CN113890830B - 一种iec104主站模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IEC104主站模拟系统，包括报文接收模块、报文解析模块、报文模拟发送模块、通信模块和报文存储模块，报文接收模块通过通信模块接收远动机上送的IEC104报文，用相应的数据结构对报文分类存储，并能将报文送至报文解析模块进行报文解析或保存于报文存储库；报文解析模块对报文进行分类解析，并将将解析的报文中的信息值与变电站点表对应，传入报文存储库，产生主站对点表；报文模拟发送模块：构造对时、总召、遥控、遥调的IEC104报文并控制报文的发送过程；通信模块与远动机建立TCP/IP连接，实现4报文的接收和发送。本发明具备104客户端功能，能够接受并解析数据网关机、间隔层设备上送的遥测、遥信报文，以及发送遥控命令，并同时记录测试过程。

Description

一种IEC104主站模拟系统
技术领域
本发明涉及IEC104主站模拟系统技术领域，具体涉及一种IEC104主站模拟系统。
背景技术
变电站在现场调试环节一般不必再验证二次装置逻揖、通信等功能问题，而将重点放在施工正确性的验证上，采取模拟的方式进行验证，调试人员在现场设备施加电气模拟量和开关量检查监控系统人机界面反应为主要手段，验证监控及远动系统的正确性，此方法可同时检査电气二次回路接线的正确性、光纤连接和交换机配置的正确性以及人机界面制作的正确性。
随着变电站一、二次设备智能化技术的发展，变电站监控及远动系统信号数量急剧上升。经统计一个500kV的变电站有数万个信号，信号更加细致和全面，在为分析诊断电网和设备故障提供便利的同时，也带来了信号维护工作量的成倍增长。
变电站监控系统的现场对点以及主厂站之间的远动信息联调需要现场人员、监控人员与调度人员相互配合完成。一般是现场人员对监控的量测逐一施加模拟量或者触发状态量，监控人员予以监视现场确认，并与调度人员远方确认后再进行下一个。对点调试在现场调试环节占用了较大的人力、物力和工时。据调研，变电站对点工作量占整体调试工作的30％左右，主厂站对点一般要耗时3～6星期，操作人员劳动强度大，调试效率低。此外人工验收核对带来的信息遗漏、信息错误的风险，难以保证监控系统信号的一致性和准确性，影响了对点调试质量。
采用IEC104主站模拟进行数据传送时，目前并没有现存的技术有记载。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种IEC104主站模拟系统，具备104客户端功能，能够接受并解析数据网关机、间隔层设备上送的遥测、遥信报文，以及发送遥控命令，并同时记录测试过程，以解决现有技术中存在的技术问题。
本发明采取的技术方案为：一种IEC104主站模拟系统，包括报文接收模块、报文解析模块、报文模拟发送模块、通信模块、报文存储模块和人机交互界面；
报文接收模块：通过通信模块接收远动机上送的IEC104报文，并用相应的数据结构对报文分类存储，并能将IEC104报文送至报文解析模块进行报文解析，或将原始报文保存于IEC104报文存储库中；
报文解析模块：对IEC104报文进行分类解析，通过人机交互界面显示出原始报文和对于每一原始报文每一字节代表的报文含义，最终能将解析的IEC104报文中的信息值与变电站点表对应，传入IEC104报文存储库，产生主站对点表；
报文模拟发送模块：构造对时、总召、遥控、遥调的IEC104报文并控制报文的发送过程；
报文存储模块：对原始IEC104报文、解析后的IEC104报文进行实时存储，按照历史报文的类型和时间方式进行分类、查找、比较、分析，并能产生主站对点表；
通信模块：与远动机建立TCP/IP连接，实现IEC104报文的接收和发送；
人机交互界面：提供人机交互界面，对各个模块功能的集中展示，测试人员能够通过交互界面，读取收发的报文信息，以及报文解析的内容，通过调用IEC104存储库查找历史报文。
报文接收模块采用模拟IEC104主站报文接收的方式实现，其实现方法为：模拟IEC104主站作为客户端，远动机作为服务器进行网络通信，实现模拟IEC104主站与远动机之间的IEC104报文的接收和发送；依托QT平台实现网络编程，QT提供了QTCPSocket和QTCPServer两个类，分别用于实现TCP的客户端和服务器端；模拟IEC104主站作为客户端进行网络通信实现过程如下：首先，使用QTCPSocket类创建相应的实例对象；其次，进行网络端口和IP地址配置，IEC104规定的端口号为2404；调用QTCPSocket类对象调用connectToHost()函数连接服务器；Connect()函数将信号与槽关联；最后QTCPSocket类对象调用closeConnection()函数关闭TCP连接；TCP连接成功，QTCPSocket对象发出conneted()信号；若连接失败，QTCPSocket对象发出error()信号；客户端接收到数据时，QTCPSocket对象发出readyRead()信号；当连接过程中出现错误时，QTCPSocket对象发出disconnected()信号，成功后，connected/error信号对应的槽函数中添加相应的功能，实现TCP连接；
客户端与服务器连接成功后，当接收到数据时自定义槽函数onTcpReady()收到QTCPSocket对象发出的readyRead()信号，在onTcpReady()函数中调用QIODevice类的write()，read()函数与服务器进行读写数据，读写数据采用数据类型为quint64。
