CN111865715A

CN111865715A - 一种网闸适配模块和数据传输系统

Info

Publication number: CN111865715A
Application number: CN202010586907.6A
Authority: CN
Inventors: 张飞; 宋坤; 黄刘松; 周明琴; 王永文; 刘广; 王照阳; 经正俊; 刘川; 王腾
Original assignee: Nanjing Huadun Power Information Security Evaluation Co Ltd
Current assignee: Nanjing Nanzi Huadun Digital Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2040-06-24
Also published as: CN111865715B

Abstract

本发明公开一种适用于电力Ⅰ区生产控制大区和管理信息大区信息交互的的网闸适配模块和数据传输系统，数据传输系统包括控制转发中心、采集客户端、隔离网闸以及网闸适配模块；网闸适配模块包括上层适配单元和下层适配单元；控制转发中心通过一通信适配模块基于TCP协议与网闸适配模块中的上层适配单元，和/或采集客户端连接通信；采集客户端基于TCP协议与网闸适配模块中的下层适配单元连接通信；控制转发中心存储有分别对应各采集控制端和各网闸适配模块的通信地址。本发明网闸适配模块在应用时能够基于TCP协议分别与上层控制转发中心软件和下层采集客户端软件进行数据交互，屏蔽了正反向网闸的通信方式，实现了上下层程序的松耦合，提供了统一的TCP通信交互方式。

Description

一种网闸适配模块和数据传输系统

技术领域

本发明涉及电力电网集中控制技术领域，特别是一种适用于电力Ⅰ区生产控制大区与管理信息大区信息交互的网闸适配模块和数据传输系统。

背景技术

在跨平台新能源集控平台建设中，根据“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的原则，一般将平台建设划分为四个区域，分别为安全Ⅰ区、安全Ⅱ区、安全Ⅲ区与安全Ⅳ区。其中安全Ⅰ区与安全Ⅱ区为双网双链路架构，在集控中心侧实现实时监控与故障告警、生产数据存储功能，在场站侧完成各监控系统数据接入工作。

根据建设需求电力Ⅰ区采用正反向隔离装置，实现数据单向传输。其中场站侧到集控侧之间数据传输采用正向隔离，主要作为风机、升压站等生产控制区数据上送通道，集控侧到场站侧之间采用反向隔离装置，主要作为风机、升压站等设备下送控制指令。

鉴于正反向隔离装置分布在场站测和集控侧的软件之间，无法通过简单的TCP、UDP等协议实现信息的上送和下达。且在集控建设中，场站测和集控侧之间可能存在上下两道正向隔离装置和反向隔离装置，即控制指令的下送和上达不仅分别走反向网闸和正向网闸，还需要经过上下两道这样的隔离设置，采购成本较高。同时，集控建设过程中，由于很多软件产品已经趋于成熟，但依据变化的隔离架构，或多或少需要对软件进行改造，改造后的软件对各种应用场景的普适性不高，人力维护成本较大。

名词解释

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。

ECELL，电力信息采集控制指令转发软件，现有成熟软件。

Kafka，是分布式发布-订阅消息系统，它最初由LinkedIn公司开发，之后成为Apache项目的一部分。Kafka是一个分布式的，可划分的，冗余备份的持久性的日志服务。它主要用于处理活跃的流式数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于电力Ⅰ区生产控制大区与管理信息大区之间信息交互的网闸适配模块和数据传输系统，结合市面上主流正反向网闸的通信原理，屏蔽控制转发中心与采集客户端上下层软件在正反向网闸的应用场景下的差异性，实现控制指令的下发、指令反馈的上送，以及其他生产数据的上送。

本发明采用的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种网闸适配模块，包括上层适配单元和下层适配单元；上层适配单元与下层适配单元之间通过隔离网闸传输数据；隔离网闸包括正向网闸和反向网闸；

上层适配单元包括TCP客户端子模块、TCP服务端子模块和反向网闸客户端子模块；下层适配单元包括TCP服务端子模块、TCP客户端子模块和反向网闸服务端子模块；

上层适配单元的TCP客户端子模块基于TCP协议接收控制转发中心下发的控制指令信息；反向网闸客户端获取所述控制指令信息，并基于反向网闸通信协议，将控制指令信息经反向网闸传输至下层适配单元的反向网闸服务端；下层适配单元的TCP服务端子模块获取控制指令信息，并基于TCP协议将控制指令信息传输至采集客户端；

