智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理器的研究

(廣東電網(wǎng)珠海供電局1，廣東 珠海 519000；廣州思唯奇計(jì)算機(jī)科技有限公司2，廣東 廣州 510665；武漢大學(xué)自動(dòng)化系3,湖北 武漢 430072；中國五環(huán)工程有限公司4，湖北 武漢 430072)

0 引言

隨著智能變電站的逐步推廣，變電站二次設(shè)備的運(yùn)行形態(tài)發(fā)生了本質(zhì)的改變,以前在二次側(cè)電纜中傳輸?shù)哪M量信息被數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)報(bào)文所替代。目前,許多智能變電站中最關(guān)鍵的過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇辄c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式，然而這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸有著較大的固有缺陷。各地已經(jīng)開始嘗試開發(fā)和應(yīng)用基于交換的過程層網(wǎng)絡(luò)[1]。在基于交換的過程層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢蓸又禂?shù)據(jù)得到了很好的共享，因而可以在過程層網(wǎng)絡(luò)上展開一些新型保護(hù)的研究。

然而，由于智能化變電站網(wǎng)絡(luò)集中了全站的報(bào)文數(shù)據(jù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備需要強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理能力[2]。智能化變電站的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分為采樣值(sample value,SV)報(bào)文、面向通用對(duì)象的變電站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)報(bào)文、制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification,MMS)報(bào)文和同步時(shí)鐘報(bào)文等4類報(bào)文?！熬W(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析與故障錄波一體化裝置”需要通過不同的軟件模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)文記錄分析和故障錄波的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述4類報(bào)文在不同層面上的分析。

本文在研究當(dāng)前變電站報(bào)文處理現(xiàn)狀和處理器架構(gòu)及原理的基礎(chǔ)上，探討如何通過網(wǎng)絡(luò)報(bào)文線速處理技術(shù)解決這個(gè)難題。

1 智能變電站網(wǎng)路報(bào)文處理現(xiàn)狀

在現(xiàn)有的過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，一般采用RISC架構(gòu)的通用嵌入式CPU來處理網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，這受限于CPU的基本架構(gòu)，無法滿足線速處理網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的要求。通用CPU處理報(bào)文一般采用中斷的處理方式，由于報(bào)文處理能力低下，這類裝置具有以下缺點(diǎn)：①設(shè)備可用性差，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量異常如發(fā)生網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴時(shí)[3]，設(shè)備無法正常工作；②設(shè)備過于復(fù)雜，當(dāng)單個(gè)CPU無法滿足報(bào)文接入要求時(shí)，只能采用多個(gè)CPU多點(diǎn)接入的系統(tǒng)，這時(shí)，往往需要多臺(tái)設(shè)備組成的接入系統(tǒng)才能解決網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的接入、處理問題[4]；③設(shè)備可維護(hù)性差，多個(gè)接入點(diǎn)之間為了保證接入數(shù)據(jù)不重復(fù)，需要通過GMRP設(shè)置復(fù)雜的組播規(guī)則[5]。同時(shí)，多個(gè)CPU之間的協(xié)調(diào)、對(duì)時(shí)也使得管理異常復(fù)雜和繁瑣。

2 網(wǎng)絡(luò)處理器的架構(gòu)介紹

進(jìn)入21世紀(jì)以來，大量實(shí)時(shí)的語音和媒體數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)帶寬每7個(gè)月就翻一番。網(wǎng)絡(luò)處理器(net processor，NP)應(yīng)運(yùn)而生[6]。采用對(duì)稱多處理器模式的NP架構(gòu)如圖1所示。

圖1 采用對(duì)稱多處理器模式的NP架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)內(nèi)部集成了6個(gè)通用CPU核心(CORE)，6個(gè)CPU核共享RAM空間(DDR2內(nèi)存)。NP還提供了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接口，可以接入多路千兆以太網(wǎng)。報(bào)文輸入處理(packet input process,PIP)是一個(gè)專用的硬件協(xié)處理單元，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的接收與分發(fā)。PIP能夠直接訪問RAM空間，并能夠在無需CPU核處理的情況下將從網(wǎng)絡(luò)接口接收的報(bào)文存儲(chǔ)到RAM的緩存區(qū)域，同時(shí)發(fā)出事件消息給CPU核心。此外，PIP具有編程能力，能夠根據(jù)以太網(wǎng)ID識(shí)別網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的種類，并且根據(jù)報(bào)文的分類將事件消息傳送給指定的CPU核。

