CN102013900A - 电力专用千兆b码时戳卡 - Google Patents

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陈良汉
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Abstract

本发明公开了一种电力专用千兆B码时戳卡，它包括有一至四个sfp千兆光纤网络接口、FPGA数字逻辑模块、IRIG-B输入接口、RTC精准时钟电路、板载SDRAM模块、PCIe接口、电源电路、JAT配置接口、管理与配置模块、IRIG-B码时钟接收模块、千兆网络数据接收并加时戳模块、网络数据报文电力专用协议分析处理模块、与主计算机的PCIe数据通信模块、板卡内部精准时钟守时模块。本发明配备有高性能、大容量FPGA芯片，既可实现高效能网络数据处理和B码时钟加戳，同时也能保证电力系统专用协议的扩展和升级，全面帮助电力系统用户打破通用网卡进行高速报文处理的瓶颈。

Description

电力专用千兆B码时戳卡
技术领域：
本发明涉及一种基于PCIe接口的电力专用千兆B码时戳卡。
背景技术：
随着计算机的普及和网络的发展，网络带宽飞速增长，网络上的安全需求也在不断增加。目前网络带宽已经达到了千兆甚至万兆，传统的报文捕获平台已经无法满足高速网络的报文捕获需求，因而研究高流量、高负载情况下的报文捕获技术，为路由器、防火墙、入侵检测等系统提供可靠的报文捕获前端是一个重要而有意义的研究课题。
导致传统报文捕获平台无法适应高速网络捕包需要的原因主要有三点：第一是内核对报文多次的数据拷贝及协议栈对报文冗余的处理；第二是频繁的产生并响应中断；第三是多次的系统调用及用户态与内核态之间的上下文切换。因此，目前国内外对于千兆小包网络数据捕获基本是采用硬件进行实现的，从而在提高系统的吞吐量前提下降低计算机主机的CPU占用率。但是以上的千兆网络报文捕获卡在数字化变电站中使用存在如下问题：(1)不能接收符合《电力系统对时标准DLT 1100-1》的IRIG-B码的精确时间，并在网络MAC层每个报文中加盖精确时间戳，从而对数字化变电站的网络报文的时序无法进行精准分辨；(2)不能对符合IEC61850《变电站通信网络和系统系列标准》的网络报文进行分类和分析，从而增加计算机主机的CPU负荷率，影响主机程序的运行效率。
数字化变电站的一个重要特征是用数字传输技术(光纤以太网)替代了常规变电站中沿用多年的二次电缆，为实现数据共享和设备的互操作性提供了必要的技术基础，这一重大变革将对未来变电站中二次设备的形态、设备调试流程、变电站检修和运行规范等各个方面都将产生深刻的影响。在电网故障、自动化系统异常时，如何重新显示当时二次系统网络通信的全过程，如何分析自动化系统是否正常，如何辅助系统维护人员准确定位故障原因，已经成为IEC61850数字化变电站迫切需要解决的问题。
目前，国内外的数字化变电站通讯在线监视分析系统可对网络通讯状态进行在线监视，并对网络通讯故障及隐患进行告警，有利于及时发现故障点并排查故障，同时能够对网络通讯信息进行无损失全记录，以便于重现通讯过程及故障。但是，该类在线监视分析系统中数字化变电站报文捕获存在如下问题：(1)只能提供百兆网络报文捕获，且百兆64字节网络小包流量只能达到满负荷的80％，无法满足变电站事故时的大数据流量的冲击，对数字化变电站的千兆数据通信环境也无法满足要求；(2)不能提供光纤接口与数字化变电站网络连接，而需要采用电接口方式与数字化变电站网络连接，增加了安全风险，并且需要配置光电转换模块，增加了现场实施成本。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种电力专用千兆B码时戳卡，它配备有高性能、大容量FPGA芯片，既可实现高效能网络数据处理和B码时钟加戳，同时也能保证电力系统专用协议的扩展和升级，全面帮助电力系统用户打破通用网卡进行高速报文处理的瓶颈。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
电力专用千兆B码时戳卡，包括有一至四个sfp千兆光纤网络接口、FPGA数字逻辑模块、IRIG-B输入接口、RTC精准时钟电路、板载SDRAM模块、PCIe接口、电源电路、JAT配置接口，另外，它还包括有：
管理与配置模块，用于配置所述电力专用千兆B码时戳卡，设置通信模式、网络数据过滤分析规则；
IRIG-B码时钟接收模块，用于接收符合IRIG-B码；
千兆网络数据接收并加时戳模块，用于接收数字化变电站网络交换机镜像端口提供的网络数据，并对每一个MAC层数据报文加盖精确的时间戳(+-1μs)；
网络数据报文电力专用协议分析处理模块，用于对数字化变电站IEC61850MMS/GOOSE/SV等数据进行分类统计、在线分析及数据过滤；
与主计算机的PCIe数据通信模块，用于将获取的网络数据及分析结果递交到主计算机进行后台处理；
板卡内部精准时钟守时模块，用于电力专用千兆B码时戳卡失去时钟同步的情况下本身的精确守时。
作为上述技术方案的优选，所述的sfp千兆光纤网络接口与数字化变电站网络交换机相连接，所述PCIe接口与主计算机相连接，所述JAT配置接口与系统维护计算机配置接口相连接。
作为上述技术方案的优选，所述的千兆网络数据接收并加时戳模块其流量可以满足64字节1.488Mpps的极限带宽要求。
