便携式电力通信规约检测仪及其检测方法

专利名称：便携式电力通信规约检测仪及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种对电力系统通信及其过程进行实时检测的仪器， 同时涉及该检测仪的检测方法，属于电力系统通信检测技术领域。
背景技术：
当前电力系统已普遍采用自动化系统进行监一见、控制和调度工作，
如能量管理系统EMS、变电站综合自动化系统SCADA等。这些系统的 信息来源和控制都依赖网络通信，而且随着基于IEC61850通信体系 的数字化变电站的实施和大面积推广，传统的通过电缆连接方式传递 测控计量电流电压、断路器和隔离刀闸的控制联闭锁、继电保护跳合 闸、启动、闭锁等信号，也已改为通过网络通信方式实现。因此，电 力自动化系统的网络通信的正确传送就尤为重要。
通过近几年对电力自动化系统运行缺陷统计分析发现，因网络通 信缺陷导致电力自动化系统运行异常呈上升趋势。这是由于目前电 力自动化系统中的各子系统往往采用多个厂家的不同产品，各厂家对 通信规约的理解存在不一致，而且出于某些目的对规约进行修改和扩 充的现象也非常普遍；各个厂家在通信规约的实现能力上参差不齐， 导致在工程现场修改程序的现象比较平凡，使得产品缺乏足够严格的 测试过程以保证通信的可靠性。据发明人所知，荷兰的KEMA咨询公 司为国际上标准一致性测试权威机构，但其是实验室测试，无法在工 程现场进行测试，也不具备系统健壮性测试，同时，其测试用例与工 程现场也不完全一致，而且产品还有在工程现场修改的可能，因此， KEMA的测试结果不足以保证通信的可靠性。
现有电力自动化系统在实际运行中的通信故障较多，这些通信故
8障主要体现在以下几个方面后台监控事故时动作事件记录不完整， 保护测控装置因通信问题引起自复位，通信单元或后台监控功能异常 或死机，调度和无人值班集控中心自动化系统收到的数据(报文)不 全甚至全部丟失，遥测数据异常跃变，遥信数据异常变位，测控装置 防误操作联闭锁故障以及计算机网络遭病毒攻击等等。由于缺乏有效 的技术手段，目前维护人员往往只能对这些通信故障进行定性分析， 因此不利于综合自动化系统的安全运行。
经检索发现，申请号200610098252. 8的中国专利《通讯规约记录 分析装置及其分析方法》公开了 一种分体式通讯规约记录分析装置， 该装置的主要技术方案是一个分布式结构，由分配在各个通信节点的 通信记录仪和一个分析管理机组成，通信记录仪和分析管理机之间用 单独的以太网连接；在规约记录仪中，串口接入;f莫块、以太网接入才莫 块、CAN网接入模块、L0NW0RK模块、GPS模块的输出端分别与CPU模 块的输入端连接，CPU模块的输出端接装置异常输出模块、大容量存 储模块的输入端，键盘显示模块与CPU模块相连接；规约记录装置的 输出端接规约分析装置的输入端将记录的内容供规约分析管理机分 析。该装置的分析方法主要步骤是1)通信记录仪的通信记录模块 根据通信配置文件对每个需要记录的通信端口的报文经捕捉，并每10 分钟保存一个通信端口的原始通信报文，产生一个记录文件；2)通 信记录^[义的通信记录;f莫块每产生一个记录文件后通知上行通信纟莫块， 上行通信模块将主动和分析管理机的下行通信模块通信，将该记录文 件上传到分析管理机；3)分析管理机的下行通信模块在完整接收一 个记录文件后依据通信配置文件对记录文件进行分类统一存储，此时 并不对记录文件进行分析，而是等待用户的选择再进行分析；4)当 用户选择分析某个通信端口的某个时间段的通信报文时，分析管理机 在进行报文分析时利用通信配置文件取得相应的通信参数信息和规
9约信息，自动调用相应的规约分析模块来分析记录文件，产生分析结
果，并对分析结果经格式化显示；5)规约分析模块的分析方法是， 依据规约中报文的格式从记录文件中读取原始报文，然后依据规约对 原始报文按照字节和字节组合顺序进行分析，再依据规约对报文和报 文之间的关系进行分析。
上述通讯规约记录分析装置及分析方法存在以下问题 1)该装置的记录仪所述的各接入模块和存储器并行与CPU模块连接， 众所周知，CPU是串行工作方式，当多个接入模块同时高速传送报文 到CPU模块时会造成报文丟失。同时CPU模块将多个接入模块传送来 的报文传送给存储器进行报文存储，而存储器的数据吞吐量远小于接 入模块的速率，又会造成存储时的报文丢失。 一旦才艮文丟失，记录存 储的报文就不完整，等出了故障后调阅这些不完整的报文进行分析时 就会出错，甚至根本找不到报文产生故障的原因，从而无法进一步查 找和排除相应的电网故障，进而造成较大的事故。 2 )该装置中所述的某些模块(如CAN网接入模块、L0NW0RK模块等) 只有笼统的名词，没有相关的电路图和实现机制，不知道具体结构是 什么，本领域技术人员无法依据专利文件进行制作。
3) 该装置是分体式固定装置，需要在各输变电站综合自动化系统种 布置多台，成本巨大，不便移动和携带。
4) 该装置是先记录并存储各报文，等出了故障后再调阅存储的历史 报文记录来分析报文故障原因，不能实时在线分析报文，难以快速及 时地发现导致事故隐患的网络通信故障并找出故障原因，从而实际上 对因隐藏的网络通信存在故障所导致的实时电网故障的排除和避免 扩大无所作为。
