CN106452668A - 一种基于fpga的ied双通道数据传输和双逻辑校验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的IED双通道数据传输解析和双逻辑校验系统及方法，系统包括PL模块、PS模块和MIO；PL包括两个互相独立的AXI互联通道：主AXI互联通道和备用AXI互联通道；PS包括一个双核CPU：主CPU核和备用CPU核；MIO包括两个独立的外部网口：主外部网口和备用外部网口；主AXI互联通道与主CPU核相连，再与主外部网口相连，构成主通道；备用AXI互联通道与备用CPU核相连，再与备用外部网口相连，构成备用通道。该系统及方法在不改变现有智能变电站设计和运维模式的情况下，提高了IED的实时数据交互能力。当主通道发生故障引起主通道数据逻辑校验错误时，将备用数据通过内部互联切换到主通道的路径中继续发送，提高了IED对内部芯片或器件的容错能力。

Description

一种基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统及 方法
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统及方法。
背景技术
智能变电站是电力系统的重要组成部分，对保证系统安全运行起着非常重要的作用。近年来，世界范围内的数次大停电事故表明，其发生均与变电站二次设备的不正确动作有着直接或者间接的关系。随着以“智能设备集成化和业务系统一体化”为特征的新一代智能变电站的发展，智能变电站二次设备出现了集成化和智能化的趋势，以IED(智能电子设备)为核心集成各种二次系统功能成为未来的发展方向，所以对智能变电站IED的高可靠性提出了前所未有的要求。
与常规变电站相比，智能变电站的各种信息不再通过电缆传递，而是以数字化的方式通过网络传递。作为集成保护、测控、计量、采集和控制等多种功能的IED需要在内部同时处理多种数据和逻辑，对外需要收发多种集成的数据。
现有智能变电站IED的数据传输解析结构示意图如图1所示，IED采用单通道工作方式。采用这种工作方式，一旦某一器件发生故障，就可能造成整个装置功能出现错误，给变电站造成错误动作乃至停电的影响。如果采用双重化配置的方式，即采用两台装置并行进行处理，一方面会增加设备投资，延长建设周期；另一方面会增加智能变电站二次系统的复杂性，与现有智能变电站的设计、运行和检修模式不兼容，带来更大的压力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统及方法，用以解决传统智能变电站IED数据传输和解析可靠性不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统，包括CPU插件；所述CPU插件包括PL模块、PS模块和MIO；所述PL模块包括两个互相独立的AXI互联通道：主AXI互联通道和备用AXI互联通道；所述PS模块包括一个双核CPU：主CPU核和备用CPU核；所述MIO包括两个独立的外部网口：主外部网口和备用外部网口；主AXI互联通道与主CPU核相连，主CPU核与主外部网口相连，构成主通道；备用AXI互联通道与备用CPU核相连，备用CPU核与备用外部网口相连，构成备用通道。
进一步地，所述CPU为ARM Cortex A-9。
进一步地，所述AXI互联通道由FPGA生成。
进一步地，所述FPGA为ZYNQ系列。
本发明还提供一种基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验方法包括如下步骤：
1)采样数据分别输入两个互相独立的AXI互联通道，PL模块对数据进行校验；
2)判断主通道校验是否错误：若错误则PL模块控制AXI互联通道切换备用通道数据接入主通道，否则PL模块控制AXI互联通道将两路数据分别传输给PS模块；
3)PS模块中的双核CPU的主CPU核和备用CPU核分别对两路采样数据进行组帧报文处理和不同的逻辑校验；
4)判断主通道校验是否错误：若错误则PS模块将备用通道报文数据通过主通道传递给主外部网口进行发送，备用通道数据复制数据并且通过备用通道传递给备用外部网口发送；否则两个通道分别将处理和校验过的报文数据传递给主外部网口和备用外部网口进行发送。
进一步地，所述逻辑校验方法包括CRC校验、和校验、奇偶校验、格雷码校验或曼码校验。
进一步地，双通道对外发送的数据内容完全相同，PS模块为两个独立的外部网口发送的报文数据设置不同的源MAC地址进行区分。
本发明的有益效果是：在单个IED装置内部，利用ZYNQ系列FPGA的高速并行处理能力和双核CPU构建两个独立的数据解析传输通道，对两路数据通过不同的逻辑进行校验。在不改变现有智能变电站设计、系统、运维模式的情况下，提高了智能变电站IED的实时数据交互能力。而且，当因某个芯片或器件造成主通道发生故障，引起主通道数据逻辑校验错误时，可通过预设策略将备用数据通过内部互联切换到主通道的路径中，通过主对外接口继续发送数据，大大提高了智能变电站IED对内部芯片或器件的容错能力。
附图说明
图1是现有智能变电站IED的数据传输解析结构示意图；
图2是IED双通道数据传输和双逻辑校验系统图；
图3是IED对双路传输和双逻辑校验及紧急切换的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。
