CN102650933A - 一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统 - Google Patents

一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，它包括：主控制器板模块有嵌入式处理器、双内存以及运算加速器芯片；双内存中有软件系统模块，其操作系统模块为嵌入式处理器的运行引导加载程序，驱动嵌入式Linux操作系统和导入Rootfs文件系统；监控模块对系统运行，网络链接，芯片温度，模块电压数据监控，并通过IPMI规范向外提供这些数据；存储控制模块对硬盘组模块的磁盘阵列的建立，解除，复、重建和监控，通过WEB管理界面模块进行操作管理，通过数据访问管理模块，实现NAS管理和IPSAN管理；数据防篡改模块防止数据被非法改动；硬盘组模块为RAID0/1/5/6型磁盘阵列，IPMI模块，对本存储系统的运行状况进行监控，并按照IPMI规范将监控数据引出。

Description

一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统
技术领域
本发明涉及一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，它适用于数字化变电站网络通信记录装置的基于NAS和IPSAN混合存储控制的CPCI接口的专用存储系统。
背景技术
传统的综合自动化变电站的过程层存在许多问题：例如互感器的投资大、占地多、与二次系统配合复杂；信息交互以二次电缆的硬接线为基础，电缆具有电磁干扰，可靠性差，经常发生由于电缆遭受电磁干扰而引起二次设备运行异常；过程层设备采集到的信息不能共享等。
采用数字化变电站以后，过程层发生了很大的变化。传送模拟量和开关量的大量错综复杂的电缆被一些交换机和网线所代替，信息的交互由基于硬接线的方式，变为了基于网络的方式。常规的电压互感器和电流互感器被电子互感器所取代。变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据资源共享。
因此，数字化变电站是由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建，建立在IEC61850通信规范基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。
随着数字化变电站技术的发展，变电站过程层、间隔层以及站控层的网络通信报文已经成为变电站智能电子设备之间信息交互的主要方式。智能电子设备和通信网络的健康状况将直接影响整个数字化变电站的安全运行。网络报文的收发异常或故障均可能导致电力系统重大事故。因此，对数字化变电站网络通信报文进行有效的监视、记录和分析十分必要。
网络通信记录装置是可以用于数字化变电站网络通信报文监视和记录的设备。该设备可以实时得对网络通讯故障及隐患进行告警，并迅速定位故障点和故障类型，有效的预防电力系统事故的发生。该设备通过完整的记录数据，能够重建通信过程，为事故分析提供最详实、最公正的原始数据，起到第三方监视的作用。
网络通信记录装置可以称之为数字化变电站通信网络运行的“黑匣子”。而存储系统是网络通信记录装置最重要的组成部分。存储系统的好坏决定了网络通信记录装置的性能。目前，用于网络通信记录装置的存储系统存在这些技术问题：
1.数字化变电站的屏柜资源有限，留给存储系统的安装空间有限，存储系统应该在满足容量要求的情况下使用最少数量的硬盘；
2.数字化变电站属于恶劣工业环境，要求站内设备无风扇，对系统湿热性能有较高要求；
3.存储系统的数据写入速度不满足一定的变电站配置和网络拓扑结构下流量要求而产生拥塞，导致报文记录不完整；
4.由于数字化变电站多建设于野外，网络通信记录仪的工作环境比较恶劣，存储系统的磁盘存在一定损坏的几率，从而导致数据丢失；
5.数据保护水平，故障恢复能力和服务连续性不能满足网络通信记录装置不停机的工作模式要求；
