基于FPGA的報文數據分析模塊的設計

　　摘要：網(wǎng)絡(luò )報文數據的記錄和分析在智能化變電站中尤為重要，通過(guò)對整個(gè)通信過(guò)程的記錄可以為事故分析及運行維護提供依據。本文提出了一種基于FPGA技術(shù)、結合相關(guān)通信協(xié)議的報文數據分析系統的設計方案，實(shí)現了報文數據分析系統的各功能子模塊，通過(guò)仿真運行驗證了系統良好的處理能力。

　　引言

　　隨著(zhù)計算機技術(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)現的網(wǎng)絡(luò )通信系統已經(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(guò)程，為以后的事故分析提供依據，是基于IEC61850標準的智能變電站的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　1 IEC61850標準體系

　　IEC61850標準是由國際電工委員會(huì )(IEC)于2004年頒布、應用于變電站通信網(wǎng)絡(luò )和系統的國際標準。在基于IEC61850標準的自動(dòng)化變電站系統中，針對不同的應用會(huì )有不同的傳輸報文類(lèi)型。

　　IEC61850 標準將變電站通信系統分為：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A(yíng)CSI，映射到特定的應用層協(xié)議——制造報文規范(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)。各智能電子設備(IED，測控單元和繼電保護)均采用統一的協(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)化系統中的變電站網(wǎng)絡(luò )通信報文反映了當前變電站的運行狀態(tài)。

　　基于IEC61850標準的變電站系統通過(guò)GOOSE(Generic Object Substation Event，面向通用對象的變電站事件)機制實(shí)現通信。GOOSE通信機制是一種實(shí)時(shí)通信技術(shù)，主要實(shí)現間隔閉鎖信號和實(shí)時(shí)跳閘信號等的快速傳遞。根據 IEC61850 標準的規定，GOOSE 信號的網(wǎng)絡(luò )通信時(shí)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(shí)間為2~10ms;同步相量測量信息的傳輸時(shí)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(lái)執行。GOOSE報文采用重發(fā)、順序機制，即使系統沒(méi)有事件發(fā)生，網(wǎng)絡(luò )上也會(huì )存在大量的“心跳報文”，因此在實(shí)際運行中需對GOOSE報文進(jìn)行過(guò)濾，否則會(huì )增加CPU的負擔，影響智能裝置的運行性能。

　　3 系統模塊設計

　　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據，從而對報文數據進(jìn)行預處理，其工作原理如圖2所示。