CN105548777A - 基于双cpu并行录波存储的故障录波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块、电源模块和两个CPU模块，两个所述CPU模块各通过一条独立的千兆网总线与所述FPGA模块进行通信，所述FPGA模块设置有RJ45接口，所述FPGA模块的RJ45接口可通过千兆网向后台或工控机传送IEC61850-9-2报文格式的实时采集数据，所述对时模块同时为所述AD转换模块、所述FPGA模块和两个所述CPU模块提供时间基准信号，所述电源模块为整个故障录波装置供电。本发明解决了目前故障录波装置运行可靠性低、数据存储不合理等技术问题，提高了装置运行、存储可靠性和数据传输速率，具有性能高、兼容性好、可靠性高、稳定性好、应用广泛等特点。

Description

基于双CPU并行录波存储的故障录波装置

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置。

背景技术

故障录波装置是电力系统动态记录过程必不可少的精密设备，是评价继电保护动作行为及分析设备故障性质和原因的重要依据。其主要任务是在电力系统发生故障时，自动并准确地记录故障全过程各种电气量的变化情况，通过记录的电气量进行分析处理，从而准确地判断处理故障，保证电力系统安全稳定可靠地运行。

随着电力系统IEC61850标准的颁布，计算机技术和光纤、网络通信技术的迅猛发展，变电站自动化技术也逐渐由传统变电站向数字化变电站方向发展。传统故障录波装置存在硬件配置较低，系统容量小，实用性差等问题，已无法满足电力系统故障录波和数据通信的要求。为适应大容量电力系统的快速发展，需要拥有高性能坚实硬件和丰富后台软件，具有稳定存储功能、强大网络功能和通信能力的高可靠性故障录波装置。

目前，市场上的故障录波装置主要有以下两种：

其一，大部分故障录波装置采用单个工控模块(又称CPU模块)作为主控处理器，及多处理器并行处理技术来实现实时数据采集、同步信号处理及网络通信等功能；其中，CPU模块与各模块之间通过双口RAM实现数据通讯；CPU模块主要用于对记录数据进行分析处理存储、显示和打印输出，通过联网通讯接口(Ethernet、标准的RS-232等)实现数据共享。

其二，部分故障录波装置采用分布式结构设计，故障录波装置的采集单元采集故障数据后，通过高速PCI-E总线传送到主CPU模块进行分析、处理、存储、显示打印与数据共享。

上述两种故障录波装置存在以下缺陷：

1)故障录波装置各模块之间采用双口RAM实现数据通信，当进行大量数据传输时，由于仲裁机制、时分复用的原因，影响数据传输和处理；

2)采用单CPU模块作为主控处理器，用于数据分析处理、实现人机交互、故障判断、数据存储、远程通讯等功能，一旦运行中CPU模块出现故障，不仅会影响现场装置正常运行，而且导致所有未存入硬盘的录波数据全部丢失；

3)故障录波装置的应用程序和录波数据都存储在一个盘里，硬盘频繁读写导致物理介质损坏，从而导致装置宕机；

4)故障录波装置的分析处理单元采用的CPU处理器性能偏低，速度慢，支持的存储容量小，已无法满足大容量电力系统对故障录波装置的处理能力及存储能力方面提出的更高的要求；

5)无硬件压缩功能，硬盘采用2.5吋笔记本硬盘；

6)采集数据无法导出给其他装置，系统扩展性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，实现两个硬件结构完全相同且各自独立的CPU模块在同一故障录波装置中以相同的操作系统和应用程序同步运行，以提高装置运行和存储的可靠性，解决上述技术问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块、电源模块和两个CPU模块，两个所述CPU模块各通过一条独立的千兆网总线与所述FPGA模块进行通信，所述FPGA模块设置有RJ45接口，所述FPGA模块的RJ45接口可通过千兆网向后台或工控机传送IEC61850-9-2报文格式的实时采集数据，所述对时模块同时为所述AD转换模块、所述FPGA模块和两个所述CPU模块提供时间基准信号，所述电源模块为整个故障录波装置供电。

具体地，所述FPGA模块设置有两个千兆网接口，两个所述CPU模块分别与所述FPGA模块的两个千兆网接口通过千兆网总线连接。

具体地，两个所述CPU模块均包括COME模块、两个千兆网处理器、数据压缩卡、数据存储模块、RJ45接口、USB接口、串口、外接VGA接口和人机交互接口，所述COME模块内置CPU处理器及DDR存储器，两个所述CPU模块之间设置有人机交互接口转换电路，所述人机交互接口转换电路连接有显示器、指示灯、键盘和鼠标，两个所述CPU模块均可与调度主站和调度子站进行通信。

