網(wǎng)絡(luò)代理在新型遠(yuǎn)動裝置中的應(yīng)用研究

馬 凱，黃 曙，余南華，慕宗君，方 偉，張巧霞

（1.廣東電網(wǎng)公司 電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080；2.許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌461000）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國際電工委員會制定了IEC60870－5－104協(xié)議用于實(shí)現(xiàn)調(diào)度主站系統(tǒng)與遠(yuǎn)動裝置間通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，IEC60870－5－104協(xié)議使用的網(wǎng)絡(luò)模型請參見文獻(xiàn)[1]。

在實(shí)際傳輸中，遠(yuǎn)動裝置與調(diào)度主站系統(tǒng)通過TCP地址建立鏈路連接，一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號確定一個(gè)唯一的TCP地址。由于端口號的限制，遠(yuǎn)動裝置在實(shí)現(xiàn)IEC60870－5－104規(guī)約時(shí)會出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用程序綁定相同IP地址和端口號的問題。隨著智能電網(wǎng)二次一體化的發(fā)展，遠(yuǎn)動裝置將成為變電站端的數(shù)據(jù)中心，它要實(shí)現(xiàn)的功能會更多，需要與主站通信的應(yīng)用程序也更多，端口號沖突的問題也會更加突出，本文探討了一種利用網(wǎng)絡(luò)代理技術(shù)解決該問題的方法。

1 端口沖突問題分析

目前變電站調(diào)度系統(tǒng)一般采用三級調(diào)度主站配置，每級調(diào)度主站需要采集的變電站數(shù)據(jù)信息內(nèi)容是不同的，因此對于遠(yuǎn)動裝置來說，需要針對每級調(diào)度主站創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)表，以滿足不同調(diào)度主站的信息獲取需求。變電站端遠(yuǎn)動通信設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)向不同的主站轉(zhuǎn)發(fā)不同數(shù)據(jù)表，為每個(gè)主站創(chuàng)建一個(gè)IEC60870－5－104規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程只負(fù)責(zé)同一個(gè)主站交互數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)動各轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程與主站間的數(shù)據(jù)通信如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)動裝置與多主站間數(shù)據(jù)通信

該方法實(shí)現(xiàn)簡單，且當(dāng)一個(gè)進(jìn)程出現(xiàn)異常時(shí)，只會影響一級調(diào)度的數(shù)據(jù)傳輸，對其他調(diào)度主站的信息交互不會產(chǎn)生影響。但是該方法在實(shí)現(xiàn)上存在問題:由于端口號的限制，圖1中3個(gè)IEC60870－5－104規(guī)約進(jìn)程使用相同的端口號2404，造成了多個(gè)進(jìn)程共同綁定一個(gè)IP地址＋端口號，而TCP／IP協(xié)議必須通過不同的端口號才能區(qū)分不同的應(yīng)用程序。

隨著調(diào)控一體化、告警直傳、遠(yuǎn)程瀏覽的大力推進(jìn)及應(yīng)用，變電站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)功能采用分布式部署，對外通過遠(yuǎn)動裝置統(tǒng)一出口。此時(shí)部署在監(jiān)控服務(wù)器上的告警直傳、遠(yuǎn)程瀏覽等應(yīng)用程序通過遠(yuǎn)動裝置與多個(gè)主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)也存在相同的問題。

一種常用的解決方案是將多個(gè)端口沖突的進(jìn)程合并為一個(gè)進(jìn)程，但是隨著智能變電站的發(fā)展與建設(shè)，對遠(yuǎn)動裝置提出了更高的要求。新一代遠(yuǎn)動裝置需要完成測控、PMU、保護(hù)、電量、故障錄波等所有變電站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一出口，由于系統(tǒng)功能的復(fù)雜性，該方案已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)。

