CN104269810B - 一种继电保护装置抑制网络冗余数据方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种继电保护装置抑制变电站内网络冗余数据的方法，这种方法是将继电保护装置通信管理程序中加入一个钩子函数和网络监控任务，当有站内网络数据包发送过来的时候，钩子函数会获取相应的数据包，根据抑制冗余数据的规则分析数据包并将结果传递给网络监控任务。网络监控任务会根据分析结果，充分利用网络数据分层处理的特点进行多级抑制的操作，避免了继电保护装置因为响应变电站网络上存在的大量冗余数据而影响到其它采集、监控和保护的常规功能，避免继电保护装置进入假死机状态。本发明方法的实现且具有通用性，可以不用为装置更换带能调节中断频率最高值的以太网MAC芯片，既减少了硬件成本也省去了大范围更换已有继电保护装置的维护成本。

Description

一种继电保护装置抑制网络冗余数据方法

技术领域

本发明属于电力系统电力电子与继电保护领域，具体涉及一种实现继电保护装置抑制网络冗余数据的方法，是一种安全的继电保护装置多级抑制网络冗余数据方法。

背景技术

在继电保护等装置的工程使用过程中，变电站内的继电保护设备采用以太网网络方式与监控后台、故障信息子站、远动主站等设备互联，经常会出现由于某个电力设备及交换机的故障而引发的大量网络冗余数据，使得继电保护设备频繁被动响应网络上的冗余数据，无法执行其它采集、监控和保护等常规功能。

因此需要一种方法，在网络上有大量冗余数据的情况下，继电保护设备的其他功能不被影响，还能处理一部分网络数据，而且当网络恢复正常的时候，继电保护设备也能恢复对正常网络数据的处理。

使用带有能调整中断引发的最小频率值的网络芯片，或者使用带有网络功能具有软MAC核的FPGA，利用FPGA来控制递交给CPU的中断最小间隔，这两种方法都可以抑制网络冗余数据。但存在以下的缺点：

1、需要硬件方案的支持，需要在继电保护装置的通信管理单板上更换物理以太网芯片，更换成能调整中断引发的最小频率值的网络芯片或者FPGA芯片。

2、增强功能的网络芯片或者FPGA的硬件成本要比原来高出很多。

3、更换硬件后涉及到新芯片驱动和FPGA软件的重新编写调试，软件成本和时间成本剧增。

4、原有产品无法使用，需要进行装置的更换，而用软件升级的方式影响会小很多。

5、使用一般软件方案，只能简单的将网络同一开启和关闭，没有充分利用了网络数据分层处理的特点进行多级抑制，没有既抑制冗余数据又最大限度的保持流量。

发明内容

为解决现有技术中存在的以上问题，本申请公开了一种继电保护装置多级抑制网络冗余数据方法。

本发明具体采用以下技术方案。

一种继电保护装置多级抑制网络冗余数据方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)创建可独立运行的网络监控任务，编译成动态加载的可执行文件，与已有的继电保护应用程序同时存放在继电保护装置中；

(2)继电保护装置的网络设备驱动层挂接一个钩子函数，所述钩子函数基于抑制冗余数据的规则对网络设备驱动层所接收的站内网络数据包进行冗余判断；

(3)加载预先建立的触发规则，即步骤(2)所述的抑制冗余数据的规则；

(4)读入各条触发规则的组合关系，即建立各触发规则间与、或逻辑关系定义表，形成一个总的触发规则，作为判断冗余网络数据的依据；

(5)当继电保护装置网络芯片接收到站内网络数据包后，递交给网络设备驱动层进行处理，网络设备驱动层通过钩子函数和触发规则判断该网络数据是否为冗余数据；

(6)当根据步骤(5)判断出所述网络数据是冗余数据时，则激活网络监控任务，对冗余数据进行相应的抑制操作；

(7)当对冗余数据的抑制操作结束后，重新返回步骤(5)由钩子函数和触发规则来监控继电保护装置所接收的站内网络数据包。

本发明将网络监控任务的代码和保护应用程序的应用代码等下载到待测单板中，由系统初始化任务调用，通过识别配置文件中关于抑制网络冗余数据功能的选项，进行监控任务的初始化加载，监控任务会独立运行并分配好系统资源，进而加载触发规则等预先由工程人员配置好的存放在嵌入式文件系统上的数据信息。当钩子函数开始过滤数据包时，监控功能同时打开，若触发条件满足，则分阶段进入一级、二级、三级的抑制网络冗余数据的过程。一旦继电保护装置的系统调度任务接收到监控后台或者调试人员下发的退出抑制网络冗余数据功能命令，监控任务会安全的释放它分配好的系统资源，然后动态的退出。

本发明的另一个创新点是充分利用了网络数据分层处理的特点进行多级抑制，因为网络数据的处理是分层管理的，每层都有自己的缓存区和收发逻辑处理，如果简单的将网络同一开启和关闭会导致大量的缓存数据同时丢失，而且装置会在一段时间内完全无法接收到正常的网络报文，影响可靠性，采用分层多级抑制可以充分的利用各个网络层次的缓存和流量控制机制来控制CPU处理网络上的数据包频率，因而既能抑制冗余数据又能最大限度的保持流量。