更具体地，所述COME模块同时与两个所述千兆网处理器、所述数据压缩卡、所述数据存储模块、所述USB接口、所述串口、所述外接VGA接口和所述人机交互接口相连接，两个所述千兆网处理器和所述数据压缩卡均通过PCIE总线与所述COME模块连接，其中一个所述千兆网处理器与所述FPGA模块连接，另一个所述千兆处理器与所述CPU模块内的RJ45接口相连，所述数据存储模块通过SATA总线与所述COME模块连接。

更具体地，所述数据存储模块包括一个电子盘和两个硬盘，所述电子盘用于存储故障录波装置的操作系统和应用程序，两个所述硬盘分别用于存储暂态数据和稳态数据。

更具体地，所述对时模块向所述COME模块发送时间基准信号。

更具体地，两个所述CPU模块的人机交互接口通过所述人机交互接口转换电路连接。

更具体地，所述DDR存储器的容量大于等于4GB。

更具体地，所述COME模块中的CPU处理器采用低功耗双核四线程处理器。

本发明的有益效果在于：

1)采用高速互连技术结合千兆网，实现板卡和板卡之间多通道的高速数据传输，通过改进交换技术，大大提高数据交换效率，解决了并行总线访问冲突的问题，每个插件分配一条独立的数据传输通道，插件不需要再向系统申请带宽，而其总线频率也可以大大提高；

2)两个CPU模块都有独立的接口，且完全可以热备使用，确保数据传输、数据存储、人机交互和通信功能的独立性，提高了装置运行的可靠性；

3)采用多级存储技术，确保录波数据的安全，避免传统故障录波装置的应用程序和数据存储在一个盘里，硬盘物理介质频繁读写损坏造成的装置宕机；

4)CPU模块采用低功耗双核四线程处理器和高带宽内存，为装置提供更先进、卓越的性能，从而提高了系统运行处理的效率；

5)采用数据压缩卡压缩数据，数据压缩比达到5:1，延长了整个装置的数据存储时间，硬盘采用2.5吋、7X24小时监控级硬盘，读写次数大大提高；

6)FPGA模块设有RJ45接口可将实时采集数据导出，实现采集数据共享，方便用户分析处理，确保装置分析处理的准确性。

附图说明

图1是本发明所述基于双CPU并行录波存储的故障录波装置的结构示意框图；

图2是本发明所述CPU模块的结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明基于双CPU并行录波存储的故障录波装置包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块、两个CPU模块和电源模块。CPU模块是故障录波装置的核心，一台故障录波装置通过双CPU模块冗余控制，两个CPU模块硬件结构完全相同，且互为冗余，无主次之分，通用性好；此设计保证了系统的安全运行，提高了系统运行的可靠性。

下面对各个部分模块展开详细的介绍：

模拟量信号调理模块，用于将电力系统中输入的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、温度等所有模拟信号，通过互感器隔离变换、隔离运算放大器、线性光耦隔离变换等方式，将输入信号按线性比例转换成0-5V的电压信号输出给AD转换模块。

开关量隔离模块，用于将电力系统中输入开关量信号通过光耦隔离，将开关量信号的闭合状态量统一变换成0-5V的高低电平信号输出给AD转换模块。

AD转换模块，用于接收由对时模块发送的时间基准信号、模拟量信号调理模块发送的0-5V电压信号和开关量隔离模块发送的0-5V的高低电平信号，将模拟量信号调理模块发送的信号经AD芯片转换成数字信号，将开关量隔离模块发送的信号经光耦芯片隔离转换成安全开关信号，之后将数字信号和安全开关信号通过地址数据总线发送给FPGA模块。

FPGA模块，用于接收由对时模块发送的时间基准信号和经AD转换模块转换后的数据，并将收到的数据打上分辨率为1us的精确时戳，按4k的巨帧IEC61850-9-2报文格式分别通过两个独立的千兆网接口经千兆网总线传送至CPUA模块、CPUB模块，同时也可通过RJ45接口经千兆网传送至后台或工控机进行分析处理；

对时模块，接收外部1588/PTP报文、或接收光/电IRIG-B码对时信号并解析为有效的时间基准信号(秒脉冲/PPS和串口报文)，给装置各模块提供统一的时间基准；同时输出电IRIG-B码对时信号给其他装置进行对时。

CPU模块，主要完成采集数据的分析计算、记录存储等分析处理，还与站控层设备进行通信。用于故障录波时，暂态录波数据处理功能主要完成计算各起动判据，判断是否满足起动定值，如果满足起动条件，则同步开始录波并实现录波数据的记录存储、分析处理、显示打印、远传及远方维护等功能；稳态录波数据处理功能主要完成实时过滤千兆网数据，根据处理判据打上数据标签，将数据压缩后存储在稳态数据硬盘上，便于事后检索、分析处理。

