智能变电站网络报文处理器的研究

(广东电网珠海供电局1，广东 珠海 519000；广州思唯奇计算机科技有限公司2，广东 广州 510665；武汉大学自动化系3,湖北 武汉 430072；中国五环工程有限公司4，湖北 武汉 430072)

0 引言

随着智能变电站的逐步推广，变电站二次设备的运行形态发生了本质的改变,以前在二次侧电缆中传输的模拟量信息被数字化网络报文所替代。目前,许多智能变电站中最关键的过程层网络拓扑为点对点的传输方式，然而这种点对点传输有着较大的固有缺陷。各地已经开始尝试开发和应用基于交换的过程层网络[1]。在基于交换的过程层网络拓扑下，采样值数据得到了很好的共享，因而可以在过程层网络上展开一些新型保护的研究。

然而，由于智能化变电站网络集中了全站的报文数据，导致网络上的设备需要强大的网络报文处理能力[2]。智能化变电站的网络报文分为采样值(sample value,SV)报文、面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)报文、制造报文规范(manufacturing message specification,MMS)报文和同步时钟报文等4类报文。“网络报文记录分析与故障录波一体化装置”需要通过不同的软件模块同时实现报文记录分析和故障录波的功能，实现对上述4类报文在不同层面上的分析。

本文在研究当前变电站报文处理现状和处理器架构及原理的基础上，探讨如何通过网络报文线速处理技术解决这个难题。

1 智能变电站网路报文处理现状

在现有的过程层网络设备中，一般采用RISC架构的通用嵌入式CPU来处理网络报文，这受限于CPU的基本架构，无法满足线速处理网络报文的要求。通用CPU处理报文一般采用中断的处理方式，由于报文处理能力低下，这类装置具有以下缺点：①设备可用性差，当网络流量异常如发生网络广播风暴时[3]，设备无法正常工作；②设备过于复杂，当单个CPU无法满足报文接入要求时，只能采用多个CPU多点接入的系统，这时，往往需要多台设备组成的接入系统才能解决网络报文的接入、处理问题[4]；③设备可维护性差，多个接入点之间为了保证接入数据不重复，需要通过GMRP设置复杂的组播规则[5]。同时，多个CPU之间的协调、对时也使得管理异常复杂和繁琐。

2 网络处理器的架构介绍

进入21世纪以来，大量实时的语音和媒体数据传输业务进入互联网，使得网络带宽每7个月就翻一番。网络处理器(net processor，NP)应运而生[6]。采用对称多处理器模式的NP架构如图1所示。

图1 采用对称多处理器模式的NP架构

网络处理器(NP)内部集成了6个通用CPU核心(CORE)，6个CPU核共享RAM空间(DDR2内存)。NP还提供了多个网络报文接口，可以接入多路千兆以太网。报文输入处理(packet input process,PIP)是一个专用的硬件协处理单元，它负责网络报文的接收与分发。PIP能够直接访问RAM空间，并能够在无需CPU核处理的情况下将从网络接口接收的报文存储到RAM的缓存区域，同时发出事件消息给CPU核心。此外，PIP具有编程能力，能够根据以太网ID识别网络报文的种类，并且根据报文的分类将事件消息传送给指定的CPU核。

3 采用网络处理器的解决方案

3.1 网络报文记录和分析的功能要求

在智能变电站中，网络报文以交换和组播的方式在网络中传递，同一网络中的所有设备共享同一个数据通道。网络报文记录分析与故障录波一体化装置作为第三方的监控设备，作用十分明显。

网络报文有两个层面的分析。一是对报文的结构、性能、61850一致性等进行分析，这是通常的报文记录分析功能。二是对报文承载的内容进行分析，对SV报文承载的采样值进行分析，对GOOSE报文承载的状态量进行分析，这就是故障录波的功能[7]。

一体化装置的主要工作是报文处理、数据存储和报文内容分析、处理和记录。如何有效地提高报文处理能力，以满足全站报文的处理甚至网络广播风暴情况下的报文处理，是一体化功能能否可靠实现的关键。

3.2 网络报文分析处理和记录

基于前文提到的网络处理器独特的多CPU核和专用硬件报文协处理器的特点，本文设计了一套基于网络处理器的智能变电站网络报文处理流程。

网络处理流程步骤如下。

① 当报文到达时，PIP接收报文，并将报文放入报文缓存区域(RAM区域)，同时对报文进行分类；再根据报文种类，将事件消息和指针传递给相关CPU核(CORE1、CORE2、CORE3)。

② CORE1处理GOOSE报文，解析整个智能变电站过程层的事件信息，并将报文放入存储缓存区域。

③ CORE2处理SV报文，解析整个智能变电站的采样值信息，并将报文放入存储缓存区域。

④ CORE3处理其他报文，其中包括IEEE 1588报文和MMS报文。解析整个智能变电站的IEEE 1588对时情况和整个智能变电站站控层MMS协议工作情况，并将报文放入存储缓存区域。

⑤ 当CORE1、CORE2解析发现异常事件时，发送消息事件和指针给CORE4，CORE4启动故障录波，将相关报文放入故障录波缓存区域(内存区域)。

⑥ CORE5不停地检测存储缓存和故障录波缓存。当发现这两个缓存有新的报文数据时，将新数据放入存储设备(磁盘或存储阵列)。

报文处理流程如图2所示。图2中，实线表示报文实际路径，虚线表示消息、指针路径。

图2 报文处理流程

在这个采用网络处理器(NP)的方案中，共使用了5个CPU核进行网络报文存储与分析，每个CPU核独立工作，并行处理，消除了报文处理的瓶颈。高速的PIP硬件协处理器保证了NP的高速接入能力。处理器内部还有1个CPU核，可以运行实时预警、离线分析等程序。整个装置功能强大，架构简单，模块化清晰。任何扩展功能都可以在增加的CPU核上运行，对网络报文处理性能不造成影响。采用该款NP的网络报文记录与分析装置可以保证处理至少800 Mbit/s流量的智能变电站网络报文，对应50个间隔的智能变电站网络流量。

