CN104038554B - 基于fpga的电力系统高速数据采集通信方法及通信设备 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法及通信设备，通过电力系统主站、电力系统仿真设备RTDS和FPGA板构成的系统进行通讯；所述电力系统仿真设备RTDS与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站和所述电力系统仿真设备RTDS之间通过FPGA板进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯。本发明可以实现电力系统主站与电力系统仿真设备RTDS之间的高速数据通信，能够对电力系统仿真设备RTDS的暂态电力数据进行高速数据采集、封装、传输、接收及分析，使得电力系统仿真结果更接近真实电网的情况。

Description

基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法及通信设备

技术领域

本发明涉及电力系统在线通讯技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法及通信设备。

背景技术

电力系统对现代社会非常重要，为了确保电力系统精确有效地工作，在实际中常常需要预先通过电力系统主站及电力系统仿真设备进行相关性能测试研究，以确保实际中的精确度。

现有技术中，电力系统主站与电力系统仿真设备RTDS之间仍然处于分立各自研究状态，没有实现实时的数据交换，有些系统尽管实现了两者之间的数据通信，但也是基于TCP/IP、DNP协议等速率较低的通信机制，通讯速率只能是秒级的，无法实现对于毫秒级别乃至微秒级别高精度数据的高速通讯，没有实现真正的高精度数据高速交换，使得难以在实时仿真系统上对电力系统进行在线的实时数据采集和分析，无法实现电力系统仿真设备的仿真运行环境与电力系统的暂态实际过程相对应，仿真结果难以接近真实电网，无法获准确的分析结论和有效的决策信息。

因此，针对现有技术不足，提供一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法及电力系统高速数据通信设备以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的之一在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法，能够实现电力系统仿真设备RTDS与电力系统主站之间的实时高速通讯。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法，通过电力系统主站、电力系统仿真设备RTDS和FPGA板构成的系统进行；

所述电力系统仿真设备RTDS与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站和所述电力系统仿真设备RTDS之间通过FPGA板进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯。

上述所述电力系统主站和所述电力系统仿真设备RTDS之间的数据通讯包括：在电力系统主站的控制下，所述FPGA板采集所述电力系统仿真设备RTDS传输的数据并处理后的数据包输送至所述电力系统主站，以及所述电力系统将所接收的数据包进行解析得到所述电力系统仿真设备RTDS的暂态电力数据。

上述电力系统主站设置有控制输出端，所述控制输出端输出采集启动报文信号或者采集停止报文信号至所述FPGA板的控制输入端，所述FPGA板与所述电力系统仿真设备RTDS之间进行实时双向数据通信，当所述FPGA板的控制输入端接收到采集启动报文信号时，所述FPGA板开始按照设定的采样周期采集所述电力系统仿真设备RTDS输出端的数据，当所述FPGA板的控制输入端接收到停止采集报文信号时，所述FPGA板停止采集所述电力系统仿真设备RTDS输出端的数据。

进行数据采集通信的具体过程，包括如下步骤：

（1）所述FPGA板的控制输入端监测到采集启动报文信号；

（2）所述FPGA板的采样单元对所述电力系统仿真设备RTDS输送的暂态数据进行高速采集；

（3）所述FPGA板的封装单元将所采集的数据进行封装得到以太数据包；

（4）所述FPGA板的发送单元将以太数据包发送至所述电力系统主站；

（5）所述电力系统主站的接收单元接收并保存以太数据包，接收完毕后，向FPGA板发送采集停止报文使得所述FPGA板停止发送数据包；

（6）所述电力系统主站的解析单元对所接收的以太数据包进行解析，得到电力系统仿真设备RTDS的暂态电力数据。

上述步骤（3）中以太数据包是按照目的MAC地址、源MAC地址、以太类型、数据包类型和数据包内容的格式构成。

上述FPGA板上的千兆以太网接口监测所述电力系统主站发送的采集启动报文信号。

上述FPGA板通过千兆以太接口将以太数据包发送至电力系统主站。

本发明的另一目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于FPGA的电力系统高速数据通信设备，能够实现电力系统仿真设备RTDS与电力系统主站之间的实时高速通讯。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

一种进行上述方法的基于FPGA的电力系统高速数据通信设备，设置有电力系统主站、电力系统仿真设备RTDS和FPGA板；

所述电力系统仿真设备RTDS与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站和所述电力系统仿真设备RTDS之间通过FPGA板进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯。

