基于FPGA的报文数据分析模块的设计

　　摘要：网络报文数据的记录和分析在智能化变电站中尤为重要，通过对整个通信过程的记录可以为事故分析及运行维护提供依据。本文提出了一种基于FPGA技术、结合相关通信协议的报文数据分析系统的设计方案，实现了报文数据分析系统的各功能子模块，通过仿真运行验证了系统良好的处理能力。

　　引言

　　随着计算机技术、通信技术及网络技术的迅速发展，基于这三种核心技术的自动化智能装置在电网控制中的作用越来越突出。其中以交换式以太网和光纤光缆实现的网络通信系统已经逐渐成为变电站的重要单元。

　　如何记录、分析某个智能单元出现何种故障、或者报文是否有误，如何能较好地记录各智能单元之间的通信过程，为以后的事故分析提供依据，是基于IEC61850标准的智能变电站的关键问题。

　　1 IEC61850标准体系

　　IEC61850标准是由国际电工委员会(IEC)于2004年颁布、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。在基于IEC61850标准的自动化变电站系统中，针对不同的应用会有不同的传输报文类型。

　　IEC61850 标准将变电站通信系统分为：过程层、间隔层及变电站层，如图1所示。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口ACSI，映射到特定的应用层协议——制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。各智能电子设备(IED，测控单元和继电保护)均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。

　　2 通信要求

　　变电站自动化系统中的变电站网络通信报文反映了当前变电站的运行状态。

　　基于IEC61850标准的变电站系统通过GOOSE(Generic Object Substation Event，面向通用对象的变电站事件)机制实现通信。GOOSE通信机制是一种实时通信技术，主要实现间隔闭锁信号和实时跳闸信号等的快速传递。根据 IEC61850 标准的规定，GOOSE 信号的网络通信时延应小于 4 ms;保护单元之间的保护闭锁GOOSE信息具有较高的传输速率，通常时间为2~10ms;同步相量测量信息的传输时间可以大于10ms。

　　GOOSE 通信机制中，报文的发送和接收分别由publisher(公告式发布)和 subscriber(预定式接收)来执行。GOOSE报文采用重发、顺序机制，即使系统没有事件发生，网络上也会存在大量的“心跳报文”，因此在实际运行中需对GOOSE报文进行过滤，否则会增加CPU的负担，影响智能装置的运行性能。

　　3 系统模块设计

　　本模块主要利用交换机的镜像端口，记录交换机中交互的数据，从而对报文数据进行预处理，其工作原理如图2所示。