IEC104报文解析模块的实现方法为：首先，当IEC104模拟主站作为客户端接收到远动机上送的IEC104报文时，readyReady()信号发出，自定义的槽onTcpReady()接收信号；此时在函数onTcpReady()中将远动机上送IEC104报文存入自定义的结构体IEC_APDU中；然后，针对IEC104对应的不同格式帧进行分类，对不同的格式帧调用不同的解析函数，最终完成解析。
IEC104报文中U帧、S帧格式和I帧格式的数据单元在设计结构体IEC_APDU对IEC104报文进行存储时，采用了联合体的思想，使得不同类型的数据帧都能被存储入结构体中，即通过对报文报头，APDU长度过滤除IEC104外的其他数据帧，将IEC104数据帧存储于结构体IEC_APDU中，具体方法为：TCP连接成功后定义结构体IEC_APDU对象，利用QTcpSocket中read()函数将IEC104数据帧，逐一存入IEC_APDU中，首先将报文头存入APDU.start中判断是否0x68，如果是继续报文第二字节存入APDU，如果不是则返回进行继续新一轮的读取报文，报文第二个字节存入APDU.Length中，判断长度是否小于4，若小于4则返回继续新一轮报报文读取，否则IEC104报文剩余数据帧读入IEC_APDU中。
针对I帧的ASDU的信息体结构和内容，在报文解析实现过程中，对不同类型的ASDU的信息元素通过不同的结构体对其分别定义，如单点信息的信息元素用结构体IEC_TYPE1定义、双点遥信的信息元素用IEC_TYPE3定义、步位信息的信息元素用IEC_TYPE5定义；定义的IEC104报文存储结构体IEC_APDU中的变量start、length、NS、NR按照APDU中APCI的组成顺序依次对应报头、ASDU长度、发序、收序；IEC_APDU中的数据类型IEC_ASDU为本发明定义的ASDU数据单元标识部分；IEC_APDU的联合体SQL部分对应I帧ASDU的信息体部分；结构体IEC_APDU根据不同存储变量进行动态的分配内存，在对不同类型的ASDU进行存储时，其信息体能分别存入对应的结构体中，具体为：对离散型单点遥信、连续型单点遥信分别进行解析；离散型的单点遥信SQ＝0存储时，离散型单点遥信每个信息体由一个信息地址和信息内容组成，在调用IEC_APDU结构对其进行存储时，联合体根据实际进行内存分配，此时联合体实际上使用结构体数组nsq1[]对每一个离散型的信息体进行存储，每一个nsq1[]的数组元素包含高地址位ioa16、低地址位ioa16、iec_type1类型变量obj，分别对应一个离散单点遥信信息体的信息体地址、信息元素；连续型的单点遥信SQ＝1存储时，联合体根据实际进行内存分配，此时联合体实际使用结构体sq1对连续的信息体进行存储；结构体sq1的ioa16、ioa8对应连续单点信息第一个信息体的信息地址，iec_type1类型的数组obj[]对应存储连续信息体的N个信息元素。
U、S帧的解析过程为：首先判断控制域第一位IEC_APDU->NS的值，当模拟主站接收到的报文为请求启动帧和测试帧时，输出解析的报文信息，再向子站发送确认请求帧和链路确认帧进行确认，最后结束报文解析，当模拟主站接收到的报文不是请求启动帧和测试帧时，输出解析的报文信息，结束该报文的解析。
I帧的解析过程是将I帧APDU依次存储对应的数据结构IEC_APDU中，再对其进行逐一解析，具体流程为：首先，解析APCI中报文的传输序号；接着，解析IEC_APDU中的结构体IEC_ASDU_TYPE，IEC_ASDU_TYPE中存储了I帧ASDU头信息，将类型、可变结构、传输原因、公共信息体地址依次解析；最后，判断通过SQ判断信息体类型，分别读取信息体地址；解析出根据不同的数据结构对应不同类型的信息体，解析出具体的信息内容。
报文存储模块采用IEC104报文存储库，IEC104报文存储库能对报文接收模块获取的原始报文进行实时存储，对解析后的IEC104报文进行分类存储，具体存储方法为：首先将数据库表结构抽象为实体类MESSAGE，然后再构造一个Map容器，该容器的KEY为数据库表结构中的CreateDate，VALUE则为该实体类MESSAGE对象，根据每一条记录的CreateDate都不相同的原理，该Map容器会完整的记录每一条数据；对于关系型数据库SQL Server的数据存储操作，使用ADO(ActiveX Data Object)访问关系型或者非关系型数据库中数据的API，即在本系统中，通过建立实体类MESSAGE与关系型数据库数据表的一一对应关系，再利用ADO的相关API，将内存数据库中的每条数据记录进行完整的保存，该操作过程主要分为4个步骤：添加对ADO的支持、创建一个数据源连接、对数据源中的数据库进行操作、关闭数据源。
报文模拟发送模块的实现方法为：当调度主站与远动子站建立网络连接后，调度主站对子站发送U格式的链路启动命令，随后主站向子站发送总召唤命令，对子站的遥测、遥信量发起总召，同时主站还通过下发对时命令对主站与子站进行对时，及向子站发送遥控命令、遥调命令；其中，发送U帧启动命令方法为：当TCP连接成功后，人机交互界面将对其进行显示，并弹出TCP连接成功对话框，此时，软件操作人员通过人机交互界面，点击发送U帧启动命令，IEC104报文模拟发送模块产生启动U帧，其第一位控制域设为0x07，启动主站与子站的报文传输，操作人员根据界面上提示的是否收到子站的启动命令确认帧，判断是否启动成功；发送总召唤命令方法为：模拟IEC104主站发送的启动命令成功后，人机交互界面弹出相应的报文解析模块，提醒启动成功，此时操作人员通过报文模拟发送模块产生总召唤命令报文进行发送，直到子站发送的接收到总召唤确认命名，产生的总召命令I帧报文，其ASDU的类型标识、传输原因分别设为0x64、0x07。模拟主站发送的总召命令至远动机，待模拟主站收到远动机的总召命令的确认报文。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明具备104客户端功能，能够接受并解析数据网关机、间隔层设备上送的遥测、遥信报文，以及发送遥控命令，并同时记录测试过程。