5) 该装置的分析管理机所述的分析方法描述模糊不清楚，该分析方 法"依据规约对报文按照字节和字节组合顺序进行分析，再依据规约对报文与报文之间的关系进行分析"，非常不全面，没有字节与字节
或字节组合之间的关系、字节分支等等；没有环境关联分析、规约符 合性分析等。其大部分内容为其所分析的对象和分析的结果，本领域
技术人员难以:接照该分析方法对记录的报文实现有效的分析。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种真正能对现行电力自动化 系统内的所有通信数据进行完整采集和分析的便携式电力通信规约 检测仪及其冲企测方法；利用该4企测仪及其检测方法应当能对电力自动 化系统的所有报文进行完整采集并分析确定各报文故障的原因及报 文故障的地点，从而方便维护人员及时排除与报文故障相应的电网故 障和安全隐患，进而提高电力自动化系统运行的安全稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是 一种便 携式电力通信规约检测仪，包括安置在一便携机箱内的采集装置和分 析装置，所述采集装置含有报文侦听器和并行转串行处理器，所述分 析装置含有CPU、分析系统、分别与CPU连接的输入器和显示器；所 述报文侦听器的输入端接入电力通信链路，其输出端并行连接于并行 转串行处理器的输入端；所述并行转串行处理器的输出端串行连接于 CPU,所述报文侦听器和并行转串行处理器的控制端分别连接CPU，所 述分析系统含有用于从并行转串行处理器读取所述电力通信链路的 报文的采集模块、用于对所述报文进行网络分析的网络分析模块、用 于对经网络分析后的报文的应用层进行规约分析的规约分析模块和 用于调度和管理所述模块的调度管理模块。
实践表明，由于对电力通信规约的检测是完成对整个电力通信网 络数据的侦听，故侦听网口必须工作在混杂模式下，即侦听网口要接 受所有通过它的数据流，不管是什么格式，什么地址的。如果采用传 统的CPU直接接收数据的方式进行设计，由于CPU对中断处理的限制，在网络数据量较大，特别是小包大量传输的过程中，系统必然产生丢 包，且数据包时标无法准确标记。而本发明的检测仪出乎意料地采用 并行转串行处理器与各报文侦听器的输出端口并行连接，使得报文输
入CPU之前得以緩沖；因此即使侦听的各通信链路报文流量很大，各 报文在到达CPU之前也不会存在丢失的可能。同时，又由于本发明枱r 测仪的报文是先经过规约分析模块进行实时规约分析后再存储，因 此，即使存储速率较慢时丟失部分报文，也不会影响发现和分析报文 故障。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是 一种便 携式电力通信规约检测仪的检测方法，包括以下步骤
1) 启动所述检测仪，通过所述输入器配置待4企测电力通信链路 的参数和特定规约关联指定并形成系统配置文件；
2) 所述分析系统进行初始化，即所述CPU首先加载调度管理才莫 块、网络分析模块和采集模块，所述调度管理模块依据所述系统配置 文件再加载M^约分析纟莫块；
3) 所述报文侦听器通过侦听电力通信链路的报文，并将该报文 并行传送至并行转串行处理器，所述并行转串行处理器对并行接收来 的报文加入时间戳，并将加入时间戳后的报文进行緩存；
4) 所述采集模块从并行转串行处理器读取緩存的报文，并将该 报文送入网络分析模块；
5) 所述网络分析模块依据0SI模型各协议层语法和语义对送入 网络分析模块的报文进行网络语法和语义分析直至该报文的应用层， 并将应用层的报文送入规约分析模块，并将网络语法和语义分析结果 送往显示界面；
6) 所述规约分析模块依据规约的语法和语义对所述应用层的报 文进行规约语法和语义分析，并将规约语法和语义分析结果送往显示界面。
本发明的便携式电力通信规约检测仪按照上述检测方法可以在 线实时检测多个待检测的电力通信链路，当发现报文故障后，可以第 一时间发现通信故障原因和地点，为及时排除通信故障提供了可能， 从而可以避免事故的进一步扩大，减少通信故障对电网正常运行带来 的影响。
综上，本发明的便携式电力通信规约检测仪及其检测方法，不仅 改变了现有通讯规约记录分析装置及其分析方法所采用的先记录后 分析的状况，从而可以在线实时对各电力通信链路的报文进行分析，
并及时捕捉报文故障；而且彻底解决了现有通讯规约记录分析装置存 在的丢失报文的问题，从而真正实现对电力通信链路的报文进行完整 有效的分析。
上述技术方案之一的改进是所述并行转串行处理器是FPGA处 理器或多个协同工作的单片机。
上述技术方案之一的进一步改进之一是所述报文侦听器是交换 机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报文侦听器、串口信号报文侦 听器和MODEM载波信号报文侦听器之一，所述报文侦听器的输入端接 入交换机通信链路、网络通信链路、串口电力通信链路和载波电力通 信链路之一。
上述技术方案之一的进一步改进之二是所述"R文侦听器是交换 机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报文侦听器、串口信号报文侦 听器和MODEM载波信号报文侦听器，该四个报文侦听器的各自输入端 分别接入串口电力通信链路、交换机通信链路、网络通信链路和载波 电力通信链路。