上述FPGA板设置有数据输入端、采集单元、封装单元、发送单元、驱动单元和控制输入端；

所述电力系统仿真设备RTDS的输出端与所述FPGA板的数据输入端连接，所述数据输入端与所述采集单元的输入端连接，所述采集单元的输出端与所述封装单元的输入端连接，所述封装单元的输出端与所述发送单元的输入端连接，所述发送单元的输出端与所述电力系统主站的输入端连接；

所述电力系统主站设置有控制输出端，所述控制输出端与所述控制输入端连接，所述控制输入端与所述驱动单元的输入端连接，所述驱动单元的输出端与所述采集单元的采集控制端连接；

所述单元系统主站设置有接收单元和解析单元，所述接收单元的输入端与所述电力系统主站的输入端连接，所述接收单元的输出端与所述解析单元的输入端连接。

上述FPGA板的型号为Virtex-6 FPGA ML605；

所述数据输入端为所述FPGA板的光纤接口，所述控制输入端为所述FPGA板的千兆以太接口，所述发送单元设置为所述FPGA板的千兆以太网接口；

所述采集单元设置有千兆光模块、通讯模块及存储模块，所述前兆光模块的输入端与所述数据输入端连接，所述前兆光模块的输出端与所述通讯模块的输入端连接，所述通讯模块的输出端与所述存储模块的输入端连接，所述存储模块的输出端与所述封装单元的输入端连接；

所述封装单元设置有控制报文处理模块和数据报文封装模块，所述控制报文处理模块的输入端与所述存储模块的输出端连接，所述控制报文处理模块的输出端与所述数据报文封装模块的输入端连接，所述数据报文封装模块的输出端与所述发送单元的输入端连接；

所述发送单元设置有以太MAC模块和发送以太接口模块，所述数据报文封装模块的输出端与所述发送以太MAC模块的输入端连接，所述以太MAC模块的输出端与所述发送以太接口模块的输入端连接，所述发送以太接口模块的输出端与所述接收单元的输入端连接；

所述控制输出端设置为所述电力系统主站的千兆以太网接口；

所述接收单元设置有接收以太接口模块和报文接收模块，所述接收以太接口模块的输入端与所述发送以太接口模块的输出端连接，所述接收以太接口模块的输出端与所述报文接收模块的输入端连接，所述报文接收模块的输出端与所述解析单元的输入端连接；

所述解析单元设置有数据包解析模块、数据存储模块和数据更新模块，所述数据包解析模块的输入端与所述报文接收模块的输出端连接，所述数据包解析模块的输出端分别与所述数据更新模块和数据存储模块连接。

本发明的基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法及通信设备，通过电力系统主站、电力系统仿真设备RTDS和FPGA板构成的系统进行通讯；所述电力系统仿真设备RTDS与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站与所述FPGA板双向连接，电力系统主站和电力系统仿真设备RTDS之间通过FPGA板进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯。本发明可以实现电力系统主站与电力系统仿真设备RTDS之间的高速数据通信，能够对电力系统仿真设备RTDS的暂态电力数据进行高速数据采集、封装、传输、接收及分析，使得电力系统仿真结果更接近真实电网的情况。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法的示意图；

图2是本发明基于FPGA的电力系统高速数据通信设备的结构示意图；

图3是本发明基于FPGA的电力系统高速数据通信设备的另一结构示意图；

在图2、图3中，包括：

电力系统仿真设备RTDS 100、

电力系统仿真设备RTDS的输出端 110、

电力系统主站200、

接收单元210、解析单元220、控制输出端230、

FPGA板300、

数据输入端350、采集单元310、封装单元320、发送单元330、驱动单元340、

控制输入端360、

采集单元的输入端311、采集单元的采集控制端312。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法，如图1所示，通过电力系统主站200、电力系统仿真设备RTDS 100和FPGA板300构成的系统如图2、图3所示进行。

电力系统仿真设备RTDS 100与FPGA板300双向连接，电力系统主站200与FPGA板300双向连接，电力系统主站200和电力系统仿真设备RTDS 100之间通过FPGA板300进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯。