作为上述技术方案的优选，所述的板卡内部精确时钟守时模块的守时指标可以达到10分钟内4微秒以内的误差标准。
本发明的有益效果在于：它针对数字化变电站网络通信数据的特点，基于光纤接口(千兆、百兆兼容)的网络小包数据线速的数据捕获，并实时接收B码时钟同步信号，对每个MAC层的数据包加盖一个1μs精度的时间戳，为数字化变电站对网络数据报文时序的精确判定及历史数据记录重现提供了关键的技术基础，并且提供硬件级别的电力专用协议在线分析，极大地降低了主计算机的CPU负荷，是数字化变电站的故障记录分析的重要可靠手段。
附图说明：
以下结合附图对本发明做进一步的说明：
图1是本发明的硬件结构示意图；
图2是本发明的软件模块示意图；
图3是本发明使用的实施例图。
具体实施方式：
以下所述仅为体现本发明原理的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
见图1至图3所示：本发明的电力专用千兆B码时戳卡包括一至四个sfp千兆光纤网络接口1、FPGA数字逻辑模块2、IRIG-B输入接口3、RTC精准时钟电路4、板载SDRAM模块5、PCIe接口6、电源电路7、JAT配置接口8、管理与配置模块9、IRIG-B码时钟接收模块10、千兆网络数据接收并加时戳模块11、网络数据报文电力专用协议分析处理模块12、与主计算机的PCIe数据通信模块13、板卡内部精准守时模块14等组成。
一至四个的sfp千兆光纤网络接口1用于数字化变电站网络交换机的镜像汇聚端口的数据接入，根据变电站的实际情况，可以将可替换的接口模块选择为sfp千兆光纤网络接口/sfp百兆光纤网络接口/百兆RJ45电网络接口，同时，也可选用一台中间交换机将8路百兆网络光或电接口汇聚到1个千兆光接口之后接入到本发明的1个网络接口进行容量扩充。
FPGA数字逻辑模块2选用Xilinx公司的XC5VLX50T，该FPGA内置四路千兆以太网光纤输入的PHY/MAC和一个PCIeX4接口，能够实现宽达128位的SDRAM接口，且整个电路大部分将运行在高达125MHZ的时钟频率上，FPGA模块负责总体的数字逻辑处理。
IRIG-B输入接口3用于外部输入IRIG-B时间码(DC)(RS422或RS485电平或ST850nm光够)，板载逻辑实现时间码同步，并使用内部基准时钟产生高精度时间戳(精度1微秒)。
RTC精准时钟电路4作为IRIG-B时间同步的备用电路，板载RTC，电池使用时间最少可达到5年。
板载SDRAM模块5用于保持接收以太网帧数据，并同时发送这些数据到PCIeX4接口，在以太网持续峰值数据流的情况下，对DRAM的带宽需求为2×667MB/s＝1.34GB/s，本板卡使用1GBSDRAM，宽度为128位，运行在125MHZ频率上，理论带宽为2GB/s。
PCIe接口6支持PCI express V1.1规范中PCI express速率为2.5Gbps，即X1规格理论速度为312.5MB/s，X4理论速度为1.25GB/s。本板卡高端FPGA的高速收发器具备实现PCIe的条件，且能够灵活实现用户逻辑。
电源电路7包含5V，3.3V，1.8V，1.2V等电源模块，电源的稳定性对整个板卡的稳定可靠运行至关重要。
JAT配置接口8包含FPGA配置逻辑、配置EEPROM等。
管理与配置模块9，用于配置所述电力专用千兆B码时戳卡，设置通信模式、网络数据过滤分析规则；
IRIG-B码时钟接收模块10，用于接收符合《电力系统对时标准DLT-1100-1》的IRIG-B码。
千兆网络数据接收并加时戳模块11，用于接收数字化变电站网络交换机镜像端口提供的网络数据，并对每一个MAC层数据报文加盖精确的时间戳(+-1μs)
网络数据报文电力专用协议分析处理模块12，用于对数字化变电站IEC61850MMS/GOOSE/SV等数据进行分类统计、在线分析及数据过滤。
与主计算机的PCIe数据通信模块13，用于将获取的网络数据及分析结果递交到主计算机进行后台处理。
板卡内部精准时钟守时模块14，用于电力专用千兆B码时戳卡失去时钟同步的情况下本身的精确守时。
本发明的电力专用千兆B码时戳卡从简单捕包功能到复杂的应用模块，都可以为线速网络数据处理提供支持。曙光智能网卡除了基本的线速收包功能和报文分类等多项功能外，还支持电力系统专用协议分析，是数字化变电站中高速链路网络分析的最佳选择，它解决了如下问题：
(1)电力专用千兆B码时戳卡采用高性能大容量工业级65nm芯片FPGA、高集成收发器件及千兆以太网技术，装置采用采用8层印刷板、SMT表面贴装和涂敷工艺，加上完善的软件抗干扰措施，使板卡具备高速、可靠及强大的抗干扰能力。
(2)电力专用千兆B码时戳卡采用单向光的网络数据捕获的方式，不对数字化变电站现场网络带来任何网络干扰；
(3)电力专用千兆B码时戳卡具备采用PCIe总线技术的千兆网络小包线速数据捕获能力，根据现场情况，可以配置为四个千兆光口，装置具备接收IRIG-B码对时能力，每个网络数据包均带有误差不大于1μs的时间戳。
(4)电力专用千兆B码时戳卡根据网络通信数据的特征，结合工业无损压缩算法，可以将网络通信数据压缩为1/3-1/4，提高了数据写入速度，降低了硬盘使用容量，增强了系统可靠性。
(5)电力专用千兆B码时戳卡支持对IEC 618509-1及9-2采样值信息进行在线分析并对丢帧、序号错误、频率异常等进行告警，对GOOSE信息进行在线分析并对丢帧、序号变化错误、时序错误、非法报文等进行告警。

