用FPGA實(shí)現(xiàn)的具有過(guò)濾報(bào)文功能的Mac在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

沈峻

【摘要】本文介紹了一種應(yīng)用于數(shù)字化變電站中的用FPGA實(shí)現(xiàn)的Mac，其特點(diǎn)在于可基于特征向量的報(bào)文解碼，對(duì)于現(xiàn)實(shí)中發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴能夠有效過(guò)濾，從而能夠有效減輕DSP和局部總線的負(fù)擔(dān)，提高了效率和安全性。

【關(guān)鍵詞】FPGA;Mac;特征向量過(guò)濾

一、電力系統(tǒng)通信基本概況

隨著對(duì)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)研究的不斷深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出基于IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)數(shù)字化變電站的發(fā)展思路。數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的顯著區(qū)別在于過(guò)程層傳統(tǒng)的電流/電壓互感器、斷路器將被電子式電流/電壓互感器、智能斷路器取代。在數(shù)字化變電站中數(shù)據(jù)信息的共享程度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性將得到大幅度提高。

目前數(shù)字化變電站中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸普遍采用的以太網(wǎng)傳輸方式，其實(shí)現(xiàn)方式多為使用現(xiàn)成的ASIC MAC芯片，例如：DP83640，BCM5241等。

這種ASIC并非專(zhuān)門(mén)用于智能化變電站保護(hù)裝置，并不符合智能化變電站保護(hù)裝置對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，主要缺陷在于?duì)于接收到的各種網(wǎng)絡(luò)報(bào)文不能根據(jù)智能化變電站保護(hù)裝置的需要把冗長(zhǎng)報(bào)文中的有效信息提取出來(lái)，導(dǎo)致以太網(wǎng)傳輸?shù)腄SP（網(wǎng)絡(luò)DSP）在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)樾枰W(wǎng)絡(luò)報(bào)文的解碼計(jì)算而負(fù)載過(guò)重。

在某些應(yīng)用場(chǎng)合下，甚至不能夠完成中斷中的任務(wù)，不僅影響了整個(gè)保護(hù)裝置運(yùn)行速度，而且增加了因?yàn)樨?fù)載原因而使得保護(hù)裝置失效的風(fēng)險(xiǎn)。

二、具有過(guò)濾報(bào)文功能的Mac的功能介紹

本FPGA實(shí)現(xiàn)的Mac對(duì)于報(bào)文過(guò)濾的過(guò)程，有以下步驟：步驟S1，為不同的報(bào)文設(shè)置對(duì)應(yīng)的特征向量;步驟S2，根據(jù)所述特征向量對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾;步驟S3，對(duì)過(guò)濾后的報(bào)文進(jìn)行解碼，獲取報(bào)文中的有效信息（圖1）;其中，所述特征向量包括：類(lèi)型，說(shuō)明報(bào)文的類(lèi)型;特征，用于描述報(bào)文的特征;目的地址，用于說(shuō)明報(bào)文的目的地址其中“類(lèi)型”是所述類(lèi)型包括：TCP報(bào)文，UDP報(bào)文，IP報(bào)文和裸報(bào)文中的至少一種。其中“特征”是所述特征包括：GOOSE，IEC61850_9_2，IEEE1588中的至少一種。所述對(duì)過(guò)濾后的報(bào)文進(jìn)行解碼包括：根據(jù)預(yù)存的解碼規(guī)則對(duì)報(bào)文進(jìn)行解碼。例如：根據(jù)IEC61850_9_2報(bào)文規(guī)則將軟件需要的采樣值有效信息從報(bào)文中解出來(lái)，減少CPU讀取報(bào)文的Byte數(shù)。

三、FPGA對(duì)有過(guò)濾報(bào)文功能的Mac的實(shí)現(xiàn)

FPGA對(duì)于上述具有過(guò)濾報(bào)文功能的Mac的實(shí)現(xiàn)主要有以下功能模塊（圖2）：

（1）特征向量表：用于儲(chǔ)存訂閱報(bào)文的“類(lèi)型”和“特征”，目前所實(shí)現(xiàn)的Mac可由軟件設(shè)置64組獨(dú)立“類(lèi)型”和“特征”用于網(wǎng)絡(luò)報(bào)文過(guò)濾。