3 采用網(wǎng)絡(luò)處理器的解決方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄和分析的功能要求

在智能變電站中，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文以交換和組播的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳遞，同一網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備共享同一個(gè)數(shù)據(jù)通道。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析與故障錄波一體化裝置作為第三方的監(jiān)控設(shè)備，作用十分明顯。

網(wǎng)絡(luò)報(bào)文有兩個(gè)層面的分析。一是對(duì)報(bào)文的結(jié)構(gòu)、性能、61850一致性等進(jìn)行分析，這是通常的報(bào)文記錄分析功能。二是對(duì)報(bào)文承載的內(nèi)容進(jìn)行分析，對(duì)SV報(bào)文承載的采樣值進(jìn)行分析，對(duì)GOOSE報(bào)文承載的狀態(tài)量進(jìn)行分析，這就是故障錄波的功能[7]。

一體化裝置的主要工作是報(bào)文處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)文內(nèi)容分析、處理和記錄。如何有效地提高報(bào)文處理能力，以滿足全站報(bào)文的處理甚至網(wǎng)絡(luò)廣播風(fēng)暴情況下的報(bào)文處理，是一體化功能能否可靠實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

3.2 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析處理和記錄

基于前文提到的網(wǎng)絡(luò)處理器獨(dú)特的多CPU核和專用硬件報(bào)文協(xié)處理器的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套基于網(wǎng)絡(luò)處理器的智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理流程。

網(wǎng)絡(luò)處理流程步驟如下。

① 當(dāng)報(bào)文到達(dá)時(shí)，PIP接收?qǐng)?bào)文，并將報(bào)文放入報(bào)文緩存區(qū)域(RAM區(qū)域)，同時(shí)對(duì)報(bào)文進(jìn)行分類；再根據(jù)報(bào)文種類，將事件消息和指針傳遞給相關(guān)CPU核(CORE1、CORE2、CORE3)。

② CORE1處理GOOSE報(bào)文，解析整個(gè)智能變電站過程層的事件信息，并將報(bào)文放入存儲(chǔ)緩存區(qū)域。

③ CORE2處理SV報(bào)文，解析整個(gè)智能變電站的采樣值信息，并將報(bào)文放入存儲(chǔ)緩存區(qū)域。

④ CORE3處理其他報(bào)文，其中包括IEEE 1588報(bào)文和MMS報(bào)文。解析整個(gè)智能變電站的IEEE 1588對(duì)時(shí)情況和整個(gè)智能變電站站控層MMS協(xié)議工作情況，并將報(bào)文放入存儲(chǔ)緩存區(qū)域。

⑤ 當(dāng)CORE1、CORE2解析發(fā)現(xiàn)異常事件時(shí)，發(fā)送消息事件和指針給CORE4，CORE4啟動(dòng)故障錄波，將相關(guān)報(bào)文放入故障錄波緩存區(qū)域(內(nèi)存區(qū)域)。

⑥ CORE5不停地檢測存儲(chǔ)緩存和故障錄波緩存。當(dāng)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)緩存有新的報(bào)文數(shù)據(jù)時(shí)，將新數(shù)據(jù)放入存儲(chǔ)設(shè)備(磁盤或存儲(chǔ)陣列)。

