CN115190190A - 电力物联网协议的预解析方法及其预解析系统 - Google Patents

电力物联网协议的预解析方法及其预解析系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力物联网协议的预解析方法，包括获取电力物联网系统所支持的所有协议；建立协议特征库；获取终端发送的电力协议报文；对电力协议报文进行辨识处理并识别报文的协议类型与功能区位置；进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据。本发明还公开了一种实现所述电力物联网协议的预解析方法的预解析系统。本发明提高了系统安全性和系统运行与运维效率，提高分类效率能够，有效降低电力物联网主站数据处理量，实现电力感知数据最小化精准采集；而且本发明的适用范围广，可靠性高且准确性好。

Description

电力物联网协议的预解析方法及其预解析系统
技术领域
本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种电力物联网协议的预解析方法及其预解析系统。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保障电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统最重要的任务之一。
而随着电力物联网的发展，原本分散建设的数据采集系统将在感知层进行统一；因此采集主站需要拥有多种协议的接入与解析能力。在当前的技术架构下，电力系统普遍的做法，是对不同的协议终端部署不同的采集前置，并各自开放终端接入端口。但对电力系统而言，对外开放多个接入端口将会使得系统面临的安全风险成倍的提升；同时，维护多个端口也会带来额外的工作量，降低系统的运转效率。
此外，部分系统为了统一接入端口，常见的方法是使用单个接口接入全量报文；然后在系统中识别标识位，以匹配预加载在系统中的解析模型。但考虑到电力物联网系统中使用的协议繁多，情况复杂(比如常存在迭代协议，即一种协议的不同版本，具有相同的标识位但解析方式完全不同)，若识别错误会导致报文无法解析。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种适用范围广，可靠性高且准确性好的电力物联网协议的预解析方法。
本发明的目的之二在于提供一种实现所述电力物联网协议的预解析方法的预解析系统。
本发明提供的这种电力物联网协议的预解析方法，包括如下步骤：
S1.获取电力物联网系统所支持的所有协议；
S2.根据步骤S1获取的协议，建立协议特征库；
S3.与终端建立通信并进行数据交互，从而获取终端发送的电力协议报文；
S4.对步骤S3获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置；
S5.根据步骤S4识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据。
步骤S2所述的根据步骤S1获取的协议，建立协议特征库，具体包括如下步骤：
协议特征库为存储电力物联网系统协议特征的关系式数据库；协议特征库包括协议属性和协议报文字特征内容；
协议属性包括电力物联网系统所支持的协议的协议编号、协议名称、协议发行日期和协议版本；
协议报文字特征内容包括电力物联网系统所支持的协议的报文总长度取值范围、固定报文头标识位置、固定报文头标识取值范围、固定报文头长度、特殊帧起始位置、特殊帧长度、特殊帧标识位置、特殊帧标识取值范围、校验帧标识位置、校验帧标识取值范围、校验帧长度，结束帧起始位置和结束帧字符取值范围；其中，一个协议能够对应若干个特殊帧。
步骤S3所述的与终端建立通信并进行数据交互，从而获取终端发送的电力协议报文，具体包括如下步骤：
与终端建立TCP/IP通信连接，接收所有终端发送的TCP/IP报文包，通过解析TCP/IP报文包得到应用层协议报文。
步骤S4所述的对步骤S3获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置，具体包括如下步骤：
对步骤S3获取的应用层协议报文的报文字进行分析和特征提取，并转换为特征数组；然后基于获取的特征数组，构建决策树实现报文所述的协议分析，完成协议的辨识。
所述的步骤S4，具体包括如下步骤：
(1).对步骤S3获取的应用层协议报文的报文字，进行整体分析和特殊位置分析，从而提取报文中的若干个特征值，并组成报文特征数组：
所述的整体分析，具体为对协议报文的整体特性进行记录，包括记录报文的总字节长度Ntotal和空字节数Nnull，形成整体特征数组A为A＝[Ntotal,Nnull]；
所述的特殊位置分析，具体为是对报文字特征字节位置的值进行记录，形成特殊位置特征数组B为B＝[bytes[0],bytes[1],...,bytes[n]]，其中0～n为协议特征库中记录的所有协议的固定报文头起始位置、特殊帧起始位置、校验帧起始位置和结束帧起始位置，bytes[n]为原报文中相应位置对应的值；
(2).合并整体特征数组A和特殊位置特征数组B，组成报文特征数组C为C＝[Ntotal,Nnull,bytes[0],bytes[1],...,bytes[n]]；
