CN112671598A

CN112671598A - 一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块

Info

Publication number: CN112671598A
Application number: CN202011387153.8A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 习伟; 姚浩; 李肖博; 于杨; 陶伟
Original assignee: Southern Power Grid Digital Grid Research Institute Co Ltd
Current assignee: Southern Power Grid Digital Grid Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: CN112671598B

Abstract

本申请提供了适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块。该系统包括：采样值数据IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、HSR环网通信IP核、光纤纵差通信IP核、时间管理IP核、定时器IP核和用于各个IP核通信的互联总线，通过采样值数据IP核获取采样值和组织SV报文，通过HSR环网通信IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、光纤纵差通信IP核实现通信，通过时间管理IP核实现对时功能，以及通过定时器IP核进行中断控制，实现芯片算法硬件模块的IP核的高度集成，缩减了单芯片的面积，根据不同的环节和数据类型配置对应的IP核进行处理，进一步提高了数据处理的准确性和效率。

Description

一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块

技术领域

本申请涉及电气技术领域，特别是涉及一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块。

背景技术

电力系统的各个元件上均需设置继电保护装置，当电力系统内指定区域发生故障时，继电保护装置能在极短的时间内断开故障设备，保障其余部分的正常运行，避免大面积停电事故发生。继电保护装置通过微机系统进行数据采集、通信以及故障判断确定故障元件，并从电力系统中切除。随着继电保护装置功能的扩展，对微机系统特别是其中的芯片的性能有要求也日益提升。

目前的技术中，继电保护装置的各项算法功能通过不同的芯片实现，数据采集和故障判断的准确性低。

发明内容

基于此，有必要针对目前技术中存在的继电保护装置的数据采集和故障判断的准确性低的技术问题，提供一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块。

一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，包括：采样值数据IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、HSR环网通信IP核、光纤纵差通信IP核、时间管理IP核、定时器IP核和用于各个IP核通信的互联总线；其中：

所述采样值数据IP核，用于从智能设备获取采样值和组织SV报文，发送给对应的所述HSR环网通信IP核；

所述HSR环网通信IP核，用于接收HSR环网上的所述采样值转化为HSR内部采样值报文，发送给所述CPU模块，实现智能设备和CPU模块之间的HSR内部采样值报文通信；

所述MMS/GOOSE报文通信IP核，用于接收和发送MMS/GOOSE报文，实现智能设备和CPU模块之间的MMS/GOOSE报文通信；

所述光纤纵差通信IP核，用于接收和发送光纤纵差通信报文，实现智能设备和CPU模块之间的光纤纵差通信报文通信；

所述时间管理IP核，用于实现所述系统与外部IRIG-B码对时功能；

所述定时器IP核，用于进行定时，以及触发产生中断请求，发送给所述CPU模块。

在其中一个实施例中，所述采样值数据IP核，包括：ADC采样模块、SV接收模块、采样值报文组织模块和采样值报文发送模块；

所述ADC采样模块，用于从本地ADC芯片获取ADC采样值，格式化处理后发送给所述采样值报文发送模块；

所述SV接收模块，用于从以太网获取以太网采样值，过滤处理后发送给所述采样值报文发送模块；

所述采样值报文组织模块，用于定期获取按照预设处理方式处理的所述ADC采样值和以太网采样值，处理为总线采样值后发送给所述采样值报文发送模块；

所述采样值报文发送模块，用于将所述ADC采样值、以太网采样值和总线采样值发送给对应的所述HSR环网通信IP核。

在其中一个实施例中，所述HSR环网通信IP核，包括HSR环网管理接口、HSR报文接收模块和HSR报文发送模块，其中：

所述HSR环网管理接口，用于管理所述HSR环网通信模块，实现环内节点报文通信，以及节点维护管理；

所述HSR报文接收模块，用于接收所述ADC采样值、以太网采样值和总线采样值，同步处理后转化为所述HSR内部采样值报文，发送给所述HSR报文发送模块；

所述HSR报文发送模块，用于将HSR内部采样值报文发送给所述CPU模块。

在其中一个实施例中，所述MMS/GOOSE报文通信IP核，包括以太网报文接收模块和以太网报文发送模块，其中：

所述以太网报文接收模块，用于从以太网接口接收MMS/GOOSE报文，解析处理后发送给所述CPU模块；

所述以太网报文发送模块，用于从所述CPU模块获取处理后所述MMS/GOOSE报文，发送至所述以太网接口。

在其中一个实施例中，所述MMS/GOOSE报文通信IP核，进一步用于：将所述MMS/GOOSE报文的源MAC地址转换为每个端口预先设定的MAC地址。

在其中一个实施例中，所述光纤纵差通信IP核，进一步用于与光纤接口连接，为光纤纵差通信提供物理链路；通过光纤纵差通信报文收发控制模块接收和发送光纤纵差通信报文，以及通过时标功能实现光纤纵差通信同步。