6.存储数据遭篡改导致不能提供原始数据；
7.后台主机与存储系统的数据访问协议不兼容，数据访问带宽不足。
因此，网络通信记录装置存储系统的设计，应该综合考虑存储容量，读写速度，数据冗余，数据安全，数据访问和系统可靠性等多方面的因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，它体积小，运行可靠，功耗低，数据读写速度快，有效保证了数据原始性和完整性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，它包括主控制器板模块，硬盘组模块，IPMI模块，电源模块，各模块均与CPCI接口模块双向通信，CPCI接口模块连接到网络通信记录装置；其中，
主控制器板模块有嵌入式处理器、双闪存以及运算加速器芯片；在双闪存中设有软件系统模块，软件系统模块的操作系统模块为嵌入式处理器的运行引导加载程序，驱动嵌入式Linux操作系统和导入Rootfs文件系统；软件系统模块的系统监控模块提供了对系统运行，网络链接，芯片温度，模块电压数据的监控，并通过IPMI规范向外提供这些数据；软件系统模块的存储控制模块通过磁盘阵列管理模块实现硬盘组模块的磁盘阵列的建立，解除，复，重建和监控，通过WEB管理界面模块进行操作管理，通过数据访问管理模块，实现NAS管理和IPSAN管理；通过数据防篡改模块防止数据被非法改动；
硬盘组模块为RAID0/1/5/6型磁盘阵列，其功能是存储报文记录数据；
IPMI模块对本存储系统的运行状况进行监控，并按照IPMI规范将监控数据引出。
电源模块包括支持直流220V和交流220V两种供电模式。
所述WEB管理界面模块提供操作存储系统的人机接口，包括时间设定、网络参数设定、RAID管理、NAS管理、IPSAN管理和日志功能；NAS管理实现采用NFS协议的类UNIX主机和采用SMB协议的Windows主机对存储系统的数据访问，IPSAN管理实现了采用iSCSI协议的主机对对存储系统的数据访问。
所述数据防篡改模块包括数字水印模块和数字摘要模块，数字水印模块实现基于小波域的无失真类型的篡改提示易损水印算法；数字摘要模块使用基于Hash编码法的数据摘要技术，该技术首先生成一个记录文件的明文摘要，再使用SHA或MD5加密算法对该明文摘要加密成一串128bit的密文。
本发明的存储系统的硬件系统包括主控制器板模块，硬盘组模块，CPCI接口模块，IPMI模块，电源模块。其中主控制器板模块装置有嵌入式处理器、双内存、异或运算加速器芯片。嵌入式处理器采用Freescale公司PowerQUICCII系列MPC8379E，使用32位e300内核主频可达800MHz，采用90nm集成电路工艺设计。内存采用1GB DDR2内存。闪存采用8MB/16位Nor Flash和64MB/8位NAND Flash双闪存设计，支持从任一闪存启动软件系统。异或运算加速器芯片为MPC8379E片上集成，用来加密运算和冗余校验运算。
硬盘组模块装置有硬盘和硬盘架，支持8块硬盘，支持最大单盘容量16TB，支持SATA接口硬盘。
CPCI接口模块指PICMG2.16版本的CPCI规范接口。该接口引出的接口包括2个千兆以太网接口、8个SATA接口、2个USB2.0接口和2个RS232串口。支持3U和6U两种规格。
IPMI模块采用Freescale的MC9S08QG8微控制器作为MCU子系统。该MCU子系统具备8Kbyte片内Flash和512bytes片内SRAM，具备10-bit A/D接口，支持I2C、SPI和UART通信方式。使用MC9S08QG8作为IPMI规范的基板管理控制器，对本存储系统的运行状况进行监控，并按照IPMI规范将监控数据引出。
电源模块包括支持直流220V和交流220V两种供电模式。
存储系统的软件系统包括操作系统模块、系统监控模块、存储控制模块和数据防篡改模块。
操作系统模块包括引导加载程序、嵌入式Linux版本2.6操作系统和rootfs文件系统。
