CN116318400A - 一种电力二次设备通信接口重构方法及系统 - Google Patents

一种电力二次设备通信接口重构方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力二次设备通信接口重构方法及系统，包括根据实际应用需求，选择与所需通讯接口对应的bit流配置文件，将选择的bit流配置文件配置加载到FPGA中运行，完成所需通讯接口的重构；bit流配置文件由FPGA内部的与通讯接口相关的功能部分定义得到；通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口；同时采用100M光以太网、FT3两种通信接口形式在硬件上进行兼容性设计，并利用CPU芯片从外部FLASH芯片中为FPGA加载相应的配置文件，实现对这两种通信功能的重构，以适应电力二次设备对不同应用场景的需求。

Description

一种电力二次设备通信接口重构方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种电力二次设备通信接口重构方法及系统。
背景技术
目前，智能变电站过程层网络通信应用中，合并单元、智能终端装置与电力二次设备(如继电保护装置)之间数据通信存在100M光以太网、FT3两种通信接口形式，分别遵循IEC61850-9-2、IEC61850-8-1和IEC60044-8三种规范。目前在合并单元/智能终端和电力二次设备的软、硬件设计时将这两种通信接口功能全部实现，即在CPU板卡上按最大化资源设计同时支持遵循IEC61850-9-2、IEC61850-8-1和IEC60044-8规范对这两种通信接口数据的处理，同时根据不同的应用场景在硬件上选择配置100M光以太网板卡还是FT3通信接口板卡。这种工程应用模式支持连接的最大设备数量是确定的，不能灵活配置；电力二次设备的总线背板也需做定制化设计，100M光以太网板卡、FT3通信接口板卡与CPU板卡的总线数据接口也不一致，不能灵活配置。因此，智能变电站二次设备适应性不强，设备的生产和维护成本较高。
FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA芯片通常根据逻辑资源大小分成若干型号，一般情况下逻辑资源越大，价格越高。在继电保护装置等电力二次设备中，FPGA常用于通信接口的扩展，如100M以太网、FT3等，FPGA芯片选型需要综合考虑资源、成本因素，在逻辑资源受限的条件下如何适应智能变电站各种通信接口配置要求是必需面对的现实问题。
当前，继电保护装置等电力二次设备的主控系统一般为“CPU+FPGA”架构，FPGA在其中承担的功能主要包括：
(1)扩展通用接口(如100M以太网、UART串口、CAN、IIC等)；
(2)扩展继电保护专用数据接口(如FT3、HDLC等)；
(3)扩展其他的CPU系统，实现分布式实时数据总线；
(4)网络风暴抑制。
在FPGA的开发设计中，运行速度和资源消耗是2个有代表性的指标。运行速度，可以用数据吞吐率来衡量。但对于给定的某款FPGA，其资源数量是确定的，因此资源消耗优化，是指在保证性能(运行速度)的前提下，所用设计资源能够占到该款FPGA资源的80％左右，以充分发挥该款FPGA的最佳性能。在减少资源消耗的方法上，其核心思想是进行资源复用，也就是在不同功能的实现时使用FPGA内部同一部分资源来完成。
可重构技术是一种由软件通过对电路结构可变的硬件进行配置，从而完成不同功能之间的灵活切换的技术，具备此技术的系统称作可重构系统。可重构系统中硬件信息可以像软件程序一样被动态调用或修改。这样既保留了硬件计算的性能，又兼具软件的灵活性。可重构系统的优点在于能够根据不同的应用需要，改变自身的体系结构，以便与具体的应用需求相匹配。
电力业务接口重构是针对保护、测控等电力二次设备的通信接口，通过软件对电路结构可变的硬件FPGA进行配置，从而完成不同电力业务通信接口功能之间的灵活切换，是可重构技术在通信接口配置领域的一种应用。该技术可将多种通信接口或者应用虚拟为一个统一的接口或应用，通过软件配置满足不同的需求，具有灵活、高效的特点。
CN201910538450.9公开了一种共用接口通信重构装置及通信控制方法，其解决了现有技术中对外接口数量要求苛刻难以实现对多种不同通信接口的兼容使用需求，和控制器分别引出不同的通信接口导致重量较重、体积较大、价格较贵等问题，但其只描述了RJ45、1553B、RS422几种通讯接口的硬件兼容性设计，并无功能重构相关设计，所消耗的CPU及FPGA应用资源并未减少，反而要求同一设计中要同时满足这几种通讯接口功能。
发明内容
发明目的：为解决现有电力二次设备通信接口无法灵活适用智能变电站100M光以太网、FT3这两种通信的应用场景的问题，本发明提出了一种电力二次设备通信接口重构方法及系统。
技术方案：一种电力二次设备通信接口重构方法，包括：
根据实际应用需求，选择与所需通讯接口对应的bit流配置文件，将选择的bit流配置文件配置加载到FPGA中运行，完成所需通讯接口的重构；
所述bit流配置文件由FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义得到；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口。
进一步的，对于100M光纤以太网通信接口，与其相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；
对于FT3通信接口，与其相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
进一步的，所述的bit流配置文件由FPGA内部的与通讯接口相关的功能部分定义得到，具体包括：
步骤1：在FPGA开发工具中将静态逻辑模块、与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分，分别生成为独立的Static静态网表文件和2个Reconfiguration网表文件，提供给FPGA设计工具使用；
步骤2：建立FPGA设计工程，导入Static静态网表和约束文件；