下层适配单元的TCP服务端子模块基于TCP协议接收采集客户端上送的控制指令返回信息或生产数据信息；下层适配单元的TCP客户端子模块获取相应信息，并基于正向网闸通信协议，将信息经正向网闸传输至上层适配单元的TCP服务端子模块；上层适配单元的TCP客户端子模块获取相应信息，并基于TCP协议传输至控制转发中心。

可选的，上层适配单元和下层适配单元还分别均包括正向信息缓存以及反向信息缓存；正向信息缓存用于以队列形式暂存采集客户端上送至控制转发中心的信息，反向信息缓存用于以队列形式暂存控制转发中心下发至采集客户端的信息。

以上方案设计，网闸适配模块在应用时能够基于TCP协议分别与上层控制转发中心软件和下层采集客户端软件进行数据交互，屏蔽了正反向网闸的通信方式，实现了上下层程序的松耦合，提供了统一的TCP通信交互方式。

第二方面，本发明提供一种第一方面所述网闸适配模块的通信方法，包括：

上层适配单元启动TCP服务端子模块，等待连接；

下层适配单元启动TCP客户端子模块，经正向网闸向上层适配单元的TCP服务端子模块发送连接请求；

上层适配单元的TCP服务端子模块响应于连接请求，与下层适配单元的TCP客户端子模块之间建立通信连接；

下层适配单元的TCP客户端子模块，以设定的时间间隔向已建立通信连接的上层适配单元中TCP服务端子模块发送心跳检测报文；

上层适配单元的TCP服务端子模块响应于在预设超时时间内接收到心跳检测报文，检测TCP客户端子模块与控制转发中心中通信适配模块的通信连接状态：若连接正常，则通过正向网闸向下层适配单元的TCP客户端子模块回复心跳确认帧；若连接断开，则重新创建与控制转发中心中通信适配模块之间的通信连接，直至连接成功后，则通过正向网闸向下层适配单元的TCP客户端子模块回复心跳确认帧；上层适配单元的TCP服务端子模块响应于在预设超时时间内未接收到心跳检测报文，则断开与下层适配单元中TCP客户端子模块之间的通信连接；

下层适配单元的TCP客户端子模块响应于设定延时内接收到心跳确认帧，则检测TCP服务端子模块状态，若状态为未创建，则创建TCP服务端子模块；若设定延时内未接受到心跳确认帧，则销毁已创建的TCP服务端子模块。

心跳检测报文可为4个字节，如：0X10 0X04 0X2A 0X16，利用正向网闸可反向传输一字节的特性，心跳确认帧设置为1个字节，如0X00。

以上方案设计利用心跳检测报文以及心跳确认帧报文模拟出网闸两端的通信状态以及网络状态，并通过自动创建和端口TCP服务端和客户端对网闸上下层程序模拟出网络状态，能够实现对网闸间网络链路和通信状态的检测，支持将链路状态模拟出通信中断或网络中断的状态，告知给上下层程序。

第三方面，本发明提供一种适用于生产控制大区与管理信息大区之间信息交互的数据传输系统，包括控制转发中心、采集客户端以及设置于控制转发中心与采集客户端之间的隔离网闸；隔离网闸包括正向网闸和反向网闸；

还包括网闸适配模块，网闸适配模块包括上层适配单元和下层适配单元；上层适配单元与下层适配单元之间通过隔离网闸传输数据；

控制转发中心通过一通信适配模块基于TCP协议与网闸适配模块中的上层适配单元，和/或采集客户端连接通信；采集客户端基于TCP协议与网闸适配模块中的下层适配单元连接通信；

控制转发中心存储有分别对应各采集控制端和各网闸适配模块的通信地址。

可选的，所述上层适配单元包括TCP客户端子模块、TCP服务端子模块和反向网闸客户端子模块；下层适配单元包括TCP服务端子模块、TCP客户端子模块和反向网闸服务端子模块；

控制转发中心的通信适配模块基于TCP协议，向上层适配单元的TCP客户端子模块传输控制指令信息；反向网闸客户端获取所述控制指令信息，并基于反向网闸通信协议，将控制指令信息经反向网闸传输至下层适配单元的反向网闸服务端；下层适配单元的TCP服务端子模块获取控制指令信息，并基于TCP协议将控制指令信息传输至采集客户端；

采集客户端基于TCP协议，向下层适配单元的TCP服务端子模块传输控制指令返回信息或生产数据信息；下层适配单元的TCP客户端子模块获取相应信息，并基于正向网闸通信协议，将信息经正向网闸传输至上层适配单元的TCP服务端子模块；上层适配单元的TCP客户端子模块获取相应信息，并基于TCP协议传输至控制转发中心。