附图说明
图1是IEC104主站模拟系统功能模块图；
图2是APDU结构图；
图3是U帧控制域格式图；
图4是I帧控制域格式图；
图5是S帧报文控制域示意图；
图6是I帧ASDU结构图；
图7是IEC104报文存入结构体IEC_APDU过程的流程图；
图8是U/S帧解析过程图；
图9是I帧解析过程图；
图10是U帧启动命令图；
图11是I帧总召命令图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-11所示，一种IEC104主站模拟系统，一种IEC104主站模拟系统，包括报文接收模块、报文解析模块、报文模拟发送模块、通信模块、报文存储模块和人机交互界面；
报文接收模块：通过通信模块接收远动机上送的IEC104报文，并用相应的数据结构对报文分类存储，并能将IEC104报文送至报文解析模块进行报文解析，或将原始报文保存于IEC104报文存储库中；
报文解析模块：对IEC104报文进行分类解析，通过人机交互界面显示出原始报文和对于每一原始报文每一字节代表的报文含义，最终能将解析的IEC104报文中的信息值与变电站点表对应，传入IEC104报文存储库，产生主站对点表；
报文模拟发送模块：构造对时、总召、遥控、遥调的IEC104报文并控制报文的发送过程；
报文存储模块：对原始IEC104报文、解析后的IEC104报文进行实时存储，按照历史报文的类型和时间方式进行分类、查找、比较、分析，并能产生主站对点表；
通信模块：与远动机建立TCP/IP连接，实现IEC104报文的接收和发送；
人机交互界面：提供人机交互界面，对各个模块功能的集中展示，测试人员能够通过交互界面，读取收发的报文信息，以及报文解析的内容，通过调用IEC104存储库查找历史报文。
模拟IEC104主站报文接收模块实现方法如下：
根据IEC60870-5-104规定，调度主站与远动机之间通信分为双方对等通信和主从方式通信两种方式。本发明设计的模拟IEC104主站作为客户端，远动机作为服务器进行网络通信，实现了模拟IEC104主站与远动机之间的IEC104报文的接收和发送。
本发明依托QT平台实现网络编程，QT提供了QTCPSocket和QTCPServer两个类。分别用于实现TCP的客户端和服务器端。其中QTCPSocket和QTCPserver间接继承QIODevice而来，能够使用QDataStream和QTextStream对网络数据进行读写操作。QT中采用信号与槽的消息机制进行网络编程，QObject类的Connect()函数将信号与槽进行关联起来。本发明自定义槽函数对QTCPSocket提供的connected()、disconnected()、readyRead()信号进行响应。槽函数如表1所示。
表1信号与对应的自定义槽
槽函数 信号 函数功能描述
void onConnectTCP() connected() 响应TCP连接成功
onDisconnectTCP() disconnected() 响应TCP连接失败
Void onTcpReady() readyRead() 响应接收新数据报文
模拟IEC104主站作为客户端进行网络通信实现过程如下代码所示：首先，使用QTCPSocket类创建相应的实例对象；其次，进行网络端口和IP地址配置，IEC104规定的端口号为2404；调用QTCPSocket类对象调用connectToHost()函数连接服务器；Connect()函数将信号与槽关联；最后QTCPSocket类对象调用closeConnection()函数关闭TCP连接。
TCP连接成功，QTCPSocket对象发出conneted()信号；若连接失败，QTCPSocket对象发出error()信号；客户端接收到数据时，QTCPSocket对象发出readyRead()信号；当连接过程中出现错误时，QTCPSocket对象发出disconnected()信号。成功后，connected/error信号对应的槽函数中添加相应的功能，实现TCP连接。
客户端与服务器连接成功后，当接收到数据时自定义槽函数onTcpReady()收到QTCPSocket对象发出的readyRead()信号。在onTcpReady()函数中调用QIODevice类的write()，read()函数与服务器进行读写数据。本发明为了保证IEC104数据块能够完整的传输，采用数据类型为quint64。
IEC104报文解析
IEC104报文由I帧、S帧、U帧三种格式的数据帧组成。U帧、S帧长度固定、结构较为简单。I帧是包含应用数据单元的数据帧，其长度不定，内容复杂。本发明对IEC104报文进行解析时，对三种报文进行分类解析，同时将复杂的I帧结构，用对应的结构体进行存储，逐步简化最终完成解析。
IEC60870-5-104应用规约数据单元结构
IEC60870-5-104报文数据模型来源于开放系统互联模型ISO-OSI，远动设备及系统第5-104部分：传输规约中规定，IEC60870-5-104数据帧仅有三层，分别对应网络ISO中的物理层、链路层、应用层。
