CN103297302B - 数字化变电站以太网数据处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数字化变电站以太网数据处理装置，包括通过光纤或者双绞线与变电站内物理层设备连接的第一接口模块、与第一接口模块连接的用于对采集的数据进行转换的第一信号转换模块、与第一信号转换模块连接用于对数据进行分析过滤的数据处理模块以及与数据处理模块通过数据总线连接的用于对数据进行处理的CPU控制模块；所述CPU控制模块还依次通过第二信号转换模块和第二接口模块与配置下载终端互连。本发明能够实现对采集的多种网络数据包进行精确过滤与处理，进一步减轻站控层数据处理的负担，提高了数据传输和处理效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统网络通信技术领域，特别是一种应用在数字化变电站基于以太网的数据处理装置。
背景技术
随着电力系统的发展，数字化变电站代替传统变电站的技术也日益成熟。数字化变电站是将信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站，由智能化一次设备、网络化二次设备和自动化运行管理系统构成，建立在IEC61850通讯协议基础之上，能够实现变电站智能电气设备之间的信息共享和互操作，其保护、监控、动作、VQC等系统均采用统一以太网接收电流、电压和状态信息，以实现各个系统的信息共享。从自动化控制的角度数字化变电站分为站控层、间隔层以及过程层，过程层用于采集变电站信息，过程层通过网络将信息传输给间隔层，间隔层用于对信号进行处理后，通过网络传输给站控层，站控层根据采集的信息对过程层设备进行控制。数字化变电站内的网络通信不仅仅只包含按照IEC61850通讯协议传输的数据，还包含采用IP协议传输的数据；另外，随着光纤技术的发展，采用光纤进行模拟信号传输的方式也得到了广泛应用；因此数字化变电站的间隔层设备需要接收变电站内不同网络的多种数据，需要处理的数据量非常大。
目前用于接收数据的方式一般有两种：一种是采用多个独立网卡接收不同网络数据，另一种是采用交换机接收多种网络数据。然而无论是采用那种方式接收的数据，其中都会夹杂着大量的无用网络数据报文，尽管采用交换机进行数据接收的过程中，可以采用基于VLAN的数据包过滤方式，但是仍不能对无用的网络数据包进行彻底过滤，无形中加大了间隔层设备的数据处理负担。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种能够对采集的网络数据包进行精确过滤、以减轻间隔层设备数据处理负担的数据处理装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
数字化变电站以太网数据处理装置，包括通过光纤或者双绞线与变电站内物理层设备连接的第一接口模块、与第一接口模块连接的用于对采集的数据进行转换的第一信号转换模块、与第一信号转换模块连接用于对数据进行分析过滤的数据处理模块以及与数据处理模块通过数据总线连接的用于对数据进行处理的CPU控制模块；所述CPU控制模块还依次通过第二信号转换模块和第二接口模块与配置下载终端互连；
其中，所述配置下载终端用于对CPU控制模块进行IP协议以及IEC协议规定的GOOSE报文和SMV报文转发配置；
CPU控制模块根据从配置下载终端下载的配置信息生成控制调度信息，传输给数据处理模块，数据处理模块根据配置信息对自第一接口模块采集的网络数据包进行调配，筛选出需要处理的数据包传输给CPU控制模块；然后CPU控制模块采用轮询调度算法访问输入端口队列，对筛选过后的数据进行处理，并生成控制指令，再依次通过数据处理模块、第一信号转换模块和第一接口模块发送至物理层设备；同时将处理后的数据进行缓存。
所述CPU控制模块具体结构为：CPU控制模块包括与第二信号转换模块连接的MAC处理器Ⅰ、用于存储配置信息的程序存储器、用于存储动态交换数据的数据存储器以及用于对数据过滤分析的ARM处理器，所述ARM处理器分别与MAC处理器Ⅰ、程序存储器、数据存储器以及数据处理模块连接。
所述数据处理模块的具体结构为：所述数据处理模块包括用于对接收的数据进行时钟恢复、获得网络帧数据后进行分析过滤的MAC处理器Ⅱ、连接MAC处理器Ⅱ与ARM处理器用于对总线数据进行收发控制的总线接口单元以及连接MAC处理器Ⅱ与第一信号转换模块用于对物理层数据进行收发控制的PHY接口单元，所述MAC处理器Ⅱ的输入端还连接用于提供网络数据收发控制时钟信号和总线操作时钟信号的时钟单元，时钟单元的输出端连接有用于将总线操作时钟信号倍频的倍频单元，倍频单元的输出端与第一信号转换模块连接。
