CN104901905B - 一种智能变电站专用网络交换机及其数据交换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能变电站专用网络交换机及其数据交换方法，其技术特点是：包括多个业务FPGA和中央处理器，各业务FPGA依次连接并构成数据传输回路；业务FPGA用于智能变电站中二次设备产生的报文的输入、传输、识别、处理及输出，任一业务FPGA还用于对其他业务FPGA进行时钟同步；中央处理器用于为进入数据传输回路的报文配置包括起始地址和目的地址的标识信息，以及对各业务FPGA分别配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址进而助于根据标识信息对相应的报文进行识别和处理。本发明能够对各业务回路配置含起始地址和目的地址的标识信息并分配独立通道，能够准确完整、实时地实现报文的传输，保证了信号传递的完整性、实时性以及同步性。
Description
技术领域
本发明属于智能变电站技术领域，尤其是一种智能变电站专用网络交换机及其数据交换方法。
背景技术
智能变电站相对于传统变电站，一个重要的改变就是信号传递的通信化、二次回路虚拟化，所有的二次回路关系均可通过网络的关联实现，目前这种关联主要通过以下方式实现：
(1)对于点对点连接方式，二次回路中信号的关联通过光纤硬连接承载并实现；
(2)在组网连接方式中，二次回路中信号的关联，一种方法是通过静态的vlan划分，并对交换机和二次设备进行事先配置来实现的；
(3)在组网连接方式中，二次回路中信号的关联，另一种方法是通过静态的vlan划分，对二次设备进行事先配置，并通过GMRP方式来实现的。
在连接方式(1)中，由于采用了物理直接连接，信号采用点对点方式传递，最大限度地保证了信号传输的完整性、同步性和实时性，使得二次回路的特征得以完全保证，但同时也应该看到，这种方式从本质上来看与传统变电站的运行方式并没有区别：
其一、由于物理点对点连接造成的物理隔离，使得信号共享无法实现，从而在很大程度上限制了变电站的信息化程度，进而使得变电站的智能化程度大打折扣。
其二、信息无法监视，传输过程无法控制，由于光纤为信号传输的唯一物理载体，使得信息传输在物理上就不具备可见实行和可控性。
其三、由于信息点对点传输要求大量光纤的长距离传输，导致施工和维护的复杂程度较之传统变电站大大增加；这两方面的问题使得智能变电站的设备可维护性以及运行的可监视性均的大大降低，不利于提高变电站智能化程度的提高。
在连接方式(2)、(3)中，情况却刚好相反，虽然从理论上来看，组网方式为信号的共享提供了可能(尽管在实际实施过程中，做得还不甚到位)，为变电站的智能化提供了信息保证，但在具体的实施过程中，却由于受网络交换机本身固有特征的，使得信号传递的完整性、实时性和同步性难以得到保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种智能变电站专用网络交换机及其数据交换方法，用以解决信号传递的完整性、实时性以及同步性的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种智能变电站专用网络交换机，包括多个业务FPGA和分别与各业务FPGA相连接的中央处理器，各业务FPGA依次连接并构成数据传输回路；所述业务FPGA用于智能变电站中二次设备产生的报文的输入、传输、识别、处理及输出，任一业务FPGA还用于对其他业务FPGA进行时钟同步；所述中央处理器用于为进入数据传输回路的报文配置包括起始地址和目的地址的标识信息，以及对各业务FPGA分别配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址进而助于根据标识信息对相应的报文进行识别和处理，同时，为各业务FPGA配置指示可处理的报文类型的回路表。
而且，所述业务FPGA至少包括接入端口、输入端口以及输出端口，所述业务FPGA的接入端口用于与智能变电站中的二次设备进行连接进而接收报文的输入，所述业务FPGA的输出端口用于与其他业务FPGA的输入端口连接，所述业务FPGA的输入端口用于与其他FPGA的输出端口连接进而构成数据传输回路。
而且，所述网络交换机还包括一个连接于任意两个相邻业务FPGA之间的环FPGA，该环FPGA用于报文的传输以及与另一网络交换机的环FPGA进行连接构成环路进而实现多个网络交换机之间报文的传输；所述环FPGA至少包括输入端口、输出端口、环网输入端口以及环网输出端口，所述环FPGA的输入端口与一业务FPGA的输出端口连接，所述环FPGA的输出端口与另一业务FPGA的输入端口连接，所述环FPGA的环网输入端口、环网输出端口分别用于与其他网络交换机的环FPGA的环网输出端口、环网输入端口连接以构成环路。
而且，所述业务FPGA处理速率为百兆级，所述环FPGA处理速率为千兆级。
而且，所述业务FPGA和所述环FPGA还用于对报文的传输进行流量控制和延时控制。