Claims (4)

1.电力专用千兆B码时戳卡，包括有一至四个sfp千兆光纤网络接口(1)、FPGA数字逻辑模块(2)、IRIG-B输入接口(3)、RTC精准时钟电路(4)、板载SDRAM模块(5)、PCIe接口(6)、电源电路(7)、JAT配置接口(8)，其特征在于它还包括有：
管理与配置模块(9)，用于配置所述电力专用千兆B码时戳卡，设置通信模式、网络数据过滤分析规则；
IRIG-B码时钟接收模块(10)，用于接收符合IRIG-B码；
千兆网络数据接收并加时戳模块(11)，用于接收数字化变电站网络交换机镜像端口提供的网络数据，并对每一个MAC层数据报文加盖精确的时间戳(+-1μs)；
网络数据报文电力专用协议分析处理模块(12)，用于对数字化变电站IEC61850MMS/GOOSE/SV等数据进行分类统计、在线分析及数据过滤；
与主计算机的PCIe数据通信模块(13)，用于将获取的网络数据及分析结果递交到主计算机进行后台处理；
板卡内部精准时钟守时模块(14)，用于电力专用千兆B码时戳卡失去时钟同步的情况下本身的精确守时。
2.根据权利要求1所述的电力专用千兆B码时戳卡，其特征在于：所述的sfp千兆光纤网络接口(1)与数字化变电站网络交换机(15)相连接，所述PCIe接口(6)与主计算机(17)相连接，所述JAT配置接口(8)与系统维护计算机配置接口(18)相连接。
3.根据权利要求1或2所述的电力专用千兆B码时戳卡，其特征在于：所述的千兆网络数据接收并加时戳模块(11)其流量可以满足64字节1.488Mpps的极限带宽要求。
4.根据权利要求1或2所述的电力专用千兆B码时戳卡，其特征在于：所述的板卡内部精确时钟守时模块(14)的守时指标可以达到10分钟内4微秒以内的误差标准。
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