2 網(wǎng)絡(luò)代理

2.1 網(wǎng)絡(luò)代理模型

網(wǎng)絡(luò)代理是用來實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的多臺計(jì)算機(jī)通過一個(gè)實(shí)際的IP地址連接到Internet的一種方法:在局域網(wǎng)與Internet間增加一個(gè)代理服務(wù)器，僅給代理服務(wù)器申請一個(gè)真實(shí)的IP地址，局域網(wǎng)內(nèi)部的客戶機(jī)由代理服務(wù)器分配一個(gè)虛擬的內(nèi)部IP即可。局域網(wǎng)內(nèi)的客戶機(jī)向Internet發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)發(fā)送給代理服務(wù)器，然后再由代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)出去，網(wǎng)絡(luò)代理的模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)代理模型

代理服務(wù)器在局域網(wǎng)客戶機(jī)與真實(shí)的Internet上的服務(wù)器之間進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，完成訪問控制，地址轉(zhuǎn)換等任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)代理技術(shù)使局域網(wǎng)內(nèi)的多臺計(jì)算機(jī)可以通過一個(gè)實(shí)際的IP連接到Internet上。遠(yuǎn)動系統(tǒng)的多個(gè)應(yīng)用程序需要通過一個(gè)IP和端口號連接到Internet上，與此有相似性，因此可以將網(wǎng)絡(luò)代理的模型應(yīng)用于遠(yuǎn)動系統(tǒng)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)代理在遠(yuǎn)動中的應(yīng)用

將網(wǎng)絡(luò)代理模型引入遠(yuǎn)動系統(tǒng)，在遠(yuǎn)動中增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序，它綁定對外的IP地址和2404端口號，與所有的調(diào)度主站及所有的遠(yuǎn)動應(yīng)用程序建立TCP／IP連接，調(diào)度主站與應(yīng)用程序不建立直接連接。網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序就像圖2中的代理服務(wù)器一樣將從主站來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用程序，將應(yīng)用程序上送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給主站。

網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序功能需求:

（1）與各級主站建立TCP連接，與主站交互數(shù)據(jù)，管理TCP連接；

（2）與被代理的應(yīng)用程序交互數(shù)據(jù)；

（3）建立主站地址與應(yīng)用程序間的地址映射規(guī)則，根據(jù)規(guī)則確定從主站來的數(shù)據(jù)是發(fā)給哪個(gè)應(yīng)用程序的，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)是發(fā)給哪個(gè)主站的；

（4）應(yīng)滿足被代理的應(yīng)用程序與代理程序可以分布式部署要求；

（5）網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序還應(yīng)滿足轉(zhuǎn)發(fā)延遲性能要求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)代理的實(shí)現(xiàn)方式

網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，一種是在IP層或者更低層實(shí)現(xiàn)。本文實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序采用在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的方法，這中實(shí)現(xiàn)方式的好處是:

網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序與主站間及應(yīng)用程序間都通過TCP／IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序與應(yīng)用程序的分布式部署。網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序不進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)包的解析，僅僅實(shí)現(xiàn)連接的轉(zhuǎn)換，從而保證了轉(zhuǎn)換的時(shí)間效率，且可以適用于任何基于TCP／IP協(xié)議的通信規(guī)約。網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)方式如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的實(shí)現(xiàn)方式

3 網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序部署

網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序可以單獨(dú)部署到一臺計(jì)算機(jī)上，也可以和應(yīng)用程序部署在同一臺計(jì)算機(jī)上。同一臺計(jì)算機(jī)上可以部署一個(gè)或者多個(gè)代理程序。代理服務(wù)程序與主站間、與應(yīng)用程序間都是通過TCP／IP連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序部署如圖4所示。圖4中描述了網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的兩種部署方式:

（1）代理服務(wù)程序與被代理的應(yīng)用程序在同一主機(jī)上。部署在遠(yuǎn)動主機(jī)上的104規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)程序、故障錄波轉(zhuǎn)發(fā)程序、繼保信息轉(zhuǎn)發(fā)程序通過部署在同一遠(yuǎn)動裝置上的網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序與外部多個(gè)主站交互數(shù)據(jù)。