(3).读取协议特征库中存储的所有协议和协议报文字特征，为每个协议构建协议判断结合Sprotocol[N]为Sprotocol[N]＝[feature1,feature2,...,featureN]，其中feature1～featureN为根据协议报文字特征提取的判断条件；所述判断条件包括报文总长度取值范围、固定报文头标识位置与取值范围、固定报文头长度、特殊帧标识取值范围、特殊帧长度、校验帧标识位置与取值范围、校验帧长度、结束帧起始位置和取值范围；
(4).以报文特征数组C为输入，以报文特征数组C中的元素是否拟合协议判断结合Sprotocol[N]为判断条件，构建分类决策树，并按照以下方式得到报文分类结果：
对于协议特征集合Sprotocol[N]中每一个标识位置i，若报文特征数组C中的bytes[i]全部在对应的取值范围内，则认定为拟合；
否则，认定为不拟合。
步骤S5所述的根据步骤S4识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据，具体包括如下步骤：
将待解析的报文输入到协议解析模型，协议解析模型获取对应的协议的特殊帧起始位置，然后直接从特殊帧起始位置开始解析，得到特殊帧数据，将特殊帧数据按照电力物联网主站定义的标准数据模型格式，组成标准化的预解析数据并输出；
所述的协议解析模型包括协议帧结构、主站采集点表和解析程序；协议帧结构是对协议帧内容的定义，主站采集点表是对协议中测量点的位置、取值、编码规则的说明，解析程序则是将协议报文字转换为可识读数据的应用程序；
所述的特殊帧包括报文时间戳、设备资产ID、采集功能内容和控制帧内容。
所述的电力物联网协议的预解析方法，还包括如下步骤：
若同时输入M条电力协议报文，则将报文特征数组C扩展为(n+3)*M的特征矩阵C(n+3)*M为
Figure BDA0003779843790000051
然后，在进行协议分类时，使用一个判断条件同时判断矩阵特征矩阵C(n+3)*M中同一列的数据，实现M个协议并发判断，节省系统运算资源。
本发明还提供了一种实现所述电力物联网协议的预解析方法的预解析系统，包括协议特征库模块、数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块；数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块依次串接；协议特征库模块同时连接数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块；特征库模块用于获取电力物联网系统所支持的所有协议，并建立协议特征库，同时特征库模块也用于为其他模块提供数据支持；数据接入模块用于与终端建立通信并进行数据交互，获取终端发送的电力协议报文并上传动态辨识模块；动态辨识模块用于对获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置，并将结果上传预解析模块；预解析模块用于根据识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据。
本发明提供的这种电力物联网协议的预解析方法及其预解析系统，只需要有一个端口与终端建立连接，提高了系统安全性，同时提高了系统运行与运维效率；本发明使用构造分类决策树的方式提高了协议辨识精度，提高分类效率；本发明通过辨识的结果以及预识别的关键字段，直接解析关键字段，并形成标准数据，可以有效降低电力物联网主站数据处理量，实现电力感知数据最小化精准采集；因此本发明的适用范围广，可靠性高且准确性好。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的系统功能模块图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的方法流程示意图：本发明提供的这种电力物联网协议的预解析方法，包括如下步骤：
S1.获取电力物联网系统所支持的所有协议；
S2.根据步骤S1获取的协议，建立协议特征库；具体包括如下步骤：
协议特征库为存储电力物联网系统协议特征的关系式数据库；协议特征库包括协议属性和协议报文字特征内容；
协议属性包括电力物联网系统所支持的协议的协议编号、协议名称、协议发行日期和协议版本；
协议报文字特征内容包括电力物联网系统所支持的协议的报文总长度取值范围、固定报文头标识位置、固定报文头标识取值范围、固定报文头长度、特殊帧起始位置、特殊帧长度、特殊帧标识位置、特殊帧标识取值范围、校验帧标识位置、校验帧标识取值范围、校验帧长度，结束帧起始位置和结束帧字符取值范围；其中，一个协议能够对应若干个特殊帧；
S3.与终端建立通信并进行数据交互，从而获取终端发送的电力协议报文；具体包括如下步骤：
与终端建立TCP/IP通信连接，接收所有终端发送的TCP/IP报文包，通过解析TCP/IP报文包得到应用层协议报文；
S4.对步骤S3获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置；具体包括如下步骤：
对步骤S3获取的应用层协议报文的报文字进行分析和特征提取，并转换为特征数组；然后基于获取的特征数组，构建决策树实现报文所述的协议分析，完成协议的辨识；