步骤3：在FPGA设计工程中，导入Reconfiguration网表文件，并为与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分设置物理区域；
步骤4：创建Implementation Runs，完成Implementation布局布线，生成3个bit流配置文件，3个bit流配置文件包括：全局配置文件、与FT3通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件。
本发明公开了一种电力二次设备通信接口重构方法，包括：
将FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义成bit流配置文件，并将bit流配置文件存储在配置存储芯片中，当bit流配置文件被加载到FPGA中运行时，完成通信功能重构；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口。
进一步的，所述的将FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义成bit流配置文件，具体包括：
步骤1：在FPGA开发工具中将静态逻辑模块、与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分，分别生成为独立的Static静态网表文件和2个Reconfiguration网表文件，提供给FPGA设计工具使用；
步骤2：建立FPGA设计工程，导入Static静态网表和约束文件；
步骤3：在FPGA设计工程中，导入Reconfiguration网表文件，并为与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分设置物理区域；
步骤4：创建Implementation Runs，完成Implementation布局布线，生成3个bit流配置文件，3个bit流配置文件包括：全局配置文件、与FT3通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件。
进一步的，对于100M光纤以太网通信接口，与其相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；
对于FT3通信接口，与其相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
本发明公开了一种电力二次设备通信接口重构方法，包括：
获取与通讯接口对应的bit流配置文件，并运行该bit流配置文件，对通信接口的功能重构；
与通讯接口对应的bit流配置文件由FPGA内部的与通讯接口相关的功能部分定义得到；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口。
进一步的，与通讯接口对应的bit流配置文件，按照以下步骤得到：
步骤1：在FPGA开发工具中将静态逻辑模块、与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分，分别生成为独立的Static静态网表文件和2个Reconfiguration网表文件，提供给FPGA设计工具使用；
步骤2：建立FPGA设计工程，导入Static静态网表和约束文件；
步骤3：在FPGA设计工程中，导入Reconfiguration网表文件，并为与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分设置物理区域；
步骤4：创建Implementation Runs，完成Implementation布局布线，生成3个bit流配置文件，3个bit流配置文件包括：全局配置文件、与FT3通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件。
进一步的，与100M光以太网通讯接口相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；与FT3通讯接口相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
本发明公开了一种电力二次设备通信接口重构系统，包括：
CPU芯片，用于根据实际应用需求，从配置存储芯片中选择与所需通讯接口对应的bit流配置文件，将选择的bit流配置文件配置加载到FPGA中；
FPGA，用于运行与通讯接口对应的bit流配置文件，对通信接口的功能重构，实现数据通信；
配置存储芯片，用于存储与通讯接口对应的bit流配置文件；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口；
所述bit流配置文件由FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义得到；与100M光以太网通讯接口相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；与FT3通讯接口相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
进一步的，在FPGA中，采用FPGA的LVDS接口实现100M以太网通信接口，其中，TD+和TD-差分对作为100M以太网通信发送链路，RD+和RD-差分对作为100M以太网通信接收链路；
复用TD+作为FT3通信的发送引脚，复用RD+作为FT3通信的接收引脚。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明方法及系统能灵活适应智能变电站100M光以太网、FT3这两种通信的应用场景，有效降低所消耗的CPU及FPGA应用资源的实际使用率，使用中等规模的FPGA即可完全满足不同应用需求，有效降低了整个系统的功耗和设计复杂程度，提高了智能变电站系统的可靠性和灵活性；
(2)本发明系统的待重构的不同通信接口在电路上采用兼容性复用设计，无需额外增加硬件成本，简化了整装置的硬件设计和降低装置运行功耗，大大提高了装置运行的可靠性，降低了生产及现场运行维护成本，降低装置软硬件的生产和维护成本，提高智能变电站系统的经济性；