（2）代理服務(wù)程序與被代理的應(yīng)用程序分別部署在不同的主機(jī)上。圖中部署在監(jiān)控服務(wù)器上的告警直傳應(yīng)用程序與遠(yuǎn)程瀏覽應(yīng)用程序通過部署在遠(yuǎn)動上的代理服務(wù)程序與多個(gè)主站交互數(shù)據(jù)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序部署方式

3.2 網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)

圖5 描述了網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu):

與主站通信模塊socket＿server:負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序與調(diào)度主站之間建立TCP／IP連接、接收主站發(fā)送的數(shù)據(jù)，向主站發(fā)送數(shù)據(jù)；

主站地址轉(zhuǎn)換模塊:描述連接的調(diào)度主站網(wǎng)絡(luò)信息，作為規(guī)則的輸入，通過規(guī)則找到目的應(yīng)用程序的地址；

應(yīng)用程序地址轉(zhuǎn)換模塊:描述要應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)信息，根據(jù)應(yīng)用程序的地址通過規(guī)則找到目的主站地址。

規(guī)則模塊:建立調(diào)度主站與應(yīng)用程序之間的地址映射規(guī)則，該映射通過讀取配置文件建立；規(guī)則子模塊還負(fù)責(zé)在socket＿server與socket＿master之間建立數(shù)據(jù)指針級連接。

圖5 網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序軟件體系結(jié)構(gòu)

與應(yīng)用進(jìn)程通信模塊scoket＿master:負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序與被代理的各應(yīng)用程序間建立TCP／IP網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)信息交互。

3.3 邏輯規(guī)則模型

如圖6所示為一組邏輯規(guī)則的模型，每一個(gè)調(diào)度主站IP地址由一個(gè)規(guī)約模塊綁定的IP地址和一個(gè)規(guī)約模塊綁定的端口號對應(yīng)。該邏輯規(guī)則模型建立了調(diào)度主站與IEC60870－5－104規(guī)約模塊之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖6 邏輯規(guī)則模型

如圖7所示為一個(gè)邏輯規(guī)則配置示例，該配置文件采用XML文件格式。描述了兩個(gè)規(guī)約模塊與調(diào)度主站之間的連接關(guān)系。

10.3 3.178.65主站與10.33.178.81調(diào)度主站訪問綁定2405端口的規(guī)約發(fā)表模塊，實(shí)現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)信息交互。

10.3 3.6.6主站與10.33.6.7調(diào)度主站訪問綁定2406端口的規(guī)約發(fā)表模塊，實(shí)現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)信息交互。

銅塊打磨拋光去除表面氧化層，用乙醇和去離子水多次清洗，氮?dú)獯蹈纱?。配置濃度?.02 M硝酸銀溶液, 銅塊浸入硝酸銀溶液，控制化學(xué)鍍時(shí)間分別為10 s、20 s、30 s、60 s。取出后，用去離子水清洗表面，除去未參加反應(yīng)的硝酸銀，然后氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序?qū)ν饨壎ǖ腎P地址為10.33.187.193，對外綁定的端口號為2404。

圖7 邏輯規(guī)則配置示例

3.4 數(shù)據(jù)交互流程

3.4.1 連接建立流程

調(diào)度主站向遠(yuǎn)動裝置網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序發(fā)起socket連接請求，與外部主站通信模塊接收到調(diào)度主站的連接請求后，獲取調(diào)度主站的IP地址信息，調(diào)用規(guī)則子模塊驗(yàn)證調(diào)度主站IP地址信息，如果能夠找到相應(yīng)的規(guī)則，將命令消息轉(zhuǎn)移到socket＿master處理模塊，否則，拒絕調(diào)度主站的本次連接。

socket＿master模塊根據(jù)規(guī)則向被代理的應(yīng)用程序發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接請求，應(yīng)用程序響應(yīng)或拒絕網(wǎng)絡(luò)連接請求。規(guī)則子模塊在socket＿server與socket＿master之間建立數(shù)據(jù)指針級連接，以便于以后的數(shù)據(jù)信息交互。