上述技术方案之一的更进一步改进是还包括存储器，所述分析 系统还含有用于将采集模块读取的报文经过分析系统分析后传送至
13存储器存储的记录模块。这样，在报文经过分析系统分析后对报文进 行保存，以便在事故追忆和反演过程中提供宝贵的现场运行信息，可 以起到举一反三的作用。
上述技术方案之一的再进一步改进是所述分析系统还含有用于 对网络分析模块和规约分析模块产生的分析结果进行二次统计分析 的统计分析模块。这样，可以使分析结果更加直观化，并可以直观地 观察到需要在长期监视并形成值序列后才能发现存在问题。
上述技术方案之一的又进一步改进是所述FPGA处理器主要含 有型号为ALTERA EP3C25Q240的芯片，该芯片通过千兆的以太网口连 接CPU;所述串口报文侦听器是分别提供RS485、 RS422和RS232三种 通信接口的三合一 串口报文侦听器；所述MODEM栽波信号报文侦听器 含有用于侦听一路MODEM载波电力通信链路的二路MODEM载波接收接 口 ，其二路接收接口分别并接到MODEM载波电力通信链路的一对收、 发线上；所述CPU是型号为MPC837的嵌入式处理器。
上述技术方案之一的继续改进是所述输入器采用键盘、鼠标或 触摸屏幕输入器，所述显示器是通用CRT或液晶显示器，所述存储器 是通用SSD硬盘；所述报文侦听器的接口总带宽是400Mbps;所述存储 器的写盘速度为640Mbps-800Mbps。
上述技术方案之二的改进之一是 ——所述第1)步中的特定规约关联指定是选择与待检测电力通信链 路的特定规约相应的语法模型文件和语义模型文件； ——所述第2)步中的规约分析模块是通过语法模型文件和语义模型 文件形成特定规约的语法和语义环境并对该特定规约进行语法和语 义分析的通用模块；加载规约分析模块是依据系统配置文件中指定的 语法模型文件和语义模型文件进行初始化，即生成针对特定规约的协 议层、语法分析器、会话通道管理器、语义分析器，随后将协议层组
14织为协议栈，接着为每个协议层配备相应的语法分析器和会话通道管
理器，然后为每个会话通道管理器配置语义分析器； ——所述第6)步中的规约语法和语义分析是，从所述协议栈的底层 向上依次在每个协议层对所述应用层的报文使用语法分析器进行语 法分析，并将获得的语法分析树传递给会话管理器，由会话管理器将 语法分析树分发给会话管理器接收和发送两端的语义分析器进行语 义分析，语法分析器和语义分析器分别将剩余应用层的:R文和语义分 析结果向所述协议栈的上一层传递，由上一层再次进行上述过程，直 到到达协议栈的顶端，获得所述应用层报文的分析结果。
上述技术方案之二的改进之二是 ——所述第1)步中的关联指定是选择与待检测电力通信链路的特定 规约相应的规约分析模块；
—--所述第2)步中的加载规约分析模块是依据系统配置文件中指定 的与特定规约相应的规约分析模块；所述规约分析模块是通过程序设
计形成特定规约的语法和语义环境并对特定规约进行语法与语义分 析的非通用模块；
——所述第6)步中的规约语法和语义分析是，所述应用层报文按照 字节的bit位、字节的bit位组合、字节或字节组合形成单元报文结 构，然后单元报文结构又组合成复合报文结构，再对所述报文结构之 间的关系进行语法分析并形成语法分析结果，然后从语法分析结果中 提取与上下文环境相关报文结构的值进行语义分析并形成语义分析 结果，获得所述应用层报文的分析结果。
上述技术方案之二的进一步改进是 ----所述第2)步中的加载网络分析模块是，生成针对OSI模型的协 议层、语法分析器、会话通道管理器、语义分析器，随后将协议层按 照0SI七层4莫型组织为协议栈，接着为每个协议层配备相应的语法分
15析器和会话通道管理器，然后为每个会话通道管理器配置语义分析
器；
——所述第5)步中的网络语法和语义分析是，从所述协议栈的底层 向上依次在每个协议层使用语法分析器对送入网络分析模块的报文 进行语法分析，并将获得的语法分析树传递给会话管理器，由会话管 理器将语法分析树分发给会话管理器接收和发送两端的语义分析器 进行语义分析，语法分析器和语义分析器分别将剩余的>^艮文和语义分 析结果向所述协议栈的上一层传递，由上一层再次进行上述过程，直 到到达协议栈的应用层，将应用层报文送入所述规约分析才莫块进行规 约分析，同时获得对送入网络分析模块的报文的分析结果。
上述技术方案之二的更进一步改进是所述第2)步中分析系统进 行初始化时，还加载统计分析模块；还包括有第7)步骤，所述网络 分析模块和规约分析模块将分析结果送给统计分析模块进行统计分 析，所述统计分析是将分析结果中的部分报文结构的值提取出来形成 图表，在至少两帧报文后将提取出来的值进行运算和比较并形成统计 结果，将统计结果送往显示界面。这样，用户可以直观地观察到需要 在长期监视并形成值序列后才能发现存在问题。
上述技术方案之二的再进一步改进是所述语法分析模型文件和 语义分析模型文件是预设或现场通过输入器导入所述规约分析模块 内。
上述技术方案之二的又进一步改进是所述第2)步中分析系统 进行初始化时，还加载记录模块；所述步骤4)中，所述记录模块将 采集模块读取的^R文经过分析系统分析后传送至存储器存储。
上述技术方案之二的完善是所述调度管理模块依据所述系统配 置文件对报文侦听器和并行转串行处理器的工作参数进行设置。


