CN105656713A - 一种基于fpga的smv和goose报文过滤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的SMV和GOOSE报文过滤方法，属于电力系统自动化技术领域。本发明中的FPGA通过内部MAC接收完整一帧SMV或GOOSE报文后，首先进行MAC地址过滤，再进行APPID过滤，然后进行CRC校验码过滤；上述过程均通过后对报文进行ASN.1解码，提取报文关键字段，并进行合法性校验；最后进行安全带宽过滤，通过以上所有过滤项的报文上送CPU待后续处理。本发明不但解决了电力自动化装置中SMV和GOOSE报文网络压力测试的难题，还进一步提高了系统效率、降低了硬件成本。

Description

一种基于FPGA的SMV和GOOSE报文过滤方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体地说本发明涉及一种基于FPGA的SMV和GOOSE报文过滤方法。

背景技术

作为智能电网的基础，智能变电站已成为变电站建设和发展的趋势。智能变电站是在应用IEC61850标准的基础上，对变电站信息进行深层次挖掘和综合分析的新一代变电站技术。对于电力自动化装置，它与传统变电站在采样和控制方式存在明显的区别。采样方式方面，原来的AD采样模拟量，变为通过合并单元（MU）转换为IEC61850SMV协议的数字量采样；原来的开关量采集，变为通过IEC61850GOOSE协议传输的数字量。控制方式方面，传统的硬节点出口，变为GOOSE协议的以太网报文出口。

由于以太网网络机制复杂，所以网络数据传输的实时性难以保证，尤其是在遭受很大的网络压力的情况下。随着智能变电站建设的深入，电网公司对IEC61850SMV和GOOSE相关装置提出了网络压力方面的针对性测试项目，主要有如下要求：

电力自动化装置应不受非订阅报文的影响，不应受ARP广播报文网络风暴影响，装置运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象，装置面板不应有异常告警；发生区内故障时，装置应能可靠动作，发生区外故障时，装置不应误动；电力自动化装置应能正确接收点对点口及组网口订阅SMV和GOOSE控制块报文并正确动作。电力自动化装置在订阅报文网络压力测试条件下应运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象；网络压力消失后装置正常运行，发生区内故障时，装置应能可靠动作，发生区外故障时，装置不应误动，装置应能正确接收点对点口及组网口订阅SMV和GOOSE控制块报文并正确动作。

针对上述要求，电力自动化装置需要解决以下几个问题：

1、实现硬件过滤ARP等网络风暴报文；

2、实现硬件过滤非订阅SMV和GOOSE报文；

3、实现硬件过滤重复、无效的订阅报文。

发明内容

本发明目的是：为了解决以上问题，提供一种基于FPGA的SMV和GOOSE报文过滤方法。该方法通过FPGA实现完善的网络报文过滤机制，解决网络压力测试难题。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：

1）电力自动化装置中的FPGA模块通过内部MAC接收完整一帧SMV或GOOSE报文后，依次扫描该网口对应过滤模块的MAC地址表，比较是否存在与该帧报文一致的MAC地址，如不存在则丢弃该帧报文，如存在进入下一步；

2）FPGA依次扫描该网口对应过滤模块的APPID表，比较是否存在与该帧报文一致的APPID，如不存在则丢弃该帧报文，否则进入下一步；

3）FPGA计算该帧报文的CRC校验码，并与之前接收到的前一帧报文的CRC校验码相比较，如一致则丢弃该帧报文，否则进入下一步；

4）FPGA对该帧报文进行ASN.1解码，对于SMV报文提取其smpCnt字段，对于GOOSE报文提取其stNum和sqNum字段，并与之前接收到的前一帧报文的相应字段相比较，如一致则丢弃该帧报文，否则进入下一步；

5）FPGA根据安全带宽进行过滤：网络报文在安全带宽以内，FPGA正常接收并提交给CPU处理；如网络报文在安全带宽之外，FPGA丢弃多余报文；

6）对于每帧SMV或GOOSE报文都进行步骤1）-5）的过滤操作，完成所有报文的过滤。

本发明的有益效果如下：本发明利用FPGA实现过滤，可以灵活设计过滤的路数，不受常规以太网控制器的设计限制，可满足任意数量的过滤要求。FPGA在MAC地址过滤基础上，增加了多重过滤机制，可彻底过滤重复和无效报文，不但解决了网络压力测试难题，还进一步减轻了CPU的处理任务，提高了整个装置的处理效率。相对于常规以太网控制器，基于FPGA的以太网控制和过滤机制，不但提高了性能，还节约了硬件成本。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明在电力自动化装置内部应用示意图。

