CN103023895B - 一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法 - Google Patents
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Abstract
一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法，小水电中用于采集各类数据的测量IED设备与网关节点构成了基于Zigbee协议的无线传感网，预先分配ID号并在网关内建立一张映射表下该方法能对接收到的以太网包首先进行有效性判断，根据目的MAC地址检索映射表获得测量IED的ID号，最后将以太网包封装成Zigbee无线数据帧发送；对接收到的Zigbee无线数据帧进行有效性判断，通过映射表获得测量IED的MAC地址和前次转发时刻，对时间间隔进行判断，从而丢弃冗余数据包，最后将Zigbee无线数据帧封装成GOOSE以太网包发送。本发明转换方法有效、协议转换快速、可抑制冗余数据包。
Description
技术领域
本发明涉及一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法。
背景技术
目前，水电站中用于采集各类数据的测量IED设备与上层用于数据存储、处理、诊断的水电站计算机通信的传统方式是采用光纤以太网进行有线传输。近年来全国各地在积极发展小水电，小水电一般坐落在交通较不方便的山区，采集数据的测量IED设备所处的环境往往比较特殊，困难的地理环境将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，并且架设电缆需要大量的人力和物力，另外在建立好一个通讯网络后常常会因为需求而增加新的IED设备，导致重新布线等施工。从应用环境、施工成本和后继扩展性等角度来看都对以太网有线传输方式带来了挑战。
如今，近距离无线通信技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。无线传感器网络WSN属于无线通信网络，由部署在检测区域内大量传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络***。相对于其他无线通信技术，Zigbee技术的低成本、低功耗等诸多优势使其在激烈的竞争中逐渐脱颖而出，有利于数据的自动采集、分析和处理，有利于决策辅助***的有效实施，可以成功运用在工业控制、智能电网等多个领域中。
IEC61850标准规定通用面向对象变电站事件GOOSE报文采用特殊通信映射，直接映射到数据链路层和物理层。与其他报文不一样的是GOOSE报文不再使用TCP/IP协议栈与网络设备驱动程序通信，而是直接与设备驱动通信完成报文的发送和接收。
GOOSE实现了真正的P2P通信，任一个IED与其它IED通过以太网相连，即可作为订阅端接收数据，也可作为发布端为其它IED提供数据。传感器通过以太网将采集值数据发送给智能电子设备（IED），IED再将数据发送给上层小水电计算机***，对应地管理员可以通过小水电计算机***对小水电IED网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
IEC61850的GOOSE报文的帧格式包括MAC目的地址，MAC源地址，TPID，TCI，Ethertype=0x88B8，APPID，Length，MAC填充，MAC计算检验CRC。GOOSE报文属于组播信息，IEC61850标准指出GOOSE报文的组播MAC地址范围为01-0C-CD-01-00-00到01-0C-CD-01-01-FF，即网关接收到以太网包的目的MAC地址介于上述范围之间且以太网类型为0X88B8，则认为该以太网包是GOOSE报文。