电源模块，采用高效率交直流通用开关电源模块，输入电压幅值范围为AC/DC85～265V，输出电压包括12V、5V和24V三组，电源总输出功率约132W；装置可以双电源冗余供电，也可单电源模块供电。

人机交互接口转换电路，连接LCD显示屏、指示灯、键盘、鼠标、等，完成与人机交互设备之间的信息传输。LCD显示屏采用夏普公司的15吋4:3工业液晶显示屏(例如：LQ15X1LG91)，其分辨率为1024×768。

各插件之间采用高速互连技术结合千兆网和高速连接器，保证信号高速、稳定、准确的传输；每个插件分配一条独立的高速数据传输通道，该通道通过基于通用数据传输协议(如TCP/IP协议)的千兆以太网进行数据传输，将数据传输速率提升了十几倍以上，使用维护简单，大大提高了数据通信的可靠性。同时，该通道采用具有低功耗、低误码率、低串扰、低辐射等特点的低电压串行差分信号进行数据传输，结合高速差分接插件，可提供可靠的差分传输方案，实现高达10Gbit/s的接口速率，在FPGA模块与CPU模块之间完成高速、稳定的数据传输，节省了板件的数据传输时间，满足了当前与下一代系统的带宽需求。

装置采用多处理器构架，CPU模块选用Intel双核四线程CPU处理器，并在处理器上基于嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台，Linux操作系统为开源系统，具有良好的裁剪和可移植性，采用高级语言编程，保证了系统的实时性和高可靠性；FPGA模块选用Altera公司提供CycloneIVEFPGA芯片，该系列FPGA具有低成本、高性能和低功耗，并适用于多种通用逻辑应用的功能。

两个硬件结构完全相同的CPU模块在系统中并行运行相同的操作系统和应用程序，同时接收由对时模块发送的时间基准信号，维持自身时间的准确；两个CPU模块有独立的通道接收数据及收发状态信息，如FPGA模块采集到的数据按4k的巨帧IEC61850-9-2报文格式通过两条独立的千兆网分别传送至CPUA和CPUB模块；两个CPU模块在系统中完全独立运行，互不影响；两个CPU模块经软件和人机交互接口转换电路相结合，控制装置前面的液晶显示器和USB接口输出；当其中一个CPU模块发生故障时，可在界面上选择切换到另一个CPU模块显示和前置USB接口输出。

两个CPU模块硬件结构完全相同，均采用工业控制嵌入式低功耗工业级COME模块扩展，具有功能强大、接口丰富、升级方便、可靠性高、功耗低，并满足恶劣工作环境等特点。其配置如下：

CPU：INTEL双核四线程CPU处理器(例如：INTELcore2I34010U)，主频1.7GHz以上，功耗15W左右；

内存：DDR3L1600MHz，容量≥4GB,最高16GB；

电子盘：1个，采用4G(8G)SATA-SLIM电子盘，与COME模块的1个SATA接口相连，用于存储操作系统和应用程序。

硬盘：2个，分别于COME模块的另外2个SATA接口相连，采用2.5吋、7*24小时工作模式的监控级硬盘，可存储大于7天的实时数据；采样数据(暂态数据和稳态数据)分别单独存储在不同容量的硬盘里；暂态录波数据采用≥500GB硬盘存储，稳态录波数据采用≥1TB硬盘存储。

数据压缩卡：1张可选，选用基于LZS，eLZS和Deflate等标准无损压缩算法以及一套丰富的哈希/验证算法的加密/压缩处理器，通过PCIExpress接口，将待压缩数据传输到数据压缩卡上，经处理器压缩后再通过PCIExpress接口输出回主机存储到相应的硬盘内。读取硬盘内数据时，压缩处理器可将被压缩的数据100％还原到最初的状态，保证了数据压缩的可靠性。

4个RS232/RS485串行接口，1个用于内部对时，3个面板引出；

4个100M/1000Mb/s自适应网络接口，面板引出；

6个USB接口，2个前置，4个面板引出；

1个LVDS显示接口，用于与前面板的15吋液晶显示器相连；1个VGA显示接口，面板引出，可外接显示器。

与现有技术相比较，本专利技术具有以下优势：

1)装置采用高速互连技术结合千兆网和高速连接器，千兆以太网具有带宽高、传输距离远的优点，能够很好的与高速连接器等数据接口融合，系统通过TCP/IP协议进行数据传输，使用维护简单，能满足与各种不同的以太网网络环境，增强系统的可移植性。系统采用串行差分信号的互连技术，可提高总线传输速率，获得更高的带宽，同时具有抗干扰能力强、传输距离远、带负载能力强、连接数少、布线简单、连接器小型化、可扩展性好、便于热插拔和功耗低等特点。

