一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法及系统与流程

本发明涉及电力系统仿真，尤其涉及一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法及系统。

背景技术：

1、电力系统的硬件在环仿真中，涉及到多种通信协议的适配和解析，这是仿真过程中的核心环节。随着电力通信技术的持续进步，通信协议日趋多样化，导致仿真过程复杂度显著上升。各类协议均有其独特的数据结构、通信模式及时序要求，为其适配和解析带来了极大的技术难度。传统电力系统硬件在环协议适配方式往往为每一种协议单独开发硬件和软件解决方案，这不仅加重了开发与维护的负担，还限制了系统的扩展性与灵活性。此外，不同协议间可能出现数据交叉或同步问题，进一步挑战仿真的真实性和准确性。因此，迫切需要一种既高效又灵活的多协议适配方法。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术中存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法，旨在简化电力系统硬件在环仿真中的协议处理流程，并提高其效率和准确性。核心思路是对不同的协议根据其实时性要求进行差异化处理：

3、1)对于实时性要求较高的协议，如goose/sv等，不再采用传统的通用处理器进行解析，而是使用专用的服务器网卡进行高速处理。这样可以避免不必要的数据转换和传输延迟，确保数据的实时性。该服务器网卡与仿真核心程序的交互通过共享内存进行，进一步降低数据交换的延迟，并提高数据处理的速度。

4、2)对于实时性要求不高的协议，如modbus/104等，考虑到这些协议通常涉及的数据量较大，但处理速度要求不苛刻，因此采用扩展硬件，如扩展交换机，来提高接口数量和数据吞吐量。这既可以处理更多的数据通道，又可以满足数据处理的速度要求。

5、3)获取的所有协议报文都会首先转换为仿真装置的统一内部协议，这一转换过程旨在简化后续的数据处理和分析，避免不同协议之间的数据冲突或同步问题。转换后的数据通过高速光纤或者共享内存连接传输至服务器的仿真核心程序，确保数据的完整性和准确性，同时满足仿真的高速性要求。

6、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法，包括：使用高性能网络技术，对于实时性要求较高的协议，采用高速网卡；采用dpdk提供的内核旁路技术，直接从用户空间访问网络硬件；根据服务器的cpu核心数量，使用多线程或多进程并发处理数据；使用线程绑定技术，将特定的线程绑定到特定的cpu核心，以优化缓存使用和减少线程切换开销；优化内存访问，确保线程或进程在访问内存时使用本地节点的内存。

7、作为本发明所述的一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法的一种优选方案，其中：所述高性能网络技术包括，

8、

9、s＝c·d·δx

10、其中，tmin是传输时间，s是多线程并发处理速度，δ是网络效率因子，考虑网络协议开销和传输质量，δx是并行处理效率，考虑线程管理和同步开销，t是传输额数据量，n是网络卡的速度，c是cpu核心数量，d是数据处理需求量。

11、作为本发明所述的一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法的一种优选方案，其中：所述采用dpdk提供的内核旁路技术包括，使用dpdk提供的工具初始化网络卡，并分配专用的内存和cpu资源；当仿真数据通过网络传输时，使用dpdk从用户空间直接接收数据，绕过内核网络栈；在接收数据后，利用dpdk提供的高性能库进行数据处理；处理完的数据直接从用户空间发送到网络，继续为仿真提供输入。

12、作为本发明所述的一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法的一种优选方案，其中：所述线程绑定技术包括，将特定的线程永久绑定到特定的cpu核心上；每个线程始终在同一个核心上运行，优化缓存的使用，减少了因线程切换导致的缓存失效和额外的开销；当线程始终在同一个核心上运行时，利用核心的l1和l2缓存，提高数据处理速度。

13、作为本发明所述的一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法的一种优选方案，其中：所述线程绑定技术还包括，

14、ts＝fs·ts·rs

15、其中，ts为线程切换的平均时间开销；rs为未绑定线程的情况下，现成切换导致的平均缓存失败率；fs为线程切换的频率；ts为未绑定线程情况下的总线程切换开销；

16、线程绑定前后的缓存利用效率差δu表示为，

17、δu＝ub-uu

18、其中，ub为绑定线程时的缓存利用率，uu为未绑定线程时的缓存利用率；

19、线程绑定技术对数据处理速度的提升δs表示为，

20、δs＝f(ct，δu，ts)