(3)本发明方法及系统实现了智能变电站电力二次设备上的数据通信所采用的100M光以太网、FT3两种通信接口形式在硬件架构上的统一设计，并在不同通信接口的实现时通过CPU芯片对FPGA内部的同一部分资源来进行功能重构控制，从外部存储FLASH中加载相应的FPGA配置程序，利用可重构逻辑芯片FPGA来完成对不同通信接口的功能重构，以适应电力二次设备的不同应用需求。
附图说明
图1为本发明的100M光纤以太网和FT3通讯接口功能重构系统实现方案图；
图2为本发明的FPGA内重构实现方案图；
图3为本发明的100M光纤以太网和FT3通讯接口硬件兼容实现方案图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种基于IEC61850-9-1的100M光纤以太网通讯和基于IEC60044-8的FT3通讯接口功重构具体实现方案，具体包括：
在FPGA内部，将多路100M光纤以太网通信功能部分和FT3通信功能部分分别定义成bit流配置文件，并存储在外部配置存储芯片(FLASH)中；
由CPU芯片中的软件根据实际应用需求通过地址总线、数据总线和控制总线从外部配置存储芯片(FLASH)中选择相应的bit流配置文件，并通过配置接口(配置控制、配置数据、配置监测)配置加载到FPGA中运行，实现不同通信接口的功能重构。
如图2所示，对于100M光以太网，通过重构在FPGA内部实现以太网MAC控制器和以太网PHY功能；对于FT3通讯，通过重构在FPGA内部实现FT3通讯控制器功能。CPU软件采用相应的通讯规范对通讯数据处理实现通信功能的实现。
现以XILINX公司的FPGA开发工具ISE和Planahead为例说明在FPGA内部实现重构的整个过程，其不局限于XILINX公司的FPGA实现。主要步骤包括：
步骤1：在FPGA开发工具ISE中把静态逻辑模块和各个重构模块，分别独立综合成静态网表文件，提供给Planahead使用；此步骤的静态逻辑模块包括但不限于公共时钟模块，各个重构模块为FT3通讯模块和100M光以太网通讯模块；具体的，将静态逻辑模块生成Static静态网表文件，将与FT3通讯接口相关的功能部分生成1个Reconfiguration网表文件，将与100M光以太网通讯接口相关的功能部分生成一个Reconfiguration网表文件；
步骤2：建立Planahead工程，导入Static静态网表文件和约束文件；
步骤3：在Planahead工程中，导入Reconfiguration网表文件，并设置Partition；
步骤4：给FT3通讯模块、100M光以太网通讯模块2个Partition，分别设置其物理区域。使用Set Pblock Size选项，在Device视图中，划定合适的物理区域。
步骤5：创建Implementation Runs，完成Implementation布局布线，生成多个bit流配置文件，包括：全局配置文件和多个局部配置文件，多个局部配置文件对应FT3通讯和100M光以太网通讯。
为实现同一硬件架构上的电力二次设备的两种通信接口(FT3通信接口和100M光纤以太网通信接口)的重构，在板件设计上，以太网光模块和FT3光模块均采用可插拔的SFP结构形式，通过更换不同光模块可巧妙实现电路重构。
同时，为实现同一硬件架构上的电力二次设备的两种通信接口(FT3通信接口和100M光纤以太网通信接口)的重构，需对这两种通讯接口在硬件上做兼容性设计，如图3所示，在电力二次设备中，100M以太网通信物理链路采用差分走线，采用FPGA的LVDS接口实现，发送链路为TD+和TD-差分对，接收链路为RD+和RD-差分对，发送和接收信号与以太网光模块的电信号连接，实现收发功能。FT3通信物理链路采用单端走线，使用和FT3光模块信号电平匹配的任意FPGA IO引脚即可。
为此，在电路设计中，本实施例中FT3收发单端信号和以太网的差分信号兼容设计，具体为：FT3发送信号TD复用以太网的TD+信号，FT3接收信号RD复用以太网的RD+信号。
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。
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 (11)

1.一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：包括：
根据实际应用需求，选择与所需通讯接口对应的bit流配置文件，将选择的bit流配置文件配置加载到FPGA中运行，完成所需通讯接口的重构；
所述bit流配置文件由FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义得到；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口。
2.根据权利要求1所述的一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：对于100M光纤以太网通信接口，与其相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；
对于FT3通信接口，与其相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
3.根据权利要求1所述的一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：所述的bit流配置文件由FPGA内部的与通讯接口相关的功能部分定义得到，具体包括：
步骤1：在FPGA开发工具中将静态逻辑模块、与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分，分别生成为独立的Static静态网表文件和2个Reconfiguration网表文件，提供给FPGA设计工具使用；
步骤2：建立FPGA设计工程，导入Static静态网表和约束文件；