系统监控模块提供了对系统运行，网络链接，芯片温度，模块电压等数据的监控，并通过IPMI规范向外提供这些数据。
存储控制模块包括磁盘阵列管理软件、WEB管理界面软件、数据访问管理软件。磁盘阵列管理软件实现RAID0/1/5/6型磁盘阵列的建立，解除，修复，重建和监控；WEB管理界面软件提供操作存储系统的人机接口，包括时间设定、网络参数设定、RAID管理、NAS管理、IPSAN管理和日志功能。数据访问管理软件包括NAS管理软件和IPSAN管理软件，NAS管理软件实现采用NFS协议的类UNIX主机和采用SMB协议的Windows主机对存储系统的数据访问，IPSAN管理软件实现了采用iSCSI协议的主机对对存储系统的数据访问。
数据防篡改模块包括数字水印软件和数字摘要软件。数字水印软件实现基于小波域的无失真类型的篡改提示易损水印算法。数字摘要软件使用基于Hash编码法的数据摘要技术，该技术首先生成一个记录文件的明文摘要，再使用SHA或MD5加密算法对该明文摘要加密成一串128bit的密文。
在使用中，本存储系统通过CPCI接口连接到网络通信记录装置，磁盘阵列管理软件将硬盘组模块构建成RAID0/1/5/6型磁盘阵列。网络通信记录装置的数据采集模块将采集的报文记录数据存入本存储系统。数据防篡改模块对数据进行处理。分析后台主机通过千兆以太网接口和数据访问管理软件读取存储系统中的报文记录数据。
本发明的有益效果是：
采用嵌入式系统技术，具有体积小、发热低、可靠性高、功耗小的特点，实测功耗小于30瓦特，在无风扇的情况下可以安全连续运行至少5000小时。
采用高可靠CPCI欧洲卡结构，改善了散热条件、提高了抗振动冲击能力、符合电磁兼容性要求，采用2mm密度的针孔连接器，具有气密性、防腐性，进一步提高了可靠性，并增加了负载能力。
数据写入速度大于400Mbps，大于一般数字化变电站配置和网络拓扑结构条件下报文流量的要求，不产生拥塞，不影响报文记录完整性。
磁盘阵列管理软件采用的冗余策略支持不超过允许损坏数量的磁盘损坏时的数据恢复，自动故障硬盘检测，不停机更换硬盘，不停机扩充存储系统容量，提高了数据保护水平，故障恢复能力和服务连续性，满足网络通信记录装置不停机的工作模式要求。
采用数据防篡改策略对报文数据进行处理，保证数据原始性和完整性。
基于NAS和IPSAN的多协议数据访问管理软件，解决了后台主机与存储系统的数据访问协议不兼容问题。使用iSCSI技术，通过直接对物理硬件的块级存储访问，使报文记录数据读取速度达到600Mbps以上，解决了数据访问带宽不足的问题。
附图说明
图1为本发明的存储系统硬件系统框图。
图2为本发明的存储系统软件系统框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，本发明的具体实施方式指所述存储系统的硬件系统如附图1所示包括主控制器板模块，硬盘组模块，CPCI接口模块，IPMI模块，电源模块。
主控制器板模块指以Freescale的MPC8379E高性能嵌入式处理器为核心，配合内存和Flash芯片构成嵌入式最小系统。其中DDR2内存使用SSTL2驱动器和1.8V电压。Flash芯片由MPC8379E片内的Flash控制器控制，从Nor Flash或NAND Flash启动的切换开关一端分别连接两个Flash的片选引脚CS和CE，另一端连接MPC8379E的总线控制器的LCS0和LCS1。通过拨动开关，切换启动方式。
硬盘组模块通过硬盘架固定在网络报文记录装置机箱内。
CPCI接口模块采用PICMG2.16版本的CPCI规范接口。使用基于欧洲卡规范(IEC297/IEEE1011.1)和PCI总线的电气规范的标准针孔连接器(IEC-1076-4-101)。
IPMI模块的Freescale的MC9S08QG芯片的A/D接口采集1.8V，3.3V和5V电流电压信号，I2C接口采集温湿度传感器信号，GPIO接口采集开关量并控制系统复位。MC9S08QG和MPC8379E通过I2C总线连接，并按照IPMI规范传输监控到的电流，电压，温湿度，开关量数据。