Zigbee无线数据帧结构包括帧控制、序列号、目的ID、源ID、负载、帧校验。由于无线传感网发送到GOOSE网的Zigbee无线数据帧中目的ID是网关节点的ID，源ID是测量IED的ID，所以当不同的用户发送命令后，经过网关协议转换，测量IED是不知道请求方用户信息的，本发明在Zigbee无线数据帧结构中添加一个源MAC地址项用来标识请求方用户信息，这样当网关收到无线传感网发送到GOOSE网的Zigbee无线数据帧时就知道封装新GOOSE以太网包的目的MAC地址，提高了转换协议的效率。另外，测量IED设备可能会在很短的时间内发送一样的数据包，增大网关节点的工作量并造成无线传感网络较低的吞吐量，本发明在协议转换前先判断该测量IED发送数据包的当前时刻和前次转发时刻的间隔是否超过设定时间间隔10ms，如果未超过则认为该数据帧重复发送，通过时间间隔判断可以有效降低网关节点的协议转换工作量。
发明内容
现有的小水电IED网中测量IED设备与计算机***间采用GOOSE网有线通信的方式已经不能适应在特殊应用环境下小水电IED网的布线可行性、节约性和网络的可扩展性，因此采集各类数据的测量IED设备采用无线传感网技术是十分必要的，其中关键问题是基于Zigbee协议的无线传感网接入小水电IED网需要进行Zigbee技术协议与GOOSE网的数据转换。
针对上述问题，本发明提供一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法，通过设置网关设备能够对接收到的数据帧进行有效性判断，再对网关内的映射表检索得到所需的信息，经过转发时间间隔判断后将原数据帧封装得到新构造的数据帧发送到目的网络。该方法能够有效地实现小水电IED网中无线传感网Zigbee技术协议与GOOSE网络的传输数据转换，对网关CPU的消耗很小，并提高了对网络错误包的兼容性，有效抑制了冗余数据包的转发。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法，所述的方法包括以下步骤：
（1）预先分配ID号并在网关中建立映射表
（1．1）为网关节点和测量IED都分配一个唯一的ID号；
（1．2）在网关中建立一张映射表。映射表包括测量IED的ID号、测量IED的MAC地址、前次转发时刻三项；
（1．3）确认映射表中无线传感网中各测量IED的ID号及其MAC地址，保证其一一对应；
（2）网关接收到站控层发来的以太网包
（2．1）判断是否为发送到过程层侧的数据帧，判断依据：该数据帧的目的MAC地址是否在GOOSE报文的组播MAC地址范围内；
（2．2）判断是否为GOOSE报文直接映射到数据链路层的数据帧，网关根据该数据帧的以太网类型是否为0X88B8来判断；
（2．3）根据该数据帧的目的MAC地址检索映射表的所有条目n，在测量IED的MAC地址列中依次从第1行至第n行匹配；
（2．4）匹配到相同的测量IED的MAC地址后获得对应的测量IED的ID号；
（2．5）将以太网包封装成Zigbee无线数据帧，在地址项中新增源MAC地址项填入原以太网包的源MAC地址。测量IED的ID号为新无线数据帧的目的ID号，网关的ID号为新无线数据帧的源ID号；
（2．6）向目的测量IED发送新构造的Zigbee无线数据帧；
（3）网关接收到过程层发来的Zigbee无线数据帧
（3．1）判断是否为发送到站控层侧的数据帧，网关根据Zigbee无线数据帧的目的ID号和网关的ID号是否相同来判断，
（3．2）根据该数据帧的源ID号检索映射表的所有条目n，在测量IED的ID号列中依次从第1行至第n行匹配；
（3．3）匹配到相同的测量IED的ID号后获得对应的测量IED的MAC地址和前次转发时刻；
（3．4）比较当前时刻和前次转发时刻的间隔是否超过10ms，如果大于10ms就更新映射表中的前次转发时刻，否则认为该数据帧重复发送；
（3．5）将Zigbee无线数据帧封装成GOOSE以太网包，该数据帧中源MAC地址为新以太网包的目的MAC地址，测量IED的MAC地址为新以太网包的源MAC地址；
（3．6）向GOOSE网发送新构造的GOOSE以太网包。
本发明的工作原理是近年来全国各地在积极发展小水电，小水电一般坐落在交通较不方便的山区，采集数据的测量IED设备所处的环境往往比较特殊，传统架设线缆的有线通信对小水电IED网的布线工程带来了挑战。因此采集各类数据的测量IED设备采用无线传感网技术是十分必要的，可以有效地解决有线通信布线的复杂性和降低人力物力的耗费。利用Zigbee技术的低成本、低功耗等诸多优势运用到小水电IED网中，所以将Zigbee无线传感网成功接入GOOSE网中是关键问题。本发明采用新增一个网关节点的算法来完成不同网络间的协议转换，使Zigbee无线传感网接入GOOSE网成为可能。