IEC60870-5-104应用数据结构单元APDU对应网络传输中的应用层，由应用规约控制信息APCI和应用服务数据单元ASDU构成。基本的应用规约数据单元(APDU)有两种形式，一种仅由APCI组成，另一种由一个APCI和一个或多个ASDU组成。APCI占6个字节，有固定的结构，由起始字符68H，APDU长度、4个控制域构成。应用规约数据单元APDU结构如图2所示。
应用规约控制信息APCI：IEC60870-5-104应用规约控制信息APCI由起始字符68H，APDU长度、4个控制域构成。
(1)第一个字节起始字符0x68转换为十进制即为104，表示传输报文为IEC104报文。
(2)第二个字节为APDU的长度，除去前两字节后APDU的长度，即为控制域和ASDU的长度之和。IEC60870-5-104报文的一个APDU长度被规定小于等于255个字节，所以APDU的长度的值范围应在4-253内。
(3)四个控制域一共占四个字节，控制域包含了报文的收序、发序的控制信息以保证对报文不至丢失和重传，同时也包含了对报文控制信息如报文的传输启动、停止，报文的链路测试等。根据控制域意义和格式的不同，定义了三总不同类型的报文格式。其分别如下：Information Transmit Format(编号信息传输格式帧，简称I帧。Unnumbered controlfunction(不编号控制功能格式帧)，简称U帧。Numbered supervisory functions(编号监视功能格式帧)，简称S帧。
U帧具有控制功能，控制站采用通过U(STARTDT)(启动数据传输)和U(STOPDT)(停止数据传输)控制从站进行报文传输。同时当两站端报文传输达到最大空载超时时间t3时，控制站通过启动U(TESTFR)进行链路测试。其中U帧为无编号格式帧，不能对收发的报文进行计数的功能。图3为U帧控制域格式。
I帧报文用于有ASDU信息传输，I帧定义控制域为报文发送序列号和接收序列号构成，图4为I帧格式。
S帧报文具有编号信息监视功能。S帧定义由第一个八位位组控制域中第1位是否为1和第2位是否为0决定。如图5所示为S帧控制域信息，只包含APCI数据。
应用服务数据单元ASDU：根据上述的介绍，IEC104报文中仅有I格式帧具有ASDU。I帧报文数据帧应用服务数据单元ASDU由数据单元标识、一个或多个信息体组成，其一般结构如图6所示。
数据单元标识包括了类型标识、可变结构限定词、传送原因、信息公共地址，下文对上述四类标识进行说明。
(1)类型标识
类型标识是对IEC104报文的ASDU类型进行标识，其占一个字节。本发明中模拟IEC10104主站模块报文解析功能主要针对子站向主站传送的过程信息，主站向子站传送的过程信息，子站到主站监视方向的系统信息，以及主站到子站的控制方向的系统信息，上述四个方面的信息在表2中罗列。104模拟主站报文解析模块实现了表2中的ASDU类型的报文信息的解析。
表2 IEC104的ASDU类型
(2)可变结构限定词
可变结构限定词占一个字节，1～7位表示信息体的个数，最高位表示信息体的排列方式，SQ为1表示ASDU中的信息体为连续的，前一个信息体地址加1得到后一个信息体地址。SQ为0表示ASDU中的信息体为离散的，每一个信息对象地址要在信息体中标识。
(3)传送原因
传送原因占两个字节。其中第一个字节是传送原因，1～6位为传送原因标识符；第7位P/N为0时表示肯定确认，为1时表示否定确认。最高位T表示是否处于试验状态，T为0时表示处于在试验状态，为1时表示此时的数值不处于试验状态。
第二个字节代表源发地址表示报文响应的主站地址，很少使用。一般不使用的情况将其置为0。
(4)信息公共地址
信息公共地址占两个字节，最高位字节为0，公共信息地址存储在低位的八位位组中，公共信息地址范围0～255之间。
I帧的应用数据服务单元ASDU信息体通常包括信息体地址、信息元素和信息体时标三个部分构成。信息体地址一般占3个字节。信息体个数大于1时，其组成形式分为两种：一种为信息体地址连续，此时只有第一个信息体有信息体地址，其他信息体不含信息体地址一项，其信息体地址上一个信息体地址加1得到；另一种为信息体地址离散，此时每一个信息体应包含信息体地址。
IEC104报文解析实现：IEC104报文解析实现分为两步首先，当IEC104模拟主站作为客户端接收到远动机上送的IEC104报文时，readyReady()信号发出，自定义的槽onTcpReady()接收信号。此时在函数onTcpReady()中将远动机上送IEC104报文存入自定义的结构体IEC_APDU中。然后，针对IEC104对应的不同格式帧进行分类，对不同的格式帧调用不同的解析函数，最终完成解析。
(1)结构体IEC_APDU
IEC104报文中U帧、S帧格式简单仅具有APCI部分，APCI具有相同的顺序结构。I帧除了具有APCI还具有应用数据单元ASDU，不同类型的ASDU其信息体的个数、长度、内容都存在很大的差异，用统一的结构体存储IEC104各类报文信息存在一定的难度。但若采用多个结构体对IEC104各类报文分别定义，解析过程将复杂化，同时解析时速度也将受到影响。本发明在设计结构体IEC_APDU对IEC104报文进行存储时，采用了联合体的思想，使得不同类型的数据帧都能被存储入结构体中。
