CN103209137B - 可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，包括帧数据控制接口模块：按采样值帧数据或其它普通帧数据的不同数据类型，自适应开辟数据缓冲区并存储相应数据信息；自适应μS级高精度硬件时序控制模块：具备按系统配置的报文类型、内容及其高精度时序要求，自适应生成帧发布时序逻辑控制机制，采用基于高精度定时中断的“硬件定时中断触发--多任务并行--硬件延时--报文帧发布”方法，选择发布的帧数据内容送入基于IP内核的以太网MAC控制器中；高速以太网通讯接口模块：按以太网MAC控制器组包内容高速发布以太网报文帧。本发明可解决智能变电站采样值帧发送间隔时间抖动延时较大的问题。

Description

可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统

技术领域

本发明涉及一种以太网接口控制系统,尤其是针对电力系统在智能变电站中采样值帧报文发送间隔抖动延时较大，二次设备接收处理复杂且可能影响其动作行为的问题，提出的一种可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统,属于电力系统智能变电站技术领域。

背景技术

随着变电站智能化技术的不断发展与推进，现场对变电站自动化系统中继电保护装置等设备的功能和性能要求也越来越丰富；智能变电站中，继电保护设备与MU合并单元之间的采样值数据通信，普遍采用基于IEC61850-9标准的采样值协议；继电保护设备与智能终端、继电保护设备过程层之间的遥信、控制等通信，普遍采用基于IEC61850-8标准的GOOSE协议。

智能变电站内采样值和GOOSE信号，为具有严格时间间隔规定的快速传输数据。常规的由CPU定时中断触发以太网发送任务实现报文发送时，由于CPU工作在多任务调度的复杂机制下，前端数据存储、报文发送读写控制、及突发信号处理时的CPU重负荷等原因，均会对报文发送的间隔时间产生影响，通常其间隔时间的抖动幅度为±5～30uS，且抖动延时不确定。为满足国家电网公司颁布的《智能变电站继电保护技术规范》标准中MU合并单元装置采样值发送间隔离散值应小于10uS的要求这方面，各厂家会采取多种措施改进设计，但效果仍无法达到最优和稳定。这加大了对后端设备采样处理的难度和要求，导致此类采样值报文传送到对采样频率、实时性、稳定性要求很高的设备处理后的运行可靠性产生影响，甚至可能影响到整个综合自动化系统的运行稳定性。

从减少采样值报文和GOOSE报文等报文发送间隔抖动延时出发，设计一种方法将其抖动限制在1uS及以内，可以简化继电保护设备的软件接口处理算法、降低CPU的负荷率，对提高保护性能指标及运行可靠性，及提升整个变电站运行的安全和稳定性具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制方法，解决智能变电站采样值帧发送间隔时间抖动延时较大的问题，消除其对二次设备数据接收和稳定运行的影响，提高变电站运行的安全性和稳定性，同时降低采样值组网传输技术在工程应用的中难度。

为实现上述发明目的，本发明采取以下的技术方案来实现:

一种可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，其特征在于：包括

帧数据控制接口模块：具备与前置报文控制主机的数据通讯接口，按采样值数据或其它普通数据的不同数据类型，自适应开辟数据缓冲区并存储相应数据信息；

自适应μS级高精度硬件时序控制模块：按系统配置的报文类型、内容及其高精度时间要求，自适应生成帧发布时序逻辑控制方法，采用基于高精度定时中断的“硬件定时中断触发--多任务并行--硬件延时--报文帧发布”过程，选择预定发布的帧数据内容将其送入基于硬件IP内核的以太网MAC控制器中。包括：基于自有IP内核的自适应μS级硬件时钟模块、以太网帧发布控制机模块、基于自有IP内核的以太网MAC控制器模块；

高速以太网通信接口模块：具备与不同物理设备的接口,并按以太网MAC控制器组包内容高速发布以太网报文帧。

前述的可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，其特征在于：所述报文帧数据控制接口模块包括:

采样值数据控制接口模块:接收前置采样值数据控制主机Host发送的采样值帧数据，自适应开辟实时数据缓冲寄存器，自动存储采样值帧数据；

普通数据控制接口模块:接收前置普通报文数据控制主机Host来的普通帧数据，自适应开辟实时数据缓冲寄存器，自动存储普通帧数据。

前述的可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，其特征在于：所述自适应μS级高精度硬件时序控制模块包括:

基于自有IP内核的自适应μS级硬件时钟模块:根据应用配置的采样值报文类型IEC61850-9-1或9-2和数据内容，采用自有基于FPGA硬件的IP内核，自适应生成相应配置下的μS级高精度时序控制脉冲，采用基于高精度定时中断的“硬件定时中断触发--多任务并行--硬件延时--报文帧发布”方法，实现帧发布的时序控制；

