CN104158687B - 一种变电站内双网冗余的装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统自动化变电站系统内部通信领域，具体公开一种变电站内双网冗余的装置硬件架构及实现方法，其特征在于利用在FPGA设计出MAC以太网通信模块、PRP&HSR模块、报文过滤模块、多路报文转发控制模块、1588对时模块来协同完成自动化变电站系统内以太网报文的收发、IEC61588精确网络对时、双网冗余处理、网络风暴抑制及报文的分类转发功能，大大降低了对CPU的运算处理需求，降低了变电站保护测控装置成本，提高了变电站系统运行的可靠性。

Description

一种变电站内双网冗余的装置及实现方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化变电站系统内部通信领域，是为了提高变电站自动化系统二次设备通信可靠性而开发的基于FPGA技术的一种变电站内双网冗余的装置及实现方法。

背景技术

目前电力系统自动化变电站系统二次设备（保护、测控等装置）之间的通信大部分都已经采用工业以太网技术，为保证通信的可靠性，对220KV以及以上电压等级的变电站自动化系统多配置为双网，双网内的通信数据完全一样，保护、测控装置接收到双网数据后，由装置CPU系统（或DSP）对双网数据进行甄别处理。在当前的智能电网的应用模式下，网络上的数据流量越来越庞大，因此对装置CPU的运算处理能力要求越来越高，而选用高运算处理能力的CPU会大大增加装置成本，增加了整个装置的功耗，降低了装置运行的可靠性。本发明利用FPGA独有的并行及高速处理的特点，提出了一种基于CPU系统+FPGA架构实现的变电站系统内保护测控装置双网冗余硬件的技术方案，在FPGA内部通过设计出MAC以太网通信模块、1588对时模块、PRP&HSR模块、报文过滤模块、多路报文转发控制模块来完成自动化变电站系统内以太网报文的收发、IEC61588精确网络对时、双网冗余处理、网络风暴抑制及报文的分类传送功能，大大降低了对CPU的运算处理需求，提高了变电站保护测控装置运行的可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种新的变电站内双网冗余的装置及实现方法，通过利用FPGA技术及基于双以太网通讯的方式，采用新的双网冗余通讯技术，实现网络故障恢复零延时、故障时不丢帧，大大的提高了网络可靠性高；并且通过优化的FPGA内部模块构架，实现报文的分类发送、接收处理，有效的提高了CPU处理报文的效率，降低了保护、测控装置系统的复杂度，提高了装置运行的可靠性。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种变电站内双网冗余的装置，其特征在于，包括如下模块：

报文分类转发模块，用于对CPU系统发送的报文进行分类并转发给报文过滤模块，以及将报文过滤模块传送的报文发送至CPU系统；

报文过滤模块，用于滤除无效报文；

PRP&HSR 模块，用于复制需要发送的报文并在双份报文的尾部加上PRP&HSR标识，同时通过两个MAC模块发送双份报文；以及接收两个MAC模块发送的双份报文中先到达的报文，丢弃后到的报文，并将先到达的报文去除PRP&HSR标识后转发给报文过滤模块。

前述的一种变电站内双网冗余的装置，所述的报文过滤模块可以根据CPU系统的设定对接收到的报文的组播地址、类型、ID以及CRC校验值进行判断确定为有效报文还是无效报文，然后进行相应处理。同时报文过滤模块还具体网络风暴抑制功能，大大减轻CPU系统负担，提高了整个系统工作的可靠性。

前述的一种变电站内双网冗余的装置，所述的MAC模块将接收到的报文分类并填写相应的描述符寄存器，并在报文的尾部加上时标。

前述的一种变电站内双网冗余的装置，报文分类转发模块根据报文的类型和传输通道转发报文；报文分类转发模块接收报文时，根据MAC模块提供的描述符，将报文传送给相应CPU。

前述的一种变电站内双网冗余的装置，所述的报文分类转发模块、报文过滤模块、PRP&HSR 模块和MAC模块集成于FPGA处理器。

一种变电站内双网冗余实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）报文发送：源设备的CPU系统将需要发送的报文发送到报文分类转发模块，报文分类转发模块将报文分类并写入PRP&HSR模块，PRP&HSR模块将报文复制一份，并在两个相同的报文的结尾添上PRP&HSR标识并分别转发给两个MAC模块，MAC模块将含有PRP&HSR标识的报文通过双网发送给目标设备，目标设备根据PRP&HSR标识确定接收此报文或丢弃此报文；

2）报文接收：两个MAC模块接收目标设备发送的报文，并且将接收到的报文分类并填写相应的描述符寄存器，在报文的尾部加上时标；将经过上述处理的报文再传送到PRP&HSR模块，此模块结合报文的PRP&HSR标识信息，通过丢弃算法，接收先到的报文，丢弃后到的报文，然后将接收的报文去除PRP&HSR标识之后，传送到报文分类转发模块转发给源设备的CPU系统。