在其中一个实施例中，所述时间管理IP核，进一步用于：跟踪外部IRIG-B码的频率，若外部对时信号正常，将所述IRIG-B码对视时间保存在对应的对时寄存器；若所述外部对时信号异常，将所述对时寄存器清零处理。

在其中一个实施例中，所述时间管理IP核，进一步用于：按照预设频率刷新所述对时时间，同步产生预设宽度的秒脉冲信号；所述秒脉冲信号的下降沿对应整秒时刻。

在其中一个实施例中，所述定时器IP核，进一步用于：若定时器溢出，向所述CPU模块发出中断请求。

在其中一个实施例中，所述硬件模块还包括：高速总线接口和低速总线接口；所述算法系统通过所述高速总线接口，对所述CPU模块进行读写操作，以及通过所述低速总线接口，接收所述CPU模块的寄存器配置指令。

上述适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，包括，采样值数据IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、HSR环网通信IP核、光纤纵差通信IP核、时间管理IP核、定时器IP核和用于各个IP核通信的互联总线，通过采样值数据IP核获取采样值和组织SV报文，通过HSR环网通信IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、光纤纵差通信IP核实现通信，通过时间管理IP核实现对时功能，以及通过定时器IP核进行中断控制，实现芯片算法硬件模块的IP核的高度集成，缩减了单芯片的面积，根据不同的环节和数据类型配置对应的IP核进行处理，进一步提高了数据处理的准确性和效率。

附图说明

图1为一个实施例中适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块的硬件架构图；

图2为另一个实施例中适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块的硬件架构图；

图3为另一个实施例中适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块的硬件架构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，可以应用于继电保护装置的SoC芯片中，如图1所示，其中，算法系统可以通过外部接口，获取电力网络智能设备的采样值和通信信息，其中，外部接口可以是百兆以太网接口、千兆以太网接口和光纤接口。算法系统也可以与SoC芯片的CPU模块连接，进行数据通信。其中，SoC(Systemon Chip，系统级芯片)，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。IP核(Intellectual Property，知识产权)可以是一种预先设计并经验证可重复使用的集成电路模块。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，包括：采样值数据IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、HSR环网通信IP核、光纤纵差通信IP核、时间管理IP核、定时器IP核和用于各个IP核通信的互联总线。其中，采样值数据IP核可以通过百兆以太网口获取电力网络智能设备的采样值，例如模拟量电压电流，并组织SV报文，发送给对应设备。HSR环网通信IP核可以与千兆以太网接口相连，负责电力网络中同一间隔的过程层和间隔层智能设备间的报文收发和过滤。MMS/GOOSE报文通信IP核可以与百兆以太网口相连，用于过程层间、间隔层间、过程层和间隔层间智能设备的通信。光纤纵差通信IP核可以与光纤接口相连，负责过程层和间隔层间智能设备的时钟同步和缓存控制，为智能设备以及智能设备之间的提供物理链路。定时器IP核，用于进行定时以及触发产生中断请求，发送给CPU模块。时间管理IP核，可以用于实现系统与外部IRIG-B码对时功能。

其中，SV(Sampled Value，采样值)报文在网络上传输时采用的是OSI模型。GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)是一种面向通用对象的变电站事件，主要用于实现在多IED(Intelligent Electronic Device，智能设备)之间的信息传递，包括传输跳合闸信号(命令)，具有高传输成功概率。MMS(Microsoft Media Server Protocol，微软媒体服务器协议)，用来访问并流式接收Windows Media服务器中.asf文件的一种协议。MMS协议用于访问Windows Media发布点上的单播内容。HSR(Hierarchical StateRouting，分层状态路由)协议是一种层次化的链路状态路由协议，它基于组移动模型将网络中的节点划分为不同的组，每个组形成一个逻辑子网。电力网络的过程层可以包括智能终端以及电子互感器、开关等，间隔层可以包括继电保护装置等。IRIG(Inter RangeInstrumentation Group)是美国靶场司令委员会的下属机构，IRIG-B(DC)码的接口通常采用TTL接口和RS422(V.11)接口。IRIG-B(AC)码的接口采用平衡接口。IRIG-B(DC)码的同步精度可达几十纳秒量级。