步骤3：在FPGA设计工程中，导入Reconfiguration网表文件，并为与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分设置物理区域；
步骤4：创建Implementation Runs，完成Implementation布局布线，生成3个bit流配置文件，3个bit流配置文件包括：全局配置文件、与FT3通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件。
4.一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：包括：
将FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义成bit流配置文件，并将bit流配置文件存储在配置存储芯片中，当bit流配置文件被加载到FPGA中运行时，完成通信功能重构；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口。
5.根据权利要求4所述的一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：所述的将FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义成bit流配置文件，具体包括：
步骤1：在FPGA开发工具中将静态逻辑模块、与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分，分别生成为独立的Static静态网表文件和2个Reconfiguration网表文件，提供给FPGA设计工具使用；
步骤2：建立FPGA设计工程，导入Static静态网表和约束文件；
步骤3：在FPGA设计工程中，导入Reconfiguration网表文件，并为与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分设置物理区域；
步骤4：创建Implementation Runs，完成Implementation布局布线，生成3个bit流配置文件，3个bit流配置文件包括：全局配置文件、与FT3通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件。
6.根据权利要求5所述的一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：
对于100M光纤以太网通信接口，与其相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；
对于FT3通信接口，与其相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
7.一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：包括：
获取与通讯接口对应的bit流配置文件，并运行该bit流配置文件，对通信接口的功能重构；
与通讯接口对应的bit流配置文件由FPGA内部的与通讯接口相关的功能部分定义得到；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口。
8.根据权利要求7所述的一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：与通讯接口对应的bit流配置文件，按照以下步骤得到：
步骤1：在FPGA开发工具中将静态逻辑模块、与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分，分别生成为独立的Static静态网表文件和2个Reconfiguration网表文件，提供给FPGA设计工具使用；
步骤2：建立FPGA设计工程，导入Static静态网表和约束文件；
步骤3：在FPGA设计工程中，导入Reconfiguration网表文件，并为与FT3通讯接口相关的功能部分和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分设置物理区域；
步骤4：创建Implementation Runs，完成Implementation布局布线，生成3个bit流配置文件，3个bit流配置文件包括：全局配置文件、与FT3通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件和与100M光以太网通讯接口相关的功能部分对应的局部配置文件。
9.根据权利要求8所述的一种电力二次设备通信接口重构方法，其特征在于：与100M光以太网通讯接口相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；与FT3通讯接口相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
10.一种电力二次设备通信接口重构系统，其特征在于：包括：
CPU芯片，用于根据实际应用需求，从配置存储芯片中选择与所需通讯接口对应的bit流配置文件，将选择的bit流配置文件配置加载到FPGA中；
FPGA，用于运行与通讯接口对应的bit流配置文件，对通信接口的功能重构，实现数据通信；
配置存储芯片，用于存储与通讯接口对应的bit流配置文件；
所述通讯接口包括100M光纤以太网通信接口和FT3通信接口；
所述bit流配置文件由FPGA内部与通讯接口相关的功能部分定义得到；与100M光以太网通讯接口相关的功能部分包括：以太网MAC控制器和以太网PHY功能；与FT3通讯接口相关的功能部分包括：FT3通讯控制器。
11.根据权利要求10所述的一种电力二次设备通信接口重构系统，其特征在于：在FPGA中，采用FPGA的LVDS接口实现100M以太网通信接口，其中，TD+和TD-差分对作为100M以太网通信发送链路，RD+和RD-差分对作为100M以太网通信接收链路；
复用TD+作为FT3通信的发送引脚，复用RD+作为FT3通信的接收引脚。
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