基于FPGA的報文數(shù)據(jù)分析模塊的設計

　　摘要：網(wǎng)絡報文數(shù)據(jù)的記錄和分析在智能化變電站中尤為重要，通過對整個通信過程的記錄可以為事故分析及運行維護提供依據(jù)。本文提出了一種基于FPGA技術、結合相關通信協(xié)議的報文數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)了報文數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的各功能子模塊，通過仿真運行驗證了系統(tǒng)良好的處理能力。

　　引言

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

　　如何記錄、分析某個智能單元出現(xiàn)何種故障、或者報文是否有誤，如何能較好地記錄各智能單元之間的通信過程，為以后的事故分析提供依據(jù)，是基于IEC61850標準的智能變電站的關鍵問題。

　　1 IEC61850標準體系

　　IEC61850標準是由國際電工委員會(IEC)于2004年頒布、應用于變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的國際標準。在基于IEC61850標準的自動化變電站系統(tǒng)中，針對不同的應用會有不同的傳輸報文類型。

　　IEC61850 標準將變電站通信系統(tǒng)分為：過程層、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)絡采用抽象通信服務接口ACSI，映射到特定的應用層協(xié)議——制造報文規(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)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)。各智能電子設備(IED，測控單元和繼電保護)均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡進行信息交換。

　　2 通信要求

　　變電站自動化系統(tǒng)中的變電站網(wǎng)絡通信報文反映了當前變電站的運行狀態(tài)。

　　基于IEC61850標準的變電站系統(tǒng)通過GOOSE(Generic Object Substation Event，面向通用對象的變電站事件)機制實現(xiàn)通信。GOOSE通信機制是一種實時通信技術，主要實現(xiàn)間隔閉鎖信號和實時跳閘信號等的快速傳遞。根據(jù) IEC61850 標準的規(guī)定，GOOSE 信號的網(wǎng)絡通信時延應小于 4 ms;保護單元之間的保護閉鎖GOOSE信息具有較高的傳輸速率，通常時間為2~10ms;同步相量測量信息的傳輸時間可以大于10ms。

　　GOOSE 通信機制中，報文的發(fā)送和接收分別由publisher(公告式發(fā)布)和 subscriber(預定式接收)來執(zhí)行。GOOSE報文采用重發(fā)、順序機制，即使系統(tǒng)沒有事件發(fā)生，網(wǎng)絡上也會存在大量的“心跳報文”，因此在實際運行中需對GOOSE報文進行過濾，否則會增加CPU的負擔，影響智能裝置的運行性能。

　　3 系統(tǒng)模塊設計

　　本模塊主要利用交換機的鏡像端口，記錄交換機中交互的數(shù)據(jù)，從而對報文數(shù)據(jù)進行預處理，其工作原理如圖2所示。