上述实施例的适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，实现了SoC芯片算法系统的IP核的高度集成，缩减了单芯片的面积，根据不同的环节和数据类型配置对应的IP核进行处理，使继电保护SoC芯片能够对数据高效率并行处理和高性能的计算，进一步提高了数据处理的准确性和效率。

在一个实施例中，采样值数据IP核可以具有同步功能，支持序号同步和时间同步机制，通过线性插值算法把多个通道的采样值进行同步，可实现多通道采样值相位一致的功能。采样值数据IP核可以包括ADC采样模块、SV接收模块、采样值报文组织模块和采样值报文发送模块。其中：

ADC采样模块可以用于从本地ADC芯片获取电力网络智能设备的ADC采样值，格式化处理后发送给采样值报文发送模块，格式化处理可以是把采样值进行一次线性插值处理，也可以直接将原始数据发送给采样值报文发送模块。ADC采样模块可接入2组模拟量，每组模拟量含24路模拟量通道，ADC采样数据可以进行有符号数扩展为32位有符号数，不进行系数变换，再按照分组采用多间隔采样值报文格式通过采样值报文发送模块进行传输。其中，ADC为模数转换器即A/D转换器，可以用于把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。

SV接收模块可以从以太网接口获取以太网采样值，过滤处理后发送给采样值报文发送模块。SV接收模块支持IEC61850-9-2采样值报文单网或双网接入方式，用于点对点或组网方式下接收上送的IEC61850-9-2采样值报文，并根据配置对报文进行过滤和采样值处理。

采样值报文组织模块可以定期获取按照预设处理方式处理的ADC采样值和以太网采样值，处理为总线采样值后发送给采样值报文发送模块。其中，预设的处理方式可以是经过差值或者或序号同步处理后的ADC采样值和以太网采样值，采样值报文组织模块可以将这些采样值与其它状态信息按照要求组合成总线内部采样值报文通过采样值报文发送模块进行传输。

采样值报文发送模块可以将ADC采样值、以太网采样值和总线采样值，组织为以太网IEC61850-9-2采样值报文送给对应的HSR环网通信IP核。

上述实施例的方案，通过采样值数据IP核实现采样值数据的前置处理，有利于在IP核内进行采样值数据处理算法的优化和计算资源配置，提高数据处理性能和处理效率。

在一个实施例中，HSR环网通信IP核可以用于实现IEC62439-3-2012协议中定义的环网拓扑结构，双端连接节点将上层处理单元报文(C-Frame)添加HSR标签后形成两份重复报文分别从两个端口发送出去(A-frame和B-frame)，接收节点将率先接收到的报文剔除HSR标签后再传送给上层处理单元，后接收到的重复报文直接丢弃，且在此过程中接收节点还需要承担端口转发工作，将A端口收到的非重复报文从B端口转发出去，B端口收到的非重复报文从A端口转发出去，如果在同一端口收到重复报文则直接将报文丢弃。HSR环网通信IP核可以包括HSR环网管理接口、HSR报文接收模块和HSR报文发送模块。

HSR环网管理接口可以用于管理HSR环网通信模块，实现环内节点报文通信，以及节点维护管理。还可以进行其他管理，例如网络对时、SV报文延时可测、环内节点的老化和更新处理等，在一些情况下，HSR环网管理接口可支持最多64个节点。

HSR报文接收模块可以用于接收ADC采样值、以太网采样值和总线采样值，同步处理后转化为HSR内部采样值报文，发送给HSR报文发送模块。HSR报文接收模块对数据的处理可以包括根据配置对报文进行过滤和采样值同步处理。HSR报文发送模块可以用于将HSR内部采样值报文通过环网以及互联总线发送给CPU模块，实现数据通信。

上述实施例的方案，通过HSR环网通信IP核实现环网节点之间报文接收、处理和传输，并实现对时和节点管理，有利于提高数据处理性能和数据传输的可靠性。

在一个实施例中，MMS/GOOSE报文通信IP核可以用于接收和发送MMS/GOOSE报文，实现智能设备和CPU模块之间的MMS/GOOSE报文通信。其中，MMS/GOOSE报文通信IP核可以对MMS报文具备杂散接收、广播抑制、组播抑制、单播接收等工作模式，实现MMS报文接收的风暴处理功能；对GOOSE报文处理具备GOOSE风暴抑制、流量抑制、GOOSE订阅接收等功能。MMS/GOOSE报文通信IP核可以包括以太网报文接收模块和以太网报文发送模块。