具体实施时，包括如下步骤：
(1).对步骤S3获取的应用层协议报文的报文字，进行整体分析和特殊位置分析，从而提取报文中的若干个特征值，并组成报文特征数组：
所述的整体分析，具体为对协议报文的整体特性进行记录，包括记录报文的总字节长度Ntotal和空字节数Nnull，形成整体特征数组A为A＝[Ntotal,Nnull]；
所述的特殊位置分析，具体为是对报文字特征字节位置的值进行记录，形成特殊位置特征数组B为B＝[bytes[0],bytes[1],...,bytes[n]]，其中0～n为协议特征库中记录的所有协议的固定报文头起始位置、特殊帧起始位置、校验帧起始位置和结束帧起始位置，bytes[n]为原报文中相应位置对应的值；
(2).合并整体特征数组A和特殊位置特征数组B，组成报文特征数组C为C＝[Ntotal,Nnull,bytes[0],bytes[1],...,bytes[n]]；
(3).读取协议特征库中存储的所有协议和协议报文字特征，为每个协议构建协议判断结合Sprotocol[N]为Sprotocol[N]＝[feature1,feature2,...,featureN]，其中feature1～featureN为根据协议报文字特征提取的判断条件；所述判断条件包括报文总长度取值范围、固定报文头标识位置与取值范围、固定报文头长度、特殊帧标识取值范围、特殊帧长度、校验帧标识位置与取值范围、校验帧长度、结束帧起始位置和取值范围；
(4).以报文特征数组C为输入，以报文特征数组C中的元素是否拟合协议判断结合Sprotocol[N]为判断条件，构建分类决策树，并按照以下方式得到报文分类结果：
对于协议特征集合Sprotocol[N]中每一个标识位置i，若报文特征数组C中的bytes[i]全部在对应的取值范围内，则认定为拟合；
否则，认定为不拟合；
S5.根据步骤S4识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据；具体包括如下步骤：
将待解析的报文输入到协议解析模型，协议解析模型获取对应的协议的特殊帧起始位置，然后直接从特殊帧起始位置开始解析，得到特殊帧数据，将特殊帧数据按照电力物联网主站定义的标准数据模型格式，组成标准化的预解析数据并输出；
所述的协议解析模型包括协议帧结构、主站采集点表和解析程序；协议帧结构是对协议帧内容的定义，主站采集点表是对协议中测量点的位置、取值、编码规则的说明，解析程序则是将协议报文字转换为可识读数据的应用程序；
所述的特殊帧包括报文时间戳、设备资产ID、采集功能内容和控制帧内容。
此外，本发明提供的这种电力物联网协议的预解析方法，在处理时还可以采用如下方式
若同时输入M条电力协议报文，则将报文特征数组C扩展为(n+3)*M的特征矩阵C(n+3)*M为
Figure BDA0003779843790000091
然后，在进行协议分类时，使用一个判断条件同时判断矩阵特征矩阵C(n+3)*M中同一列的数据，实现M个协议并发判断，节省系统运算资源。
如图2所示为本发明系统的功能模块图：本发明提供的这种实现所述电力物联网协议的预解析方法的预解析系统，包括协议特征库模块、数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块；数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块依次串接；协议特征库模块同时连接数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块；特征库模块用于获取电力物联网系统所支持的所有协议，并建立协议特征库，同时特征库模块也用于为其他模块提供数据支持；数据接入模块用于与终端建立通信并进行数据交互，获取终端发送的电力协议报文并上传动态辨识模块；动态辨识模块用于对获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置，并将结果上传预解析模块；预解析模块用于根据识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据。

Claims (8)

1.一种电力物联网协议的预解析方法，包括如下步骤：
S1.获取电力物联网系统所支持的所有协议；
S2.根据步骤S1获取的协议，建立协议特征库；
S3.与终端建立通信并进行数据交互，从而获取终端发送的电力协议报文；
S4.对步骤S3获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置；
S5.根据步骤S4识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据。
2.根据权利要求1所述的电力物联网协议的预解析方法，其特征在于步骤S2所述的根据步骤S1获取的协议，建立协议特征库，具体包括如下步骤：
协议特征库为存储电力物联网系统协议特征的关系式数据库；协议特征库包括协议属性和协议报文字特征内容；
协议属性包括电力物联网系统所支持的协议的协议编号、协议名称、协议发行日期和协议版本；
