一种实现采样值报文丢失控制输出功能的报文产生系统及其产生方法技术方案

本发明专利技术公开了一种采样值报文丢失控制输出功能的高精度IEC61850报文产生系统，由人机交互单元、波形采样及加载单元、数据解析单元、报文输出控制单元、报文组帧单元、报文输出单元、报文数据分析单元组成，本发明专利技术提出了一种基于Galois环振的SHA‑256算法随机丢包控制方法，通过设计Galois环振及后处理电路产生随机信号源，采用SHA‑256算法提高随机信号源的熵值，并利用丢包点计算算法及丢包率控制采样值报文随机丢失，真实模拟实际IEC61850报文传输系统中采样值报文随机丢失的过程，解决了现有IEC61850报文产生系统不能真实模拟输出现场采样值报文随机丢失的问题，为智能电网运行的可靠性提供测试方法及测试技术支撑，保证智能电网的正常运行。

【技术实现步骤摘要】
一种采样值报文丢失控制输出功能的报文产生系统及方法
本专利技术属于智能电网设备可靠性测试领域，特别是一种可模拟电子式互感器采样值报文输出及随机丢失全过程的高精度IEC61850报文产生系统。
技术介绍
传统能源日益短缺、环境污染日益严重等问题正推动着传统电网向智能电网的转变，智能电网能为经济社会提供安全、高效、清洁、友好的电力服务，自2009年国家电网公司提出建设统一的坚强智能电网的发展目标以来，智能电网在中国得到了迅猛发展。智能电网设备向着数字化和智能化不断发展，通信技术得到了广泛的应用，引入了各类通信协议，如IEC61850、IEC61970通信协议等。IEC61850协议数字化设备入网运行前必须对其可靠性进行测试，目前对IEC61850协议的智能电网数字化设备入网运行的可靠性测试相对简单，是在传统设备测试的基础上发展而来的，对数字化设备的特性研究不足，缺乏针对性的可靠性测试设备。现有的IEC61850报文产生系统均只能输出理想的正余弦数字报文信号，且输出报文容易出现延时、阻塞及丢失现象，报文产生系统自身的可靠性有待进一步改善，最重要的一点是缺少能模拟现场环境条件下高随机性采样值报文丢失全过程的功能，不能实现现实条件下IEC61850报文随机丢失对IEC61850协议数字化设备运行可靠性的测试，本专利技术正是针对这一问题，提出了一种能真实模拟IEC61850报文传输系统中报文高随机丢失方案，可实现对IEC61850协议数字化设备入网运行前的可靠性测试进行测试，保障智能电网的安全运行。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种智能电网IEC61850协议数字化设备可靠性测试报文产生系统，尤其是提出了一种基于Galois环振的SHA-256算法随机丢包控制方法，该方法能模拟现场实际环境条件下报文丢失的高随机性过程对数字化设备进行测试。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种采样值报文丢失控制输出功能的报文产生系统，包括工业计算机系统和FPGA芯片模块，其特征在于：所述的工业计算机系统包括人机交换单元、波形采样及加载单元、报文数据分析单元、数据显示单元；所述的FPGA芯片模块包括报文输出单元、报文组帧单元、数据解析单元和报文输出单元；所述的人机交换单元的数据输出依次经过波形采样及加载单元、数据解析单元、报文输出控制单元、报文组帧单元、报文输出单元、报文数据分析单元后，输出数据传送到数据显示单元。采样值报文丢失控制输出功能的报文产生方法，包括以下步骤：第一步、人机交换单元根据智能电网IEC61850数字化设备测试要求输入及模拟任意负荷波形信号；第二步、波形采样及加载单元模拟智能电网中电子式互感器的采样频率，按需要对任意负荷波形信号进行不同采样频率采样；第三步、波形采样及加载单元与FPGA进行通信，并利用RS232串口将采样值及设置参数一次性加载到FPGA内部RAM进行保存；第四步、数据解析单元解析RAM中的数据，得到波形采样值数据及设置参数并保存；第五步、报文输出控制单元根据数据解析单元解析出的数据分析是否需要进行采样值报文输出丢失控制，若不需要，则控制报文正常组帧，反之，则根据需要，利用设置参数控制报文随机丢失；第六步、报文组帧单元根据报文输出控制单元按照IEC61850协议报文格式对输出报文进行组帧，并根据上位机程序输入的采样频率输出严格时序的IEC61850采样值报文；第七步、报文输出单元每秒钟按照采样频率输出IEC61850协议格式报文，前一秒出现延时情况不会累积到下一秒，前一秒输出报文出现1μs延时，下一秒会忽略延时，在零时刻开始输出IEC61850协议报文，报文输出单元利用FPGA通过查找表的方式对上位机一次性加载入RAM中的采样值循环读取并进行协议转换后通过以太网口及光纤接口循环输出；第八步、报文数据分析单元通过以太网口接收报文输出单元输出的IEC61850报文数据，通过实时解包算法对IEC61850协议采样值报文进行实时解包；第九步、报文数据分析单元设计采样值分析算法对采样值展开分析，分析内容包括：负荷波形中基波幅值、基波相位、基波频率、谐波幅值、谐波相位、谐波频率、间谐波幅值、间谐波相位、间谐波频率、输出负荷波形有功功率、输出负荷波形无功功率、采样频率、丢包率和丢包点位置；第十步、数据显示单元接收到报文数据分析单元输出的数据，实时显示输出负荷波形图表。与现有技术比较，本专利技术取得的效果是：1：系统提出了一种基于Galois环振的SHA-256算法随机丢包控制方法，该方法能真实模拟现场条件下IEC61850报文传输过程中随机丢失的现象，实现对IEC61850协议数字化设备入网可靠性的测试；2：系统采用工业计算机+FPGA相结合的报文产生方案，便于人机交互，可以按照需求输入任意负荷波形，解决了现有IEC61850报文产生系统仅能输出特定理想负荷波形的问题；3：系统一次性加载采样值数据波形到FPGA的RAM中，FPGA采用查找表的方法读取RAM中的采样值数据循环组帧输出，避免因采用FPGA进行波形采样再且帧输出造成的硬件资源浪费及容易出现的死机问题，同时，系统输出报文实时性高，解决了现有IEC61850报文产生系统容易出现报文延时、阻塞、丢失等问题；4：系统对输出报文进行再次解析，与设置原始波形进行比对，便于测试过程中对输出负荷波形可靠性进行观察。5：系统的报文输出精度高，能达到0.01准确度等级，可用于0.05准确度等级及以下的智能电网IEC61850协议数字化设备的可靠性测试，尤其可用于数字化电能表的误差测试；说明书附图图1所示为本专利技术对0.2S级数字化电能表准确度测试接线示意图；图2所示为本专利技术的原理框图；图3所示为本专利技术内报文丢失控制模块的Galois环振示意图；图4所示为本专利技术内报文丢失控制模块的Galois环振输出后采样电路示意图；图5所示为本专利技术内报文丢失控制模块的SHA-256后处理算法示意图；图6所示为本专利技术输出频率偏差负荷波形时的示意图；图7所示为本专利技术输出频率偏差负荷波形时的频率误差示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施例：本专利技术以输出报文用于数字化电能表准确度测试时为例进行具体实施方式的说明。现有的数字化电能表被动接收前端电子式互感器输出的IEC61850协议报文，电子式互感器的采样频率普遍为4kHz，本专利技术将以输出4kHz的具有报文丢失现象及频率偏差的负荷波形对0.2S级数字化电能表进行准确度测试为例进行分析。具体实施步骤如下：S1：如图1所示，本专利技术为被测数字化电能表提供标准信号输入，被测数字化电能表输出代表电能量的电能脉冲，脉冲采集及计时模块采集被测数字化电能表输出的电能脉冲并进行计量，误差计算模块通过比对本专利技术输出的负荷波形代表的电能量与利用脉冲采集及计量模块计算出的被测数字化电能表的电能量做比对，并计算出误差，计算公式如下。上式中E1、E2分别代表被测数字化电能表计量的电能量与本专利技术输出的负本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采样值报文丢失控制输出功能的报文产生系统，包括工业计算机系统和FPGA芯片模块，其特征在于：所述的工业计算机系统包括人机交换单元、波形采样及加载单元、报文数据分析单元、数据显示单元；所述的FPGA芯片模块包括报文输出单元、报文组帧单元、数据解析单元和报文输出单元；所述的人机交换单元的数据输出依次经过波形采样及加载单元、数据解析单元、报文输出控制单元、报文组帧单元、报文输出单元、报文数据分析单元后，输出数据传送到数据显示单元。