可选的，所述控制转发中心通过Kafka总线与SCADA系统通信；

控制转发中心包括Kafka消费者模块和Kafka生产者模块，控制转发中心通过Kafka消费者模块与SCADA系统交互以订阅Topic，控制转发中心通过Kafka生产者模块将采集客户端反馈的信息发送给SCADA系统。

通过Kafka总线实现通信交互的方案，可屏蔽交互双方不同程序的差异性。

可选的，控制转发中心的通信适配模块以设定的时间间隔，向已通信连接的采集客户端、网闸适配模块的上层适配单元，发送心跳检测信号；

采集客户端、上层适配单元响应于心跳检测信号向控制转发中心返回心跳报文；

控制转发中心的通信适配模块响应于设定延时内未收到心跳报文，则断开与相应采集客户端或网闸适配模块的通信连接。

可选的，网闸适配模块中，下层适配单元的TCP客户端子模块，以设定的时间间隔向已建立通信连接的上层适配单元中TCP服务端子模块发送心跳检测报文；

上层适配单元的TCP服务端子模块响应于在预设超时时间内接收到心跳检测报文，检测TCP客户端子模块与控制转发中心中通信适配模块的通信连接状态：若连接正常，则通过正向网闸向下层适配单元的TCP客户端子模块回复心跳确认帧；若连接断开，则重新创建与控制转发中心中通信适配模块之间的通信连接，直至连接成功后，则通过正向网闸向下层适配单元的TCP客户端子模块回复心跳确认帧；上层适配单元的TCP服务端子模块响应于在预设超时时间内未接收到心跳检测报文，则断开与下层适配单元中TCP客户端子模块之间的通信连接。

心跳检测报文可为4个字节，如：0X10 0X04 0X2A 0X16，心跳确认帧为1个字节，如0X00。

本发明中采集客户端采用现有的电力信息采集控制指令转发软件ECELL实现，采集客户端的数量为多个，对应各采集客户端分别设置一网闸适配模块。

本发明的系统还包括与实时数据库通信的数据管理ECELL模块，数据管理ECELL模块与网闸适配模块和采集客户端的信息交互方式参考控制转发中心。

ECELL软件模块针对发电企业的安全分区管理要求，从保证系统安全的角度，要实现数据的跨区采集和集成，可用于实现对电力一区监控系统的时序数据、二区准实时数据以及三区相关实时数据的采集。可实现面对发电企业复杂的设备的流动情况，对各种生产实时系统，支持各种时间复杂度的数据采集，包括对于采用国内标准电力规约（IEC60870系列）的时序数据、来自电厂DCS、NCS、ECS、辅控等系统的实时数据。

本发明的系统，针对控制转发中心与采集客户端之间的双网络环境，通过通信适配模块与采集客户端和网闸适配模块分别基于TCP协议连接通信，实现了不经正反向隔离网闸的链路，以及经正反向隔离网闸的链路，两条通信通道。网站适配模块实现了对正反向网闸适配程序的封装，如一根网线一般，对控制转发中心上层和采集客户端下层程序进行松耦合，提供了统一的TCP通信方式进行交互。

有益效果

本发明网闸适配模块对外采用TCP协议，面向网闸上层控制转发中心程序模拟出TCP的客户端，相当于控制转发中心直接与下层程序相连，面向网闸下层采集控制端程序模拟出TCP的服务端，相当于采集客户端直接与上层程序通信，即实现了上下层程序与正反向网闸设备的松耦合，能够实现与上下层软件的无缝连接。利用本发明，场站侧、集控侧两侧部署的软件无需对正反向隔离装置进行改造，可直接通过网闸适配模块进行控制指令的下发、指令反馈以及其他生产数据的上送。本发明亦可推广到电力安全Ⅰ/II区间数据传输。

附图说明

图1所示为本发明电力I区生产控制大区与管理信息大区之间的数据传输总架构；

图2所示为本发明一种实施例的数据传输系统架构示意图；

图3所示为网闸适配模块原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

本发明的技术构思为：通过设置网闸适配模块并封装正反向网闸通信机制，屏蔽正反向网闸的通信方式。封装的正反向网闸适配程序如一根网线一般，对上下层程序进行松耦合，提供统一的TCP通信方式进行交互，从而屏蔽控制转发中心与采集客户端上下层软件之间应用场景的差异性。