通过对报文报头，APDU长度过滤除IEC104外的其他数据帧，将IEC104数据帧存储于结构体IEC_APDU中。具体存储过程：TCP连接成功后定义结构体IEC_APDU对象，利用QTcpSocket中read()函数将IEC104数据帧，逐一存入IEC_APDU中，首先将报文头存入APDU.start中判断是否0x68，如果是继续报文第二字节存入APDU，如果不是则返回进行继续新一轮的读取报文。报文第二个字节存入APDU.Length中，判断长度是否小于4，若小于4则返回继续新一轮报报文读取，否则IEC104报文剩余数据帧读入IEC_APDU中，如图7所示。
不同I帧的ASDU数据标识单元具有相同的组成顺序，本发明定义了结构体IEC_ASDU_TYPE，它包含I帧ASDU数据标识单元，其定义如下：
(2)ASDU信息体结构
I帧的ASDU结构复杂的原因是信息体地址分为离散和连续，以及信息元素的长度、内容不同。下文对单点信息(型标识＜1＞∶M_SPNA1)为例详细介绍I帧的ASDU的信息体结构和内容，进而介绍本发明IEC104报文存储数据结构IEC_APDU设计过程。
单点信息信息体分为离散和连续两种，表3为SQ＝0，信息体地址离散的单点信息ASDU结构。表4为SQ＝1，信息体地址连续的单点信息ASDU结构。表3中每一个信息体都由占三字节的信息地址和一个字节的信息元素两部分构成。表4中第一个信息体由一个占3个字节的信息地址和信息元素组成，后面N-1个信息体仅有N-1个信息元素构成，其信息地址为前一个信息地址加一得到。
表3 SQ＝0离散型ASDU
信息元素各位定义如下：
第一位SPI∶＜0-1＞，＜0＞∶＝OFF开，＜1＞∶＝ON合；
第二至第四位为固定值零；
第五位BL∶＜0-1＞，＜0＞∶＝未被封锁，＜1＞∶＝被封锁；
第六位SB∶＜0-1＞，＜0＞∶＝未被取代，＜1＞∶＝被取代
第七位NT∶＜0-1＞，＜0＞∶＝当前值，＜1＞∶＝非当前值
第八位IV∶＜0-1＞，＜0＞∶＝有效，＜1＞∶＝无效
不同类型的ASDU通过ASDU首字节标识，不同类型的ASDU具有不同的信息元素，信息元素的长度、内容差别，难以用同一个结构体来进行统一定义。本发明在报文解析实现过程中，对不同类型的ASDU的信息元素通过不同的结构体对其分别定义，如单点信息的信息元素用结构体IEC_TYPE1定义、双点遥信的信息元素用IEC_TYPE3定义、步位信息的信息元素用IEC_TYPE5定义等等。上文中介绍了模拟IEC104主站软件模块所用到的ASDU的类型，本发明都对其信息元素用结构体进行了定义。以下为单点信息的信息元素所对应的结构体，结构体中的参数与单点信息信息元素内容一一对应：
本发明定义的IEC104报文存储结构体IEC_APDU中的变量start、length、NS、NR按照APDU中APCI的组成顺序依次对应报头、ASDU长度、发序、收序；IEC_APDU中的数据类型IEC_ASDU为本发明定义的ASDU数据单元标识部分；IEC_APDU的联合体SQL部分对应I帧ASDU的信息体部分。结构体IEC_APDU的组成如下所示：
struct IEC_APDU
{
unsigned char start；//报头
unsigned char length；//长度
unsigned shortNS；//发序
unsigned shortNR；//收序
struct IEC_ASDU asduh；
union SQL{
struct{
unsigned short ioa16；
unsigned char ioa8；
iec_type1 obj[1]；//iec_type1为单点遥信信息体内容对应结构体
}sq1；//连续型单点遥信
struct{
unsigned short ioa16；
unsigned char ioa8；
iec_type1 obj；
}nsq1[1]；
struct{
unsigned short ioa16；
unsigned char ioa8；
iec_type3 obj[1]；
}sq3；
struct{
unsigned short ioa16；
unsigned char ioa8；
iec_type3 obj；
}nsq3[1]；
struct{
unsigned short ioa16；
unsigned char ioa8；
iec_type60 obj；
}nsq60；//遥控信息
unsigned char dados[255]；
iec_type107 asdu107；
}。
IEC_APDU的联合体SQL的省略部分为不同类型的ASDU的信息体对应的结构体。本发明根据不同信息标识符将信息体元素定义为不同的数据结构体如上文介绍的结构体IEC_TYPE1代表单点遥信信息内容。本发明中了定义的强大的数据结构IEC_APDU，在读取I帧报文中时将不同类型的ASDU用此结构体进行存储。
IEC_APDU最大的特点就是结构体中的联合体SQL，由于联合体根据不同存储变量进行动态的分配内存，在对不同类型的ASDU进行存储时，其信息体能分别存入对应的结构体中。
上述结构体对离散型单点遥信、连续型单点遥信分别进行解析。离散型的单点遥信SQ＝0存储时，由于离散型单点遥信每个信息体由一个信息地址和信息内容组成，在调用IEC_APDU结构对其进行存储时，联合体根据实际进行内存分配，此时联合体实际上使用结构体数组nsq1[]对每一个离散型的信息体进行存储，每一个nsq1[]的数组元素包含了高地址位ioa16、低地址位ioa16、iec_type1类型变量obj，分别对应一个离散单点遥信信息体的信息体地址、信息元素。
