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基于FPGA的智能变电站SV和GOOSE的实现


基于 FPGA 的智能变电站 SV 和 GOOSE 的实现
摘要:SV 和 GOOSE 通信是智能变电站应用的重要组成部分。本文具体分析了 SV 和 GOOSE 的 实现技术要点,对比了几种不同的实现方案,分析得出基于 FPGA 实现其通信协议处理相比 于通过 CPU 实现具有强实时性、有效处理网络风暴等优点;并对于基于 FPGA 实现给出了详 细设计实现要点。最后对于

同类应用给出了一定的参考意见。 关键词:FPGA;IED;SV;GOOSE 中图分类号:TM769

0 引言
SV 和 GOOSE 是智能变电站通信的重 要组成部分。SV 主要完成变电站内过程层 设备对间隔层设备的数据提供; GOOSE 完成 变电站内过程层与间隔层、间隔层与间隔 层之间的数据交换。 智能变电站在国网范围已得到推广普 及,SV 和 GOOSE 的实现对于各设备生产厂 家也不是技术难题。2014 年,国网集中组 织了继电保护的“六统一”标准化工作, 对保护设备的智能接口提出了明确的要求, 特别是对 SV 和 GOOSE 通讯, SV 在国内变电站的应用经历了 SV9-1 点对点、 SV9-2 点对点及 SV9-2 组网的渐变 过 程 , 结 合 GOOSE 、 站 控 层 MMS 以 及 IEC61588,实际应用中进一步有了双网合 [3] [4] [5] 一 、三网合一 、四网合一 ,这些应用 除了对于交换机提出了高带宽的要求外, 对于间隔层的数据接收与处理也提出更高 的要求。 对于其中的智能电子设备, 从成本及满 足需求的综合考虑出发,可以有不同的 SV 及 GOOSE 的实现方案,如何从众多实现方 案中获得最优是本文要研究的问题。
[1] [2]

1. 三层两网,过程层 SV 与 GOOSE 点对点: 站控层 MMS 网络与过程层网络分开组网。 过程层的 SV 与 GOOSE 与保护的连接为点对 点。 此时对于保护等 IED 设备的每个物理光 口接收到的数据流量均较小, 且实时性相对 低。如:对于速率要求最高的 SV,一般情况 下的 4k 采样,则该光口每 250us 仅接收到 一帧 SV 数据帧,此时若使用 CPU 来处理, 对于保护等程序运行周期 500us 或 833us 而 言,可完全处理。 2. 三层两网,过程层 SV 与 GOOSE 共网: 与方式 1 相比, 其 SV 与 GOOSE 共网传输, 在参考文献 [3] 中给出了其需要处理的问 题。 此时对于保护等 IED 设备的每个物理光 口接收到的数据流量比较大, 数据的延迟变 化比较大, 对数据处理的软件算法提出了更 高的要求。同时由于共网,IED 须增加网络 风暴抑制功能。 3. 三网合一, 站控层 MMS、 过程层 SV、 GOOSE 共网: 这种应用不仅需要站内主干网交换机具 备优先级划分、 VLAN 划分等功能, 而且对于 保护等 IED 设备, 接收到的数据不仅流量比 较大, 而且要求在处理上必须根据数据类别, 按不同优先级处理。 同时必须具备网络风暴 抑制功能。

1 各种应用条件下的需求分析
在智能变电站的实际组网应用中, 不考 虑双网情况下, 典型的包括以下组网应用方 式:

2 数据处理实现方案的对比
SV、 GOOSE 数据处理常见方案有: 单 CPU 完成数据处理、多 CPU 协同完成数据处理、 FPGA+CPU 共同完成数据处理。

2.2 多 CPU 完成 SV 及 GOOSE 的 数据处理
本方案弥补了单 CPU 方案实时处理数据 量的不足, 使用多个 CPU 共同完成数据处理, 增加数据实时处理量, 可以满足处理 GOOSE、 SV 数据较大的 IED 设备的需求, 其方案工作 原理如图 2 所示。

2.1 单 CPU 完成数据处理
本方案使用 CPU 自带的网络控制器接收 GOOSE、SV 等网络数据,由软件算法完成: 添加 SV 数据接收时刻的时标、网络风暴的 抑制,SV、 GOOSE 的网络报文的编码和解码以 及采样值、状态量的数据处理,方案工作原 理如图 1 所示。
CPU SV数据处 SV编码解 网 络 码 理 风 暴 GOOSE数 GOOSE编 抑 据处理 解码 制 NET NET

