0 引言

    智能電網(wǎng)通過(guò)各種總線協(xié)議將帶有傳感器的物理設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接一起，組成一個(gè)綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，具有高效性、可靠性、便捷性等優(yōu)勢(shì)^[1]。

    雖然現(xiàn)代電力網(wǎng)給社會(huì)生活帶來(lái)了便捷，但是現(xiàn)有系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的終端采集上還存在很多不足之處，如現(xiàn)有許多監(jiān)控系統(tǒng)只注重對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集而忽略了設(shè)備管理的便捷性；其監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)后不能自動(dòng)連接；當(dāng)電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，監(jiān)控設(shè)備隨之增多，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性降低。此外，智能電網(wǎng)系統(tǒng)—旦受到惡意攻擊，系統(tǒng)本身將會(huì)遭受?chē)?yán)重的破壞，從而給社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)各方面帶來(lái)巨大的損失。因此，智能電網(wǎng)系統(tǒng)的安全面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)^[2]。如何建立一個(gè)有效的智能電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)，制定可靠的數(shù)據(jù)安全傳輸策略，有效地保障信息在釆集傳輸過(guò)程中的安全可靠性，已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

    設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)成分層結(jié)構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，每層分別實(shí)現(xiàn)各自的功能，整體框架圖如圖1所示。

    (1)感知層：主要是基于ModBus和IEC104協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)讀取站點(diǎn)配置文件，創(chuàng)建采集線程，采集線程不斷地采集各個(gè)ModBus和IEC104設(shè)備的數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳輸給中心管理系統(tǒng)。

    (2)網(wǎng)絡(luò)層：主要是基于GPU的SM4并行數(shù)據(jù)加密傳輸系統(tǒng)。通過(guò)改進(jìn)的并行加密技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，提高數(shù)據(jù)加密的安全性和實(shí)時(shí)性。

    (3)應(yīng)用層：主要包含中心數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示等，設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)ModBus設(shè)備和IEC104設(shè)備的統(tǒng)一控制功能。

2 智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 ModBus和IEC104協(xié)議

    ModBus通信采用C/S通信方式。目前，工業(yè)中將 ModBus通過(guò)以太網(wǎng)結(jié)合TCP/IP協(xié)議組成ModBus TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信^[3]，其應(yīng)用數(shù)據(jù)單元(ADU)由供TCP/IP專用的ModBus應(yīng)用協(xié)議頭(MBAP)和通用的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)組成^[4]。

    IEC104協(xié)議是為解決電力控制和高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨笾贫ǖ囊环N采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議^[5]。該協(xié)議采用C/S通信方式。客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而服務(wù)端進(jìn)行應(yīng)答請(qǐng)求；服務(wù)端也可以直接發(fā)送控制命令來(lái)修改客戶端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向讀寫(xiě)^[6]。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊實(shí)現(xiàn)

    數(shù)據(jù)采集模塊是采集系統(tǒng)的核心，該模塊讀取MsSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的modbus_table和iec104_table配置表，配置表中保存了站點(diǎn)設(shè)備的配置信息。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的主線程根據(jù)讀取到的配置記錄初始化內(nèi)存數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建ModBus數(shù)據(jù)采集線程、IEC104數(shù)據(jù)采集線程和設(shè)備控制線程。采用多線程的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的并行采集的功能。ModBus數(shù)據(jù)采集模塊的主線程流程圖如圖2所示。

    為了確保數(shù)據(jù)采集的完整性，在采集線程中引入了斷線重連機(jī)制。一旦建立的TCP/IP連接發(fā)生斷開(kāi)情況，則立刻刷新連接，重新建立TCP/IP連接，繼續(xù)發(fā)送采集請(qǐng)求?？刂凭€程在啟動(dòng)后一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等待上層管理系統(tǒng)發(fā)來(lái)控制命令。接到控制命令后，解析出是ModBus控制指令還是IEC104控制指令，隨后對(duì)相應(yīng)設(shè)備發(fā)起控制命令。

    ModBus通信是基于TCP/IP協(xié)議。首先，查看連接狀態(tài)，如果處于斷開(kāi)狀態(tài)，則調(diào)用connect_site()函數(shù)進(jìn)行連接，并更改狀態(tài)為采集狀態(tài)。當(dāng)處于采集狀態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)用read_site_register()和read_site_bit()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集流程圖如圖3所示。若采集返回出錯(cuò)，則重新設(shè)置連接狀態(tài)，等待下次循環(huán)重新建立連接并采集數(shù)據(jù)。當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)用close_site()函數(shù)關(guān)閉TCP/IP連接并釋放相應(yīng)的資源。

    IEC104數(shù)據(jù)采集線程的流程圖如圖4所示。首先建立TCP連接。然后初始化IEC104幀，發(fā)起總召喚命令，啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸功能并等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)，驗(yàn)證報(bào)文的合法性，通過(guò)驗(yàn)證的報(bào)文進(jìn)入報(bào)文解析處理函數(shù)，然后根據(jù)報(bào)文具體功能回復(fù)相應(yīng)命令；沒(méi)有通過(guò)驗(yàn)證的報(bào)文直接丟棄。

2.3 設(shè)備控制模塊實(shí)現(xiàn)