前述的一种变电站内双网冗余实现方法，所述的PRP&HSR标识含有报文长度信息、A/B网信息、报文序列号以及PRP或HSR识别码。

前述的一种变电站内双网冗余实现方法，所述的PRP&HSR模块和报文分类转发模块之间还设有报文过滤模块，报文过滤模块根据报文的组播地址、类型、ID以及CRC校验值确定是否为有效报文（可接收报文）或无效报文（待丢弃报文）。

前述的一种变电站内双网冗余实现方法，报文分类转发模块根据报文的类型和传输通道转发报文；报文分类转发模块接收报文时，根据MAC模块提供的描述符，将报文传送给相应CPU系统。

本发明的技术优势如下：

1)MAC以太网通信模块在通用MAC功能的基础上，将接收到的报文分类，并且填写相应的描述符寄存器，供后级的FPGA分类处理报文模块使用；在报文的尾部加上时标，供CPU处理报文使用。这种经过改进的MAC模块大大提高了CPU处理以太网数据的效率。

2)PRP&HSR模块符合IEC62439规范，可以很好的和其他符合此规范的设备进行通信，利于提高设备的兼容性；

3)PRP&HSR模块接收先到的报文，丢弃后到的报文，此种双网冗余通信方式，可以实现网络故障恢复零延时、故障时不丢帧，提高网络可靠性高；

4)PRP&HSR模块对外提供双网接口，对内等效一路网口，在实现双网冗余通信的时候，不改变上层软件的网络接口，并且可以有效的减轻CPU系统处理数据的负担。

5)报文过滤控制模块Packet Filter用于网络风暴抑制,抑制策略由CPU系统对相关寄存器的配置来完成。

6)报文分类转发模块Packet Classification & transmission根据报文类型选择不同的数据传输通道，使用不同的处理器来处理不同的数据报文，减轻CPU负担，降低同一种数据传输通道的使用率，有效提升报文处理和响应速度，提高系统实时性，稳定性，系统可灵活的更改和配置通道传输和处理器处理的报文类型。

7）支持基于IEC61588的精确网络对时。

附图说明

图1是本发明的变电站内双网冗余的装置硬件架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

电力系统保护和测控装置的CPU系统通过相应的不同数据传输通道将要发送的报文传输到FPGA报文分类转发模块，FPGA报文转发模块再将分好类的待发送报文传送到PRP&HSR 模块，此模块将需要发送的报文复制一份，并在双份报文的尾部都加上特有的PRP&HSR标识，在同一时间通过两路MAC模块发送这两个报文；当目标设备的两路MAC模块接收到报文时，将报文传送到PRP&HSR模块，通过PRP&HSR模块的处理，接收最先到达的报文，丢弃后到的一份相同报文，然后将报文传送给报文过滤模块（Packet Filter）进行网络风暴抑制，再经过FPGA的报文分类转发模块，报文分类转发模块根据报文的类型选择相应的传输通道经过相应的CPU通讯接口模块，传送给CPU系统。这种变电站内双网冗余的装置硬件架构及实现方法，使得装置间的通信更加高效、安全、可靠。本发明重点基于FPGA进行了六个方面的集成设计：MAC模块、PRP&HSR模块、报文转发控制模块、CPU通讯接口模块、1588对时模块、报文过滤模块。总体框架原理如图1所示。

MAC模块：针对变电站内的装置的共性与特性，在FPGA内部设计了MAC以太网通信模块，在通用MAC 功能的基础上，将接收到的报文分类，并且填写相应的描述符寄存器，供后级的FPGA分类处理报文使用；在报文的尾部加上时标，供CPU处理报文使用；并且在报文是1588报文的时候，会在报文的尾部再追加1588时标。

1588模块：完成基于IEC61588标准的变电站内部精确网络对时功能。

PRP&HSR模块：根据IEC62439规范，自主开发了PRP&HSR程序模块。PRP&HSR模块在报文发送时，将CPU传送过来的报文复制一份，加上特定的PRP&HSR标识，通过两个MAC同时发送出去。在PRP&HSR模块接收报文时，根据内部的丢弃算法，将接收最早到达的PRP&HSR报文，丢弃后到的相同的复制帧。PRP&HSR模块处理了MAC端的双网数据，从PRP&HSR模块和CPU的接口来看，始终是提供一份处理过的报文，此种优化了FPGA内部模块构架，也大大减轻了CPU数据处理的负担。

报文过滤模块(Packet Filter)：提供以太网报文过滤及流量控制功能，此模块是根据目前智能变电站网络风暴抑制需求针对变电站内部GOOSE、SV、MMS、IEC61588报文完成相应的报文过滤及流量控制功能。

报文分类转发模块(Packet Classification & transmission)：FPGA根据报文的类型和通道，转发SV、 GOOSE、1588及MMS报文。接收报文时，根据MAC提供的描述符，将SV、GOOSE、1588和MMS报文传送给相应CPU系统；发送报文时，MAC根据描述符，发送相应的报文。通过多路报文转发控制，数据流更加明晰，能很好的提高系统的可靠性与可扩展性。