实施例1

本实施例介绍一种适用于电力I区生产控制大区与管理信息大区之间信息交互的网闸适配模块，参考图3所示，包括上层适配单元和下层适配单元；上层适配单元与下层适配单元之间通过隔离网闸传输数据；隔离网闸包括正向网闸和反向网闸；

上层适配单元和下层适配单元还分别均包括正向信息缓存以及反向信息缓存；正向信息缓存用于以队列形式暂存采集客户端上送至控制转发中心的信息，反向信息缓存用于以队列形式暂存控制转发中心下发至采集客户端的信息。

实施例1-1

在实施例1的基础上，上层适配单元还用于与连接实时数据库的ECELL软件的数据交互。该ECELL软件用于将采集的数据更新至实时数据库。

网闸适配模块的组成主要包括：

1）上层适配单元

上层适配单元包括TCP客户端子模块（TCP Client）、TCP服务端子模块（TCP Server）、反向网闸客户端、正向信息缓存队列以及反向信息缓存队列。其中TCP客户端子模块主要与上层程序相连，如图所示，为ECELL和控制转发中心程序；TCP服务端子模块主要用于接收穿越正向网闸过来的信息（主要为控制指令的反馈信息和电力数据信息）；反向网闸客户端主要基于反向网闸通信规则，将上层程序下发控制指令发送到反向网闸另一端，即采集客户端；正向信息缓存队列以及反向信息缓存队列主要用于暂存上送下达的信息。

2）下层适配单元

下层适配单元包括TCP服务端子模块、TCP客户端子模块、反向网闸服务端、正向信息缓存队列以及反向信息缓存队列。其中TCP服务端子模块主要用于接收下层程序上送/反馈的信息，如图所示，为采集客户端ECELL程序；TCP客户端子模块主要基于正向网闸通信规则，将信息发送给正向网闸另一端；反向网闸服务端用于接收反向网闸客户端发送过来的控制指令；正向信息缓存队列以及反向信息缓存队列主要用于暂存上送下达的信息。

实施例2

对于实施例1或实施例1-1中的网闸适配模块，其通信方法包括：

上层适配单元启动TCP服务端子模块，等待连接；

上下层适配单元中反向网闸客户端和服务端可根据需要配置是否启用，如果不启动，则网闸适配模块不会进行控制指令的下达，启动状态下则会将接收的控制指令下达。

本实施例方案设计利用心跳检测报文以及心跳确认帧报文模拟出网闸两端的通信状态以及网络状态，并通过自动创建和端口TCP服务端和客户端对网闸上下层程序模拟出网络状态，能够实现对网闸间网络链路和通信状态的检测，支持将链路状态模拟出通信中断或网络中断的状态，告知给上下层程序。

实施例3

常规的电力Ⅰ区数据传输架构中，在数据传输过程中，分为两种情况，一种是存在正反向隔离装置的传输通道，一种是没有网闸装置的传输通道。要实现与市场上多种网闸产品的兼容，在集控建设过程中，或多或少需要对已有的成熟软件进行改造，且改造后的软件也无法应用于多种场景，人力维护成本较大。

与实施例1和2基于相同的发明构思，本实施例介绍一种适用于电力I区生产控制大区与管理信息大区之间信息交互的数据传输系统，如图1所示，控制指令都是通过控制转发中心进行上送下达，经过正反向隔离装置的链路，在上层和下层都存在网闸适配程序，用于封装正反向隔离装置，实现上下层程序无缝通信，如同没有网闸装置的线路。

参考图2所示，本实施例数据传输系统包括控制转发中心、采集客户端以及设置于控制转发中心与采集客户端之间的隔离网闸；隔离网闸包括正向网闸和反向网闸；

控制转发中心存储有分别对应各采集控制端和各网闸适配模块的通信地址，参考图2，即，一个采集客户端对应两个地址可适应双网络环境（不经正反向隔离网闸的链路、经正反向隔离网闸的链路两种情况），控制转发中心对于同一下层程序（ECELL）客户端，支持下层程序（ECELL）客户端地址以及屏蔽网闸的网闸适配器地址两个通道。另外还能够支持，如果主地址链路畅通，则主动断开从地址，并不接受从地址连接，主地址心跳不通过，接收从地址连接，提高系统通信的可靠性和安全性。