下面结合附图对本发明的便携式电力通信规约检测仪作进一 步 说明。
图1是本发明实施例便携式电力通信规约检测仪的结构框图。
图2是图1中控制系统的结构框图。
图3是图1中FPGA处理器的电游"原理图之一。
图4是图1中FPGA处理器的电if各原理图之二。
图5是图1中交换机端口镜像信号报文侦听器的电路原理图。
图6是图1中网络信号报文侦听器的电路原理图。
图7是图1中串口信号报文侦听器的电路原理图。
图8是图1中MODEM载波信号报文侦听器的电路原理图之一。
图9是图1中MODEM载波信号报文侦听器的电路原理图之二。
图10是本发明实施例便携式电力通信规约检测仪的检测方法的
流程图。
具体实施例方式
实施例一
本实施例的便携式电力通信规约检测仪如图1和图2所示，包括 安置于一手持机箱内的采集装置1和分析装置2。采集装置1含有报 文侦听器和并行转串行处理器；其中，报文侦听器由交换机端口镜像 信号报文侦听器4、网络信号报文侦听器5、串口信号报文侦听器6 和MODEM载波信号报文侦听器7四个报文侦听器构成，并行转串行处 理器由FPGA处理器3构成。分析装置含有CPU8、分41"系统11、分别 与CPU8连接的输入器9和显示器10;其中，CPU8采用嵌入式处理器 (型号是MPC8377 ),输入器9采用键盘、鼠标或触摸屏幕输入器等， 显示器10采用通用CRT或液晶显示器。上述四个报文侦听器的各自 输入端分别接入交换机通信链路13、网络通信链路14、串口电力通 信链路15和载波电力通信链路16,该四个报文侦听器的各自输出端
17并行连接于FPGA处理器3的输入端。FPGA处理器3的输出端通过千 兆网口串行连接于CPU8，上述四个报文侦听器和FPGA处理器3的各 自控制端分别连接CPU8。
由于上述四个报文侦听器的输出端分别并行连接于FPGA处理器3 的输入端，四个报文侦听器的输出速率一般是十兆或百兆，FPGA处理 器3的千兆网口输出端速率远高于从四个报文侦听器输入的速率，加 之四个报文侦听器传输的报文在FPGA处理器经过緩存后输出，因此 可以保证四个报文侦听器所采集的所有报文能够完整传输给CPU8而 不会丢失。
如图2所示，分析系统ll含有用于从FPGA处理器3读取电力 通信链路的报文的采集模块17、用于对采集的报文进行网络分析的网 络分析模块18、用于对经网络分析后的报文的应用层进行规约分析的 规约分析模块19和用于负责各模块间的调度和管理的调度管理模块 20。
本实施例的便携式电力通信规约检测仪还包括连接CPU8的存储器 21，存储器21采用SSD硬盘(solid state disk固态硬盘)。分析系 统11还含有用于将采集模块17读取的报文经过分析系统分析后传送 至存储器存储的记录模块22、用于对网络分析模块18和规约分析模 块19的分析结果进行统计分析的统计分析模块23。
如图3和图4所示，FPGA处理器3主要含有型号为ALTERA EP3C25Q240的芯片Ul,该芯片Ul内将交换机端口镜像信号报文侦听 器4、网络信号报文侦听器5、串口信号报文侦听器6和MODEM载波 信号报文侦听器7四个报文侦听器采集到的数据在其内部进行处理 后，通过千兆的以太网口传输给CPU8，其中芯片Ul的千兆网口是其 在内部形成了 一个千兆MAC软核。该千兆MAC软核再通过其RGMII接 口 (93脚到120脚)先连接到芯片U6 (型号是VSC8601)的千兆PHY上，在PHY上实现以太网物理层的转换，然后通过第一网络隔离变压 器T1和第一双连RJ45 4妄口 Jl的A端口 (如图5所示)与CPU8相连 实现物理链路上的连接。
交换机端口镜像信号报文侦听器4如图5所示，外部交换机的镜 像端口 (交换^^通信链路14 )通过第一双连RJ45插座Jl的B端口经 第二网络隔离变压器T2连接到芯片U5 (型号KS8721BL)的1OOMPHY上， 在芯片U5上实现以太网物理层转换后将接收到的数据以标准的RMII 口传送给FPGA处理器3进行处理。FPGA处理器3在其内部的BANK3 上实现一个100MMAC,然后通过RMII 口 (芯片Ul的63-80脚)与芯片 U5 (如图5所示)的PHY对接。
网络报文侦听器如图6示，第二双连RJ45插座J2的A、 B端口 分别作为外部网络(网络通信链路15)信号的输入、输出口， A、 B 两端口在内部实现了物理上的直连，可以保证侦听时不对外部网络的 正常通信造成破坏。外部网络的收发两路信号分别通过第三、第四网 络隔离变压器T3、 T4分别传送到两个芯片U3和U4(型号KS8721BL) 的100M PHY上，在两个芯片U3和U4实现以太网物理层转换后，再 通过RMII 口传输给FPGA处理器3进行处理。FPGA处理器3在其内部 的BANK1和BANK2上实现两个100M MAC,并分别通过RMII 口 (芯片 Ul得4-22脚和38-57脚)与两个PHY芯片U3和U4 (如图6示)实现 对接。
如图7示，串口报文侦听器6是三合一串口报文侦听器，分别提 供RS485、 RS422和RS232三种通信接口，其主要功能是实现几种串 行数字接口之间电平转化与驱动，并将接收到串口电力通信链路13 的信号转化成统一TTL电平的UART信号送给FPGA处理器3进行处理。 当需要侦听的串口电力通信链路13是RS485通信方式时，外部串口 设备的RS485接口的A (RX+)、 B ( RX-)分别并到芯片U8、 U9、 U10
