用FPGA实现的具有过滤报文功能的Mac在电力系统中的应用

沈峻

【摘要】本文介绍了一种应用于数字化变电站中的用FPGA实现的Mac，其特点在于可基于特征向量的报文解码，对于现实中发生的网络风暴能够有效过滤，从而能够有效减轻DSP和局部总线的负担，提高了效率和安全性。

【关键词】FPGA;Mac;特征向量过滤

一、电力系统通信基本概况

随着对IEC 61850标准研究的不断深入，国内外学者提出基于IEC 61850通信标准体系建设数字化变电站的发展思路。数字化变电站与常规变电站的显著区别在于过程层传统的电流/电压互感器、断路器将被电子式电流/电压互感器、智能断路器取代。在数字化变电站中数据信息的共享程度和数据的实时性将得到大幅度提高。

目前數字化变电站中的数据采集和数据传输普遍采用的以太网传输方式，其实现方式多为使用现成的ASIC MAC芯片，例如：DP83640，BCM5241等。

这种ASIC并非专门用于智能化变电站保护装置，并不符合智能化变电站保护装置对于数据传输的要求，主要缺陷在于对于接收到的各种网络报文不能根据智能化变电站保护装置的需要把冗长报文中的有效信息提取出来，导致以太网传输的DSP（网络DSP）在运行过程中因为需要网络报文的解码计算而负载过重。

在某些应用场合下，甚至不能够完成中断中的任务，不仅影响了整个保护装置运行速度，而且增加了因为负载原因而使得保护装置失效的风险。

二、具有过滤报文功能的Mac的功能介绍

本FPGA实现的Mac对于报文过滤的过程，有以下步骤：步骤S1，为不同的报文设置对应的特征向量;步骤S2，根据所述特征向量对接收到的报文进行过滤;步骤S3，对过滤后的报文进行解码，获取报文中的有效信息（图1）;其中，所述特征向量包括：类型，说明报文的类型;特征，用于描述报文的特征;目的地址，用于说明报文的目的地址其中“类型”是所述类型包括：TCP报文，UDP报文，IP报文和裸报文中的至少一种。其中“特征”是所述特征包括：GOOSE，IEC61850_9_2，IEEE1588中的至少一种。所述对过滤后的报文进行解码包括：根据预存的解码规则对报文进行解码。例如：根据IEC61850_9_2报文规则将软件需要的采样值有效信息从报文中解出来，减少CPU读取报文的Byte数。

三、FPGA对有过滤报文功能的Mac的实现

FPGA对于上述具有过滤报文功能的Mac的实现主要有以下功能模块（图2）：

（1）特征向量表：用于储存订阅报文的“类型”和“特征”，目前所实现的Mac可由软件设置64组独立“类型”和“特征”用于网络报文过滤。

（2）接收单元：用于MII解码，将接收到的MII信号解码出报文信息，如裸报文，IEC61850_9_2等用于和上述特征向量表里的订阅报文进行比较，将不符合订阅的网络报文丢弃，实现对于网络风暴的过滤。

（3）解码协议库：用于存储订阅报文的解码类型，例如对于IEC61850_9_2报文，存储了此类型报文的报文解码规则，用于提取报文中的有效信息。

（4）解码单元：将上述已经经过过滤符合类型订阅的报文，根据其类型，选择解码协议库中的解码规则，提取报文有效信息，存储在RxFIFO中，供DSP读取。

图1

图2

四、本设计在现实中的应用

如图3所示，一种用于数字化变电站智能保护的主CPU板卡，包括DSP、FPGA、PHY、网络光纤收发器（光模块），其中DSP包括网络处理器模块（网络DSP）和保护处理模块（保护DSP）。

其中，DSP芯片采用ADI公司专用的DSP处理芯片BlackfinBF544，功能实现模块FPGA是Altera公司的CycloneIII系列FPGA芯片，例如：EP3C40F484I8，网络PHY芯片采用National Semiconductor公司的DP83640，光纤收发器模块采用AVAGO公司的AFBR-5803。它们之间的连接关系是：DSP（BF544）通过本地总线连接FPGA（EP3C40F484I8），FPGA向外提供8个MII接口，每个MII接口连接到一个PHY（DP83640），同时FPGA提供8个引脚中断给DSP，每个PHY独立连接到一个光纤收发器（AFBR-5803），光纤收发器连接板卡外部的以太网光纤。

图3

网络DSP实现网络报文的接收，对IEC61850_9_2和GOOSE报文进行解码、运算，通过内部千兆交换机和保护DSP进行实时数据交换;网络DSP接收保护DSP的跳闸命令，形成GOOSE网络报文后，发送给智能控制单元实现对智能断路器的控制，同时完成事件记录、录波等功能。

网络DSP和保护DSP之间通信基于内部千兆交换机，实时交换数据。保护DSP获取网络DSP采样和开关位置信息后，进行对应保护逻辑判断，形成控制指令，再实时传输给网络DSP，实现对智能断路器的控制。

当FPGA的接收单元接收到来自MII接口的网络报文后，根据特征向量表（现有技术和规范）中的特征向量判断该网络报文是否符合特征向量，如果不符合则丢弃该网络报文，如果符合，则将该网络报文发送至RxRAM，解码单元从RxRAM中读取网络报文并根据解码协议对该网络报文进行解码，获取其中的有效信息发送至RxFIFO，并通过DSP接口发送给DSP。

参考文献

[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.