以太网帧发布控制机模块:接收来自硬件时钟模块的触发中断，实现采样值、GOOSE等多种接口数据自动选择和发送的精确时间任务进程调度；

基于自有IP内核的以太网MAC控制器模块:采用自有基于FPGA硬件IP内核的以太网MAC控制器模块，提供与介质无关的数据接口，采用帧数据发送控制状态机，实现数据帧的编码构建、差错检查和传送控制。

前述的可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，其特征在于：所述高速以太网通信接口模块，将前级MAC控制器发送过来的以太网帧数据，通过RJ45接口或光纤接口等不同物理接口发送出去。

配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)由自适应us级硬件时钟模块产生以太网帧发布定时中断，触发前置主机host模块启动报文发送任务；

2)如果同一接口上只需要发送采样值帧报文内容，则前置主机将即将发送的采样值数据写入采样值数据控制接口寄存器中，等待既定延时后，通过高速以太网物理接口模块将已存入以太网MAC控制器缓冲区中的采样值帧数据发送出去；

3)如果同一接口上需同时发送采样值报文和普通报文如GOOSE等内容，则作如下处理：启动发送任务后，一边填写采样值帧数据缓冲区；一边根据时序控制向普通帧数据控制接口寄存器中写入普通帧数据，并立即通过高速以太网物理接口模块发送普通帧数据缓冲区的如GOOSE数据帧等时间间隔要求大于采样值帧的普通报文数据帧数据；

4)在等待既定时延，采样值数据已完成写入以太网MAC控制器缓冲区的任务后，触发采样值发送任务，通过高速以太网物理接口模块送出已存入以太网MAC控制器缓冲区中的采样值帧数据；

5)在下一个以太网帧发布定时中断来时，重复以上的步骤。

本发明的有益效果是：本发明设计了一种可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，支持高精度时间间隔IEC61850-9采样值报文以及GOOSE等报文的发送。它可用于数字式继电保护装置、合并单元装置等需要发送实时采样数据的实时控制电子设备，有效地解决了智能变电站采样值帧发送间隔时间抖动延时较大时二次设备接收处理复杂且影响系统安全稳定运行的问题，降低了采样值传输工程应用的难度。

附图说明

图1为高精度时间间隔采样值帧发布以太网接口控制系统结构图；

图2是传统采样值帧发布以太网接口控制方法流程图；

图3为高精度时间间隔采样值帧发布以太网接口控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作具体的介绍。

图1是本发明高精度时间间隔采样值帧发布以太网接口控制系统结构图,具体包括以下各功能模块:

帧数据控制接口模块：具备与前置报文控制主机的数据通讯接口，按采样值数据或其它普通数据的不同数据类型，自适应开辟数据缓冲区并存储相应数据信息。

所述报文帧数据控制接口模块包括:

采样值数据控制接口模块:接收前置采样值数据控制主机Host发送的采样值帧数据，自适应开辟实时数据缓冲寄存器，自动存储采样值帧数据；

普通数据控制接口模块:接收前置普通报文数据控制主机Host来的普通帧数据，自适应开辟实时数据缓冲寄存器，自动存储普通帧数据。

自适应μS级高精度硬件时序控制模块：按系统配置的报文类型、内容及其高精度时间要求，自适应生成帧发布时序逻辑控制方法，采用基于高精度定时中断的“硬件定时中断触发--多任务并行--硬件延时--报文帧发布”过程，选择预定发布的帧数据内容将其送入基于硬件IP内核的以太网MAC控制器中。

所述自适应μS级高精度硬件时序控制模块包括:

基于自有IP内核的自适应μS级硬件时钟模块:根据应用配置的采样值报文类型IEC61850-9-1或9-2和数据内容，采用自有基于FPGA硬件的IP内核，自适应生成相应配置下的μS级高精度时序控制脉冲，采用基于高精度定时中断的“硬件定时中断触发--多任务并行--硬件延时--报文帧发布”方法，实现帧发布的时序控制；

以太网帧发布控制机模块:接收来自硬件时钟模块的触发中断，实现采样值、GOOSE等多种接口数据自动选择和发送的精确时间任务进程调度；

基于自有IP内核的以太网MAC控制器模块:采用自有基于FPGA硬件IP内核的以太网MAC控制器模块，提供与介质无关的数据接口，采用帧数据发送控制状态机，实现数据帧的编码构建、差错检查和传送控制。

高速以太网通信接口模块：具备与不同物理设备的接口,并按以太网MAC控制器组包内容高速发布以太网报文帧。

配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统的控制方法：其中的以太网帧发布控制模块与控制时序进行配合，发送报文的步骤如下：

1)由自适应us级硬件时钟模块产生以太网帧发布定时中断，触发前置主机host模块启动报文发送任务；

2)如果同一接口上只需要发送采样值帧报文内容，则前置主机将即将发送的采样值数据写入采样值数据控制接口寄存器中，等待既定延时后，通过高速以太网物理接口模块将已存入以太网MAC控制器缓冲区中的采样值帧数据发送出去；