【技术特征摘要】
1.一种采样值报文丢失控制输出功能的报文产生系统，包括工业计算机系统和FPGA芯片模块，其特征在于：所述的工业计算机系统包括人机交换单元、波形采样及加载单元、报文数据分析单元、数据显示单元；所述的FPGA芯片模块包括报文输出单元、报文组帧单元、数据解析单元和报文输出单元；所述的人机交换单元的数据输出依次经过波形采样及加载单元、数据解析单元、报文输出控制单元、报文组帧单元、报文输出单元、报文数据分析单元后，输出数据传送到数据显示单元。2.根据权利要求1所述的一种采样值报文丢失控制输出功能的报文产生方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步、人机交换单元根据智能电网IEC61850数字化设备测试要求输入及模拟任意负荷波形信号；第二步、波形采样及加载单元模拟智能电网中电子式互感器的采样频率，按需要对任意负荷波形信号进行不同采样频率采样；第三步、波形采样及加载单元与FPGA进行通信，并利用RS232串口将采样值及设置参数一次性加载到FPGA内部RAM进行保存；第四步、数据解析单元解析RAM中的数据，得到波形采样值数据及设置参数并保存；第五步、报文输出控制单元根据数据解析单元解析出的数据分析是否需要进行采样值报文输出丢失控制，若不需要，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宏伟，李红斌，张秋雁，陈建国，李鹏程，杨沁辉，魏伟，肖监，欧家祥，何湘黔，曾明，田青，杨卫清，张俊玮，丁超，丛中笑，宋强，王俊融，杨婧，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：贵州,52