19或U14 (型号ADM485AR)的6、 7两个引脚上。芯片U8、 U9、 U10或U14 完成RS485电平到TTL电平转换后通过其上引脚1把接收到的凄t据输 出到FPGA处理器3的串口数据接收端(芯片Ul的145、 139、 214、 226引脚上)；在RS485侦听模式下，串口报文侦听器6能同时侦听4 路RS485串口。当需要侦听的串口电力通信链路13是RS422通信方 式时，用两路RS485 口去侦听一路外部目标RS422链路。 一路RS485 连接到外部目标RS422发送链路的Y(TX+)、 Z(TX-)两根线上，另一路 RS485的连接到RS422接收链路的A(RX+) 、 B(RX-)两根线上。当需要 侦听的串口电力通信链路13是RS232通信方式时，串口报文侦听器6 则用两路RS232接收来侦听一路外部目标RS232链i 各的收发两根线。 外部目标RS2 32链路的接收端或者发送端并接到芯片Ul 1或Ul2 、 Ul 3、 U15(型号SP3223EEY)的16引脚上，芯片Ull或U12、 U13、 U15完成 RS232电平到TTL电平转换后，通过其上15引脚把4妄收到的数据输出 到FPGA处理器3的串口数据接收端(芯片Ul的144、 142、 216、 230 引脚上)。
MODEM栽波信号才艮文侦听器7如图8和图9所示，MODEM载波信 号报文侦听器7提供二路M0DEM载波接收接口 ，可用来侦听一路MODEM 通信的目标链路(载波电力通信链路16)。 MODEM载波信号报文侦听 器7的两路接收接口分别并接到该目标链路的一对收、发线上。载波 模拟信号通过第五、第六隔离变压器T5、 BT5耦合输出到调制解调芯 片U16、 U17(型号MC145503)上进行解调，然后通过芯片U18、 U19(型 号74HC299)进行串并转换后，并行数据再送到单片机U20、 U21 (型号 STC89c51Rc)上进行解码，解码后的数据通过单片4几U20、 U21上的各 自11脚以TTL电平串行信号方式再传送给FPGA处理器3进行数据处 理。
本实施例的便携式电力通信规约检测仪釆用FPGA处理器3直接
20在MAC层实现数据记录并緩存，并通过网线与CPU8进4亍数据交换， 其中有三个重要的带宽指标， 一是侦听接口的总带宽，二是硬盘的写 盘速度，三是网线带宽。要实现完整有效;险测，侦听4妻口的总带宽应 小于硬盘写盘速度，网线带宽应大于侦听网口总带宽与硬盘写盘速度 之和，并留有余度。本实施例检测仪设计的带宽指标是每个报文侦 听器的接口带宽是100Mbps(网络风暴时)，则四个报文侦听器的接口 总带宽=4 x 100Mbps-400Mbps;现在一询殳的SSD石更盘的写盘速度为 麵B/s-100MB/s，即640Mbps-800Mbps;网线带宽是千兆带宽。由此可 见，本实施例检测仪的设计带宽可以满足检测时不丢失数据的需求。
显然，上述本实施例的便携式电力通信规约检测仪可以精简和变 化的方案有l)交换机端口镜像信号报文侦听器4、网络信号报文侦 听器5、串口信号报文侦听器6和MODEM载波信号报文侦听器7四个 报文侦听器也可以只保留其中之一、之二或之三，或者再增加其他通 信方式的报文侦听器；2)FPGA处理器3以及四个报文侦听器的具体电 路构成不局限本实施例的电路结构；3) FPGA处理器3的输出端也可 以通过PCI总线或其他连接方式与CPU8串行连接；4 )存储器21以 及记录模块22也可以省去，本实施例的检测仪只进行实时检测分析 而不记录；5 ) FPGA处理器3也可以由多个协同工作的单片机或其他 并行转串行处理器代替。
本实施例的便携式电力通信规约检测仪的检测方法，如图10所 示，包括以下步骤
1)启动检测仪，通过输入器9配置待检测电力通信链路的参数 和对特定规约进行关联指定并形成系统配置文件， ----特定关联指定是选择与待检测电力通信链路的特定规约相应的 语法模型文件和语义模型文件，
-一-语法分析模型文件和语义分析模型文件通过预设或现场通过输入器9导入^企测仪内，
——调度管理模块20依据系统配置文件对交换机端口镜像信号报文 侦听器4、网络信号报文侦听器5、串口信号报文侦听器6和MODEM 载波信号报文侦听器7四个报文侦听器以及FPGA处理器3的工作参 数进行设置；
2 )分析系统进行初始化，即CPU8首先加载调度管理模块20、网 络分析模块18和采集模块17、记录模块22和统计分析模块23,调 度管理模块20依据系统配置文件再加载规约分析模块19， -—-规约分析模块19是通过语法模型文件和语义模型文件形成特定 规约的语法和语义环境并对该特定规约进行语法和语义分析的通用 模块，即分析系统内部只有一个规约分析模块，不同的规约通过语法 模型文件和语义模型文件来标识，
——加载网络分析模块18是，生成针对0SI(0pen System Interconnection开放系统互联)模型的协议层、语法分析器、会话通 道管理器、语义分析器，随后将协议层組织为协议栈，接着为每个协 议层配备相应的语法分析器和会话通道管理器，然后为每个会话通道 管理器配置语义分析器