如图2所示，基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统包括由ZYNQ-7020为处理器构成的CPU插件；CPU插件包括PL模块、PS模块和MIO；PL模块包括两个相互独立的AXI互联通道；PS模块包括一个双核CPU，分别为Core-A和Core-B；MIO包括两个独立的外部网口SFP-A和SFP-B。上述CPU为ARM Cortex A-9，包括Core-A和Core-B。AXI互联通道由FPGA生成，包括主互联通道RouterA和备用互联通道RouterB。
信号采集/采样插件A将保护和测量采样的电流、电压数据，通过独立的背板网口传送给CPU插件PL模块中的RouterA，PL模块将数据送入CPU插件PS模块中的Core-A进行处理，CPU通过内部高速互联系统，传递给MIO中的SFP-A网口对外发送。此通道为主通道。
信号采集/采样插件B将保护和测量采样的电流、电压数据，通过独立的背板网口传送给CPU插件PL模块中的RouterB，PL模块将数据送入CPU插件PS模块中的Core-B进行处理，CPU通过内部高速互联系统，传递给MIO中的SFP-B网口对外发送。此通道为备用通道。
IED对双路传输和双逻辑校验及紧急切换的流程图如图3所示。
首先，信号采集/采样插件A和信号采集/采样插件B将保护和测量采样的电流、电压数据分别放入AXI通道的RouterA和RouterB，PL模块对数据进行校验，如果主通道数据校验正确，PL模块控制AXI将两路数据通过预设路由传输给PS模块；如果主通道数据校验错误，PL模块控制AXI切换备用通道数据通过预设路由接入主通道。
然后，PS模块中的Core-A和Core-B分别对两路采样数据进行处理和不同的逻辑校验，判断主通道校验是否正确，如果主通道数据校验正确，则通过主通道和备用通道分别将校验过的报文数据传递给SFP-A和SFP-B进行发送；如果主通道数据校验错误，PS模块控制互联系统将备用通道报文数据通过主通道传递给SFP-A网口进行发送，备用通道复制一份走备用通道传递给SFP-B网口进行发送。
PS模块为SFP-A和SFP-B网口发送的报文数据设置不同的源MAC地址以区分主、备用通道传输的报文。最终发送的两份报文内容相同，仅通过报文头的源MAC地址进行区分。两路数据和对外接口一主一备，当主通道发生故障时，可通过预设策略将备用数据切换到主通道的路径中来继续发送数据。
上述两个CPU核分别对同一用途的数据采用不同的逻辑进行校验，并将校验通过的数据打包组帧成两组基于IEC 61850的网络报文，通过两个不同路径传递给MIO中两个独立的外部网口对外发送。校验逻辑包括但不限于CRC校验、和校验、奇偶校验、格雷码校验、曼码校验等，以提高校验的可靠性，尽可能降低数据错误而未被发现的几率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统，其特征在于，包括CPU插件；所述CPU插件包括PL模块、PS模块和MIO；
所述PL模块包括两个互相独立的AXI互联通道：主AXI互联通道和备用AXI互联通道；
所述PS模块包括一个双核CPU：主CPU核和备用CPU核；
所述MIO包括两个独立的外部网口：主外部网口和备用外部网口；
主AXI互联通道与主CPU核相连，主CPU核与主外部网口相连，构成主通道；
备用AXI互联通道与备用CPU核相连，备用CPU核与备用外部网口相连，构成备用通道。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统，其特征在于，所述CPU为ARM Cortex A-9。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统，其特征在于，所述AXI互联通道由FPGA生成。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验系统，其特征在于，所述FPGA为ZYNQ系列。
5.一种如权利要求1所述系统的基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采样数据分别输入两个互相独立的AXI互联通道，PL模块对数据进行校验；
2)判断主通道校验是否错误：若错误则PL模块控制AXI互联通道切换备用通道数据接入主通道，否则PL模块控制AXI互联通道将两路数据分别传输给PS模块；
3)PS模块中的双核CPU的主CPU核和备用CPU核分别对两路采样数据进行组帧报文处理和独立的逻辑校验；
4)判断主通道校验是否错误：若错误则PS模块将备用通道报文数据通过主通道传递给主外部网口进行发送，备用通道数据复制数据并且通过备用通道传递给备用外部网口发送；否则两个通道分别将处理和校验过的报文数据传递给主外部网口和备用外部网口进行发送。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验方法，其特征在于，所述逻辑校验方法包括CRC校验、和校验、奇偶校验、格雷码校验或曼码校验。
7.根据权利要求5所述的基于FPGA的IED双通道数据传输和双逻辑校验方法，其特征在于，双通道对外发送的数据内容完全相同，PS模块为两个独立的外部网口发送的报文数据设置不同的源MAC地址进行区分。
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