本发明具有以下技术效果：

1、不用更改硬件设计，不用大范围更换已有继电保护装置，成本减少。

2、网络监控任务和钩子函数可以动态加载和退出，可根据现场要求动态的新增或者删除冗余数据抑制功能。

3、继电保护装置已有的保护应用程序不受影响，不更改它的可执行代码，不影响原有的应用功能，具有本质安全性。

4、继电保护装置已有的网络设备驱动层程序不受影响，不更改它的可执行代码，不影响原有的驱动层功能。

5、能根据现场的应用环境，即根据冗余数据的特点设置自定义的触发规则。

6、充分利用了网络数据分层处理的特点进行多级抑制，既能抑制冗余数据又能最大限度的保持流量。

附图说明

图1是本发明继电保护装置多级抑制网络冗余数据方法流程示意图；

图2是本发明继电保护装置的变电站硬件连接图。

具体实施方式

下面结合说明书附图本发明的技术方案作进一步详细说明。为方便，这里以VXWORKS嵌入式操作系统为例(LINUX嵌入式操作系统类似，仅需移植部分有差异的系统资源)。变电站内的多个继电保护装置网络连接示意图如附图2所示。

继电保护设备与监控后台、故障信息子站、远动主站等设备通过以太网交换机互联，如果其中某个电力设备甚至是交换机本身出现故障，频繁的向整个网络大量广播或者发送点对点的冗余报文，那就会造成继电保护设备的暂时瘫痪。

附图1是本发明方法的流程图，这是一个继电保护装置里的抑制网络冗余数据的程序流程。本申请公开的继电保护装置里的抑制网络冗余数据方法包括以下步骤：

步骤1：

先是由工程人员将网络监控任务的代码和保护应用程序的应用代码等下载到待测单板中，上电启动。系统初始化任务首先调用网络驱动的初始化，将一切底层通信外设加载完毕。然后接着启动嵌入式文件系统上存储的保护应用程序，通过识别配置文件中关于抑制网络冗余数据功能的选项，接着进行监控任务的初始化加载；

步骤2：

监控任务分配好系统资源，进而挂载驱动的钩子函数，若挂载失败则直接退出整个网络监控功能，监控任务也将会被动态的释放；

步骤3：

钩子函数挂载成功则继续加载触发规则，这些规则由工程人员预先配置好，存放在继电保护装置中。对于大量冗余数据处理的基本依据有下面三种，一是根据单位时间接收的帧数，适用于对中断响应比较敏感的CPU和操作系统。二是根据单位时间接收的流量，这种情况适用于对于网络中断不敏感，但对数据搬移过程消耗时间比较敏感的CPU和操作系统。三是根据单位时间接收的同一源MAC地址的帧数，这种情况适用于故障设备存在与一点，仅仅需要抑制该点的冗余数据的情况，可以避免其它的正常数据被同时抑制。另外，若设置了用户自定义触发规则，也同时加载到内存中做为判断依据，自定义的触发规则来源于专家经验库；

步骤4：

加载完所有的触发基本规则和用户自定义规则以及这些规则的逻辑关系定义表后，监控任务会生成一个总的触发规则，在钩子函数中同一判断。

初始化工作自此已完成，监控任务使能监视功能，钩子函数开始监控网络芯片冗余数据包，同时监控任务调用taskDelay进入休眠状态，即不占用CPU，不影响正常的保护功能；

步骤5：

当站内网络上出现大量冗余报文时，网络芯片将接收到的网络数据包递交给网络设备驱动层进行处理，网络设备驱动层通过钩子函数和触发规则判断该网络数据是否为冗余数据。

步骤6：

钩子函数中对总触发规则进行判断的逻辑执行结果会返回TRUE，此时系统进入一级抑制冗余数据的阶段，利用信号量唤醒休眠状态的监控任务，监控任务启动计时器一，同时置上已进入一级抑制冗余数据状态的标志，在这个标志被置上的情况下，所有进入驱动层，要向协议栈递交的数据包将被抛弃。但其它层的数据还被保留，一旦从一级抑制冗余数据的阶段退出，保留的数据包还可以被继续处理。对于监控网络的任务，则继续休眠。而钩子函数继续监视判断触发规则，当钩子函数中对总触发规则进行判断的逻辑执行结果还返回TRUE的情况下，一级抑制无效，继续进入二级抑制网络冗余数据的阶段，利用信号量唤醒休眠状态的监控任务，监控任务启动计时器二，同时置上已进入二级抑制冗余数据状态的标志，在这个标志被置上的情况下，网络处理任务的优先级被监控任务强制降低。当继电保护装置的其它正常功能不被影响的时候，网络处理任务的优先级才会被动态调整恢复。对于监控网络的任务，则继续休眠。而钩子函数继续监视判断触发规则，当钩子函数中对总触发规则进行判断的逻辑执行结果还返回TRUE的情况下，二级抑制无效，继续进入三级抑制网络冗余数据的阶段，此时将会关闭网络芯片的接收处理数据中断，但保持接收功能的开启。数据将会保存在网络芯片的硬件缓存区中，继电保护装置也不会停止对网络芯片的数据读取，但会受到网络处理任务优先级被降低和已不接受网络芯片中断请求的影响，不过这也正是多级抑制所要达到的效果。