——加载规约分析模块19是依据系统配置文件中指定的语法模型文 件和语义模型文件进行初始化，即生成针对特定规约的协议层、语法 分析器、会话通道管理器、语义分析器，随后将协议层组织为协议栈， 接着为每个协议层配备相应的语法分析器和会话通道管理器，然后为 每个会话通道管理器配置语义分析器；
3)交换机端口镜像信号报文侦听器4、网络信号报文侦听器5、 串口信号报文侦听器6和MODEM栽波信号报文侦听器7四个报文侦听 器通过电力通信链路侦听电力通信链路的报文，其中串口信号报文侦 听器6和MODEM载波信号报文侦听器7 (非以太网电力通信链路报文侦听器)首先产生一帧以太网UDP报文，然后将侦听的报文作为UDP 报文的应用层，接下来四个报文侦听器将直接侦听的以太网报文并行 传送至FPGA处理器3， FPGA处理器3对并行接收来的报文加入时间 戳，并将加入时间戳后的报文进行緩存，四个报文侦听器传送的报文 分别进行緩存；
4 )采集模块17从FPGA处理器3读取緩存的报文，并将该报文 送入网络分析模块18,采集模块17在该报文完成分析后将该报文送 入纪录模块22,记录模块22再将该报文传送至存储器21存储；
5 )网络分析模块18依据0SI模型各协议层语法和语义对送入网 络分析模块的报文进行网络语法和语义分析直至该报文的应用层，并 将应用层的报文送入规约分析模块，
--一网络语法和语义分析是，从协议栈的底层向上依次在每个协议层 使用语法分析器对送入网络分析模块18的报文进行语法分析，并将 获得的语法分析树传递给会话管理器，由会话管理器将语法分析树分 发给会话管理器接收和发送两端的语义分析器进行语义分析，语法分
栈的上一层传递，由上一层再次进行上述过程，直到到达协议栈的应 用层、协议栈的顶端或报文结尾时)获得对送入网络分析模块18的 报文的网络分析结果，
——将应用层报文送入规约分析模块19进行规约分析，将网络分析 结果送入统计分析;f莫块23进行统计并显示；
6 )规约分析模块19依据规约的语法和语义对应用层的报文进行 规约语法和语义分析，
——规约语法和语义分析是，从协议栈的底层向上依次在每个协议层 对应用层的报文使用语法分析器进行语法分析，并将获得的语法分析 树传递给会话管理器，由会话管理器将语法分析树分发给会话管理器
23接收和发送两端的语义分析器进行语义分析，语法分析器和语义分析 器分别将剩余应用层的报文和语义分析结果向所述协议栈的上一层 传递，由上一层再次进行上述过程，直到到达协议栈的顶端或报文结 尾时，获得应用层l艮文的规约分析结果，并将规约分析结果送往统计 分析模块进行统计并显示，
7)网络分析模块18和规约分析模块19将各自的分析结果送给 统计分析模块23进行统计分析，即将分析结果中的部分报文结构的 值提取出来制成图表，在至少两帧报文后将提取出来的值进行运算和 比较并形成统计结果，再将统计结果送往显示界面。 实施例二
本实施例的便携式电力通信规约检测仪与实施例一基本相同，所 不同的是，FPGA处理器3由多个协同工作的单片机代替。
本实施例的4全测方法与实施例一稍有不同，除相同步骤以外所不 同的是
1、 第1)步中的特定关联指定是选择与待检测电力通信链路的特定规 约相应的规约分析模块19;
2、 第2)步中的规约分析模块19是通过程序设计形成特定规约的语 法和语义环境并对特定规约进行语法与语义分析的非通用模块，即分 析系统内部有多个规约分析模块，不同的规约由不同的规约分析模块 来标识，
3、 第2)步中的加载规约分析模块19是依据系统配置文件中指定的 与特定规约相应的规约分析模块；
4、 第6)步中的规约语法和语义分析是，应用层的报文按照字节的 bit位、字节的bit位组合、字节或字节组合形成单元报文结构，然 后单元报文结构又组合成复合报文结构，再对各报文结构之间关系进 行语法分析并形成语法分析结果，然后从语法分析结果中提取与上下
24文环境相关"J艮文结构的值进行语义分析并形成语义分析结果，获得应 用层报文的分析结果。
上述各实施例便携式电力通信规约检测仪的检测方法，既可以适 用于在线实时分析，也可以适用于离线后的分析。当进行在线实时分
析时，由于从FPGA处理器3传来的报文直接进行分析，因此可以第 一时间发现并迅捷通过规约分析查找出报文故障原因和地点；同时由 于报文是先经过规约分析模块19进行实时规约分析后再存储，因此， 即使存储速率较慢时而丟失部分报文，也不会影响发现和分析报文故障。
总之，按照上述各实施例便携式电力通信规约检测仪及其检测方 法，可以对现有各种电力通信链路的报文进行毫无遗漏地的检测，从 而能够真正有效地检测出所有可能产生的报文故障及其原因和地点， 进而为及时排除电力设施故障提供保障。
本发明的便携式电力通信规约检测仪及其检测方法不局限于上 述实施例所述的具体技术方案，比如1)规约分析模块的规约语法和 语义分析也可以是将规约所有可能的报文组合以及所有可能的上下 文环境进行罗列，然后将报文与所罗列的报文组合以及上下文环境进 行比较来进行语法和语义分析；2)也可以将报文存储后再进行分析； 3 )非以太网电力通信链路报文侦听器(串口信号报文侦听器6和MODEM 载波信号报文侦听器7)的报文也可以不网络化；等等。凡采用等同 替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
2权利要求