2)在故障录波装置中有两个相互独立且相同的CPU模块，每个CPU模块都有独立的传输通道、存储介质和人机交互接口；两个CPU模块同步运行相同的操作系统和应用程序，都可以实时处理网络报文数据和故障录波数据，且互为冗余，无主次之分，通用性好；两个CPU模块完全可以热备使用，当其中一个CPU模块出现故障时，另一个CPU模块可继续运行及存储，不影响装置的正常工作，有效提高故障录波装置运行的稳定性和可靠性。

3)装置采用了多级存储方式，将操作系统和应用程序存储在4G/8GSATA-SLIM电子盘里，提高了系统运行的速率和安全性；将故障录波数据按暂态数据和稳态数据两种方式分别存储到2个独立的硬盘中，充分保证了故障录波数据的安全性；同时对有故障报文进行分类统计，并将故障报文数据进行了分区、多级存储，既保证了故障网络报文数据的安全性，又方便了问题报文的快速查找。每一个CPU模块都3个独立存储盘，既能保证系统运行和数据存储的可靠性，又能保证智能电网海量报文数据的存储。

4)CPU模块采用嵌入式低功耗、高集成度的工业级COME模块，COME模块内置低功耗INTEL双核四线程CPU处理器(例如：INTELcore2I34010U)，主频高达1.7GHz以上，功耗15W左右；内存采用容量≥4GB的DDR3L1600系列；且可以兼容不同尺寸和引脚定义的模块，以适应系统升级和新技术的不断发展。

5)CPU模块内置可选数据压缩卡，该数据压缩卡选用基于LZS，eLZS和Deflate等标准无损压缩算法以及一套丰富的哈希/验证算法的压缩处理器扩展实现，可实现至少5:1的数据缩减比，从而减少数据的存储空间，提高数据传输、存储和处理效率。

6)装置在FPGA模块上设有RJ45接口，将实时采集数据以IEC61850-9-2报文格式导出给后台或工控机用于分析、处理及存储，实现采集数据共享，保证数据采集的准确性；并可在CPU模块无法分析处理数据时，提供对采集数据进行分析处理存储的功能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块和电源模块，其特征在于：还包括两个CPU模块，两个所述CPU模块各通过一条独立的千兆网总线与所述FPGA模块进行通信，所述FPGA模块设置有RJ45接口，所述FPGA模块的RJ45接口可通过千兆网向后台或工控机传送IEC61850-9-2报文格式的实时采集数据，所述对时模块同时为所述AD转换模块、所述FPGA模块和两个所述CPU模块提供时间基准信号，所述电源模块为整个故障录波装置供电。

2.根据权利要求1所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：所述FPGA模块设置有两个千兆网接口，两个所述CPU模块分别与所述FPGA模块的两个千兆网接口通过千兆网总线连接。

3.根据权利要求1所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：两个所述CPU模块均包括COME模块、两个千兆网处理器、数据压缩卡、数据存储模块、RJ45接口、USB接口、串口、外接VGA接口和人机交互接口，所述COME模块内置CPU处理器及DDR存储器，两个所述CPU模块之间设置有人机交互接口转换电路，所述人机交互接口转换电路连接有显示器、指示灯、键盘和鼠标，两个所述CPU模块均可与调度主站和调度子站进行通信。

4.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：所述COME模块同时与两个所述千兆网处理器、所述数据压缩卡、所述数据存储模块、所述USB接口、所述串口、所述外接VGA接口和所述人机交互接口相连接，两个所述千兆网处理器和所述数据压缩卡均通过PCIE总线与所述COME模块连接，其中一个所述千兆网处理器与所述FPGA模块连接，另一个所述千兆处理器与所述CPU模块内的RJ45接口相连，所述数据存储模块通过SATA总线与所述COME模块连接。

5.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：所述数据存储模块包括一个电子盘和两个硬盘，所述电子盘用于存储故障录波装置的操作系统和应用程序，两个所述硬盘分别用于存储暂态数据和稳态数据。

6.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：所述对时模块向所述COME模块发送时间基准信号。

7.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：两个所述CPU模块的人机交互接口通过所述人机交互接口转换电路连接。

8.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：所述DDR存储器的容量大于等于4GB。

9.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置，其特征在于：所述COME模块中的CPU处理器采用低功耗双核四线程处理器。