本实施例中，控制转发中心通过Kafka总线与SCADA系统通信；

控制转发中心包括Kafka消费者模块和Kafka生产者模块，控制转发中心通过Kafka消费者模块与SCADA系统交互以订阅Topic，控制转发中心通过Kafka生产者模块将采集客户端反馈的信息发送给SCADA系统。通过Kafka总线实现通信交互的方案，可屏蔽交互双方不同程序的差异性。

控制转发中心的通信适配模块以设定的时间间隔，向已通信连接的采集客户端、网闸适配模块的上层适配单元，发送心跳检测信号；

结合图3所示，参考实施例1和实施例2，上层适配单元包括TCP客户端子模块、TCP服务端子模块和反向网闸客户端子模块；下层适配单元包括TCP服务端子模块、TCP客户端子模块和反向网闸服务端子模块；

,上层适配单元和下层适配单元还分别均包括正向信息缓存以及反向信息缓存；正向信息缓存用于以队列形式暂存采集客户端上送至控制转发中心的信息，反向信息缓存用于以队列形式暂存控制转发中心下发至采集客户端的信息。

网闸适配模块中，下层适配单元的TCP客户端子模块，以设定的时间间隔向已建立通信连接的上层适配单元中TCP服务端子模块发送心跳检测报文；

本发明面向正反向隔离设备的电力安全一区提供了一种能够提高集控系统开发效率，改善网闸产品对应用环境适用性的数据传输系统和方法，其中所涉及的软件可采用Java语言开发，支持Windows系统以及各Linux版本和国产系统，如麒麟、凝思等。具体能够带来以下效果和进步：

网闸适配模块采用心跳检测功能，能够利用心跳报文以及心跳反馈报文模拟出网闸两端的通信状态以及网络状态，并通过自动创建和端口TCP服务端和客户端对网闸上下层程序模拟出网络状态；

网闸适配模块对外采用TCP协议，对网闸上层程序模拟出TCP的客户端，相当于直接与下层程序相连，对网闸下层程序模拟出TCP的服务端，相当于直接与上层程序通信，实现上下层程序与正反向网闸设备的松耦合；

本发明依据传统控制指令建设方案，将控制指令单独抽离，形成控制指令的统一上送下达，并支持双网络通信、故障切换功能，解决单通道网络故障等问题。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种网闸适配模块，其特征是，包括上层适配单元和下层适配单元；上层适配单元与下层适配单元之间通过隔离网闸传输数据；隔离网闸包括正向网闸和反向网闸；

2.根据权利要求1所述的网闸适配模块，其特征是，上层适配单元和下层适配单元还分别均包括正向信息缓存以及反向信息缓存；正向信息缓存用于以队列形式暂存采集客户端上送至控制转发中心的信息，反向信息缓存用于以队列形式暂存控制转发中心下发至采集客户端的信息。

3.一种权利要求1或2所述网闸适配模块的通信方法，其特征是，包括：

上层适配单元启动TCP服务端子模块，等待连接；

4.一种适用于生产控制大区与管理信息大区之间信息交互的数据传输系统，包括控制转发中心、采集客户端以及设置于控制转发中心与采集客户端之间的隔离网闸；隔离网闸包括正向网闸和反向网闸；其特征是：

5.根据权利要求4所述的数据传输系统，其特征是，所述上层适配单元包括TCP客户端子模块、TCP服务端子模块和反向网闸客户端子模块；下层适配单元包括TCP服务端子模块、TCP客户端子模块和反向网闸服务端子模块；

6.根据权利要求4所述的数据传输系统，其特征是，上层适配单元和下层适配单元还分别均包括正向信息缓存以及反向信息缓存；正向信息缓存用于以队列形式暂存采集客户端上送至控制转发中心的信息，反向信息缓存用于以队列形式暂存控制转发中心下发至采集客户端的信息。

7.根据权利要求4所述的数据传输系统，其特征是，所述控制转发中心通过Kafka总线与SCADA系统通信；

8.根据权利要求4所述的数据传输系统，其特征是，控制转发中心的通信适配模块以设定的时间间隔，向已通信连接的采集客户端、网闸适配模块的上层适配单元，发送心跳检测信号；

9.根据权利要求4所述的数据传输系统，其特征是，网闸适配模块中，下层适配单元的TCP客户端子模块，以设定的时间间隔向已建立通信连接的上层适配单元中TCP服务端子模块发送心跳检测报文；

10.根据权利要求4所述的数据传输系统，其特征是，采集客户端采用电力信息采集控制指令转发软件ECELL实现，采集客户端的数量为多个，对应各采集客户端分别设置一网闸适配模块。