步骤7：

最后，进入到恢复阶段或者定时器时间到，系统会退出各级抑制冗余数据的阶段。重新由钩子函数和触发规则来监控冗余数据产生的条件。此时监控任务又继续恢复成为休眠状态以保持CPU占用率几乎为零，即保持监控功能又不影响其它已有的保护功能。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种继电保护装置抑制网络冗余数据方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)创建可独立运行的网络监控任务，编译成动态加载的可执行文件，与已有的继电保护应用程序同时存放在继电保护装置中；

(2)继电保护装置的网络设备驱动层挂接一个钩子函数，所述钩子函数基于抑制冗余数据的规则对网络设备驱动层所接收的站内网络数据包进行冗余判断；

(3)加载预先建立的触发规则，即步骤(2)所述的抑制冗余数据的规则；

(4)读入各条触发规则的组合关系，即建立各触发规则间与、或逻辑关系定义表，形成一个总的触发规则，作为判断冗余网络数据的依据；

(5)当继电保护装置网络芯片接收到站内网络数据包后，递交给网络设备驱动层进行处理，网络设备驱动层通过钩子函数和触发规则判断该网络数据是否为冗余数据；

(6)当根据步骤(5)判断出所述网络数据是冗余数据时，则激活网络监控任务，对冗余数据进行相应的抑制操作；

(7)当对冗余数据的抑制操作结束后，重新返回步骤(5)由钩子函数和触发规则来监控继电保护装置所接收的站内网络数据包。

2.根据权利要求1所述的抑制网络冗余数据方法，其特征在于：

在步骤(3)中，所述触发规则包括：网络设备驱动层在单位时间接收的帧数是否大于帧数阈值，网络设备驱动层在单位时间接收的流量是否大于流量阈值，网络设备驱动层在单位时间接收的同一源MAC地址的帧数或流量是否大于设定的帧数阈值。

3.根据权利要求1或2所述的抑制网络冗余数据方法，其特征在于：

在步骤(6)中，对冗余数据的抑制操作分为三级阶段进行：一级抑制冗余数据的阶段是在网络设备驱动层向协议栈递交数据包时将数据包抛弃；二级抑制冗余数据的阶段是降低网络设备驱动层进行网络数据处理任务的优先级；三级抑制冗余数据的阶段是关闭网络芯片的接收处理数据中断，但保持接收功能开启。

4.根据权利要求3所述的抑制网络冗余数据方法，其特征在于：

对冗余数据进行抑制操作的三级阶段具体如下：

所述钩子函数中根据总触发规则将所接收的网络数据判断为冗余数据时，即逻辑执行结果返回TRUE时，继电保护装置进入了一级抑制冗余网络数据的阶段，网络监控任务置上已进入一级抑制冗余数据状态的标志，在这个标志被置上的情况下，所有进入网络设备驱动层，并且要向协议栈递交的数据包将被抛弃，但进入其它层的数据被保留，一旦从一级抑制冗余数据的阶段退出，保留的数据包还可以被继续处理；

当钩子函数对经过一级抑制冗余数据的阶段后的网络数据根据总触发规则再次判断为冗余数据时，即逻辑执行结果还返回TRUE时，进入二级抑制冗余数据的阶段，网络监控任务置上已进入二级抑制冗余数据状态的标志，网络设备驱动层进行网络数据处理任务的优先级被网络监控任务强制降低；

当钩子函数对经过二级抑制冗余数据的阶段后的网络数据根据总触发规则仍然判断为冗余数据时，即逻辑执行结果仍然返回TRUE时，进入三级抑制冗余数据的阶段，关闭网络芯片的接收处理数据中断，但保持接收功能的开启。

5.根据权利要求4所述的抑制网络冗余数据方法，其特征在于：

在对冗余数据进行抑制操作的三级阶段，所述网络监控任务还分别启动计时器一、计时器二和计时器三：

在一级抑制冗余数据的阶段，当抑制处理后的网络数据根据总触发规则判断为非冗余数据时，在计时器一的时间到后，退出一级抑制冗余数据的进程，返回步骤(5)；

在二级抑制冗余数据的阶段，当抑制处理后的网络数据根据总触发规则判断为非冗余数据时，在计时器二的时间到后，退出二级抑制冗余数据的进程，返回步骤(5)；

在三级抑制冗余数据的阶段，当抑制处理后的网络数据根据总触发规则判断为非冗余数据时，在计时器三的时间到后，退出三级抑制冗余数据的进程，返回步骤(5)。