所述数据处理模块的改进在于：所述数据处理模块还包括与总线接口单元连接的用于对第一信号转换模块进行参数配置的配置管理单元，配置管理单元的输出端连接PHY接口单元。
本发明的进一步改进在于：所述总线接口单元和PHY接口单元中分别设置有信号接收器和信号发送器。
所述第一接口模块的具体结构为：所述第一接口模块中设置有一至两个电接口以及一至五个光接口，所述电接口通过用于实现信号隔离的网络变压器与第一信号转换模块连接，光接口通过用于实现光信号与电信号转换的光电转换单元与第一信号转换模块连接。
所述第二接口模块的具体结构为：所述第二接口模块中设置有两个电接口，其中一个电接口通过一个网络变压器与第二信号转换模块连接。
本发明的改进在于：所述CPU控制模块与第一信号转换模块、数据处理模块之间以及数据处理模块与第二信号转换模块之间均采用RMⅡ通讯协议。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明能够实现对采集的多种网络数据包进行精确过滤与处理，进一步减轻间隔层设备数据处理的负担，提高了数据传输和处理效率。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为所述CPU控制模块的结构框图。
图3为所述数据处理模块的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
一种数字化变电站以太网数据处理装置，其结构框图如图1所示，包括CPU控制模块、数据处理模块、第一信号转换模块、第二信号转换模块、第一接口模块、第二接口模块以及配置下载终端。
其中：第一接口模块通过光纤或者双绞线与变电站内物理层设备连接，用于采集物理层设备的各种光信号和电信号，第一接口模块与第一信号转换模块连接；第一信号转换模块用于对第一接口模块采集的数据进行转换并传输给数据处理模块；数据处理模块于对第一信号转换模块传输的数据进行分析过滤后传输给CPU控制模块；配置下载终端用于对CPU控制模块进行IP协议以及IEC协议规定的GOOSE报文和SMV报文进行转发配置，并依次通过第二接口模块和第二信号转换模块传输给CPU控制模块。
CPU控制模块根据从配置下载终端下载的配置信息生成控制调度信息，传输给数据处理模块，数据处理模块根据配置信息对自第一接口模块采集的网络数据包进行调配，筛选出需要处理的数据包传输给CPU控制模块；然后CPU控制模块采用轮询调度算法访问输入端口队列，对筛选过后的数据进行处理，并生成控制指令，再依次通过数据处理模块、第一信号转换模块和第一接口模块发送至物理层设备；同时将处理后的数据进行缓存。
本发明中，CPU控制模块与第一信号转换模块、数据处理模块之间以及数据处理模块与第二信号转换模块之间均采用RMⅡ通讯协议。
CPU控制模块的结构如图2所示，包括ARM处理器、MAC处理器Ⅰ、程序存储器以及数据存储器。其中MAC处理器Ⅰ分别与第二信号转换模块和ARM处理器连接，用于对第二信号转换模块传输的数据进行分析处理，并传输给ARM处理器；程序存储器用于存储配置信息，防止掉电时信息丢失；数据存储器用于存储动态交换数据；程序存储器和数据存储器均与ARM处理器连接。
ARM处理器既用于数据处理模块分析过滤后的数据进行分析，也用于对对配置信息进行分析，然后转换为相应的控制信号后传输给数据处理模块。本实施例中ARM处理器采用内核为100MHz的ARMRCortex™-M4的Kinetis K60系列低功耗处理器，其性能可达到1.25Dhrystone MIPS per MHz，同时可选择浮点单元、IEEE 1588以太网、USB 2.0 OTG、加密和篡改检测功能，使用环境温度为-40℃ 到105℃。
数据处理模块的结构如图3所示，包括MAC处理器Ⅱ、总线接口单元、PHY接口单元、时钟单元、倍频单元以及配置管理单元。其中总线接口单元连接MAC处理器Ⅱ与ARM处理器，对总线数据进行收发控制；PHY接口单元用于连接MAC处理器Ⅱ与第一信号转换模块，对物理层数据进行收发控制。MAC处理器Ⅱ分别与总线接口单元和PHY接口单元，用于对接收的数据进行时钟恢复、获得网络帧数据后进行分析过滤。
本实施例中MAC处理器Ⅱ采用EP3C10E144 FPGA实现， EP3C10E144是阿尔特拉（Altera）公司的飓风系列FPGA的第三代产品，采用全铜、1.2伏SRAM工艺设计，具有强大的功能及延展性。FPGA还能够对接收的数据进行时钟恢复，并获得网络帧数据；其程序设计采用层次化设计方法，能够实现对网络数据包的三层过滤，第一层过滤采用VLAN方式，第二层根据数据包类型进行过滤，第三层采用GOOSE APPID、SMV APPID直接对数据包进行过滤，最大程度上减轻了CPU控制模块的数据处理负担。