CPU SV数据处 SV编码解 网 数 络 码 理 据 风 同 暴 步 GOOSE数 GOOSE编 抑 据处理 解码 制 NET NET

MAC MAC

MAC MAC

C P U 间 数 据 交 换

CPU SV数据处 SV编码解 网 数 络 码 理 据 风 同 暴 GOOSE 数 GOOSE 编 抑 步 据处理 解码 制
MAC MAC

NET NET

图 1 单 CPU 完成 SV 及 GOOSE 功能过程 Fig. 1 Realization of SV and GOOSE by one CPU

图 2 多 CPU 完成 SV 及 GOOSE 功能过程 Fig. 2 Realization of SV and GOOSE by multi-CPUs

这种方案的硬件简单,易于设计, 但 CPU 自带的网口比较少。软件完成 实现 SV、GOOSE 的编解码和网络风暴 抑制等功能,对 CPU 负载的影响比较 大。另外,CPU 数据响应速度的原因, SV 数据添加的接收时刻的时标精确度 不高,会给后续 SV 的重采样处理带来 一定的误差;而且 SV 通过软件控制发 送,其发送间隔的抖动会比较大。因 此这种方案常见数据需求量比较小的 IED 设备中。

这种方案虽然加大了装置的实时数据处 理量,但必须增加同步模块,协调多个 CPU 间同步工作。因此,这种方案大大增加了软 件算法和硬件复杂性, 增加了系统设计难度 和设备成本。

2.3 CPU+FPGA 完 成 SV 及 GOOSE 的数据处理
FPGA 在电力系统尤其是在智能变电站 中有较多的应用 。在本方案中,FPGA 完 成:网络数据的接收发送, 网络风暴的抑制, GOOSE、 SV、 1588 的编解码。 CPU 完成 GOOSE、
[6]

SV、 1588 数据的处理和对 FPGA 的配置管理, 其方案工作原理如图 3 所示。
CPU SV数据处理 GOOSE数据 数据 处理 FPGA配置 总线 管理 FPGA SV编码解 网 码 网络 络 风暴 接 GOOSE编 抑制 口 解码 NET NET NET

图 3 CPU+FPGA 完成 SV 及 GOOSE 功能过程 Fig. 3 Realization of SV and GOOSE by CPU plus FPGA

本方案由 FPGA 实现网络控制,灵 活性高,接入网口数量多,大大提高 了接入能力。使用定时 SV 发送,发送 的间隔抖动非常的小。接收的 SV 数据 通过 FPGA 自动增加接收时刻时标,准 确度高。 FPGA 完成网络风暴抑制功能效果 好,可以很好的消除不同网口直接的 互相影响。 FPGA 完成 SV、GOOSE 的编解码,实 时性高,通过 CPU 的配置管理,编解 码功能可以实现对 SV、GOOSE 数据的 筛选。这大大减小了 CPU 的数据处理 量,降低了 CPU 负载。 以上的三种常见方案中,在综合比 较硬件设计、软件算法和整体性等方 面,FPGA+ CPU 的解决方案表现最优。

3 FPGA 实现方案
本部分给出通过 CPU+FPGA 实现 SV 及 GOOSE 的关键技术要点: ? CPU 解析配置文件并将解析结果配置 给 FPGA 对于 IED 所需要接收或发送的接口方, 可以通过文本文件的方式下载到 IED 内, CPU 解析该文件到内存。以 GOOSE 为例,

