CN106533975B - 一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，包括先通过设备的采样值帧数据输入接口获取网络上的多路采样值帧报文，再按照多路采样值帧配置内容，分别对采样值帧数据内容进行解析，并根据配置匹配采样通道解析出各自对应的采样通道值数据，在采样值帧数据完整时将相应的采样数据存储到缓存区中，再通过异步总线输出至CPU进行进一步数据处理。本发明可用于智能变电站内，为目前基于采样值组网传输的海量采样值帧快速匹配和报文数据快速预解析处理提供了一种有效的解决方案，可有效降低设备CPU的数据处理带宽要求和数据处理量，提高设备运行的稳定性。

Description

一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，属于电力系统智能变电站技术领域。

背景技术

根据IEC 61850变电站通信网络和系统标准的描述和要求，智能变电站综合自动化系统的设备根据其功能按过程层、间隔层、站控层三层分层布置。从长远看，变电站网络结构将分三个阶段逐步改进，即点对点模式、过程层总线模式、过程总线和站控层总线合并即“三网合一”方式。

当采用采样值点对点传输时，合并单元的输出与保护测控装置间通过光纤点对点直接相连。点对点传输时，采样值的传输路径为单路径的专用通道，可认为整个路径的传输延迟是固定的。因此，保护测控装置通过对各路数据的输入延迟进行补偿即可实现各路采样值输入之间的同步。优点是：数据传输网络简单、无资源竞争，路径上的传输延时固定；各合并单元、保护测控装置间不需要进行同步；工程应用方案成熟，稳定性和可靠性高。缺点是：保护测控装置、合并单元需要的采样接口数量较多，装置硬件设计较复杂。系统扩建时，合并单元接口数量或链路配置改动升级较复杂，建设成本较高，降低了运行维护的工作效率。

从技术角度看，采样值组网传输是比较理想化的数据传输方案，技术先进、数据全站共享，而且系统整体结构简单，扩展方便。与点对点传输方案对比，其合并单元、保护测控装置等设备均通过网络交换机连接，采样值先接入过程层交换机，然后通过交换机转发到各个保护测控装置等二次设备中去。优点是：网络相对简单，数据资源能方便的共享，系统可扩展性强；保护测控装置、合并单元等设备接口数量较少，配置方便灵活, 接口易于标准化。系统扩建时，新设备接入方便。缺点是：合并单元、保护测控装置等设备必需要同步；采用全局同步时，合并单元总是在同一时刻向交换机发出大量数据，交换机的瞬时流量巨大，可能对交换机的可靠性和稳定性产生不利的影响。

另外，依据IEC 61850标准，由于单路采样值数据报文流量巨大，一般为2-3M字节/秒，在交换机接入的一次设备采样值输出设备间隔较多时，在交换机端口上的瞬时数据流量巨大，易导致数据转发排队而产生较大的交换机转发时延，且转发时延长短受端口流量的随机变化影响。在变电站规模较大时，传统的百兆交换机组成的网络已无法满足现有的工厂应用的需要。因此，考虑采用基于千兆网的交换网络，实现站内所有采样值数据帧的网络化传输，同时网络上还可以实现站控层数据、GOOSE数据以及其他数据的共网传输。

交换网络和数据吞吐量的升级，就对继电保护二次设备的数据接收和处理能力提出了更高的要求。以最大接入16路采样值帧计算，二次设备需要处理约32M字节/秒的数据流量，这将占据主CPU绝大部分的处理资源或者超出一般主CPU的处理能力，严重影响二次设备的性能。因此，必须采用硬件采样值解码的方法，直接从采样值帧中抽取需要的数据，以降低数据传输带宽要求和主CPU的数据处理量，优化二次设备的系统性能，提高设备运行的稳定性和可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，以满足智能变电站中二次设备针对多间隔、海量SV采样值基于千兆交换机组网传输的二次设备数据接收处理的需要。

为实现上述发明目的，本发明是采取以下的技术方案实现：

一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，包括以下步骤：

1）二次设备通过挂接在采样值组网传输的千兆以太网网络上的高速以太网接口，接收千兆以太网网络上传输的海量的来自多个一次设备间隔的电压、电流量采样值帧数据报文；

2）将接收到的多个采样值帧，分别与二次设备的多个采样值帧接收配置进行匹配判别，并对正确匹配的采样值帧进行解析，抽取相应的采样值通道数据，并将其存储到对应的采样数据缓存区中；

3）通过异步总线与CPU处理器进行接口，在需要时将多路采样数据缓存区中的采样值帧数据输出至CPU中进行电量数据的下一步处理。

前述的步骤1）中，所述每个采样值帧数据报文的流量为3M字节/秒。

前述的步骤2），首先在二次设备中配置若干帧解码块，帧解码块匹配判别并解析采样值帧数据，具体过程如下：

（2-1）将接收到的采样值帧的目的地址，与采样值帧接收配置中的多播地址信息进行匹配，决定当前接收的采样值帧是否属于本数据帧配置，如果采样值帧目的地址无匹配项，表明二次设备不需要该帧数据信息，则立即丢弃该采样值帧，不作处理；