协议报文字特征内容包括电力物联网系统所支持的协议的报文总长度取值范围、固定报文头标识位置、固定报文头标识取值范围、固定报文头长度、特殊帧起始位置、特殊帧长度、特殊帧标识位置、特殊帧标识取值范围、校验帧标识位置、校验帧标识取值范围、校验帧长度，结束帧起始位置和结束帧字符取值范围；其中，一个协议能够对应若干个特殊帧。
3.根据权利要求2所述的电力物联网协议的预解析方法，其特征在于步骤S3所述的与终端建立通信并进行数据交互，从而获取终端发送的电力协议报文，具体包括如下步骤：
与终端建立TCP/IP通信连接，接收所有终端发送的TCP/IP报文包，通过解析TCP/IP报文包得到应用层协议报文。
4.根据权利要求3所述的电力物联网协议的预解析方法，其特征在于步骤S4所述的对步骤S3获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置，具体包括如下步骤：
对步骤S3获取的应用层协议报文的报文字进行分析和特征提取，并转换为特征数组；然后基于获取的特征数组，构建决策树实现报文所述的协议分析，完成协议的辨识。
5.根据权利要求4所述的电力物联网协议的预解析方法，其特征在于所述的步骤S4，具体包括如下步骤：
(1).对步骤S3获取的应用层协议报文的报文字，进行整体分析和特殊位置分析，从而提取报文中的若干个特征值，并组成报文特征数组：
所述的整体分析，具体为对协议报文的整体特性进行记录，包括记录报文的总字节长度Ntotal和空字节数Nnull，形成整体特征数组A为A＝[Ntotal,Nnull]；
所述的特殊位置分析，具体为是对报文字特征字节位置的值进行记录，形成特殊位置特征数组B为B＝[bytes[0],bytes[1],...,bytes[n]]，其中0～n为协议特征库中记录的所有协议的固定报文头起始位置、特殊帧起始位置、校验帧起始位置和结束帧起始位置，bytes[n]为原报文中相应位置对应的值；
(2).合并整体特征数组A和特殊位置特征数组B，组成报文特征数组C为C＝[Ntotal,Nnull,bytes[0],bytes[1],...,bytes[n]]；
(3).读取协议特征库中存储的所有协议和协议报文字特征，为每个协议构建协议判断结合Sprotocol[N]为Sprotocol[N]＝[feature1,feature2,...,featureN]，其中feature1～featureN为根据协议报文字特征提取的判断条件；所述判断条件包括报文总长度取值范围、固定报文头标识位置与取值范围、固定报文头长度、特殊帧标识取值范围、特殊帧长度、校验帧标识位置与取值范围、校验帧长度、结束帧起始位置和取值范围；
(4).以报文特征数组C为输入，以报文特征数组C中的元素是否拟合协议判断结合Sprotocol[N]为判断条件，构建分类决策树，并按照以下方式得到报文分类结果：
对于协议特征集合Sprotocol[N]中每一个标识位置i，若报文特征数组C中的bytes[i]全部在对应的取值范围内，则认定为拟合；
否则，认定为不拟合。
6.根据权利要求5所述的电力物联网协议的预解析方法，其特征在于步骤S5所述的根据步骤S4识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据，具体包括如下步骤：
将待解析的报文输入到协议解析模型，协议解析模型获取对应的协议的特殊帧起始位置，然后直接从特殊帧起始位置开始解析，得到特殊帧数据，将特殊帧数据按照电力物联网主站定义的标准数据模型格式，组成标准化的预解析数据并输出；
所述的协议解析模型包括协议帧结构、主站采集点表和解析程序；协议帧结构是对协议帧内容的定义，主站采集点表是对协议中测量点的位置、取值、编码规则的说明，解析程序则是将协议报文字转换为可识读数据的应用程序；
所述的特殊帧包括报文时间戳、设备资产ID、采集功能内容和控制帧内容。
7.根据权利要求6所述的电力物联网协议的预解析方法，其特征在于所述的电力物联网协议的预解析方法，还包括如下步骤：
若同时输入M条电力协议报文，则将报文特征数组C扩展为(n+3)*M的特征矩阵C(n+3)*M为
Figure FDA0003779843780000041
然后，在进行协议分类时，使用一个判断条件同时判断矩阵特征矩阵C(n+3)*M中同一列的数据，实现M个协议并发判断，节省系统运算资源。
8.一种实现权利要求1～7之一所述的电力物联网协议的预解析方法的预解析系统，其特征在于包括协议特征库模块、数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块；数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块依次串接；协议特征库模块同时连接数据接入模块、动态辨识模块和预解析模块；特征库模块用于获取电力物联网系统所支持的所有协议，并建立协议特征库，同时特征库模块也用于为其他模块提供数据支持；数据接入模块用于与终端建立通信并进行数据交互，获取终端发送的电力协议报文并上传动态辨识模块；动态辨识模块用于对获取的电力协议报文进行辨识处理，识别报文的协议类型与功能区位置，并将结果上传预解析模块；预解析模块用于根据识别得到的报文的协议类型与功能区位置，进行进一步识别并转换为标准化物联信息模型，并输出标准化的预解析数据。
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