CN103326963A - 数字化变电站过程层数据交换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化变电站过程层数据交换装置，装置的核心是基于FPGA的可配置的数据交换模块。本发明在IEC61850的基础上实现了一种精简高效的数据交换方式，特别是独有的SV报文额定延时自动更新、GOOSE变位报文优先转发、数据风暴快速准确抑制等功能，可解决过程层SV组网通信依赖于GPS同步的弊端、SV与GOOSE合网方式下GOOSE转发延迟不可控甚至丢包的缺陷、风暴抑制时间过长的问题，及减少GOOSE跳闸的动作延迟。本发明具有开创性、实用性和经济性，可推动数字化变电站过程层组网方式的变革。

Description

数字化变电站过程层数据交换装置

技术领域

本发明属于智能电网数据交换领域，具体涉及一种数字化变电站过程层数据交换装置。

背景技术

根据IEC61850标准，数字化变电站通信体系分为三层：站控层、间隔层和过程层。数字化变电站相对于传统变电站最大的革新在于增加了过程层设备和过程层网络。过程层网络指连接过程层设备与间隔层设备的光纤通信网络。过程层设备主要包括智能终端与合并单元。间隔层设备主要指各种保护测控设备，例如线路保护与测控、主变保护与测控、分段保护与测控、母线保护等。

过程层网络按照功能可以分为GOOSE网和SV网。GOOSE网传递GOOSE报文(Generic Object Oriented Substation Event，面向通用对象的变电站事件)，SV网传递SV报文(Sample Value，采样值)。GOOSE网和SV网必须具备高实时性和高可靠性，因为GOOSE报文及SV报文的延迟、错误、丢失都可能造成保护的误动或拒动，最终导致一次设备的损坏，影响供电系统的稳定性。过程层网络最理想的通信方式是所有间隔层和过程层设备通过交换机进行组网，实现数据交换。但是，在大量的使用交换机实现组网的应用中发现，GOOSE及SV组网通信存在一系列的问题：GOOSE报文具有突发性，保护动作瞬间将会产生大量GOOSE报文，大量的数据可能造成交换机阻塞，GOOSE变位报文得不到及时转发甚至丢失，可能引发保护动作变慢甚至拒动；SV报文为一次电流、电压的采样值，保护测控装置要求所有合并单元的采样值必须是同一时刻的值，即需要同时采样，当前的做法是合并单元通过GPS同步，同时并等间隔地采样，然后通过采样计数器同步(称时标同步)，该方案依赖GPS校时装置，一旦同步异常将会导致采样失步，引起保护装置误动，具有莫大的潜在风险，再者通过交换机实现SV网采，存在转发延迟大且不稳定的问题，SV报文不能实时地传输至保护装置将会导致保护变慢；如果交换机出现网络风暴，将会导致整个过程层网络短暂性瘫痪。

鉴于过程层组网通信存在的一系列问题，为了保证GOOSE网和SV网的可靠性和实时性，国家电网新建的数字化变电站退而使用了点对点直连的方式，即采用GOOSE直跳及SV直采，其中SV需要进行插值同步，但是却带来新的问题：过程层和间隔层设备需要提供大量的光通讯口及铺设大量的光纤。由此我们可以看出，由于过程层组网通信不可靠，实时性差等问题，退而使用点对点方案，增加了过程层和间隔层设备的制造成本，增加了变电站的施工难度，增加了变电站的检修工作量，最终导致数字化变电站建造及维护成本变高。

发明内容

为了解决过程层SV组网方式依赖GPS同步，GOOSE变位报文无法可靠转发，网络风暴可能导致网络瘫痪等问题，本发明提供一种数字化变电站过程层数据交换装置，以推动过程层组网通信方式取代当前的点对点通信方式。

一种数字化变电站过程层数据交换装置，实现包括以下步骤：

由FPGA组成的交换模块实现精简的数据交换，并可进行灵活的转发配置，特别是对于SV报文，获取其额定延迟并累加上转发延迟，如此修正额定延迟后再转发，对于GOOSE报文，检查其是否为变位报文，如果是变位报文则优先转发，以缩短变位报文的转发延时，对于接收到的所有报文，根据报文的接收间隔、CRC校验结果、目标MAC地址及源MAC地址对其进行精确的判断及准确的风暴抑制；

