基于FPGA的報(bào)文數(shù)據(jù)分析模塊的設(shè)計(jì)

　　摘要：網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)的記錄和分析在智能化變電站中尤為重要，通過(guò)對(duì)整個(gè)通信過(guò)程的記錄可以為事故分析及運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。本文提出了一種基于FPGA技術(shù)、結(jié)合相關(guān)通信協(xié)議的報(bào)文數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了報(bào)文數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的各功能子模塊，通過(guò)仿真運(yùn)行驗(yàn)證了系統(tǒng)良好的處理能力。

　　引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于這三種核心技術(shù)的自動(dòng)化智能裝置在電網(wǎng)控制中的作用越來(lái)越突出。其中以交換式以太網(wǎng)和光纖光纜實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為變電站的重要單元。

　　如何記錄、分析某個(gè)智能單元出現(xiàn)何種故障、或者報(bào)文是否有誤，如何能較好地記錄各智能單元之間的通信過(guò)程，為以后的事故分析提供依據(jù)，是基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系

　　IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于2004年頒布、應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化變電站系統(tǒng)中，針對(duì)不同的應(yīng)用會(huì)有不同的傳輸報(bào)文類型。

　　IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)將變電站通信系統(tǒng)分為：過(guò)程層、間隔層及變電站層，如圖1所示。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口ACSI，映射到特定的應(yīng)用層協(xié)議——制造報(bào)文規(guī)范(MMS)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過(guò)程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。各智能電子設(shè)備(IED，測(cè)控單元和繼電保護(hù))均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

　　2 通信要求

　　變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的變電站網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文反映了當(dāng)前變電站的運(yùn)行狀態(tài)。

　　基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站系統(tǒng)通過(guò)GOOSE(Generic Object Substation Event，面向通用對(duì)象的變電站事件)機(jī)制實(shí)現(xiàn)通信。GOOSE通信機(jī)制是一種實(shí)時(shí)通信技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)間隔閉鎖信號(hào)和實(shí)時(shí)跳閘信號(hào)等的快速傳遞。根據(jù) IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，GOOSE 信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延應(yīng)小于 4 ms;保護(hù)單元之間的保護(hù)閉鎖GOOSE信息具有較高的傳輸速率，通常時(shí)間為2~10ms;同步相量測(cè)量信息的傳輸時(shí)間可以大于10ms。

　　GOOSE 通信機(jī)制中，報(bào)文的發(fā)送和接收分別由publisher(公告式發(fā)布)和 subscriber(預(yù)定式接收)來(lái)執(zhí)行。GOOSE報(bào)文采用重發(fā)、順序機(jī)制，即使系統(tǒng)沒(méi)有事件發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)上也會(huì)存在大量的“心跳報(bào)文”，因此在實(shí)際運(yùn)行中需對(duì)GOOSE報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾，否則會(huì)增加CPU的負(fù)擔(dān)，影響智能裝置的運(yùn)行性能。

　　3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

　　本模塊主要利用交換機(jī)的鏡像端口，記錄交換機(jī)中交互的數(shù)據(jù)，從而對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其工作原理如圖2所示。