21、其中，f表示函数，表示缓存容量、利用率变化和线程切换开销对处理速度的综合影响，ct是cpu核心的总容量缓存，包括l1和l2。

22、作为本发明所述的一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法的一种优选方案，其中：所述优化内存访问包括，使用零拷贝技术直接将数据从用户空间传输到目标设备或网络，无需多次拷贝，减少数据传输的延迟和cpu使用率，提高系统的整体性能。

23、作为本发明所述的一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法的一种优选方案，其中：所述零拷贝技术表示为，

24、

25、其中，p是考虑数据类型因子的零拷贝技术性能提升，βj是数据类型因子，考虑不同类型的数据传输对cpu和内存的影响，tt是传统数据传输方式的总延迟，tz是零拷贝技术的总延迟。

26、本发明的另外一个目的是提供一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配系统，通过实时数据采集模块通过时间戳标记确保数据分析的准确性，同时对捕获的数据进行周期性抽样分析，以监控数据吞吐量、错误数据包数量和平均处理延迟，对异常数据进行标记和记录，便于后续分析和故障诊断。可视化仪表板以用户友好的方式实时展示关键性能指标，如吞吐量、错误数据包数量和平均处理延迟，使用图表、柱状图、饼图等直观方式展示，提高数据的可读性和用户体验。警告和通知模块在检测到异常或超出预设阈值时自动触发警告，及时通知用户，以防止系统故障并提高系统的整体稳定性和可靠性。历史数据存储和查询模块将所有捕获的数据和分析结果存储在数据库中，提供灵活的多条件查询功能，便于进行详细的数据分析和支持决策制定。系统健康检查模块定期检查硬件和软件的运行状态，及时发现并记录硬件故障或软件错误，加快故障响应和恢复时间，为系统维护和升级提供重要信息。

27、作为本发明所述的一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配系统的一种优选方案，其中：包括，实时数据采集模块、可视化仪表板、警告和通知模块、历史数据存储和查询模块及系统健康检查模块。

28、所述实时数据采集模块负责捕获和记录所有进出的协议数据；使用时间戳标记每个数据包，确保后续分析的准确性；周期性的对捕获的数据进行抽样分析，分析不同类型的数据吞吐量、错误数据包数量、平均处理延迟；对异常数据进行标记和记录，方便后续的分析和调试；

29、所述可视化仪表板包括对用户友好的可视化仪表板，实时展示各种关键指标，即吞吐量、错误数据包数量、平均处理延迟；使用图表、柱状图、饼图方式，直观地展示系统的运行状态，根据不同协议类型，分别用求平均值的方法统计上述三项指标，按照用户选定的方式，即图表、柱状图、饼图选择一种可视化的展示在界面上。

30、所述警告和通知模块包括，当系统检测到异常或达到预设的阈值时，自动触发警告和通知；其中异常指的是，第一协议长期无数据超过20s；异常情况自动触发警告，发出提示音和在告警窗口显示的红色告警字体；预设的阈值指的是吞吐量、错误数据包数量、平均处理延迟三项指标的告警阈值，超过则发出通知显示在可视化仪表板的告警窗口，字体为黑色。

31、所述历史数据存储和查询模块包括，将所有捕获的数据和分析结果存储在数据库中，以便于后续的查询和分析；提供一个查询界面，用户可以按时间、协议类型、设备id等条件，查询历史数据；

32、所述系统健康检查模块包括，定期检查硬件和软件的运行状态；当检测到硬件故障、软件错误时，自动记录并通知用户。

33、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法中任一项所述的方法的步骤。

34、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现一种用于电力系统硬件在环仿真的多协议适配方法中任一项所述的方法的步骤。

35、本发明的有益效果：本发明与现行技术相比，为电力系统硬件在环仿真提供了一种高效、成本优化的多协议适配技术。该方法综合考量了各协议的实时性要求，融合了专用硬件和高速连接技术，确保了仿真的准确性和效率，是一种高效、低成本的多协议适配方案。