连续型的单点遥信SQ＝1存储时，联合体根据实际进行内存分配，此时联合体实际使用结构体sq1对连续的信息体进行存储。结构体sq1的ioa16、ioa8对应连续单点信息第一个信息体的信息地址，iec_type1类型的数组obj[]对应存储连续信息体的N个信息元素。
(3)U帧、S帧解析
U帧、S帧模块控制域为APCI的第3字节位置，包括控制信息(V－生效(激活)C－确认)，命令(TEST－测试STOP－停止START－启动)。U、S帧的解析首先判断控制域第一位IEC_APDU->NS的值，当模拟主站接收到的报文为请求启动帧和测试帧时，输出解析的报文信息，再向子站发送发送确认请求帧和链路确认帧进行确认，最后结束报文解析。其余情况输出解析的报文信息，结束该报文的解析，如图8所示。
(4)I帧解析
I帧的解析过程是将I帧APDU依次存储对应的数据结构IEC_APDU中，再对其进行逐一解析，具体流程为：首先，解析APCI中报文的传输序号；接着，解析IEC_APDU中的结构体IEC_ASDU_TYPE，IEC_ASDU_TYPE中存储了I帧ASDU头信息，将类型、可变结构、传输原因、公共信息体地址依次解析；最后，判断通过SQ判断信息体类型，分别读取信息体地址；解析出根据不同的数据结构对应不同类型的信息体，解析出具体的信息内容。图9为I帧解析过程图。
IEC104报文存储库：本发明设计的IEC104报文存储库能对报文获取模块获取的原始报文进行实时存储，对解析后的IEC104报文进行分类存储。软件操作人员可以对存储报文进行历史浏览、查找、删除、产生柱形图进行比较等功能。IEC104报文存储库应同时具备历史数据库和实时数据库的功能。
系统的数据存储方法：电力部门企业的数据具有高度实时性的特点，因此所有实时数据都需要随被控对象的状态的变化而做出相对应的变化。面对该实时性的数据，比如需要采集1000点的且都为32bit浮点型数据，其采集的频率为0.2Hz，则一天的数据量为1000*(60*0.2)*60*24*4/1024＝67500K，约为67.5M的数据量，且这些数据都是日复一日的不断递增和变化的数据。而传统的关系型数据库并不能满足该需求，实时数据库则满足该需求。实时数据库是数据库系统发展的一个分支，它适用于处理不断更新和快速变化的数据以及具有时间限制的事务处理的情况。
本发明所设计的系统，其基本需求是需要将从电力信息系统中所获取的数据报文，进行实时的记录，并随时对其进行查询和应用。系统可以实现将这些数据进行统计分析，形成数据表或趋势曲线等功能。对于实时数据记录的功能需求，本发明采用实时数据库的存储方法，同时鉴于目前国内比较流行的实时数据库产品价格十分昂贵，单以此需求而去专门购买一套实时数据库产品的思路显得过于浪费。因而，本设计通过研究实时数据库的设计理念和功能特点，并结合本系统特定的需求，自行设计、研发了一款内存数据库，通过将数据全部放入内存，实现实时存储和处理该内存中的数据。同时，引入传统的关系型数据库，将从内存数据库实时获取的数据，通过系统的自动调度系统进行存储，最终实现对历史数据的统计分析等处理过程。
传统的关系型数据库存储时通过操作磁盘I/O，将数据存入磁盘中，而内存数据库则是将数据直接放入内存中，因此其读写速度要高出约5个数量级。由于内存中的数据具有易失性，即当系统断点后，保存在内存中的数据将会立即消失，即使在通电后也并不会恢复。因此，本系统可通过关系型数据库将这些数据进行及时的保存，最大限度地减少内存丢失数据。
本系统只需要实时的记录数据报文的描述信息、极性、生数据、数据值和质量位。因此，只需要设计一张数据表即可完成该功能需求。其数据库表的信息如表5所示。
表5数据库信息表
列名 数据类型 完整性约束
Mid INT 主码
Desc Vchar 非空
Polar BIT 非空
Data BIT 非空
DataValue BIT 非空
Quality BIT 非空
Create Date DATETIME 非空
根据表5的信息，创建SQLServer的数据库脚本，脚本如下所述：
CREATE TABLE MESSAGE(
Mid INT PRIMARYKEY,
Desc VCHARNOTNULL,
Polar BIT NOTNULL,
Data BIT NOTNULL,
DataValue BIT NOTNULL,
Quality BIT NOT NULL,
CreateDate DATETIME)；
如上所述为数据库的表设计，而内存数据库和关系型数据库的数据库表的表结构则是一致的。
系统的数据存储实现：本系统的研发主要使用C++编程语言，对于内存数据库的实现方法，则使用面向对象的思维方式。该方式，首先将数据库表结构抽象为实体类MESSAGE，然后再构造一个Map容器，该容器的KEY为数据库表结构中的CreateDate，VALUE则为该实体类MESSAGE对象，根据每一条记录的CreateDate都不相同的原理，该Map容器会完整的记录每一条数据。
对于关系型数据库SQL Server的数据存储操作，本设计使用ADO(ActiveX DataObject)，它是Microsoft提出用以实现访问关系型或者非关系型数据库中数据的API。在本系统中，通过建立实体类MESSAGE与关系型数据库数据表的一一对应关系，再利用ADO的相关API，就能够成功的将内存数据库中的每条数据记录进行完整的保存。该操作过程主要分为4个步骤：添加对ADO的支持、创建一个数据源连接、对数据源中的数据库进行操作、关闭数据源。
通过以上的方法，能够成功的实时存储系统中大量的数据，此外，针对该数据的其他应用(如统计分析)，则可直接去数据库中获取相关的数据，并通过编程实现各种形式的统计分析等操作。