本发明基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法通过FPGA板300进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯，此采样速率在本领域属于高速数据通讯领域。本发明所提到的高速数据传输、高速数据采集等均是指离散采样点间隔不大于50微秒/步长的数据通讯。

其中，电力系统主站200和电力系统仿真设备RTDS 100之间的数据通讯包括：在电力系统主站200的控制下，FPGA板300采集电力系统仿真设备RTDS 100传输的信号并将处理后的信号输送至电力系统主站200，以及电力系统将所接收的信号进行解析得到电力系统仿真设备RTDS 100的暂态电力数据。

电力系统主站200设置有控制输出端230，控制输出端230输出采集启动报文信号或者采集停止报文信号至FPGA板300的控制输入端360，FPGA板300与电力系统仿真设备RTDS 100之间进行实时双向数据通信，当FPGA板300的控制输入端360接收到采集启动报文信号时，FPGA板300开始按照设定的采样周期采集电力系统仿真设备RTDS 100输出端的数据，当FPGA板300的控制输入端360接收到停止采集报文信号时，FPGA板300停止采集电力系统仿真设备RTDS 100输出端的数据。

具体的，进行数据采集通信的具体过程，包括如下步骤：

（1）FPGA板300监测到采集启动报文信号；

（2）FPGA板300对电力系统仿真设备RTDS 100输送的暂态数据进行高速采集；

（3）FPGA板300将所采集的数据进行封装得到以太数据包，以太数据包是按照目的MAC地址、源MAC地址、以太类型、数据包类型和数据包内容的格式组成；

（4）FPGA板300将以太数据包发送至电力系统主站200；

（5）电力系统主站200接收并保存以太数据包，接收完毕后，向FPGA板300发送采集停止报文使得FPGA板300停止发送数据包；

（6）电力系统主站200对所接收的数据包进行解析，得到电力系统仿真设备RTDS100的暂态电力数据。

具体的，FPGA板300上的千兆以太网接口监测电力系统主站200发送的采集启动报文信号，FPGA板300也可通过千兆以太接口将以太数据包发送至电力系统主站200。

本发明的基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法及通信设备，通过电力系统主站200、电力系统仿真设备RTDS 100和FPGA板300构成的系统进行；电力系统仿真设备RTDS 100与FPGA板300双向连接，电力系统主站200与FPGA板300双向连接，电力系统主站200和电力系统仿真设备RTDS 100之间通过FPGA板300进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯。本发明可以实现电力系统主站200与电力系统仿真设备RTDS 100之间的高速数据通信，能够对电力系统仿真设备RTDS 100的暂态电力数据进行高速数据采集、封装、传输、接收及分析，以使电力系统仿真结果更接近真实电网的情况。

实施例2。

一种基于FPGA的电力系统高速数据通信设备，如图2、图3所示，设置有电力系统主站200、电力系统仿真设备RTDS 100和FPGA板300。

电力系统仿真设备RTDS 100与FPGA板300双向连接，电力系统主站200与FPGA板300双向连接，电力系统主站200和电力系统仿真设备RTDS 100之间通过FPGA板300进行高速数据通讯。

FPGA板300设置有数据输入端350、采集单元310、封装单元320、发送单元330、驱动单元340和控制输入端360。电力系统仿真设备RTDS 100的输出端110与FPGA板300的数据输入端350连接，数据输入端350与采集单元310的输入端311连接，采集单元310的输出端与封装单元320的输入端连接，封装单元320的输出端与发送单元330的输入端连接，发送单元330的输出端与电力系统主站200的输入端连接。

电力系统主站200设置有控制输出端230230，控制输出端230230与控制输入端360连接，控制输入端360与驱动单元340的输入端连接，驱动单元340的输出端与采集单元310的采集控制端312连接。

单元系统主站设置有接收单元210和解析单元220，接收单元210的输入端与电力系统主站200的输入端连接，接收单元210的输出端与解析单元220的输入端连接。

电力系统主站200的控制输出端230输出采集启动报文信号或者采集停止报文信号至FPGA板300的控制输入端360，FPGA板300与电力系统仿真设备RTDS 100之间进行实时双向数据通信，当FPGA板300的控制输入端360接收到采集启动报文信号时，FPGA板300开始按照设定的采样周期采集电力系统仿真设备RTDS 100输出端的数据，当FPGA板300的控制输入端360接收到停止采集报文信号时，FPGA板300停止采集电力系统仿真设备RTDS 100输出端的数据。