由嵌入式处理器实现的配置管理模块配置装置的工作模式及显示当前的工作状态；

通过PHY芯片实现光以太网通信。

本发明具有积极的效果：本发明的电力专用过程层交换装置将SV报文的转发延迟累加到额定延迟中以修正额定延迟，令保护测控装置可以在组网方式下采用插值算法实现同步，GPS异常导致的合并单元失步不会导致保护装置端采样值的失步，也就实现了SV组网通信不依赖GPS同步；GOOSE变位报文优先转发，保障了GOOSE变位报文转发的可靠性与实时性；网络风暴的准确快速抑制功能，有利于准确快速地过滤风暴报文，不丢弃有效报文同时又防止过程层网络进入瘫痪的状态。本发明的数字化变电站过程层数据交换装置可以弥补过程层组网通信中的缺陷，有利于推动SV组网、GOOSE组网及SV与GOOSE合网在智能变电站中的应用，最终达到减少智能变电站光纤数量、减少智能变电站施工难度、方便智能变电站运维管理的目的。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中FPGA交换模块原理框图；

图3为本发明中步骤J的校验报文正确性流程图。

具体实施方式

(实施例1)

图1至图3显示了本发明的一种具体实施方式，其中图1为本发明的结构框图；图2为本发明中FPGA交换模块原理框图；图3为本发明中步骤J的校验报文正确性流程图。

见图1至图3，一种数字化变电站过程层数据交换装置，包括FPGA交换模块，与FPGA交换模块相连的配置管理模块，以及与FPGA交换模块相连的光以太网PHY。

其FPGA交换模块的数据效换包括如下步骤：

步骤A，MAC接收模块(M2)串行移位接收所有报文，在接收过程中锁存目标MAC地址、VlanID、Vlan优先级和报文类型，当检测到SV报文时，记录当前的时标；

步骤B，GOOSE解析(M1)与步骤A同时进行，如果接收的报文为GOOSE报文则进行解包，判断该报文是否为变位报文，并输出GOOSE变位优先发送标志；

步骤C，与步骤A同时进行CRC校验，如果校验不通过，报文直接丢弃；

步骤D，与步骤A同时进行网络风暴判断，产生风暴时把该风暴报文的CRC校验结果、目标MAC地址及源MAC地址写入报文过滤列表中对该报文进行过滤，直至接收到不符合该过滤规则的报文，清空过滤列表并重新进行步骤D的操作；

步骤E，查表模块(M3)根据VlanID、目标MAC地址等信息进行查表，并根据查表结果生成转发列表及启动转发标志；

步骤E中，查表规则由配置管理模块通过GMRP协议或静态组播表维护；

步骤F，如果步骤E的启动转发标志为否，步骤A接收的报文直接丢弃，否则把接收的报文写入共享存储器交换模块(M4)中；

步骤G，发送控制模块(M5)接收来自查表模块的转发列表，根据Vlan优先级及GOOSE变位优先发送标志对转发列表进行排序；

步骤H，计数器模块(M6)为MAC收发模块提供参考时间；

步骤I，SV解析模块(M7)对正在发送的SV报文进行解包，解析出额定延迟所在的位置；

步骤J，MAC发送模块收(M8)到发送命令后，从发送控制模块处读取待发送报文的基址及报文长度，同时计算出转发延迟，然后从共享存储器交换模块中读取待发送报文，边发送报文边计算CRC，如果为SV报文，根据SV解包模块得到的额定延迟位置，发送额定延迟字段时会把转发延迟累加到额定延迟再进行发送；

步骤J中，MAC发送模块在发送数据时，会对数据的正确性进行校验，数据检验方式如图3所示，MAC接收模块接收以太网报文并计算CRC，将有效报文及CRC计算结果存放在共享存储器交换模块中，当开始转发时，MAC收发模块从共享存储器交换模块中读取CRC检验结果，并对正在发送的报文进行CRC校验，如果与读取的CRC检验结果一致则继续转发。

在步骤B中，对GOOSE进行解包，当报文中的sqnum为0时，即为变位报文。

在步骤D中，如果连续5次报文的crc校验结果、目标MAC地址及源MAC地址一样，且报文接收间隔均小于20us，则认为产生风暴。

在步骤G中，对GOOSE变位报文，优先转发，其它报文根据Vlan优先级确定转发顺序。

在步骤H中计数器的分辨率为500ns。

本实施例中配置管理模块由基于ARM或PowerPC等CPU组成的嵌入式系统完成，配置功能包括但不限于：GOOSE变位优先发送使能，SV报文额定延迟自动更新使能，风暴抑制使能，GMRP使能，静态组播转发表设置，VLAN TAG的添加、删除、修改，多端口VLAN设置等；除了上述配置功能外，配置管理器还包含状态浏览功能，可浏览的状态包括但不限于：端口链接状态，端口流量，风暴报文过滤记录，CRC校验错误包数记录，收发光功率，组播转发表等；同时，配置管理模块还需实现对GMRP的支持等功能。