（2-2）当多播地址匹配时，按照IEC 61850-9-2标准规约采样值帧结构，对采样值帧头部结构内容进行ASN.1规则解码，获取头部结构的SVID采样值标识数据；

（2-3）将ASN.1解码后获得的SVID采样值标识数据，逐字节与采样值帧接收配置中的采样值标识信息进行匹配，判别当前接收的采样值帧是否属于本数据帧配置，如果SVID采样值标识数据不匹配，表明二次设备不需要该帧数据信息，则立即丢弃该采样值帧，不作处理；

（2-4）当步骤（2-3）的判别全部成功时，根据采样值帧接收配置的通道索引序号抽取采样值帧中对应序号的采样值帧数据；

（2-5）每当通道索引序号匹配抽取到相应的采样值帧时，则按顺序将采样值帧数据内容，填写到采样数据缓存区中，当通道索引序号为零时，表示匹配完成，则将采样数据缓存区后面所有未使用的数据项全部置0；当通道索引序号大于采样值帧的数据通道号时，表明报文不匹配，则立即丢弃该采样值帧，并将采样数据缓存区全部清零；

（2-6）对采样值帧数据的完整性进行判别，判断其是否符合IEC 61850-9-2规约标准的数据结构和内容要求，如不符合要求，则认为采样值帧数据错误，则丢弃该采样值帧，并将采样数据缓存区全部清零；如果符合要求，则在采样值帧数据判别解析正确时将采样值帧数据采样数据缓存区中。

前述的帧解码块可根据接收采样值帧数据配置项数量自动扩展。

前述的多个采样值帧数据的匹配判别、解析过程并行处理，且各个采样值帧数据的处理方式一致。

前述的采样数据缓存区基于标准先进先出队列FIFO构建，可缓存多次采样值帧，在采样值帧数据匹配判别解析正确时写入采样值帧数据。

前述的步骤（2-4）中，建立一个采样值计数器，根据通道索引序号匹配待抽样的采样值帧内容，IEC 61850-9-2标准中每个采样值占8个字节，则每8个字节计数一次;每完成一次匹配，读取下个待匹配的通道索引序号，通道索引序号从小到大排列。

本发明的有益效果是：本发明可用于智能变电站内，实现海量采样值帧组网传输的快速接收处理，为目前智能变电站基于采样值组网传输的海量采样值帧快速匹配和报文数据快速预解析处理提供了一种便捷有效的解决方案。

附图说明

图1为基于千兆网络的采样值帧硬件解码实现方法的简要流程图。

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。

本发明针对电力系统在智能变电站中多间隔、海量SV采样值基于千兆交换机组网传输的二次设备数据接收处理问题，提出了一种可有效降低设备CPU的数据处理带宽要求和数据处理量的海量采样值帧快速匹配和报文快速预解析处理技术。

图1是本发明基于千兆网络的采样值帧硬件解码实现方法的简要流程图。

首先，二次设备通过挂接在采样值组网传输的千兆以太网网络上的高速以太网接口，接收千兆以太网网络上传输的海量的来自多个一次设备间隔的电压、电流量采样值帧数据报文，每个采样值帧的报文流量一般为3M字节/秒。

然后将接收到的多个采样值帧，分别与设备的多个采样值帧接收配置进行匹配判别，对正确匹配的采样值帧进行解析，抽取相应的采样值通道数据，将其存储到对应的采样数据缓存区中。具体过程如下：

二次设备中配置规模可根据接收采样值帧数据配置项数量自动扩展的帧解码块，使多个采样值帧数据匹配、解析流程并行处理，且各个采样值帧数据的处理方式一致，采样值帧数据配置为单独的一项配置内容，包含所需接收采样值报文帧的所有特征信息。

帧解码块处理采样值帧数据，具体过程如下：

（1）将接收到的源数据采样值帧的目的地址，与采样值帧接收配置中的多播地址信息进行匹配，决定当前接收的采样值帧是否属于本数据帧配置。如果源数据采样值帧目的地址无匹配项，表明设备不需要该帧数据信息，则立即丢弃该采样值帧，不作处理。

（2）当多播地址匹配时，按照IEC 61850-9-2标准规约帧结构，对采样值帧头部结构内容进行ASN.1规则解码，获取头部结构的SVID采样值标识数据。

（3）将ASN.1解码后获得的SVID采样值标识数据，逐字节与采样值帧接收配置中的采样值标识信息进行匹配，判别当前接收的采样值帧是否属于本数据帧配置。如果SVID采样值标识数据不匹配，表明设备不需要该帧数据信息，则立即丢弃该采样值帧，不作处理。