    根據(jù)ModBus設(shè)備和IEC104設(shè)備控制命令的格式及特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了一次封裝，提供給用戶統(tǒng)一的控制命令接口，其控制命令格式如圖5所示。

    （1）設(shè)備ID：表示目標(biāo)設(shè)備的ID號(hào)，所有的ModBus設(shè)備和IEC104設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)。

    （2）控制類型：當(dāng)目標(biāo)設(shè)備是ModBus設(shè)備時(shí)， 0表示寫(xiě)寄存器，1表示寫(xiě)線圈；當(dāng)目標(biāo)設(shè)備是IEC104設(shè)備時(shí)，0表示遙調(diào)命令，1表示遙控命令。

    （3）目標(biāo)地址：表示目標(biāo)設(shè)備待操作的地址。

    （4）數(shù)值：表示對(duì)目標(biāo)地址進(jìn)行寫(xiě)操作的數(shù)值。

    （5）控制標(biāo)志：用來(lái)表明本次控制操作的狀態(tài)，0表示選擇狀態(tài)，1表示控制狀態(tài)，2表示撤銷(xiāo)狀態(tài)。

    設(shè)備控制模塊主要由一個(gè)單獨(dú)的控制線程實(shí)現(xiàn)對(duì)ModBus設(shè)備和IEC104設(shè)備的統(tǒng)一控制?？刂凭€程在啟動(dòng)后一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等待管理系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制命令。接到控制命令后，解析出是ModBus還是IEC104設(shè)備的控制指令，隨后構(gòu)造相應(yīng)的控制命令幀，從而發(fā)起控制命令，具體流程如圖6所示。

3 基于GPU的SM4并行加密

    SM4 是一種分組密碼算法，其分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度均為128 bit。加解密算法與密鑰擴(kuò)張算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)^[7]。在數(shù)據(jù)量較大的情況下，使用SM4串行加密的耗時(shí)成為了采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)钠款i。本文利用GPU^[8]并行計(jì)算能力與SM4算法的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于GPU的SM4并行數(shù)據(jù)加密模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給GPU，GPU把加密后的結(jié)果送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊，提高了加密運(yùn)算的實(shí)時(shí)性。

    SM4并行加密模塊流程圖如圖7所示。首先，在CPU執(zhí)行一次密鑰擴(kuò)展，生成輪密鑰。然后，將輸入數(shù)據(jù)和擴(kuò)展密鑰存儲(chǔ)到GPU全局存儲(chǔ)空間內(nèi)。輸入數(shù)據(jù)分成每塊128 bit，通過(guò)調(diào)用cryptKernel核函數(shù)^[9，10]實(shí)現(xiàn)每個(gè)GPU線程對(duì)數(shù)據(jù)塊的并行加密。最后，加密輸出的密文數(shù)據(jù)將再次被寫(xiě)到全局設(shè)備存儲(chǔ)器內(nèi)，隨后，CPU程序?qū)⑤敵鰯?shù)據(jù)結(jié)果從GPU 的全局設(shè)備存儲(chǔ)器內(nèi)取回，整個(gè)加密過(guò)程完成。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

    為了測(cè)試系統(tǒng)的功能與性能，在主機(jī)上運(yùn)行數(shù)據(jù)模擬器應(yīng)用程序，作為客戶端，用來(lái)產(chǎn)生ModBus和IEC104數(shù)據(jù)。以ModBus模擬器為例，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)模擬器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)顯示采集到的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

    通過(guò)運(yùn)行設(shè)備控制應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)ModBus或IEC104設(shè)備的控制。運(yùn)行設(shè)備控制程序后，就可以在“〉”提示符下輸入控制命令。下面分別對(duì)ModBus設(shè)備寫(xiě)線圈、寫(xiě)寄存器命令和對(duì)IEC104發(fā)起遙控命令，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

    以第二條命令為例。第二條命令是實(shí)現(xiàn)對(duì)ModBus設(shè)備寄存器值的寫(xiě)操作，即對(duì)1號(hào)設(shè)備地址為21的寄存器進(jìn)行寫(xiě)數(shù)值“12”操作，返回值為零，表明寫(xiě)寄存器操作執(zhí)行成功。為了驗(yàn)證命令的執(zhí)行情況，通過(guò)對(duì)比模擬器在執(zhí)行命令的前后狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)地址為21的寄存器值發(fā)生相應(yīng)的變化，如圖10所示。

5 總結(jié)

    本文設(shè)計(jì)了一種智能電網(wǎng)監(jiān)控與安全傳輸系統(tǒng)，采用與TCP/IP協(xié)議結(jié)合緊密的ModBus和IEC104協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，便于數(shù)據(jù)傳輸，并在系統(tǒng)中引入斷線自動(dòng)重連機(jī)制，完善系統(tǒng)功能。為了確保和提高批量數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全性與實(shí)時(shí)性，有效結(jié)合SM4加密算法與GPU并行計(jì)算，提出基于GPU并行計(jì)算的SM4加解密基本架構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，可有效提高數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的安全性與實(shí)時(shí)性，最終，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與并行加密傳輸?shù)墓δ?，為工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)提供了核心模塊。

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