MAC处理器Ⅱ中主要由MAC_rx、MAC_tx、Phy_int、Clk_ctrl、Host_RxTx等子模块构成。其中：MAC_rx完成网络数据的接收功能；MAC_tx完成网络数据的发送功能；Phy_int实现初始化功能；Clk_ctrl为时钟控制，用于每4个时钟周期输出一个时钟使能信号，以满足RMII接口50MHz 2位数据组合为12.5MHz 8位数据的处理需要；Host_RxTx用于实现主机收发功能。
时钟单元用于向MAC处理器Ⅱ提供网络数据收发控制时钟信号和总线操作时钟信号，其中总线操作时钟信号用于总线接口单元进行数据传输使用，为50MHz时钟信号，网络数据收发控制时钟信号用于与PHY接口单元保持时钟同步。
倍频单元连接时钟单元的输出端，用于将总线操作时钟信号进行倍频后传输给第一信号转换模块，倍频后的时钟信号为100MHz。
配置管理单元的输入端连接总线接口单元，配置管理单元的输出端连接PHY接口单元，用于根据CPU控制模块输出的配置信息通过PHY接口单元对第一信号转换模块进行参数配置，以便数据处理模块对采集的各种网络数据包进行筛选过滤。
总线接口单元和PHY接口单元中分别设置有信号接收器和信号发送器。总线接口单元的信号接收器既用于接收CPU控制模块发送的指令，又用于接收MAC处理器Ⅱ发送的物理层数据信号；总线接口单元的信号发送器既用于向MAC处理器Ⅱ发送CPU控制模块的指令，又用于向CPU控制模块发送MAC处理器Ⅱ传送的物理层数据信号。PHY接口单元的信号接收器既用于接收MAC处理器Ⅱ发送的指令，又用于接收第一信号转换模块发送的物理层数据信号；PHY接口单元的信号发送器既用于向MAC处理器Ⅱ传送的物理层数据信号，又用于向第一信号转换模块发送MAC处理器Ⅱ的指令。
配置下载终端用于对CPU控制模块进行IP协议以及IEC协议规定的GOOSE报文和SMV报文转发配置。本实施例中配置下载终端采用windowXP以上平台，通过第二接口模块实现参数的配置，配置组合可达72*7种，提升了数据传输效率。
第一接口模块中设置有两个电接口以及五个光接口。其中：电接口用于接收电信号，每个电接口的输出端分别连接一个网络变压器，网络变压器用于实现输入端与输出端的电信号的隔离，网络变压器的输出端与第一信号转换模块连接，用于将隔离后的电信号传输给第一信号转换模块。
光接口用于接收光纤传输的光信号，每个光接口的输出端分别连接一个光电转换单元，光电转换单元用于实现光信号与电信号转换，光电转换单元输出光信号传输给第一信号转换模块。
第二接口模块中设置有两个电接口，同第一接口模块，每个电接口分别连接一个网络变压器，其中一个网络变压器的输出端与第二信号转换模块连接。
第一信号转换模块包含8块可编程PHY物理层芯片，每一块可编程PHY物理层芯片分别与一个网络变压器或者一个光电模块连接。第二信号转换模块包含一块可编程PHY物理层芯片，该可编程PHY物理层芯片与第二接口模块中的网络变压器连接。
本实施例中PHY采用KSZ8001，KSZ8001是美国麦瑞（MICREL）公司生产的以太网物理层收发器芯片，接口支持10/100 BASE TX/FX物理层接口。
本发明的工作原理如下所述：
首先，变电站内物理层各设备的模拟信号和数字信号分别采用SMV或GOOSE的方式通过光纤和光缆传输给第一接口模块的光接口和电接口，经第一接口模块转换后传输给第一信号转换模块的PHY物理层芯片。
第一信号转换模块的PHY物理层芯片将接收到的信息进行转换，使之满足RMⅡ通讯协议的传输需求，然后传输给数据处理模块。
其次，配置下载终端根据变电站的信息需求设置配置参数，然后通过双绞线传输给第二接口模块的电接口，配置参数电信号经过网络变压器隔离后分别传输给第二信号转换模块的PHY物理层芯片。
第二信号转换模块的PHY物理层芯片将接收到的配置参数信息进行转换，使之满足RMⅡ通讯协议的传输需求，然后传输给CPU控制模块。
第三步，CPU控制模块中的MAC处理器Ⅰ用于接收配置参数信息并进行处理后传输给ARM处理器，ARM处理器根据配置参数信息转换为相应的过滤控制指令后传输给数据处理模块。
第四步，数据处理模块的总线接口单元接收ARM处理器发送的过滤控制指令，分别传输给MAC处理器Ⅱ和配置管理单元，MAC处理器Ⅱ对过滤控制指令进行处理，同时配置管理单元通过PHY接口单元实现对第一信号转换模块中的PHY物理层芯片进行配置管理，并对PHY物理层芯片提供配置管理信号MDC（配置时钟信号）和MDIO（配置I/O接口信号）。
