTDS输出的数据包中解出对应的模拟或者二进制信息；根据电力系统仿真器RTDS对于数据操作，实现4类数据处理过程，分别包括二进制数据的读取、模拟量数据的读取、二进制数据的写入，模拟量数据的写入；上述二进制数据和模拟量数据读取流程是将从电力系统仿真器RTDS的通信端口输出的以UDP数据报形式封装的DNP数据解析出来，并将DNP数据中应用层有用数据转化成实值数据保存并显示；上述二进制数据的写入是将主站的数据修改到对仿真模型中的对应点上；数据的通信端口输出的以UDP数据报形式封装的DNP数据解析出来，并将DNP数据中应用层有用数据封装成DNP3.0数据格式，然后按TCP/UDP协议进行数据打包，发送到RTDS通信接口；上述模拟量数据的写入是将用户数据对象封装成DNP3.0数据格式，然后按TCP/UDP协议进行数据打包，发送到RTDS通信接口.

9.根据权利要求8所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述主站通信模块DNP从电力系统仿真器RTDS读取数据为输入过程，其步骤为：

1)首先，外部接口接收来自电力系统主站(1)的图形界面的读取请求，并将数据请求发送给主站通信模块DNP的数据对象解析和封装模块；

2)数据对象解析和封装模块根据请求的电力系统仿真器RTDS中的DNP地址取得网络IP地址，并根据点号、DNP目的地址、目的地址封装形成DNP数据帧；

3)主站通信模块DNP传输帧通过实时处理程序，写入源IP和目的IP封装成UDP或者TCP数据包；

4)数据包发送和接收过程则利用Socket，将封装好的UDP或者TCP数据包通过网络发送出去；

5)数据包发送和接收过程进入侦听状态，等待RTDS返回信息；

6)如果数据包发送和接收过程侦听到电力系统仿真器RTDS返回的请求数据，则将接收到的数据通过实时处理程序取出DNP传输数据包，交给数据对象解析和封装模块；

7)主站通信模块DNP中的数据对象解析和封装模块去掉传输层报头，取得应用层数据，并根据相关数据对象格式，解析出对应点号和该点的数据；

8)外部程序调用接口将读取的点号和该点的数据返回给电力系统主站(1)的图形界面作为显示。

10.根据权利要求8所述的基于DNP协议的电力系统仿真器与电力系统的在线通讯方法，其特征在于上述主站通信模块DNP将数据写入到电力系统仿真器RTDS为输出过程，其步骤为：

1)首先，外部接口接收来自电力系统主站(1)图形界面的写入请求，该请求包括写入的点号、对应的数据、写入DNP地址；

2)主站通信模块DNP中的数据对象解析和封装模块收到来自外部程序接口的写请求，根据写入到电力系统仿真器RTDS的数据类型创建相应的数据对象；

3)然后对写入的数据进行DNP数据格式封装，封装的内容包括DNP源和目的地址、点号范围、数据内容，形成DNP数据帧；

4)主站通信模块DNP传输帧通过实时处理程序，写入源IP和目的IP封装成UDP或者TCP数据包；

5)数据包发送和接收过程利用Socket，将封装好的UDP或者TCP数据包通过网络发送出去；

6)电力系统仿真器RTDS根据DNP数据包的功能码，执行对应点号的数据修改。

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