報(bào)文處理流程如圖2所示。圖2中，實(shí)線表示報(bào)文實(shí)際路徑，虛線表示消息、指針路徑。

圖2 報(bào)文處理流程

在這個(gè)采用網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)的方案中，共使用了5個(gè)CPU核進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)報(bào)文存儲(chǔ)與分析，每個(gè)CPU核獨(dú)立工作，并行處理，消除了報(bào)文處理的瓶頸。高速的PIP硬件協(xié)處理器保證了NP的高速接入能力。處理器內(nèi)部還有1個(gè)CPU核，可以運(yùn)行實(shí)時(shí)預(yù)警、離線分析等程序。整個(gè)裝置功能強(qiáng)大，架構(gòu)簡單，模塊化清晰。任何擴(kuò)展功能都可以在增加的CPU核上運(yùn)行，對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理性能不造成影響。采用該款NP的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄與分析裝置可以保證處理至少800 Mbit/s流量的智能變電站網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，對(duì)應(yīng)50個(gè)間隔的智能變電站網(wǎng)絡(luò)流量。

3.3 采用NP進(jìn)行報(bào)文處理的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

采用對(duì)稱多處理器模式的NP架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行處理時(shí)，需要克服以下幾個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，才能提高NP的處理效率，真正做到線速處理網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。

3.3.1 報(bào)文識(shí)別分類問題

NP的PIP單元首先要能夠識(shí)別報(bào)文類別，才能將報(bào)文分發(fā)給對(duì)應(yīng)的CPU核進(jìn)行處理。在智能變電站網(wǎng)絡(luò)中存在的報(bào)文主要是GOOSE報(bào)文、SV報(bào)文、MMS報(bào)文以及IEEE 1588報(bào)文。根據(jù)IEC 61850協(xié)議，GOOSE報(bào)文的以太網(wǎng)ID是0x88B8,SV報(bào)文的以太網(wǎng)ID是0x88BA。IEEE 1588報(bào)文有兩種版本[8-9],IEEE 1588V1屬于IP報(bào)文，IEEE 1588V2的以太網(wǎng)ID是0x88F7。MMS報(bào)文屬于IP報(bào)文。

根據(jù)報(bào)文處理的分配策略,可以對(duì)PIP單元進(jìn)行編程，對(duì)輸入報(bào)文的以太網(wǎng)ID字節(jié)進(jìn)行識(shí)別：①以太網(wǎng)類型是GOOSE報(bào)文的，發(fā)送給CORE1處理；②以太網(wǎng)類型是SV報(bào)文的，發(fā)送給CORE2處理；③其他類型的報(bào)文發(fā)送給CORE3處理。

3.3.2 CPU核的分配問題

NP具有多個(gè)CPU核，這些核能夠并行處理，也能夠組成流水線分步處理。如何合理分配處理任務(wù)給各個(gè)CPU核，是提高處理效率、消除報(bào)文處理瓶頸的關(guān)鍵?？傮w上來說，采用流水線處理構(gòu)架時(shí)，由于每個(gè)CPU核的工作任務(wù)比較單一，處理效率比較高；采用并行處理的構(gòu)架時(shí)，系統(tǒng)模塊性更強(qiáng)，處理能力更加靈活，擴(kuò)展性也更強(qiáng)。

在本方案設(shè)計(jì)中，采用了兩種方式相結(jié)合的辦法，即報(bào)文的解析采用并行處理，故障錄波和報(bào)文存儲(chǔ)采用流水線式處理。這樣，既保證了各種報(bào)文處理的獨(dú)立性和實(shí)時(shí)性，又保證了故障錄波和存儲(chǔ)的高效率。

3.3.3 CPU核的管理問題

在NP內(nèi)部，多個(gè)CPU核同時(shí)運(yùn)行程序，如何協(xié)調(diào)CPU核工作和管理相關(guān)硬件資源是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。一般來說，CPU核有3種管理方式：①在所有的CPU核上運(yùn)行SMP操作系統(tǒng)(一般是Linux)；②在單個(gè)CPU核上運(yùn)行獨(dú)立的操作系統(tǒng)；③在單個(gè)CPU核上不運(yùn)行任何操作系統(tǒng)，直接運(yùn)行循環(huán)程序代碼。

第一種方式功能強(qiáng)大，易于實(shí)現(xiàn)，CPU之間的協(xié)調(diào)和硬件資源的管理通過操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。一般情況下采用這種方式管理NP。