（4）当步骤（3）的判别全部成功时，根据采样值帧接收配置的通道索引序号抽取采样值报文中对应序号的采样值帧数据。建立一个采样值计数器，根据通道索引序号匹配待抽样的采样值帧内容。由于IEC 61850-9-2标准中每个采样值占8个字节，则每8个字节计数一次；每完成一次匹配，读取下个待匹配的通道索引序号，索引序号从小到大排列。

（5）每当通道索引序号匹配抽取到相应的采样值帧时，则按顺序将采样值帧数据内容，填写到采样数据缓存区中。当通道索引序号为零时，表示匹配完成，则将采样数据缓存区后面所有未使用的数据项全部置0。当通道索引序号大于源数据采样值帧的数据通道号时，表明报文不匹配，则立即丢弃该采样值帧，并将采样数据缓存区全部清零。

（6）对采样值帧数据的完整性进行判别，判断其是否符合IEC 61850-9-2规约标准的数据结构和内容要求。如不符合要求，则认为采样值帧数据错误，则丢弃该采样值帧，并将采样数据缓存区全部清零。如果符合要求，则在采样值帧数据判别解析正确时将采样值帧数据写入基于标准先进先出队列构建的采样数据缓存区中。

最后，通过异步总线与CPU处理器进行接口，在需要时将多路采样数据缓存区中的采样值帧数据输出至CPU中进行电量数据的下一步处理。

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本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)二次设备通过挂接在采样值组网传输的千兆以太网网络上的高速以太网接口，接收千兆以太网网络上传输的海量的来自多个一次设备间隔的电压、电流量采样值帧数据报文；

2)将接收到的多个采样值帧，分别与二次设备的多个采样值帧接收配置进行匹配判别，并对正确匹配的采样值帧进行解析，抽取相应的采样值通道数据，并将其存储到对应的采样数据缓存区中；

首先在二次设备中配置若干帧解码块，帧解码块匹配判别并解析采样值帧数据，具体过程如下：

(2-1)将接收到的采样值帧的目的地址，与采样值帧接收配置中的多播地址信息进行匹配，决定当前接收的采样值帧是否属于本数据帧配置，如果采样值帧目的地址无匹配项，表明二次设备不需要该帧数据信息，则立即丢弃该采样值帧，不作处理；

(2-2)当多播地址匹配时，按照IEC 61850-9-2标准规约采样值帧结构，对采样值帧头部结构内容进行ASN.1规则解码，获取头部结构的SVID采样值标识数据；

(2-3)将ASN.1解码后获得的SVID采样值标识数据，逐字节与采样值帧接收配置中的采样值标识信息进行匹配，判别当前接收的采样值帧是否属于本数据帧配置，如果SVID采样值标识数据不匹配，表明二次设备不需要该帧数据信息，则立即丢弃该采样值帧，不作处理；

(2-4)当步骤(2-3)的判别全部成功时，根据采样值帧接收配置的通道索引序号抽取采样值帧中对应序号的采样值帧数据；

(2-5)每当通道索引序号匹配抽取到相应的采样值帧时，则按顺序将采样值帧数据内容，填写到采样数据缓存区中，当通道索引序号为零时，表示匹配完成，则将采样数据缓存区后面所有未使用的数据项全部置0；当通道索引序号大于采样值帧的数据通道号时，表明报文不匹配，则立即丢弃该采样值帧，并将采样数据缓存区全部清零；

(2-6)对采样值帧数据的完整性进行判别，判断其是否符合IEC 61850-9-2规约标准的数据结构和内容要求，如不符合要求，则认为采样值帧数据错误，则丢弃该采样值帧，并将采样数据缓存区全部清零；如果符合要求，则在采样值帧数据判别解析正确时将采样值帧数据写入采样数据缓存区中。

3)通过异步总线与CPU处理器进行接口，在需要时将多路采样数据缓存区中的采样值帧数据输出至CPU中进行电量数据的下一步处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述每个采样值帧数据报文的流量为3M字节/秒。

3.根据权利要求1所述的一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，其特征在于：所述帧解码块可根据接收采样值帧数据配置项数量自动扩展。

4.根据权利要求1所述的一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，其特征在于：所述多个采样值帧数据的匹配判别、解析过程并行处理，且各个采样值帧数据的处理方式一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，其特征在于：所述采样数据缓存区基于标准先进先出队列FIFO构建，可缓存多次采样值帧，在采样值帧数据匹配判别解析正确时写入采样值帧数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于千兆网络的采样值帧解码实现方法，其特征在于：所述步骤(2-4)中，建立一个采样值计数器，根据通道索引序号匹配待抽样的采样值帧内容，IEC61850-9-2标准中每个采样值占8个字节，则每8个字节计数一次；每完成一次匹配，读取下个待匹配的通道索引序号，通道索引序号从小到大排列。