3.3 采用NP进行报文处理的设计难点

采用对称多处理器模式的NP架构对网络报文进行处理时，需要克服以下几个设计难点，才能提高NP的处理效率，真正做到线速处理网络报文。

3.3.1 报文识别分类问题

NP的PIP单元首先要能够识别报文类别，才能将报文分发给对应的CPU核进行处理。在智能变电站网络中存在的报文主要是GOOSE报文、SV报文、MMS报文以及IEEE 1588报文。根据IEC 61850协议，GOOSE报文的以太网ID是0x88B8,SV报文的以太网ID是0x88BA。IEEE 1588报文有两种版本[8-9],IEEE 1588V1属于IP报文，IEEE 1588V2的以太网ID是0x88F7。MMS报文属于IP报文。

根据报文处理的分配策略,可以对PIP单元进行编程，对输入报文的以太网ID字节进行识别：①以太网类型是GOOSE报文的，发送给CORE1处理；②以太网类型是SV报文的，发送给CORE2处理；③其他类型的报文发送给CORE3处理。

3.3.2 CPU核的分配问题

NP具有多个CPU核，这些核能够并行处理，也能够组成流水线分步处理。如何合理分配处理任务给各个CPU核，是提高处理效率、消除报文处理瓶颈的关键。总体上来说，采用流水线处理构架时，由于每个CPU核的工作任务比较单一，处理效率比较高；采用并行处理的构架时，系统模块性更强，处理能力更加灵活，扩展性也更强。

在本方案设计中，采用了两种方式相结合的办法，即报文的解析采用并行处理，故障录波和报文存储采用流水线式处理。这样，既保证了各种报文处理的独立性和实时性，又保证了故障录波和存储的高效率。

3.3.3 CPU核的管理问题

在NP内部，多个CPU核同时运行程序，如何协调CPU核工作和管理相关硬件资源是一项比较复杂的工作。一般来说，CPU核有3种管理方式：①在所有的CPU核上运行SMP操作系统(一般是Linux)；②在单个CPU核上运行独立的操作系统；③在单个CPU核上不运行任何操作系统，直接运行循环程序代码。

第一种方式功能强大，易于实现，CPU之间的协调和硬件资源的管理通过操作系统来实现。一般情况下采用这种方式管理NP。

第二种方式适用于某些对实时性要求比较高的场合。在这种情况下需要在部分CPU核上运行实时操作系统，保证处理业务的实时性。

第三种方式适合于对性能极端要求的情况。在这种情况下，设计者直接编写程序代码管理硬件资源，代码的简洁性和直接性能极大地提升CPU核的运行效率和业务实时性。但是，这种方式的设计难度极大，主要针对处理过程比较简单但是对性能要求很高的任务。

第二、三两种方式都需要自行处理CPU之间协调和通信的问题，这个可以通过NP内部的消息管理单元和共享缓存等方式来实现。

在本方案设计中，采用了第一种方式与第三种方式相结合的方式，即通过SMP的Linux操作系统管理CPU核(CORE1～CORE5)，在CORE6上直接运行编译的程序代码。这样既能保证主要业务管理的方便性和灵活性，又能保证存储环节的高效性和可靠性，提高整个系统瓶颈环节的性能。

3.3.4 实例应用

珠海220琴韵变电站3C绿色示范工程是广东电网公司的重点工程，基于NP架构的网络报文记录分析与故障录波一体化装置在本工程中得到应用，并成为南方电网公司一体化电网运行智能系统的试点应用的一项内容。该装置软件由文件接收模块、报文分发模块、GOOSE分析模块、MMS报文分析模块、SV报文分析模块和故障录波等模块组成。

① 报文接收模块从CPU的报文接收单元获取网络上的原始报文，将系统的当前时间作为报文的接收时间戳[10]，并立即将报文挂入报文接收队列。

② 报文分发模块从报文接收队列获取报文，并对每个报文进行解码、流量统计、函数存储和分发。

③ GOOSE分析模块对GOOSE报文进行解码和分析并存储到数据库。

④ MMS分析模块根据报文的网络ID、源IP、目的IP、源端口、目的端口将报文挂到相应的MMS连接，并分析其中的内容，统计每个MMS连接的流量信息。

⑤ SV报文分析模块根据APPID将报文挂到相应的SV链路，对报文进行解码，获取采样ID，统计SV流量信息，将SV解码后的内容作为接口信息传递给故障录波模块。

⑥ 故障录波模块进行启动判断并记录，进行启动时刻的GOOSE报文和SV报文的时间比对并合并报文，生成标准的录波文件并存储。

4 结束语

网络处理器(NP)具有通用CPU无法比拟的报文接入和处理能力。本文提出了采用NP的网络报文线速处理技术的一体化装置的解决方案，克服了智能变电站中海量网络报文处理中报文识别分类、CPU核分配及管理等难题。该方案可全方位地整合变电站信息资源，全面、集约地掌握变电站运行状况，为事故快速

分析判断、装置状态评估提供有效的支撑。该解决方案成功应用于珠海220琴韵变电站3C绿色示范工程，实现了网络报文收发、报文分析和故障录波等功能。

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