3)如果同一接口上需同时发送采样值报文和普通报文如GOOSE等内容，则作如下处理：启动发送任务后，一边填写采样值帧数据缓冲区；一边根据时序控制向普通帧数据控制接口寄存器中写入普通帧数据，并立即通过高速以太网物理接口模块发送普通帧数据缓冲区的如GOOSE数据帧等时间间隔要求大于采样值帧的普通报文数据帧数据；

4)在等待既定时延，采样值数据已完成写入以太网MAC控制器缓冲区的任务后，触发采样值发送任务，通过高速以太网物理接口模块送出已存入以太网MAC控制器缓冲区中的采样值帧数据；

5)在下一个以太网帧发布定时中断来时，重复以上的步骤。

通过以上灵活合理的任务调度，不仅可以配置实现uS级高精度时间间隔的IEC61850-9采样值报文发送，同时也可满足GOOSE报文、IEEE1588报文等数据报文的发送的要求。

图2是传统采样值帧发布以太网接口控制方法流程图。

传统的采用CPU软件/硬件定时中断触发以太网发送任务的方式实现报文发送时，由于信号处理、报文长度、任务调度等各种因素的影响，通常会影响到报文发送的时间间隔，导致其抖动延时不确定，通常报文发送的间隔时间抖动为±5～30us之间。

图3是本发明高精度时间间隔采样值帧发布以太网接口控制方法流程图。

由硬件定时的高精度时间间隔采样值帧发布以太网接口控制方法，对普通报文发送和采样值报文发送进行分开处理，只要严格保证触发发送任务到采样值报文存入以太网硬件MAC寄存器中的时间小于硬件既定固定延时时间，该机制就可保证各以太网包的发送时间间隔严格一致，并可将其时间抖动限制在±1uS及以下。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，其特征在于：包括

帧数据控制接口模块：具备与前置报文控制主机的数据通讯接口，按采样值数据或其它普通数据的不同数据类型，自适应开辟数据缓冲区并存储相应数据信息；

自适应μS级高精度硬件时序控制模块：按系统配置的报文类型、内容及其高精度时间要求，自适应生成帧发布时序逻辑控制方法，选择预定发布的帧数据内容将其送入基于硬件IP内核的以太网MAC控制器中；

高速以太网通信接口模块：具备与不同物理设备的接口,并按以太网MAC控制器组包内容高速发布以太网报文帧；

所述自适应μS级高精度硬件时序控制模块包括以下功能模块:

1)基于自有IP内核的自适应μS级硬件时钟模块:根据应用配置的采样值报文类型IEC61850-9-1或9-2和数据内容，采用自有基于FPGA硬件的IP内核，自适应生成相应配置下的μS级高精度时序控制脉冲，采用基于高精度定时中断的“硬件定时中断触发--多任务并行--硬件延时--报文帧发布”方法，实现帧发布的时序控制;

2)以太网帧发布控制机模块:接收来自硬件时钟模块的触发中断，实现多种接口数据自动选择和发送的精确时间任务进程调度;

3)基于自有IP内核的以太网MAC控制器模块:采用自有基于FPGA硬件IP内核的以太网MAC控制器模块，提供与介质无关的数据接口，采用帧数据发送控制状态机，实现数据帧的编码构建、差错检查和传送控制。

2.根据权利要求1所述的可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，其特征在于：所述报文帧数据控制接口模块包括:

采样值数据控制接口模块:接收前置采样值数据控制主机Host发送的采样值帧数据，自适应开辟实时数据缓冲寄存器，自动存储采样值帧数据;

普通数据控制接口模块:接收前置普通报文数据控制主机Host来的普通帧数据，自适应开辟实时数据缓冲寄存器，自动存储普通帧数据。

3.根据权利要求1或2所述的可配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统，其特征在于：所述高速以太网通信接口模块，将前级MAC控制器发送过来的以太网帧数据，通过RJ45接口或光纤接口发送出去。

4.配置高精度时间间隔帧发布以太网接口控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)由自适应us级硬件时钟模块产生以太网帧发布定时中断，触发前置主机host模块启动报文发送任务；

2)如果同一接口上只需要发送采样值帧报文内容，则前置主机将即将发送的采样值数据写入采样值数据控制接口寄存器中，等待既定延时后，通过高速以太网物理接口模块将已存入以太网MAC控制器缓冲区中的采样值帧数据发送出去；

3)如果同一接口上需同时发送采样值报文和普通报文内容，则作如下处理：启动发送任务后，一边填写采样值帧数据缓冲区；一边根据时序控制向普通帧数据控制接口寄存器中写入普通帧数据，并立即通过高速以太网物理接口模块发送普通帧数据缓冲区的数据帧时间间隔要求大于采样值帧的普通报文数据帧数据；

4)在等待既定时延，采样值数据已完成写入以太网MAC控制器缓冲区的任务后，触发采样值发送任务，通过高速以太网物理接口模块送出已存入以太网MAC控制器缓冲区中的采样值帧数据；

5)在下一个以太网帧发布定时中断来时，重复以上的步骤。