本发明的实现方式如下：

本发明使用基于CPU系统+FPGA架构来实现，在FPGA内部通过设计出MAC以太网通信模块（即MAC模块）、1588对时模块、PRP&HSR模块、报文过滤模块、报文分类转发模块来完成。随着SOC技术的发展，可以用SOC芯片取代CPU+FPGA架构完成此功能。

1）报文发送，如图1所示，本硬件架构包含CPU系统和FPGA处理器。源设备（即电力系统保护和测控装置）的CPU系统将需要发送的报文通过相应的CPU通讯接口发送到报文分类转发模块，然后再将相应的报文写入PRP&HSR模块，PRP&HSR模块将报文复制一份，在两个相同的报文的结尾添上PRP&HSR标识，此标识含有报文长度信息、A/B网信息、报文序列号以及PRP或HSR识别码，目标设备通过此信息来辅助决定是接收此报文，还是丢弃此报文。两个MAC模块将含有PRP&HSR标识的报文同时发送出去。

2）报文接收，目标设备接收报文时，两路MAC接收报文，并且将接收到的报文分类，并且填写相应的描述符寄存器，供后级的FPGA分类处理报文使用；在报文的尾部加上时标，供CPU系统处理报文使用；并且在报文是1588报文的时候，会在报文的尾部再追加1588时标。经过处理的报文再传送到PRP&HSR模块，此模块结合报文的PRP&HSR标识信息，通过丢弃算法，接收先到的报文，丢弃后到的报文，然后将接收的报文去除PRP&HSR标识之后，通过报文过滤模块进行网络风暴抑制，再传送到报文分类转发模块转发传送给CPU系统。

3）变电站应用中不同的报文类型通过不同的数据传输通道与HSR&PRP模块通信，不同通路的数据在FPGA中通过一个报文分类转发模块Packet Classification &transmission进行报文的转发功能。发送数据时将来自不同通道的数据报文传递给HSR&PRP模块，接收数据时根据不同的数据类型将报文对应放入数据传输通道，各自送入对应的处理器。

设备通过利用FPGA技术及基于双以太网通讯的方式，利用PRP&HSR协议，实现网络故障恢复零延时、故障时不丢帧，具有较高的网络可靠性以及较好的经济性等特点；优化的FPGA内部模块构架，实现了报文的分类发送、接收处理，数据流更加明晰，降低了系统复杂度，能很好的提高系统的可靠性，信息交互得以更加灵活。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种变电站内双网冗余的装置，其特征在于，包括如下模块：

报文分类转发模块，用于对CPU系统发送的报文进行分类并转发给报文过滤模块，以及将报文过滤模块传送的报文发送至CPU系统；

报文过滤模块，用于滤除无效报文；

并行冗余协议PRP&高可用性无缝环网协议HSR 模块，用于复制需要发送的报文并在双份报文的尾部加上并行冗余协议PRP标识或高可用性无缝环网协议HSR标识，同时通过两个MAC模块发送双份报文；以及接收两个MAC模块发送的双份报文中先到达的报文，丢弃后到的报文，并将先到达的报文去除PRP或HSR标识后转发给报文过滤模块；

所述的报文过滤模块根据报文的组播地址、类型、ID以及CRC校验值确定是否为有效报文或无效报文；所述的MAC模块将接收到的报文分类并填写相应的描述符寄存器，并在报文的尾部加上时标；报文分类转发模块根据报文的类型和传输通道转发报文；报文分类转发模块接收报文时，根据MAC模块提供的描述符，将报文传送给相应CPU。

2.根据权利要求1所述的一种变电站内双网冗余的装置，其特征在于，所述的报文分类转发模块、报文过滤模块、PRP&HSR 模块和MAC模块集成于FPGA处理器。

3.一种变电站内双网冗余实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）报文发送：源设备的CPU系统将需要发送的报文发送到报文分类转发模块，报文分类转发模块将报文分类并写入PRP&HSR模块，PRP&HSR模块将报文复制一份，在两个相同的报文的结尾添上PRP或HSR标识并转发给两个MAC模块，MAC模块将含有PRP或HSR标识的报文通过双网发送给目标设备，目标设备根据PRP或HSR标识确定接收此报文或丢弃此报文；

2）报文接收：两个MAC模块接收源设备发送的报文，并且将接收到的报文分类并填写相应的描述符寄存器，在报文的尾部加上时标；将经过上述处理的报文再传送到PRP&HSR模块，此模块结合报文的PRP或HSR标识信息，通过丢弃算法，接收先到的报文，丢弃后到的报文，然后将接收的报文去除PRP或HSR标识之后，传送到报文分类转发模块转发传送给目的设备的CPU系统；

所述的PRP或HSR标识含有报文长度信息、A/B网信息、报文序列号以及PRP或HSR识别码；所述的PRP&HSR模块和报文分类转发模块之间还设有报文过滤模块，报文过滤模块根据报文的组播地址、类型、ID以及CRC校验值确定是否为有效报文或无效报文；报文分类转发模块根据报文的类型和传输通道转发报文；报文分类转发模块接收报文时，根据MAC模块提供的描述符，将报文传送给相应CPU系统。