（2）接收單元：用于MII解碼，將接收到的MII信號(hào)解碼出報(bào)文信息，如裸報(bào)文，IEC61850_9_2等用于和上述特征向量表里的訂閱報(bào)文進(jìn)行比較，將不符合訂閱的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文丟棄，實(shí)現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的過(guò)濾。

（3）解碼協(xié)議庫(kù)：用于存儲(chǔ)訂閱報(bào)文的解碼類(lèi)型，例如對(duì)于IEC61850_9_2報(bào)文，存儲(chǔ)了此類(lèi)型報(bào)文的報(bào)文解碼規(guī)則，用于提取報(bào)文中的有效信息。

（4）解碼單元：將上述已經(jīng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾符合類(lèi)型訂閱的報(bào)文，根據(jù)其類(lèi)型，選擇解碼協(xié)議庫(kù)中的解碼規(guī)則，提取報(bào)文有效信息，存儲(chǔ)在RxFIFO中，供DSP讀取。

圖1

圖2

四、本設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

如圖3所示，一種用于數(shù)字化變電站智能保護(hù)的主CPU板卡，包括DSP、FPGA、PHY、網(wǎng)絡(luò)光纖收發(fā)器（光模塊），其中DSP包括網(wǎng)絡(luò)處理器模塊（網(wǎng)絡(luò)DSP）和保護(hù)處理模塊（保護(hù)DSP）。

其中，DSP芯片采用ADI公司專(zhuān)用的DSP處理芯片BlackfinBF544，功能實(shí)現(xiàn)模塊FPGA是Altera公司的CycloneIII系列FPGA芯片，例如：EP3C40F484I8，網(wǎng)絡(luò)PHY芯片采用National Semiconductor公司的DP83640，光纖收發(fā)器模塊采用AVAGO公司的AFBR-5803。它們之間的連接關(guān)系是：DSP（BF544）通過(guò)本地總線連接FPGA（EP3C40F484I8），F(xiàn)PGA向外提供8個(gè)MII接口，每個(gè)MII接口連接到一個(gè)PHY（DP83640），同時(shí)FPGA提供8個(gè)引腳中斷給DSP，每個(gè)PHY獨(dú)立連接到一個(gè)光纖收發(fā)器（AFBR-5803），光纖收發(fā)器連接板卡外部的以太網(wǎng)光纖。

圖3

網(wǎng)絡(luò)DSP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的接收，對(duì)IEC61850_9_2和GOOSE報(bào)文進(jìn)行解碼、運(yùn)算，通過(guò)內(nèi)部千兆交換機(jī)和保護(hù)DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換;網(wǎng)絡(luò)DSP接收保護(hù)DSP的跳閘命令，形成GOOSE網(wǎng)絡(luò)報(bào)文后，發(fā)送給智能控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷路器的控制，同時(shí)完成事件記錄、錄波等功能。

網(wǎng)絡(luò)DSP和保護(hù)DSP之間通信基于內(nèi)部千兆交換機(jī)，實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。保護(hù)DSP獲取網(wǎng)絡(luò)DSP采樣和開(kāi)關(guān)位置信息后，進(jìn)行對(duì)應(yīng)保護(hù)邏輯判斷，形成控制指令，再實(shí)時(shí)傳輸給網(wǎng)絡(luò)DSP，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷路器的控制。

當(dāng)FPGA的接收單元接收到來(lái)自MII接口的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文后，根據(jù)特征向量表（現(xiàn)有技術(shù)和規(guī)范）中的特征向量判斷該網(wǎng)絡(luò)報(bào)文是否符合特征向量，如果不符合則丟棄該網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，如果符合，則將該網(wǎng)絡(luò)報(bào)文發(fā)送至RxRAM，解碼單元從RxRAM中讀取網(wǎng)絡(luò)報(bào)文并根據(jù)解碼協(xié)議對(duì)該網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行解碼，獲取其中的有效信息發(fā)送至RxFIFO，并通過(guò)DSP接口發(fā)送給DSP。

參考文獻(xiàn)

[1]Communication Networks and Systems in Substations Part9-2：Specific Communication Service Mapping（SCSM）Sampled values over ISO/IEC 8802-3.

[2]Communication networks and systems in substations Part 8-1：Specific communication service mapping（SCSM）-Mappings to MMS（ISO/IEC 9506 Part 1 and Part 2）and to ISO/IEC 8802-3.