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[1]

和GOOSE[2]

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一[3]、三网合一[4]、四网合一[5]

，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 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：

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。

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。

2.1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。

CPUSV数据处SV编码解网理码络MACNET风MACNETGOOSE数GOOSE编暴抑据处理解码制 图1 单CPU完成SV及GOOSE功能过程 Fig. 1 Realization of SV and GOOSE by one

CPU

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。

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。

CPUSV数据处SV编码解网数MACNET据理码络风同暴MACNET步GOOSE数GOOSE编据处理解码抑C制PU间数据CPU交换数SV数据处SV编码解网码络MACNET据理风同MACNETGOOSE数GOOSE编暴步据处理解码抑制图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[6]

。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、

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。

CPUFPGASV数据处理SV编码解NET网GOOSE数据码网络风暴络FPGA处理数据配置总线GOOSE编抑制接NET管理解码口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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0eg2.html