1.一种便携式电力通信规约检测仪，其特征在于包括安置在一便携机箱内的采集装置和分析装置，所述采集装置含有报文侦听器和并行转串行处理器，所述分析装置含有CPU、分析系统、分别与CPU连接的输入器和显示器；所述报文侦听器的输入端接入电力通信链路，其输出端并行连接于并行转串行处理器的输入端；所述并行转串行处理器的输出端串行连接于CPU，所述报文侦听器和并行转串行处理器的控制端分别连接CPU，所述分析系统含有用于从并行转串行处理器读取所述电力通信链路的报文的采集模块、用于对所述报文进行网络分析的网络分析模块、用于对经网络分析后的报文的应用层进行规约分析的规约分析模块和用于调度和管理所述模块的调度管理模块。
2. 根据权利要求1所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在 于所述并行转串行处理器是FPGA处理器或多个协同工作的单片机。
3. 根据权利要求2所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在 于所述报文侦听器是交换机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报 文侦听器、串口信号报文侦听器和MODEM栽波信号报文侦听器之一， 所述报文侦听器的输入端接入交换机通信链路、网络通信链路、串口 电力通信链路和载波电力通信链路之一 。
4. 根据权利要求2所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在 于所述报文侦听器是交换机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报 文侦听器、串口信号报文侦听器和MODEM载波信号报文侦听器，该四 个报文侦听器的各自输入端分别接入串口电力通信链路、交换机通信 链路、网络通信链路和载波电力通信链路。
5. 根据权利要求4所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在 于还包括存储器，所述分析系统还含有用于将采集模块读取的报文 经过分析系统分析后传送至存储器存储的记录模块。
6. 根据权利要求5所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在 于所述分析系统还含有用于对网络分析模块和规约分析模块产生的 分析结果进行二次统计分析的统计分析才莫块。
7. 根据权利要求6所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在 于所述FPGA处理器主要含有型号为ALTERA EP3C25Q240的芯片， 该芯片通过千兆的以太网口连接CPU;所述串口报文侦听器是分别提 供RS485、 RS422和RS232三种通信接口的三合一 串口报文侦听器； 所述MODEM载波信号报文侦听器含有用于侦听一路MODEM载波电力通 信链路的二路MODEM载波接收接口 ，其二路接收接口分别并接到MODEM 载波电力通信链路的一对收、发线上；所述CPU是型号为MPC837的 嵌入式处理器。
8. 根据权利要求7所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在 于所述输入器采用键盘、鼠标或触摸屏幕输入器，所述显示器是通 用CRT或液晶显示器，所述存储器是通用SSD硬盘；所述报文侦听器 的接口总带宽是400Mbps;所述存储器的写盘速度为 640Mbps-800Mbps。
9. 一种根据权利要求1所述便携式电力通信规约检测仪的检测 方法，其特征在于包括以下步骤1) 启动所述;f企测仪，通过所述输入器配置待检测电力通信链路 的参数和特定规约关联指定并形成系统配置文件；2) 所述分析系统进行初始化，即所述CPU首先加载调度管理模 块、网络分析模块和采集模块，所述调度管理模块依据所述系统配置 文件再加载规约分析模块；3) 所述报文侦听器通过侦听电力通信链路的报文，并将该报文 并行传送至并行转串行处理器，所述并行转串行处理器对并行接收来 的报文加入时间戳，并将加入时间戳后的报文进行緩存；4) 所述采集模块从并行转串行处理器读取緩存的报文，并将该 报文送入网络分析模块；5) 所述网络分析模块依据0SI模型各协议层语法和语义对送入 网络分析模块的报文进行网络语法和语义分析直至该报文的应用层， 并将应用层的报文送入规约分析模块，并将网络语法和语义分析结果 送往显示界面；6) 所述规约分析模块依据规约的语法和语义对所述应用层的报 文进行规约语法和语义分析，并将规约语法和语义分析结果送往显示 界面。
10.根据权利要求9所述便携式电力通信规约检测仪的检测方法， 其特征在于——所述第1)步中的特定规约关联指定是选择与待检测电力通信链路的特定规约相应的语法模型文件和语义模型文件；——所述第2)步中的规约分析模块是通过语法模型文件和语义模型文件形成特定规约的语法和语义环境并对该特定规约进行语法和语义分析的通用模块；加载规约分析模块是依据系统配置文件中指定的语法模型文件和语义模型文件进行初始化，即生成针对特定规约的协议层、语法分析器、会话通道管理器、语义分析器，随后将协议层组织为协议栈，接着为每个协议层配备相应的语法分析器和会话通道管理器，然后为每个会话通道管理器配置语义分析器；——所述第6)步中的规约语法和语义分析是，从所述协议栈的底层向上依次在每个协议层对所述应用层的报文使用语法分析器进行语法分析，并将获得的语法分析树传递给会话管理器，由会话管理器将语法分析树分发给会话管理器接收和发送两端的语义分析器进行语 义分析，语法分析器和语义分析器分别将剩余应用层的报文和语义分 析结果向所述协议栈的上一层传递，由上一层再次进行上述过程，直 到到达协议栈的顶端或报文结尾时，获得所述应用层报文的分析结 果。