电源模块使用交流电压220V频率50Hz和直流电压220V双电源供电。
本发明所述存储系统的软件系统如附图2所示包括操作系统模块、系统监控模块、存储控制模块和数据防篡改模块。
操作系统模块引导加载程序使用uboot，操作系统使用Linux2.6，使用ramdisk文件系统。
系统监控模块符合IPMI规范，监控数据的传输基于I2C总线驱动。
存储控制模块的磁盘阵列管理软件基于开源的mdadm软件包，进行二次开发，将其运行在嵌入式系统中。
WEB管理界面模块使用javascript和shell语言编写。提供了时间设定，网络参数设定，硬盘检测，硬盘分区，RAID建立，RAID恢复，NFS协议和SMB协议的配置，iSCSI协议配置和日志查询的人机接口。
数据访问管理软件采用了开源的nfs-utils工具集软件包，对其进行二次开发，将其运行在嵌入式系统中，实现NFS协议服务器的管理。采用了开源的iscsitarget工具集软件包，对其进行二次开发，将其运行在嵌入式系统中，将存储系统构建为iSCSI-target，实现iSCSI协议服务器的管理。
数据防篡改模块使用基于小波域的无失真篡改提示文本型水印算法对报文记录数据进行处理。使用基于Hash编码法的数据摘要技术对报文记录数据进行预处理，生成一个报文记录文件的明文摘要，再使用SHA或MD5加密算法对该明文摘要加密成一串128bit的密文。后天主机收到报文记录数据后使用同样方法得到密文，再对两个密文进行比较，判断数据是否遭篡改。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，其特征是，它包括主控制器板模块，硬盘组模块，IPMI模块，电源模块，各模块均与CPCI接口模块双向通信，CPCI接口模块连接到网络通信记录装置；其中，
主控制器板模块有嵌入式处理器、双闪存以及运算加速器芯片；在双闪存中设有软件系统模块，软件系统模块的操作系统模块为嵌入式处理器的运行引导加载程序，驱动嵌入式Linux操作系统和导入Rootfs文件系统；软件系统模块的系统监控模块提供了对系统运行，网络链接，芯片温度，模块电压数据的监控，并通过IPMI规范向外提供这些数据；软件系统模块的存储控制模块通过磁盘阵列管理模块实现硬盘组模块的磁盘阵列的建立，解除，复，重建和监控，通过WEB管理界面模块进行操作管理，通过数据访问管理模块，实现NAS管理和IPSAN管理；通过数据防篡改模块防止数据被非法改动；
硬盘组模块为RAID0/1/5/6型磁盘阵列用于存储报文记录数据；
IPMI模块，对本存储系统的运行状况进行监控，并按照IPMI规范将监控数据引出。
2.如权利要求1所述的用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，其特征是，电源模块包括支持直流220V和交流220V两种供电模式。
3.如权利要求1所述的用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，其特征是，所述WEB管理界面模块提供操作存储系统的人机接口，包括时间设定、网络参数设定、RAID管理、NAS管理、IPSAN管理和日志功能；NAS管理实现采用NFS协议的类UNIX主机和采用SMB协议的Windows主机对存储系统的数据访问，IPSAN管理实现了采用iSCSI协议的主机对对存储系统的数据访问。
4.如权利要求1所述的用于数字化变电站网络通信记录装置的存储系统，其特征是，所述数据防篡改模块包括数字水印模块和数字摘要模块，数字水印模块实现基于小波域的无失真类型的篡改提示易损水印算法；数字摘要模块使用基于Hash编码法的数据摘要技术，该技术首先生成一个记录文件的明文摘要，再使用SHA或MD5加密算法对该明文摘要加密成一串128bit的密文。
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