以太网报文接收模块可以用于从以太网接口接收MMS/GOOSE报文，解析处理后发送给CPU模块。其中，解析处理可以包括报文解析和流量抑制处理等处理过程，CPU模块可以根据数据处理需求对该数据进行后续处理后，发回给以太网报文发送模块。

以太网报文发送模块可以用于从CPU模块获取处理后MMS/GOOSE报文，发送至以太网接口。在报文转发的过程中，MMS/GOOSE报文通信IP核可以将MMS/GOOSE报文的源MAC地址转换为每个端口预先设定的MAC地址字段。

上述实施例的方案，通过MMS/GOOSE报文通信IP核实现报MMS/GOOSE报文通信，有利于及时进行算法优化和功能所需资源配置，提高数据处理性能和效率。

在一个实施例中，光纤纵差通信IP核可以用于与光纤接口连接，为光纤纵差通信提供物理链路，以及通过光纤纵差通信报文收发控制模块接收和发送光纤纵差通信报文，并通过时标功能实现光纤纵差通信同步。光纤纵差通信IP核可以用目前电力应用中的HDLC、1B4B、CMI编码等格式输出，支持2048kbps、4096kbps等波特率。光纤纵差通信IP核可以在收发报文的同时，通过时标功能，实现本、对侧光线纵差通信同步。光纤纵差通信IP核所打的时标，与时间管理IP核的秒计数器同步。其中，HDLC(High-Level Data LinkControl，高级数据链路控制)，是链路层协议的一项国际标准，用以实现远程用户间资源共享以及信息交互。CMI(Coded Mark Inversion)码是传号反转码的简称，是一种双极性二电平码。光纤纵差保护，可以用于35KV及以上线路，通过通信光缆，将对端的电流、功率的方向传过来，将两端的采样值进行对比，以确定所发生的故障是在线路内侧还是外侧，从而保护线路的全长。

上述实施例的方案，通过光纤纵差通信IP核实现光纤纵差通信，有利于按照需求确定对应的通信模式，同时实现数据同步功能，有利于提高数据传输的效率和可靠性。

在一个实施例中，时间管理IP核可以进一步用于按照预设频率刷新对时时间，同步产生预设宽度的秒脉冲信号；该秒脉冲信号的下降沿可以对应整秒时刻。其中，时间管理IP核可以用于实现外部IRIG-B码对时功能，支持正相B码、反相B码输入。SoC芯片的算法系统的采用值同步机制支持组网序号同步机制、组网光纤纵差同步机制、直连插值同步机制和延时可测同步机制。IRIG-B时间管理IP核可以有两个对时寄存器，以及一个纳秒计数器，纳秒计数器的计数周期可以为1秒。时间管理IP核可以解析外部IRIG-B码输入并进行频率跟踪，外部对时信号正常时，可以将IRIG-B对时时间保存在对应的对时寄存器中，IRIG-B对时信息可以每秒刷新一次(整秒时刻)，同时产生脉冲宽度125ms的秒脉冲信号，且脉冲信号的下降沿对应整秒时刻。外部对时信号异常时时间管理IP核可以根据之前学习的样本进行守时状态，对时寄存器清0处理，但会定期产生脉冲宽度125ms的秒脉冲信号，且秒脉冲信号的下降沿对应整秒时刻。CPU模块可以在检测到秒脉冲信号下降沿时读取对时寄存器信息。

上述实施例的方案，通过时间管理IP核实现对时功能，有利于提高数据传输的效率和可靠性。

在一个实施例中，定时器IP核可以用于当定时器溢出时，向CPU模块发出中断请求。算法系统可以通过定时器IP核的中断信号与CPU模块进行通信。通用定时器IP核可以支持4个定时器，定时器可以支持中断请求自动重载功能，用于实现定时触发功能，产生中断请求。定时器IP核的时钟可以是内部时钟或外部时钟。

上述实施例的方案，通过定时器IP核，进行定时，以及通过中断实现与CPU端通信，有利于提高数据传输的效率和可靠性。

在一个实施例中，上述硬件模块还可以包括高速总线接口和低速总线接口，电力专用算法硬件模块可以通过高速总线接口，对CPU模块进行读写操作，以及通过低速总线接口，接收CPU模块的寄存器配置指令。其中，低速总线接口的工作模式可以为从模式，由CPU模块做主控制端，可以用于CPU模块配置电力专用算法系统的内部寄存器，以及进行小数据搬移。高速总线接口的工作模式可以为主模式，由电力专用算法系统做主控制端，可实现直接对CPU模块的DDR的读写操作，主要用于大数据搬移，比如采样值报文、GOOSE、MMS报文等。DDR(Double Data Rate，双倍速率同步动态随机存储器)，是一个时钟周期内传输两次数据，它能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据。