11. 根据权利要求9所述便携式电力通信规约检测仪的检测方法， 其特征在于——所述第1)步中的关联指定是选择与待检测电力通信链路的特定 规约相应的规约分析模块；——所述第2)步中的加载规约分析模块是依据系统配置文件中指定 的与特定规约相应的规约分析模块；所述规约分析模块是通过程序设 计形成特定规约的语法和语义环境并对特定规约进行语法与语义分 析的非通用模块；--—所述第6)步中的规约语法和语义分析是，所述应用层l艮文按照 字节的bit位、字节的bit位组合、字节或字节组合形成单元报文结 构，然后单元报文结构又组合成复合报文结构，再对所述报文结构之 间的关系进行语法分析并形成语法分析结果，然后从语法分析结果中 提取与上下文环境相关报文结构的值进行语义分析并形成语义分析 结果，获得所述应用层^=艮文的分析结果。
12. 根 据权利要求10或11所述便携式电力通信规约检测仪的检 测方法，其特征在于—--所述第2)步中的加载网络分析模块是，生成针对OSI模型的协 议层、语法分析器、会话通道管理器、语义分析器，随后将协议层按 照0SI七层模型组织为协议栈，接着为 个协议层配备相应的语法分 析器和会话通道管理器，然后为每个会话通道管理器配置语义分析 器；——所述第5)步中的网络语法和语义分析是，从所述协议栈的底层 向上依次在每个协议层使用语法分析器对送入网络分析模块的报文 进行语法分析，并将获得的语法分析树传递给会话管理器，由会话管 理器将语法分析树分发给会话管理器接收和发送两端的语义分析器 进行语义分析，语法分析器和语义分析器分别将剩余的报文和语义分 析结果向所述协议栈的上一层传递，由上一层再次进行上述过程，直 到到达协议栈的应用层、协议栈的顶端或报文结尾时，将应用层报文 送入所述规约分析模块进行规约分析，同时获得对送入网络分析模块 的报文的分析结果。
13.根据权利要求12所述便携式电力通信规约检测仪的检测方法， 其特征在于所述第2)步中分析系统进行初始化时，还加载统计分 析模块；还包括有第7)步骤，所述网络分析模块和规约分析模块将 分析结果送给统计分析模块进行统计分析，所述统计分析是将分析结 果中的部分4艮文结构的值提取出来形成图表，在至少两帧报文后将提 取出来的值进行运算和比较并形成统计结果，将统计结果送往显示界 面。
14. 根据权利要求13所述便携式电力通信规约检测仪的检测方 法，其特征在于所述语法分析模型文件和语义分析模型文件是预设 或现场通过输入器导入所述规约分析模块内。
15. 根据权利要求14所述便携式电力通信规约检测仪的检测方 法，其特征在于所述第2)步中分析系统进行初始化时，还加载记 录模块；所述步骤4)中，所述记录模块将采集模块读取的报文经过 分析系统分析后传送至存储器存储。
16. 根据权利要求15所述便携式电力通信规约检测仪的检测方 法，其特征在于所述调度管理模块依据所述系统配置文件对报文侦 听器和并行转串行处理器的工作参数进行设置。
17.根据权利要求10所述便携式电力通信规约检测仪的检测方 法，其特征在于所述通用模块是所述分析系统内部只有一个规约分 析模块，不同的规约通过语法模型文件和语义模型文件来标识。
18.根据权利要求11所述便携式电力通信规约检测仪的检测方法， 其特征在于所述非通用模块是所述分析系统内部有多个^见约分析模 块，不同的规约由不同的规约分析模块来标识。
19.根据权利要求16所述便携式电力通信规约检测仪的检测方 法，其特征在于当所述报文侦听器是非以太网电力通信链路报文侦 听器时，首先产生一帧以太网UDP报文，然后将侦听的报文作为UDP 报文的应用层。
全文摘要
本发明涉及一种便携式电力通信规约检测仪，同时涉及该检测仪的检测方法，属于电力系统通信检测技术领域。该检测仪包括安置在一便携机箱内含有报文侦听器和并行转串行处理器的采集装置和含有CPU、分析系统、分别与CPU连接的输入器和显示器的分析装置；报文侦听器输入端接入电力通信链路，其输出端并行连接于并行转串行处理器输入端；并行转串行处理器输出端串行连接于CPU，报文侦听器和并行转串行处理器的控制端分别连接CPU。该检测方法在对该检测仪配置参数和系统文件后进行分析系统的初始化，然后将侦听到的电力通信链路的报文经过实时网络分析和规约分析后得出分析结果并显示。本发明可以杜绝检测电力通信时丢失报文，从而对电力通信实现真正有效的检测。
文档编号H04L12/26GK101621430SQ200910184018
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者安建锋, 张世平, 朱重阳, 彦 汪, 王金岩, 程华明, 胡永春, 许伟国, 车浩军, 金乃正, 黄飏鲲 申请人:南京拓为电力科技发展有限公司;绍兴电力局;绍兴电力设备成套公司