IEC104报文模拟发送模块：报文发送作为调度主站的主要功能，其工作流程如下：当调度主站与远动子站建立网络连接后，调度主站对子站发送U格式的链路启动命令，随后主站向子站发送总召唤命令，对子站的遥测、遥信量发起总召，同时主站还能实现通过下发对时命令对主站与子站进行对时，及向子站发送遥控命令、遥调命令。本发明在模拟IEC104主站中设计的IEC104报文模拟发送功能，能够向主站发送上述报文，实现对应一系列功能。
发送U帧启动命令：当TCP连接成功后，人机友好界面将对其进行显示，并弹出TCP连接成功对话框。此时，软件操作人员可以通过界面，点击发送U帧启动命令。IEC104模拟报文发送模块产生启动U帧，其第一位控制域设为0x07。启动主站与子站的报文传输，操作人员可根据界面上提示的是否收到子站的启动命令确认帧，判断是否启动成功。具体过程如图10所示。
发送总召唤命令：模拟IEC104主站发送的启动命令成功后，人机交互界面弹出相应的报文解析模块，提醒启动成功，此时操作人员可以通过模拟报文发送模块产生总召唤命令报文进行发送，直到子站发送的接收到总召唤确认命名。产生的总召命令I帧报文，其ASDU的类型标识、传输原因分别设为0x64、0x07。模拟主站发送的总召命令至远动机，待模拟主站收到远动机的总召命令的确认报文。I帧总召命令如图11所示。
发送遥控、遥调命令：模拟报文发送模块能产生不同ASDU类型的遥控、遥调命令。软件使用人员能通过模拟IEC104主站的人机交互界面，向远动机发送各种类型的遥控、遥测命令。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种IEC104主站模拟系统，其特征在于：包括报文接收模块、报文解析模块、报文模拟发送模块、通信模块、报文存储模块和人机交互界面；
报文接收模块：通过通信模块接收远动子站上送的IEC104报文，并用相应的数据结构对报文分类存储，并能将IEC104报文送至报文解析模块进行报文解析，或将原始报文保存于报文存储模块中；
报文解析模块：对IEC104报文进行分类解析，通过人机交互界面显示出原始报文和对于每一原始报文每一字节代表的报文含义，最终能将解析的IEC104报文中的信息值与变电站点表对应，传入IEC104报文存储库，产生主站对点表；
报文模拟发送模块：构造对时、总召、遥控、遥调的IEC104报文并控制报文的发送过程；
报文存储模块：对原始IEC104报文、解析后的IEC104报文进行实时存储，按照历史报文的类型和时间方式进行分类、查找、比较、分析，并能产生主站对点表；
通信模块：与远动子站建立TCP/IP连接，实现IEC104报文的接收和发送；
人机交互界面：提供人机交互界面，对各个模块功能的集中展示，测试人员能够通过交互界面，读取收发的报文信息，以及报文解析的内容，通过调用IEC104报文存储库查找历史报文；
IEC104报文中U帧、S帧格式和I帧格式的数据单元在设计结构体IEC_APDU对IEC104报文进行存储时，采用了联合体的思想，使得不同类型的数据帧都能被存储入结构体中，即通过对报文头、应用规约数据单元（APDU）长度过滤除IEC104报文外的其他数据帧，将IEC104报文存储于结构体IEC_APDU中，具体方法为：TCP连接成功后定义结构体IEC_APDU对象，利用QTcp Socket中read()函数将IEC104报文，逐一存入结构体IEC_APDU中，首先将报文头存入应用规约数据单元APDU.start中判断是否0x68，如果不是，则返回进行继续新一轮的读取报文，如果是，继续报文第二字节存入应用数据结构单元APDU.Length中，判断长度是否小于4，若小于4则返回继续新一轮报文读取，否则将IEC104报文剩余数据帧读入结构体IEC_APDU中；
针对I帧的应用服务数据单元（ASDU）的信息体结构和内容，在报文解析实现过程中，对不同类型的应用服务数据单元（ASDU）的信息元素通过不同的结构体对其分别定义，具体为：单点信息的信息元素用结构体IEC_TYPE1定义、双点遥信的信息元素用IEC_TYPE3定义、步位信息的信息元素用IEC_TYPE5定义；定义的IEC104报文存储结构体IEC_APDU中的变量start、length、NS、NR按照应用规约数据单元（APDU）中应用规约控制信息（APCI）的组成顺序依次对应报头、应用服务数据单元（ASDU）长度、发序、收序；IEC_APDU中的数据类型IEC_ASDU为定义的应用服务数据单元（ASDU）标识部分；IEC_APDU的联合体SQL部分对应I帧应用服务数据单元（ASDU）的信息体部分；结构体IEC_APDU根据不同存储变量进行动态的分配内存，在对不同类型的应用服务数据单元（ASDU）进行存储时，其信息体能分别存入对应的结构体中，具体为：对离散型单点遥信、连续型单点遥信分别进行解析；离散型的单点遥信SQ=0存储时，离散型单点遥信每个信息体由一个信息地址和信息内容组成，在调用IEC_APDU结构对其进行存储时，联合体根据实际进行内存分配，此时联合体实际上使用结构体数组nsq1[]对每一个离散型的信息体进行存储，每一个nsq1[]的数组元素包含高地址位ioa16、低地址位ioa8、iec_type1类型变量obj，分别对应一个离散型单点遥信信息体的信息体地址、信息元素；连续型的单点遥信SQ=1存储时，联合体根据实际进行内存分配，此时联合体实际使用结构体sq1对连续型信息体进行存储；结构体sq1的ioa16、ioa8对应连续型单点遥信第一个信息体的信息地址，iec_type1类型的数组obj[]对应存储连续型信息体的N个信息元素；