主站與應(yīng)用程序連接建立流程如圖8所示。

圖8 連接建立序列

3.4.2 接收到調(diào)度數(shù)據(jù)流程

調(diào)度主站向網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序發(fā)送TCP／IP數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的socket＿server接收到調(diào)度主站的TCP／IP數(shù)據(jù)包后，獲取socket＿master連接指針信息，通過scoket＿master連接把接收到TCP／IP數(shù)據(jù)包發(fā)送給IEC60870－5－104規(guī)約模塊。應(yīng)用程序接收調(diào)度數(shù)據(jù)流程如圖9所示。

圖9 應(yīng)用程序接收調(diào)度數(shù)據(jù)序列

應(yīng)用程序向網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序發(fā)出TCP／IP數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的socket＿master接收到本地轉(zhuǎn)發(fā)表模塊的TCP／IP數(shù)據(jù)包后，獲取socket＿server連接指針信息，通過socket＿server把接收到的TCP／IP數(shù)據(jù)包發(fā)送給調(diào)度主站。應(yīng)用程序主動發(fā)起數(shù)據(jù)流程如圖10所示。

圖10 應(yīng)用程序主動發(fā)起數(shù)據(jù)流程序列

3.4.4 連接斷開流程:

調(diào)度主站發(fā)起斷鏈:調(diào)度主站由于某些原因需要斷開與網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的TCP／IP連接時(shí)，網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序同時(shí)斷開與IEC60870－5－104規(guī)約模塊之間的TCP／IP連接。調(diào)度主站發(fā)起斷鏈流程如圖11所示。

規(guī)約模塊發(fā)起斷鏈:IEC60870－5－104規(guī)約模塊由于某些原因需要斷開與網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的TCP／IP連接時(shí)，網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序同時(shí)斷開與調(diào)度主站之間的TCP／IP連接。

圖11 調(diào)度主站發(fā)起斷鏈流程序列

4 局限性

本文提出的網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序受到遠(yuǎn)動裝置支持的實(shí)際網(wǎng)卡個(gè)數(shù)限制，由于一個(gè)規(guī)約進(jìn)程一般僅綁定一個(gè)端口號，而規(guī)約進(jìn)程需要判別每個(gè)連接的對方IP地址，因此，每個(gè)應(yīng)用程序的最大連接個(gè)數(shù)為遠(yuǎn)動裝置的實(shí)際物理網(wǎng)卡個(gè)數(shù)。

遠(yuǎn)動裝置能夠支持的調(diào)度連接數(shù)目也受到遠(yuǎn)動裝置本身能夠支持的應(yīng)用進(jìn)程個(gè)數(shù)限制，由于每個(gè)應(yīng)用進(jìn)程支持的連接個(gè)數(shù)有限，當(dāng)同一級調(diào)度存在多個(gè)IP地址來訪問轉(zhuǎn)發(fā)表時(shí)，需要采用擴(kuò)展應(yīng)用進(jìn)程個(gè)數(shù)來解決，即:調(diào)度主站連接個(gè)數(shù)＝規(guī)約進(jìn)程個(gè)數(shù)＊物理網(wǎng)卡個(gè)數(shù)。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了在遠(yuǎn)動裝置中實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序的方法，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動裝置多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程同時(shí)使用相同IP與端口號與多級調(diào)度主站通信。該網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序能夠?qū)崿F(xiàn)基于TCP／IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接轉(zhuǎn)換，建立調(diào)度主站與遠(yuǎn)動轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用程序之間的網(wǎng)絡(luò)連接；網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序不進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)包的解析，僅僅實(shí)現(xiàn)連接的轉(zhuǎn)換，從而保證了轉(zhuǎn)換的時(shí)間效率。

由于網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)程序不進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)包的解析，僅僅實(shí)現(xiàn)連接的轉(zhuǎn)換，因此，可以適用于任何基于TCP／IP協(xié)議的通信規(guī)約。

該方法經(jīng)過變電站現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行，在遠(yuǎn)動裝置采用多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程與多級調(diào)度通信方面具有很好的效果，并且能夠滿足調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)雙平面建設(shè)的需求。

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