其配置内容需要包括:发送方的组播 MAC 地址、 APPID、 GOOSE 控制块参考 (GoCBRef) 、 数据集名、版本号、发送方的条目数等。 ? FPGA 处理强实时数据 考虑到双网合一、三网合一等情况, FPGA 对于共网发送的 SV、GOOSE、甚至于 MMS 数据,会给出不同的优先级;其中 SV 优先级最高、 GOOSE 稍低、 MMS 最低。 FPGA 给以上三种应用开辟不同的缓存区, 仅当高 优先级数据缓存区无数据时才触发低优先 级的数据发送。 对于 SV 的发送,需要处理其发送时刻 与外部 GPS 的秒翻转 0 时刻重合, 并支持多 MAC 网口的发送时间一致性。 对于 GOOSE 发送,考虑到其包括了 ASN.1 的编码,为了提高发送效率,可以将 整个数据帧中固定不变的部分在程序运行 初期填写完毕, 真正运行发送时仅需要填写 需要变化的部分,如数据值。 对于 SV 接收,国网标准在规定 FT3 格 式的最多通道数为 22 个,而实际接收方可 能只需要取得其中的部分,FPGA 可以通过 预先配置的方式获得该信息, 运行中只把这 部分数据提供给 CPU。该技术点的意义在于 可以一定程度减少 CPU 和 FPGA 之间的总线 数据交换,可降低 CPU 的负载。由于 CPU 需要获得 FPGA 接收到的每帧数据内的采样 值以便于完成电气量相关算法或保护逻辑, 故对于接收 SV,FPGA 与 CPU 的数据接口需 要以 FIFO 的方式。 对于 GOOSE 接收,除类似于 SV 接收的 数据抽取处理外,由于 GOOSE 需要的仅仅 是最新的数据值,故可以不再使用 FIFO 方 式完成与 CPU 的接口,而是使用 RAM 的方 式以减少 FPGA 内的内存开销。 ? CPU 完成与算法相关的数据处理 对于接收而言,CPU 在取得 FPGA 提供 的数据后,即类似于传统 IED 设备的数据处 理,如数字滤波,保护逻辑等。 对于发送而言,CPU 也仅仅需要完成待 发送的数据值以后,就可以依照与 FPGA 定 义的接口将数据填写到 FPGA 的发送 FIFO 或 RAM 中。

4 结语
FPGA 在智能变电站内的各个 IED 已经 得到了广泛的应用, 本文给出的是智能变电 站内的主要组成部分 --- 网络及其设备中的 设备部分的应用体现。 随着智能变电站后期 发展, 考虑到多网合一等方案可有效降低变 电站的交换机配置, 从而大幅降低变电站建 设成本,提高 IED 设备对于大容量高速数据 的处理是必然需求,而 FPGA 也是解决该问 题的较优方案。 本文主要分析了 FPGA 对于 SV 及 GOOSE 的应用处理,而实际智能变电站的网络中, 还可以包括站控层的 MMS 报文、IEC61588 对时报文、对于基于 VLAN 的二层组播的 GMRP 报文,相信本文对于这些功能在 IED 中的 FPGA 实现有一定的参考意义。 参考文献
[1] DL/T 860.92—2006/IEC 61850-9-2:2004 变电 站通信网络和系统 第 9-2 部分: 特定通信服务映射 (SCSM) 映射到 ISO/IEC 8802-3 的采样值 [S]. 中华 人民共和国国家发展和改革委员会,2006

[2]

DL/T 860.81—2006/IEC 61850-8-1:2004 变电

站通信网络和系统 第 8-1 部分: 特定通信服务映射 (SCSM)对 MMS(ISO 9506-1 和 ISO 9506-2)及 ISO/IEC 8802-3 的映射[S]. 中华人民共和国国家发 展和改革委员会,2006 [3] 王文龙, 刘明慧。 智能变电站中 SMV 网和 GOOSE 网共网可能性探讨[J],中国电机工程学报,2011 31(z1) 55-59. [4] 胡建斌,常晓杰等。智能变电站过程层“三网 合一” 组网方案及 VLAN 划分[J], 电工技术, 2011 (9) 10-13. [5] 张文涛,吕艳伟等。基于 IEC 61850 的“四网” 合一在智能变电站中的应用[J], 电工技术,2012 (5) 10-12. [6] 夏梁,梅军等。基于 IEC61850-9-2 的电子式互 感器合并单元设计[J],电力自动化设备,2011 (31) 135-138. [7] Q/GDW 441-2010《智能变电站继电保护技术 规范》[S]. 国家电网公司,2010

Implementation of SV and GOOSE by FPGA In Intelligent Electronic Device Yang Fan, Jia Kai, Yang Xi, Pan Xueli, Nie Yu
(Wuhan power supply company. Wuhan 430000, China)

Abstract:SV and GOOSE are the most important part in smart substation. The key points of the Implementation of SV and GOOSE by FPGA are analyzed. Several solutions of the Implementation of SV and GOOSE was been compared. The solution of CPU and FPGA work together is the best scheme, for FPGA has the characteristic of real-time and easy to process net storms. At the same time, the technical points of the solution with FPGA are pointed out. At last, the reference advices are provided in some similar application. Key words: FPGA; IED; SV; GOOSE


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