U、S帧的解析过程为：首先判断控制域第一位IEC_APDU->NS的值，当模拟主站接收到的报文为请求启动帧和测试帧时，输出解析的报文信息，再向远动子站发送确认请求帧和链路确认帧进行确认，最后结束报文解析，当模拟主站接收到的报文不是请求启动帧和测试帧时，输出解析的报文信息，结束该报文的解析；
I帧的解析过程是将 I帧应用规约数据单元（APDU）依次存储在对应的数据结构IEC_APDU中，再对其进行逐一解析，具体流程为：首先，解析应用规约控制信息（APCI）中报文的传输序号；接着，解析IEC_APDU中的结构体IEC_ASDU_TYPE，IEC_ASDU_TYPE中存储了I帧应用服务数据单元（ASDU）头信息，将类型、可变结构、传输原因、公共信息体地址依次解析；最后，通过SQ判断信息体类型，分别读取信息体地址；解析出根据不同的数据结构对应不同类型的信息体，解析出具体的信息内容。
2.根据权利要求1所述的一种IEC104主站模拟系统，其特征在于：报文接收模块采用模拟IEC104主站报文接收的方式实现，其实现方法为：模拟IEC104主站作为客户端，远动子站作为服务器进行网络通信，实现模拟IEC104主站与远动子站之间的IEC104报文的接收和发送；依托QT平台实现网络编程，QT提供了QTCPSocket和QTCPServer两个类，分别用于实现TCP的客户端和服务器端；模拟IEC104主站作为客户端进行网络通信实现过程如下：首先，使用QTCPSocket类创建相应的实例对象；其次，进行网络端口和IP地址配置，IEC104规定的端口号为2404；调用QTCPSocket类对象connectToHost()函数连接服务器；Connect()函数将信号与槽关联；最后QTCPSocket类对象调用closeConnection()函数关闭TCP连接；TCP连接成功，QTCPSocket对象发出conneted()信号；若连接失败，QTCPSocket对象发出error()信号；客户端接收到数据时，QTCPSocket对象发出readyRead()信号；当连接过程中出现错误时，QTCPSocket对象发出disconnected()信号，成功后，connected/error信号对应的槽函数中添加相应的功能，实现TCP连接；
客户端与服务器连接成功后，当接收到数据时自定义槽函数onTcpReady()收到QTCPSocket对象发出的readyRead()信号，在onTcpReady()函数中调用QIODevice类的write()，read()函数与服务器进行读写数据，读写数据采用数据类型为quint64。
3.根据权利要求2所述的一种IEC104主站模拟系统，其特征在于：报文解析模块的实现方法为：首先，当模拟IEC104主站作为客户端接收到远动子站上送的IEC104报文时，readyReady()信号发出，自定义的槽函数onTcpReady()接收信号；此时在函数onTcpReady()中将远动子站上送IEC104报文存入自定义的结构体IEC_APDU中；然后，针对IEC104对应的不同格式帧进行分类，对不同的格式帧调用不同的解析函数，最终完成解析。
4.根据权利要求1所述的一种IEC104主站模拟系统，其特征在于：报文存储模块采用IEC104报文存储库，IEC104报文存储库能对报文接收模块获取的原始IEC104报文进行实时存储，对解析后的IEC104报文进行分类存储，具体存储方法为：首先将数据库表结构抽象为实体类MESSAGE，然后再构造一个Map容器，该容器的KEY为数据库表结构中的CreateDate，VALUE则为该实体类MESSAGE对象，根据每一条记录的CreateDate都不相同的原理，该Map容器会完整的记录每一条数据；对于关系型数据库SQL Server的数据存储操作，使用ActiveX数据对象访问关系型或者非关系型数据库中数据的API，即在本系统中，通过建立实体类MESSAGE与关系型数据库数据表的一一对应关系，再利用ActiveX数据对象的相关API，将内存数据库中的每条数据记录进行完整的保存，该操作过程主要分为4个步骤：添加对ActiveX数据对象的支持、创建一个数据源连接、对数据源中的数据库进行操作、关闭数据源。
5.根据权利要求1所述的一种IEC104主站模拟系统，其特征在于：报文模拟发送模块的实现方法为：当模拟主站与远动子站建立网络连接后，模拟主站对远动子站发送U帧启动命令，随后模拟主站向远动子站发送总召唤命令，对远动子站的遥测、遥信量发起总召，同时模拟主站还通过下发对时命令对模拟主站与远动子站进行对时，及向远动子站发送遥控命令、遥调命令；其中，发送U帧启动命令方法为：当TCP连接成功后，人机交互界面将对其进行显示，并弹出TCP连接成功对话框，此时，软件操作人员通过人机交互界面，点击发送U帧启动命令，IEC104 报文模拟发送模块产生启动U帧，其第一位控制域设为0x07，启动模拟主站与远动子站的报文传输，操作人员根据界面上提示的是否收到远动子站的启动命令确认帧，判断是否启动成功；发送总召唤命令方法为：模拟主站发送的启动命令成功后，人机交互界面弹出相应的报文解析模块，提醒启动成功，此时操作人员通过报文模拟发送模块产生总召唤命令报文进行发送，直到远动子站发送的接收到总召唤确认命令，产生的总召唤命令I帧报文，其ASDU的类型标识、传输原因分别设为0x64、0x07，模拟主站发送总召唤命令至远动子站，待模拟主站收到远动子站的总召唤命令的确认报文判断发送成功。
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