图3智能变电站内自动化装置SMV接口示意图。

图4智能变电站内自动化装置GOOSE接口示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，在电力自动化装置设置FPGA模块用于报文过滤，如图2所示。该FPGA包括内部的总线接口、内部MAC网口以及与各内部MAC网口相对应的过滤模块。电力自动化装置的CPU通过FPGA内部的总线接口和FPGA进行数据交换，FPGA通过内部MAC接收外部报文。图3和图4分别给出该方案应用于SMV板卡和GOOSE板卡中的示意。在图3和图4的场合中，FPGA分别完成SMV或GOOSE报文的过滤工作。其过滤步骤如图1所示。

图1中步骤1是电力自动化装置中的FPGA芯片通过内部MAC接收完整一帧SMV或GOOSE报文后，依次扫描该网口对应过滤模块的MAC地址表，比较是否存在与该帧报文一致的MAC地址，如不存在则丢弃该帧报文，如存在进入下一步。通过MAC地址全集过滤，彻底过滤ARP网络风暴和非订阅报文。

图1中步骤2是FPGA依次扫描该网口对应过滤模块的APPID表，比较是否存在与该帧报文一致的APPID，如不存在则丢弃该帧报文，否则进入下一步。通过APPID过滤，过滤APPID不匹配的非订阅报文。

图1中步骤3是FPGA计算该帧报文的CRC校验码，并与之前接收到的前一帧报文的CRC校验码相比较，如一致则丢弃该帧报文，否则进入下一步。通过CRC校验，防止出现重复报文。

图1中步骤4是FPGA对该帧报文进行ASN.1解码，对于SMV报文提取其smpCnt字段，对于GOOSE报文提取其stNum和sqNum字段，并与之前接收到的前一帧报文的相应字段相比较，如一致则丢弃该帧报文，否则进入下一步。通过以上过滤，丢弃字段不合法的报文，过滤无效的订阅报文。

图1中步骤5是FPGA根据安全带宽进行过滤：网络报文在安全带宽以内，FPGA正常接收并提交给CPU处理；如网络报文在安全带宽之外，FPGA丢弃多余报文。安全带宽的单位是每10毫秒字节数，以10毫秒为单位进行过滤。带宽过滤作为最后一道防线防止CPU因超负荷而死机或重启。

在具体实施事，电力自动化装置的CPU在采用本实施例的过滤方法前，必须先对FPGA进行初始化配置。CPU先读取SMV或GOOSE的配置文件，获取配置信息。根据配置信息依次配置和使能MAC地址过滤、APPID过滤、CRC校验过滤、关键字段合法性检查过滤、安全带宽过滤。配置完成后，FPGA启动进入工作状态，过滤并上送有效报文。CPU完成配置后，即进入接收数据处理过程，循环处理FPGA模块上送的SMV或GOOSE报文。对每个网络报文均重复步骤（1）-（5）的过滤操作，即可适应所有网络压力测试。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的SMV和GOOSE报文过滤方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）电力自动化装置中的FPGA模块通过内部MAC接收完整一帧SMV或GOOSE报文后，依次扫描该网口对应过滤模块的MAC地址表，比较是否存在与该帧报文一致的MAC地址，如不存在则丢弃该帧报文，如存在进入下一步；

2）FPGA依次扫描该网口对应过滤模块的APPID表，比较是否存在与该帧报文一致的APPID，如不存在则丢弃该帧报文，否则进入下一步；

3）FPGA计算该帧报文的CRC校验码，并与之前接收到的前一帧报文的CRC校验码相比较，如一致则丢弃该帧报文，否则进入下一步；

4）FPGA对该帧报文进行ASN.1解码，对于SMV报文提取其smpCnt字段，对于GOOSE报文提取其stNum和sqNum字段，并与之前接收到的前一帧报文的相应字段相比较，如一致则丢弃该帧报文，否则进入下一步；

5）FPGA根据安全带宽进行过滤：网络报文在安全带宽以内，FPGA正常接收并提交给CPU处理；如网络报文在安全带宽之外，FPGA丢弃多余报文；

6）对于每帧SMV或GOOSE报文都进行步骤1）-5）的过滤操作，完成所有报文的过滤。