沈峻

【摘要】本文介紹了一種應用于數(shù)字化變電站中的用FPGA實現(xiàn)的Mac，其特點在于可基于特征向量的報文解碼，對于現(xiàn)實中發(fā)生的網(wǎng)絡風暴能夠有效過濾，從而能夠有效減輕DSP和局部總線的負擔，提高了效率和安全性。

【關鍵詞】FPGA;Mac;特征向量過濾

一、電力系統(tǒng)通信基本概況

隨著對IEC 61850標準研究的不斷深入，國內(nèi)外學者提出基于IEC 61850通信標準體系建設數(shù)字化變電站的發(fā)展思路。數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的顯著區(qū)別在于過程層傳統(tǒng)的電流/電壓互感器、斷路器將被電子式電流/電壓互感器、智能斷路器取代。在數(shù)字化變電站中數(shù)據(jù)信息的共享程度和數(shù)據(jù)的實時性將得到大幅度提高。

目前數(shù)字化變電站中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸普遍采用的以太網(wǎng)傳輸方式，其實現(xiàn)方式多為使用現(xiàn)成的ASIC MAC芯片，例如：DP83640，BCM5241等。

這種ASIC并非專門用于智能化變電站保護裝置，并不符合智能化變電站保護裝置對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，主要缺陷在于對于接收到的各種網(wǎng)絡報文不能根據(jù)智能化變電站保護裝置的需要把冗長報文中的有效信息提取出來，導致以太網(wǎng)傳輸?shù)腄SP（網(wǎng)絡DSP）在運行過程中因為需要網(wǎng)絡報文的解碼計算而負載過重。

在某些應用場合下，甚至不能夠完成中斷中的任務，不僅影響了整個保護裝置運行速度，而且增加了因為負載原因而使得保護裝置失效的風險。

二、具有過濾報文功能的Mac的功能介紹

本FPGA實現(xiàn)的Mac對于報文過濾的過程，有以下步驟：步驟S1，為不同的報文設置對應的特征向量;步驟S2，根據(jù)所述特征向量對接收到的報文進行過濾;步驟S3，對過濾后的報文進行解碼，獲取報文中的有效信息（圖1）;其中，所述特征向量包括：類型，說明報文的類型;特征，用于描述報文的特征;目的地址，用于說明報文的目的地址其中“類型”是所述類型包括：TCP報文，UDP報文，IP報文和裸報文中的至少一種。其中“特征”是所述特征包括：GOOSE，IEC61850_9_2，IEEE1588中的至少一種。所述對過濾后的報文進行解碼包括：根據(jù)預存的解碼規(guī)則對報文進行解碼。例如：根據(jù)IEC61850_9_2報文規(guī)則將軟件需要的采樣值有效信息從報文中解出來，減少CPU讀取報文的Byte數(shù)。

三、FPGA對有過濾報文功能的Mac的實現(xiàn)

FPGA對于上述具有過濾報文功能的Mac的實現(xiàn)主要有以下功能模塊（圖2）：

（1）特征向量表：用于儲存訂閱報文的“類型”和“特征”，目前所實現(xiàn)的Mac可由軟件設置64組獨立“類型”和“特征”用于網(wǎng)絡報文過濾。

（2）接收單元：用于MII解碼，將接收到的MII信號解碼出報文信息，如裸報文，IEC61850_9_2等用于和上述特征向量表里的訂閱報文進行比較，將不符合訂閱的網(wǎng)絡報文丟棄，實現(xiàn)對于網(wǎng)絡風暴的過濾。

（3）解碼協(xié)議庫：用于存儲訂閱報文的解碼類型，例如對于IEC61850_9_2報文，存儲了此類型報文的報文解碼規(guī)則，用于提取報文中的有效信息。

（4）解碼單元：將上述已經(jīng)經(jīng)過過濾符合類型訂閱的報文，根據(jù)其類型，選擇解碼協(xié)議庫中的解碼規(guī)則，提取報文有效信息，存儲在RxFIFO中，供DSP讀取。

圖1

圖2

四、本設計在現(xiàn)實中的應用

如圖3所示，一種用于數(shù)字化變電站智能保護的主CPU板卡，包括DSP、FPGA、PHY、網(wǎng)絡光纖收發(fā)器（光模塊），其中DSP包括網(wǎng)絡處理器模塊（網(wǎng)絡DSP）和保護處理模塊（保護DSP）。

其中，DSP芯片采用ADI公司專用的DSP處理芯片BlackfinBF544，功能實現(xiàn)模塊FPGA是Altera公司的CycloneIII系列FPGA芯片，例如：EP3C40F484I8，網(wǎng)絡PHY芯片采用National Semiconductor公司的DP83640，光纖收發(fā)器模塊采用AVAGO公司的AFBR-5803。它們之間的連接關系是：DSP（BF544）通過本地總線連接FPGA（EP3C40F484I8），F(xiàn)PGA向外提供8個MII接口，每個MII接口連接到一個PHY（DP83640），同時FPGA提供8個引腳中斷給DSP，每個PHY獨立連接到一個光纖收發(fā)器（AFBR-5803），光纖收發(fā)器連接板卡外部的以太網(wǎng)光纖。

圖3

網(wǎng)絡DSP實現(xiàn)網(wǎng)絡報文的接收，對IEC61850_9_2和GOOSE報文進行解碼、運算，通過內(nèi)部千兆交換機和保護DSP進行實時數(shù)據(jù)交換;網(wǎng)絡DSP接收保護DSP的跳閘命令，形成GOOSE網(wǎng)絡報文后，發(fā)送給智能控制單元實現(xiàn)對智能斷路器的控制，同時完成事件記錄、錄波等功能。

網(wǎng)絡DSP和保護DSP之間通信基于內(nèi)部千兆交換機，實時交換數(shù)據(jù)。保護DSP獲取網(wǎng)絡DSP采樣和開關位置信息后，進行對應保護邏輯判斷，形成控制指令，再實時傳輸給網(wǎng)絡DSP，實現(xiàn)對智能斷路器的控制。

當FPGA的接收單元接收到來自MII接口的網(wǎng)絡報文后，根據(jù)特征向量表（現(xiàn)有技術和規(guī)范）中的特征向量判斷該網(wǎng)絡報文是否符合特征向量，如果不符合則丟棄該網(wǎng)絡報文，如果符合，則將該網(wǎng)絡報文發(fā)送至RxRAM，解碼單元從RxRAM中讀取網(wǎng)絡報文并根據(jù)解碼協(xié)議對該網(wǎng)絡報文進行解碼，獲取其中的有效信息發(fā)送至RxFIFO，并通過DSP接口發(fā)送給DSP。

參考文獻

[1]Communication Networks and Systems in Substations Part9-2：Specific Communication Service Mapping（SCSM）Sampled values over ISO/IEC 8802-3.

[2]Communication networks and systems in substations Part 8-1：Specific communication service mapping（SCSM）-Mappings to MMS（ISO/IEC 9506 Part 1 and Part 2）and to ISO/IEC 8802-3.