光以太网物理层接入由PHY芯片完成，对于百兆网，使用RMII等数据接口与FPGA实现的百兆MAC进行连接，对于千兆网，使用RGMII等数据接口与FPGA实现的千兆MAC进行连接，通过对PHY芯片的配置让以太网链路维持连通，即可实现收发独立的光以太网通信。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种数字化变电站过程层数据交换装置，包括FPGA交换模块，与FPGA交换模块相连的配置管理模块，以及与FPGA交换模块相连的光以太网PHY。

2.如权利要求1所述的数字化变电站过程层数据交换装置，其特征在于：FPGA交换模块的数据交换包括以下步骤：

步骤A，MAC接收模块串行移位接收所有报文，在接收过程中锁存目标MAC地址、VlanID、Vlan优先级和报文类型，当检测到SV报文时，记录当前的时标；

步骤B，GOOSE解析与步骤A同时进行，如果接收的报文为GOOSE报文则进行解包，判断该报文是否为变位报文，并输出GOOSE变位优先发送标志；

步骤C，与步骤A同时进行CRC校验，如果校验不通过，报文直接丢弃；

步骤D，与步骤A同时进行网络风暴判断，产生风暴时把该风暴报文的CRC校验结果、目标MAC地址及源MAC地址写入报文过滤列表中对该报文进行过滤，直至接收到不符合该过滤规则的报文，清空过滤列表并重新进行步骤D的操作；

步骤E，查表模块根据VlanID、目标MAC地址等信息进行查表，并根据查表结果生成转发列表及启动转发标志；

步骤E中，查表规则由配置管理模块通过GMRP协议或静态组播表维护；

步骤F，如果步骤E的启动转发标志为否，步骤A接收的报文直接丢弃，否则把接收的报文写入共享存储器交换模块中；

步骤G，发送控制模块接收来自查表模块的转发列表，根据Vlan优先级及GOOSE变位优先发送标志对转发列表进行排序；

步骤H，计数器模块为MAC收发模块提供参考时间；

步骤I，SV解析模块对正在发送的SV报文进行解包，解析出额定延迟所在的位置；

步骤J，MAC发送模块收到发送命令后，从发送控制模块处读取待发送报文的基址及报文长度，同时计算出转发延迟，然后从共享存储器交换模块读取待发送报文，边发送报文边计算CRC，如果为SV报文，根据SV解包模块得到的额定延迟位置，发送额定延迟字段时会把转发延迟累加到额定延迟再进行发送；

步骤J中，MAC发送模块在发送数据时，会对数据的正确性进行校验。

3.根据权利要求2所述的数字化变电站过程层数据交换装置，其特征在于：在所述步骤B和步骤I中的GOOSE解析模块与SV解析模块的报文解析过程由FPGA通过硬件描述语言实现。

4.根据权利要求3所述的数字化变电站过程层数据交换装置，其特征在于：在步骤D中，如果连续5次报文的crc校验结果、目标MAC地址及源MAC地址一样，且报文接收间隔均小于20us，则认为产生风暴。

5.根据权利要求4所述的数字化变电站过程层数据交换装置，其特征在于：在步骤B中，对GOOSE进行解包，当报文中的sqnum为0时，即为变位报文。

6.根据权利要求5所述的数字化变电站过程层数据交换装置，其特征在于：在步骤G中，对GOOSE变位报文，优先转发，其它报文根据Vlan优先级确定转发顺序。

7.根据权利要求6所述的数字化变电站过程层数据交换装置，其特征在于：在步骤H中计数器的分辨率为500ns。

8.根据权利要求7所述的数字化变电站过程层数据交换装置，其特征在于：在步骤J中数据的正确性进行校验方式为MAC接收模块接收以太网报文并计算CRC，将有效报文及CRC计算结果存放在共享存储器交换模块中，当开始转发时，MAC收发模块从共享存储器交换模块中读取CRC检验结果，并对正在发送的报文进行CRC校验，如果与读取的CRC检验结果一致则继续转发。

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