用FPGA實現的具有過濾報文功能的Mac在電力系統中的應用

沈峻

【摘要】本文介紹了一種應用于數字化變電站中的用FPGA實現的Mac，其特點在于可基于特征向量的報文解碼，對于現實中發生的網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、電力系統通信基本概況

隨著對IEC 61850標準研究的不斷深入，國內外學者提出基于IEC 61850通信標準體系建設數字化變電站的發展思路。數字化變電站與常規變電站的顯著區別在于過程層傳統的電流/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。在數字化變電站中數據信息的共享程度和數據的實時性將得到大幅度提高。

目前數字化變電站中的數據采集和數據傳輸普遍采用的以太網傳輸方式，其實現方式多為使用現成的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據傳輸的要求，主要缺陷在于對于接收到的各種網絡報文不能根據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，導致以太網傳輸的DSP（網絡DSP）在運行過程中因為需要網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：根據預存的解碼規則對報文進行解碼。例如：根據IEC61850_9_2報文規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。

三、FPGA對有過濾報文功能的Mac的實現

FPGA對于上述具有過濾報文功能的Mac的實現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”，目前所實現的Mac可由軟件設置64組獨立“類型”和“特征”用于網絡報文過濾。

（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，將不符合訂閱的網絡報文丟棄，實現對于網絡風暴的過濾。

（3）解碼協議庫：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則，用于提取報文中的有效信息。

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

圖1

圖2

四、本設計在現實中的應用

如圖3所示，一種用于數字化變電站智能保護的主CPU板卡，包括DSP、FPGA、PHY、網絡光纖收發器（光模塊），其中DSP包括網絡處理器模塊（網絡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，功能實現模塊FPGA是Altera公司的CycloneIII系列FPGA芯片，例如：EP3C40F484I8，網絡PHY芯片采用National Semiconductor公司的DP83640，光纖收發器模塊采用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），FPGA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器（AFBR-5803），光纖收發器連接板卡外部的以太網光纖。

圖3

網絡DSP實現網絡報文的接收，對IEC61850_9_2和GOOSE報文進行解碼、運算，通過內部千兆交換機和保護DSP進行實時數據交換;網絡DSP接收保護DSP的跳閘命令，形成GOOSE網絡報文后，發送給智能控制單元實現對智能斷路器的控制，同時完成事件記錄、錄波等功能。

網絡DSP和保護DSP之間通信基于內部千兆交換機，實時交換數據。保護DSP獲取網絡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，再實時傳輸給網絡DSP，實現對智能斷路器的控制。

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