上述实施例的方案，通过配置的高速总线接口和低速总线接口实现算法硬件模块与CPU模块的通信和数据传输，提高芯片资源配置的效率。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，包括：采样值数据IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、HSR环网通信IP核、光纤纵差通信IP核、时间管理IP核、定时器IP核和用于各个IP核通信的互联总线，以及用于算法系统与CPU进行通信的高速总线接口和低速总线接口。其中，采样值数据IP核包括ADC采样模块、SV接收模块、采样值报文组织模块和采样值报文发送模块；HSR环网通信IP核，包括HSR环网管理接口、HSR报文接收模块和HSR报文发送模块；MMS/GOOSE报文通信IP核，包括以太网报文接收模块和以太网报文发送模块；光纤纵差通信IP核，包括光纤纵差通信报文收发控制模块。其中，采样值数据IP核和MMS/GOOSE报文通信IP核可以通过百兆以太网接口与电力网络智能设备连接，HSR环网通信IP核可以通过千兆以太网接口与电力网络智能设备连接，光纤纵差通信IP核可以通过光纤接口与电力网络智能设备连接。

上述实施例的适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，实现了SoC芯片算法系统的IP核的高度集成，缩减了单芯片的面积，使得SoC芯片具有体积更小、可靠性更高、功耗更低、速度更快、成本更低、保密性更强的优点；根据不同的环节和数据类型配置对应的网络接口和IP核进行处理，使SoC芯片能够对数据高效率并行处理和高性能的计算，进一步提高了数据处理的准确性和效率。另外，通过多个网络接口获取多种类型的数据，由对应的IP核处理和传输，提高了SoC芯片的兼容性，使得芯片能够应用于更多的场景，兼容更多的硬件设备与通信协议。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种适用于电力系统控制保护装置的电力专用算法硬件模块，其特征在于，包括：采样值数据IP核、MMS/GOOSE报文通信IP核、HSR环网通信IP核、光纤纵差通信IP核、时间管理IP核、定时器IP核和用于各个IP核通信的互联总线；其中：

2.根据权利要求1所述的硬件模块，其特征在于，所述采样值数据IP核，包括：ADC采样模块、SV接收模块、采样值报文组织模块和采样值报文发送模块；

3.根据权利要求2所述的硬件模块，其特征在于，所述HSR环网通信IP核，包括HSR环网管理接口、HSR报文接收模块和HSR报文发送模块，其中：

4.根据权利要求1所述的硬件模块，其特征在于，所述MMS/GOOSE报文通信IP核，包括以太网报文接收模块和以太网报文发送模块，其中：

5.根据权利要求4所述的硬件模块，其特征在于，所述MMS/GOOSE报文通信IP核，进一步用于：将所述MMS/GOOSE报文的源MAC地址转换为每个端口预先设定的MAC地址。

6.根据权利要求1所述的硬件模块，其特征在于，所述光纤纵差通信IP核，进一步用于与光纤接口连接，为光纤纵差通信提供物理链路；通过光纤纵差通信报文收发控制模块接收和发送光纤纵差通信报文，以及通过时标功能实现光纤纵差通信同步。

7.根据权利要求1所述的硬件模块，其特征在于，所述时间管理IP核，进一步用于：跟踪外部IRIG-B码的频率，若外部对时信号正常，将所述IRIG-B码对视时间保存在对应的对时寄存器；若所述外部对时信号异常，将所述对时寄存器清零处理。

8.根据权利要求7所述的硬件模块，其特征在于，所述时间管理IP核，进一步用于：按照预设频率刷新所述对时时间，同步产生预设宽度的秒脉冲信号；所述秒脉冲信号的下降沿对应整秒时刻。

9.根据权利要求1所述的硬件模块，其特征在于，所述定时器IP核，进一步用于：若定时器溢出，向所述CPU模块发出中断请求。

10.根据权利要求1所述的硬件模块，其特征在于，所述硬件模块还包括：高速总线接口和低速总线接口；所述算法系统通过所述高速总线接口，对所述CPU模块进行读写操作，以及通过所述低速总线接口，接收所述CPU模块的寄存器配置指令。