本发明提出一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法，通过增加网关节点来完成协议转换。由于对原本有线连接的站控层计算机和过程层的测量IED之间采用了无线传输模式，为构成无线传感器网络，为小水电IED网分配唯一的ID号，可以提高无线传感器网络的安全性。通过建立一张MAC网卡地址、IED编号和前次转发时刻组成的映射表，该方法解决了从GOOSE网至Zigbee无线传感网的协议转换问题。通过对接收到的数据帧进行有效性判断对出错或重复的数据帧过滤，该方法可以提高协议转换的效率。在Zigbee无线数据帧结构中新增源MAC地址项，使IED发送数据时直接知道发送请求的用户计算机的MAC地址，所提方法能够快速进行协议转换，对网关CPU的消耗很小，性能较高，可抑制重传冗余数据包。
本发明的有益效果主要表现在：1、转换方法有效；2、协议转换快速；3、可抑制冗余数据包。
附图说明
图1是小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法的流程图。
图2是小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换***的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法，包括以下步骤：
第一步：为小水电IED网分配唯一的ID号，包括网关节点和所有测量IED设备。
第二步：在网关中建立一张映射表。映射表包括测量IED的ID号、测量IED的MAC地址、前次转发时刻三项。
第三步：网关接收到站控层发来的以太网包。
第四步：判断是否为发送到过程层侧的数据帧。网关根据该数据帧的目的MAC地址是否在GOOSE报文的组播MAC地址范围内来判断，如果不是就将该数据帧丢弃。
第五步：判断是否为GOOSE报文直接映射到数据链路层的数据帧。网关根据该数据帧的以太网类型是否为0X88B8来判断，如果不是就将该数据帧丢弃。
第六步：根据该数据帧的目的MAC地址检索映射表的所有条目n。
第七步：在测量IED的MAC地址列中依次从第1行至第n行匹配，判断是否检索到该目的MAC地址，如果循环结束仍没有得到匹配就将该数据帧丢弃。
第八步：匹配到相同的测量IED的MAC地址后获得对应的测量IED的ID号。
第九步：将以太网包封装成Zigbee无线数据帧。在地址项中新增源MAC地址项填入原以太网包的源MAC地址。测量IED的ID号为新无线数据帧的目的ID号，网关的ID号为新无线数据帧的源ID号。
第十步：向目的测量IED发送新构造的Zigbee无线数据帧。
第十一步：网关接收到过程层发来的Zigbee无线数据帧。
第十二步：判断是否为发送到站控层侧的数据帧。网关根据Zigbee无线数据帧的目的ID号和网关的ID号是否相同来判断，如果不同就将该数据帧丢弃。
第十三步：根据该数据帧的源ID号检索映射表的所有条目n。
第十四步：在测量IED的ID号列中依次从第1行至第n行匹配，判断是否检索到该源ID号，如果循环结束仍没有得到匹配就将该数据帧丢弃。
第十五步：匹配到相同的测量IED的ID号后获得对应的测量IED的MAC地址和前次转发时刻t。
第十六步：比较当前时刻和前次转发时刻的间隔是否超过10ms，如果小于10ms就认为该数据帧重复将其丢弃。如果大于10ms就更新映射表中的前次转发时刻。
第十七步：将Zigbee无线数据帧封装成GOOSE以太网包。该数据帧中源MAC地址为新以太网包的目的MAC地址，测量IED的MAC地址为新以太网包的源MAC地址。
第十八步：向GOOSE网发送新构造的GOOSE以太网包。