具体的，进行数据采集通信的具体过程，包括如下步骤：

（1）FPGA板300的控制输入端360监测到采集启动报文信号；

（2）FPGA板300的采集单元310对电力系统仿真设备RTDS 100输送的暂态数据进行高速采集，每次采集64个4字节数据；

（3）FPGA板300的封装单元320将所采集的数据进行封装得到以太数据包，以太数据包是按照目的MAC地址、源MAC地址、以太类型、数据包类型和数据包内容的格式构成；

（4）FPGA板300的发送单元330将以太数据包发送至电力系统主站200；

（5）电力系统主站200的接收单元210接收并经过过滤剔除后保存以太数据包，接收完毕后，向FPGA板300发送采集停止报文使得FPGA板300停止发送数据包；

（6）电力系统主站200的解析单元220对所接收的以太数据包进行解析，得到电力系统仿真设备RTDS 100的暂态电力数据。

本发明可以实现电力系统主站200与电力系统仿真设备RTDS 100之间的高速数据通信，能够对电力系统仿真设备RTDS 100的暂态电力数据进行高速数据采集、封装、传输、接收及分析，使得电力系统仿真结果更接近真实电网的情况。

实施例3。

一种基于FPGA的电力系统高速数据通信设备，其它结构与实施例2相同，不同之处在于，还具有如下技术特征：

FPGA板300的型号为Virtex-6 FPGA ML605。

数据输入端为FPGA板300的光纤接口，控制输入端为所述FPGA板300的千兆以太接口，发送单元330设置为FPGA板300的千兆以太网接口。

FPGA板的型号为Virtex-6 FPGA ML605。

数据输入端为所述FPGA板的光纤接口，控制输入端为所述FPGA板的千兆以太接口，发送单元设置为FPGA板的千兆以太网接口。

采集单元设置有千兆光模块、通讯模块及存储模块，所述前兆光模块的输入端与所述数据输入端连接，所述前兆光模块的输出端与所述通讯模块的输入端连接，所述通讯模块的输出端与所述存储模块的输入端连接，所述存储模块的输出端与所述封装单元的输入端连接。

封装单元设置有控制报文处理模块和数据报文封装模块，所述控制报文处理模块的输入端与所述存储模块的输出端连接，所述控制报文处理模块的输出端与所述数据报文封装模块的输入端连接，所述数据报文封装模块的输出端与所述发送单元的输入端连接。

发送单元设置有以太MAC模块和发送以太接口模块，所述数据报文封装模块的输出端与所述发送以太MAC模块的输入端连接，所述以太MAC模块的输出端与所述发送以太接口模块的输入端连接，所述发送以太接口模块的输出端与所述接收单元的输入端连接。

控制输出端设置为所述电力系统主站的千兆以太网接口。

接收单元设置有接收以太接口模块和报文接收模块，所述接收以太接口模块的输入端与所述发送以太接口模块的输出端连接，所述接收以太接口模块的输出端与所述报文接收模块的输入端连接，所述报文接收模块的输出端与所述解析单元的输入端连接。

解析单元设置有数据包解析模块、数据存储模块和数据更新模块，所述数据包解析模块的输入端与所述报文接收模块的输出端连接，所述数据包解析模块的输出端分别与所述数据更新模块和数据存储模块连接。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法，其特征在于：通过电力系统主站、电力系统仿真设备RTDS和FPGA板构成的系统进行；

所述电力系统仿真设备RTDS与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站和所述电力系统仿真设备RTDS之间通过FPGA板进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯；

所述电力系统主站和所述电力系统仿真设备RTDS之间的数据通讯包括：在电力系统主站的控制下，所述FPGA板采集所述电力系统仿真设备RTDS传输的数据并处理后的数据包输送至所述电力系统主站，以及所述电力系统将所接收的数据包进行解析得到所述电力系统仿真设备RTDS的暂态电力数据；

所述电力系统主站设置有控制输出端，所述控制输出端输出采集启动报文信号或者采集停止报文信号至所述FPGA板的控制输入端，所述FPGA板与所述电力系统仿真设备RTDS之间进行实时双向数据通信，当所述FPGA板的控制输入端接收到采集启动报文信号时，所述FPGA板开始按照设定的采样周期采集所述电力系统仿真设备RTDS输出端的数据，当所述FPGA板的控制输入端接收到停止采集报文信号时，所述FPGA板停止采集所述电力系统仿真设备RTDS输出端的数据。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电力系统高速数据采集通信方法，其特征在于：进行数据采集通信的具体过程，包括如下步骤：