第二種方式適用于某些對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的場合。在這種情況下需要在部分CPU核上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證處理業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。

第三種方式適合于對(duì)性能極端要求的情況。在這種情況下，設(shè)計(jì)者直接編寫程序代碼管理硬件資源，代碼的簡潔性和直接性能極大地提升CPU核的運(yùn)行效率和業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性。但是，這種方式的設(shè)計(jì)難度極大，主要針對(duì)處理過程比較簡單但是對(duì)性能要求很高的任務(wù)。

第二、三兩種方式都需要自行處理CPU之間協(xié)調(diào)和通信的問題，這個(gè)可以通過NP內(nèi)部的消息管理單元和共享緩存等方式來實(shí)現(xiàn)。

在本方案設(shè)計(jì)中，采用了第一種方式與第三種方式相結(jié)合的方式，即通過SMP的Linux操作系統(tǒng)管理CPU核(CORE1～CORE5)，在CORE6上直接運(yùn)行編譯的程序代碼。這樣既能保證主要業(yè)務(wù)管理的方便性和靈活性，又能保證存儲(chǔ)環(huán)節(jié)的高效性和可靠性，提高整個(gè)系統(tǒng)瓶頸環(huán)節(jié)的性能。

3.3.4 實(shí)例應(yīng)用

珠海220琴韻變電站3C綠色示范工程是廣東電網(wǎng)公司的重點(diǎn)工程，基于NP架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析與故障錄波一體化裝置在本工程中得到應(yīng)用，并成為南方電網(wǎng)公司一體化電網(wǎng)運(yùn)行智能系統(tǒng)的試點(diǎn)應(yīng)用的一項(xiàng)內(nèi)容。該裝置軟件由文件接收模塊、報(bào)文分發(fā)模塊、GOOSE分析模塊、MMS報(bào)文分析模塊、SV報(bào)文分析模塊和故障錄波等模塊組成。

① 報(bào)文接收模塊從CPU的報(bào)文接收單元獲取網(wǎng)絡(luò)上的原始報(bào)文，將系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間作為報(bào)文的接收時(shí)間戳[10]，并立即將報(bào)文掛入報(bào)文接收隊(duì)列。

② 報(bào)文分發(fā)模塊從報(bào)文接收隊(duì)列獲取報(bào)文，并對(duì)每個(gè)報(bào)文進(jìn)行解碼、流量統(tǒng)計(jì)、函數(shù)存儲(chǔ)和分發(fā)。

③ GOOSE分析模塊對(duì)GOOSE報(bào)文進(jìn)行解碼和分析并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。

④ MMS分析模塊根據(jù)報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)ID、源IP、目的IP、源端口、目的端口將報(bào)文掛到相應(yīng)的MMS連接，并分析其中的內(nèi)容，統(tǒng)計(jì)每個(gè)MMS連接的流量信息。

⑤ SV報(bào)文分析模塊根據(jù)APPID將報(bào)文掛到相應(yīng)的SV鏈路，對(duì)報(bào)文進(jìn)行解碼，獲取采樣ID，統(tǒng)計(jì)SV流量信息，將SV解碼后的內(nèi)容作為接口信息傳遞給故障錄波模塊。

⑥ 故障錄波模塊進(jìn)行啟動(dòng)判斷并記錄，進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)刻的GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文的時(shí)間比對(duì)并合并報(bào)文，生成標(biāo)準(zhǔn)的錄波文件并存儲(chǔ)。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)具有通用CPU無法比擬的報(bào)文接入和處理能力。本文提出了采用NP的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文線速處理技術(shù)的一體化裝置的解決方案，克服了智能變電站中海量網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理中報(bào)文識(shí)別分類、CPU核分配及管理等難題。該方案可全方位地整合變電站信息資源，全面、集約地掌握變電站運(yùn)行狀況，為事故快速

分析判斷、裝置狀態(tài)評(píng)估提供有效的支撐。該解決方案成功應(yīng)用于珠海220琴韻變電站3C綠色示范工程，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)報(bào)文收發(fā)、報(bào)文分析和故障錄波等功能。

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