本实施例设计了一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法。该方法通过在网关节点中增加快速交互方法来解决GOOSE协议和Zigbee无线网络协议的数据转换。小水电中用于采集各类数据的测量IED设备与网关节点构成了基于Zigbee协议的无线传感网，该无线传感网通过网关设备连接到GOOSE网。预先分配ID号并在网关内建立一张映射表下该方法能对接收到的以太网包首先进行有效性判断，根据目的MAC地址检索映射表获得测量IED的ID号，最后将以太网包封装成Zigbee无线数据帧发送。对应地该方法同样可以对接收到的Zigbee无线数据帧进行有效性判断，通过映射表获得测量IED的MAC地址和前次转发时刻，对时间间隔进行判断，从而丢弃冗余数据包，最后将Zigbee无线数据帧封装成GOOSE以太网包发送。该方法对数据帧的有效性判断可以对冗余重复的数据帧进行过滤，提高协议中数据内容的转换效率。该方法通过无线传感网技术能够有效地解决传统水电站IED网有线通信的复杂性、制约性。
参照图2，应用本方法实现的一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换***，主要包括：Zigbee协议与GOOSE协议的转换子***、数据统计分析子***。
所述的Zigbee协议与GOOSE协议的转换子***包括：
（1）协议转换预处理模块：预先为小水电IED网中测量IED和网关分配唯一的ID号，并在网关内建立一张映射表，为协议转换做好准备。
（2）数据帧有效性判断模块：对接收到的数据帧进行有效性判断，将出错重复的数据帧过滤。
（3）协议转换封装数据帧模块：从映射表检索获取信息后将原数据帧封装得到新构造的数据帧发送到目的网络。
所述的数据统计分析子***包括：
（1）GOOSE报文统计分析模块：统计***的GOOSE报文的分析结果。
（2）Zigbee报文统计分析模块：统计***的Zigbee报文的分析结果。
Claims (1)
1.一种小水电IED网中Zigbee协议与GOOSE协议的数据转换方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
(1)预先分配ID号并在网关中建立映射表；
(1.1)为网关节点和测量IED都分配一个唯一的ID号；
(1.2)在网关中建立一张映射表，映射表包括测量IED的ID号、测量IED的MAC地址、前次转发时刻三项；
(1.3)确认映射表中无线传感网中各测量IED的ID号及其MAC地址，保证其一一对应；
(2)网关接收到站控层发来的以太网包；
(2.1)判断是否为发送到过程层侧的数据帧，判断依据：该数据帧的目的MAC地址是否在GOOSE报文的组播MAC地址范围内；
(2.2)判断是否为GOOSE报文直接映射到数据链路层的数据帧，网关根据该数据帧的以太网类型是否为0X88B8来判断；
(2.3)根据该数据帧的目的MAC地址检索映射表的所有条目n，在测量IED的MAC地址列中依次从第1行至第n行匹配；
(2.4)匹配到相同的测量IED的MAC地址后获得对应的测量IED的ID号；
(2.5)将以太网包封装成Zigbee无线数据帧，在地址项中新增源MAC地址项填入原以太网包的源MAC地址，测量IED的ID号为新无线数据帧的目的ID号，网关的ID号为新无线数据帧的源ID号；
(2.6)向目的测量IED发送新构造的Zigbee无线数据帧；
(3)网关接收到过程层发来的Zigbee无线数据帧；
(3.1)判断是否为发送到站控层侧的数据帧，网关根据Zigbee无线数据帧的目的ID号和网关的ID号是否相同来判断，
(3.2)根据该数据帧的源ID号检索映射表的所有条目n，在测量IED的ID号列中依次从第1行至第n行匹配；
(3.3)匹配到相同的测量IED的ID号后获得对应的测量IED的MAC地址和前次转发时刻；
(3.4)比较当前时刻和前次转发时刻的间隔是否超过10ms，如果大于10ms就更新映射表中的前次转发时刻，否则认为该数据帧重复发送；
(3.5)将Zigbee无线数据帧封装成GOOSE以太网包，该数据帧中源MAC地址为新以太网包的目的MAC地址，测量IED的MAC地址为新以太网包的源MAC地址；
(3.6)向GOOSE网发送新构造的GOOSE以太网包。
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