第五步，数据处理模块的ARM处理器Ⅱ根据配置参数信息，对经PHY接口单元传输的数据进行分析过滤，从而实现数据包的三层过滤，第一层过滤采用VLAN方式，第二层根据数据包类型进行过滤，第三层采用GOOSE APPID、SMV APPID直接对数据包进行过滤。ARM处理器将过滤后的数据包通过总线接口单元传输给CPU控制模块的ARM处理器，ARM处理器再进行数据分析处理。
第六步，ARM处理器对有用的数据包进行分析处理后，依次通过数据处理单元、第一信号转换模块、第一接口模块向物理层各设备发出控制动作指令。
Claims (8)
1.数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：包括通过光纤或者双绞线与变电站内物理层设备连接的第一接口模块、与第一接口模块连接的用于对采集的数据进行转换的第一信号转换模块、与第一信号转换模块连接用于对数据进行分析过滤的数据处理模块以及与数据处理模块通过数据总线连接的用于对数据进行处理的CPU控制模块；所述CPU控制模块还依次通过第二信号转换模块和第二接口模块与配置下载终端互连；
其中，所述配置下载终端用于对CPU控制模块进行IP协议以及IEC协议规定的GOOSE报文和SMV报文转发配置；
CPU控制模块根据从配置下载终端下载的配置信息生成控制调度信息，传输给数据处理模块，数据处理模块根据配置信息对自第一接口模块采集的网络数据包进行调配，筛选出需要处理的数据包传输给CPU控制模块；然后CPU控制模块采用轮询调度算法访问输入端口队列，对筛选过后的数据进行处理，并生成控制指令，再依次通过数据处理模块、第一信号转换模块和第一接口模块发送至物理层设备；同时将处理后的数据进行缓存。
2.根据权利要求1所述的数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：所述CPU控制模块包括与第二信号转换模块连接的MAC处理器Ⅰ、用于存储配置信息的程序存储器、用于存储动态交换数据的数据存储器以及用于对数据过滤分析的ARM处理器，所述ARM处理器分别与MAC处理器Ⅰ、程序存储器、数据存储器以及数据处理模块连接。
3.根据权利要求2所述的数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：所述数据处理模块包括用于对接收的数据进行时钟恢复、获得网络帧数据后进行分析过滤的MAC处理器Ⅱ、连接MAC处理器Ⅱ与ARM处理器用于对总线数据进行收发控制的总线接口单元以及连接MAC处理器Ⅱ与第一信号转换模块用于对物理层数据进行收发控制的PHY接口单元，所述MAC处理器Ⅱ的输入端还连接用于提供网络数据收发控制时钟信号和总线操作时钟信号的时钟单元，时钟单元的输出端连接有用于将总线操作时钟信号倍频的倍频单元，倍频单元的输出端与第一信号转换模块连接。
4.根据权利要求3所述的数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：所述数据处理模块还包括与总线接口单元连接的用于对第一信号转换模块进行参数配置的配置管理单元，配置管理单元的输出端连接PHY接口单元。
5.根据权利要求3所述的数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：所述总线接口单元和PHY接口单元中分别设置有信号接收器和信号发送器。
6.根据权利要求1所述的数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：所述第一接口模块中设置有一至两个电接口以及一至五个光接口，所述电接口通过用于实现信号隔离的网络变压器与第一信号转换模块连接，光接口通过用于实现光信号与电信号转换的光电转换单元与第一信号转换模块连接。
7.根据权利要求1所述的数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：所述第二接口模块中设置有两个电接口，其中一个电接口通过一个网络变压器与第二信号转换模块连接。
8.根据权利要求1至7任一项所述的数字化变电站以太网数据处理装置，其特征在于：所述CPU控制模块与第一信号转换模块、数据处理模块之间以及数据处理模块与第二信号转换模块之间均采用RMⅡ通讯协议。
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