(1)所述FPGA板的控制输入端监测到采集启动报文信号；

(2)所述FPGA板的采样单元对所述电力系统仿真设备RTDS输送的暂态数据进行高速采集；

(3)所述FPGA板的封装单元将所采集的数据进行封装得到以太数据包；

(4)所述FPGA板的发送单元将以太数据包发送至所述电力系统主站；

(5)所述电力系统主站的接收单元接收并保存以太数据包，接收完毕后，向FPGA板发送采集停止报文使得所述FPGA板停止发送数据包；

(6)所述电力系统主站的解析单元对所接收的以太数据包进行解析，得到电力系统仿真设备RTDS的暂态电力数据；

所述步骤(3)中以太数据包是按照目的MAC地址、源MAC地址、以太类型、数据包类型和数据包内容的格式构成；

所述FPGA板上的千兆以太网接口监测所述电力系统主站发送的采集启动报文信号；

所述FPGA板通过千兆以太接口将以太数据包发送至电力系统主站。

3.用于权利要求1-2任意一项所述方法的基于FPGA的电力系统高速数据通信设备，其特征在于：设置有电力系统主站、电力系统仿真设备RTDS和FPGA板；

所述电力系统仿真设备RTDS与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站与所述FPGA板双向连接，所述电力系统主站和所述电力系统仿真设备RTDS之间通过FPGA板进行离散采样点间隔不大于50微秒/步长的高速数据通讯；

所述FPGA板设置有数据输入端、采集单元、封装单元、发送单元和控制输入端；

所述电力系统仿真设备RTDS的输出端与所述FPGA板的数据输入端连接，所述数据输入端与所述采集单元的输入端连接，所述采集单元的输出端与所述封装单元的输入端连接，所述封装单元的输出端与所述发送单元的输入端连接，所述发送单元的输出端与所述电力系统主站的输入端连接；

所述电力系统主站设置有控制输出端，所述控制输出端与所述控制输入端连接，所述控制输入端与所述采集单元的采集控制端连接；

所述单元系统主站设置有接收单元和解析单元，所述接收单元的输入端与所述电力系统主站的输入端连接，所述接收单元的输出端与所述解析单元的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的电力系统高速数据通信设备，其特征在于：

所述FPGA板的型号为Virtex-6FPGA ML605；

所述数据输入端为所述FPGA板的光纤接口，所述控制输入端为所述FPGA板的千兆以太接口，所述发送单元设置为所述FPGA板的千兆以太网接口；

所述采集单元设置有千兆光模块、通讯模块及存储模块，所述千兆光模块的输入端与所述数据输入端连接，所述千兆光模块的输出端与所述通讯模块的输入端连接，所述通讯模块的输出端与所述存储模块的输入端连接，所述存储模块的输出端与所述封装单元的输入端连接；

所述封装单元设置有控制报文处理模块和数据报文封装模块，所述控制报文处理模块的输入端与所述存储模块的输出端连接，所述控制报文处理模块的输出端与所述数据报文封装模块的输入端连接，所述数据报文封装模块的输出端与所述发送单元的输入端连接；

所述发送单元设置有以太MAC模块和发送以太接口模块，所述数据报文封装模块的输出端与所述发送以太MAC模块的输入端连接，所述以太MAC模块的输出端与所述发送以太接口模块的输入端连接，所述发送以太接口模块的输出端与所述接收单元的输入端连接；

所述控制输出端设置为所述电力系统主站的千兆以太网接口；

所述接收单元设置有接收以太接口模块和报文接收模块，所述接收以太接口模块的输入端与所述发送以太接口模块的输出端连接，所述接收以太接口模块的输出端与所述报文接收模块的输入端连接，所述报文接收模块的输出端与所述解析单元的输入端连接；

所述解析单元设置有数据包解析模块、数据存储模块和数据更新模块，所述数据包解析模块的输入端与所述报文接收模块的输出端连接，所述数据包解析模块的输出端分别与所述数据更新模块和数据存储模块连接。