而且，所述业务FPGA还用于在所述报文是第一帧报文时，根据回路表检测其是否允许所述类型的报文进入处理；如果所述业务FPGA不允许所述类型的报文进入处理，则业务FPGA询问所述中央处理器是否允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理；如果所述中央处理器允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理，则所述业务FPGA将所述报文的类型写入其配置表中，并允许后续相同类型的报文进入处理。
一种智能变电站专用网络交换机的数据交换方法，包括以下步骤：
步骤1、采用多个业务FPGA依次连接构建数据传输回路；
步骤2、采用中央处理器为各业务FPGA分别配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址、并为各业务FPGA配置指示可处理的报文类型的回路表，为进入数据传输回路的报文配置包括起始地址和目的地址的标识信息；
步骤3、利用任一业务FPGA对其余各业务FPGA进行时钟同步；
步骤4、报文传输过程中，各业务FPGA根据报文所携带的标识信息识别相应的报文并对其进行处理。
而且，在所述报文传输过程中，还包括对报文的传输进行流量控制和延时控制。
而且，所述对报文的传输进行延时控制的具体处理方法为：对每一帧报文的延时进行测量，将测量得到的实际延时添加在每一帧报文中供延时保护处理；或者，对每一帧报文固定延时，通过配置强制各帧报文在所述数据传输回路中驻留固定的时间供延时保护处理。
而且，所述报文传输的具体处理过程为：
(1)如果所述报文是第一帧报文，所述业务FPGA根据回路表检测其是否允许所述类型的报文进入处理；
(2)如果所述业务FPGA不允许所述类型的报文进入处理，所述业务FPGA询问所述中央处理器是否允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理；
(3)如果所述中央处理器允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理，则所述业务FPGA将所述报文的类型写入其回路表中，并允许后续相同类型的报文进入处理。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其通过采用多个业务FPGA依次连接构建成数据传输回路，对各业务回路配置含起始地址和目的地址的标识信息并分配独立通道，从而使回路的传输具备点对点的传输特征，能够在保证回路同步性的前提下准确完整、实时地实现报文的传输，从而解决智能变电站过程层信息传送可靠性和共享性之间的差别。
附图说明
图1是智能变电站专用网络交换机一种实施方式的结构示意图；
图2是智能变电站专用网络交换机另一种实施方式的结构示意图；
图3是智能变电站专用网络交换机的数据交换方法一种实施方式的流程图。
图4是智能变电站专用网络交换机的数据交换方法另一实施方式的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种智能变电站专用网络交换机的一个实施例，如图1所示，包括业务FPGA和CPU(即中央处理器)，该业务FPGA数量为多个，该CPU数量为一个。所述CPU分别与各业务FPGA进行连接，在本实施例中，CPU通过总线与各业务FPGA进行连接，各FPGA依次连接并构成数据传输回路。所述业务FPGA至少包括接入端口、输入端口以及输出端口，业务FPGA的接入端口用于与智能变电站中的二次设备进行连接进而接收报文的输入，业务FPGA的输出端口用于与其他FPGA的输入端口连接、输入端口用于与其他FPGA的输出端口连接进而构成数据传输回路。当然，该业务FPGA还包括控制端口(图中未示出)，该控制端口用于通过总线与CPU进行连接。以图1所示的由四个业务FPGA构成数据传输回路为例进行说明，其中，业务FPGA(10)的输出端口(103)连接业务FPGA(11)的输入端口(112)，业务FPGA(11)的输出端口(113)连接业务FPGA(12)的输入端口(122)，业务FPGA(12)的输出端口(123)连接业务FPGA(13)的输入端口(132)，业务FPGA(13)的输出端口(133)连接业务FPGA(10)的输入端口(102)，进而构成完整的数据传输回路，各业务FPGA(10、11、12、13)的控制端口分别连接至CPU(20)，并可在任一业务FPGA(10、11、12、13)的接入端口连接二次设备，可在业务FPGA(10)的接入端口(101)连接该二次设备30。
在该实施方式中，业务FPGA(10、11、12、13)主要用于智能变电站中二次设备产生的报文(如GOOSE报文、SV报文、MMS报文及IP报文等)的输入、传输、识别、处理及输出，并且，任一业务FPGA均可以用于对其他各业务FPGA进行时钟同步。因为交换机中对各业务FPGA的时钟同步所需要的处理时间要求高，因此选用处理速度快的纯硬件电路FPGA来进行时钟同步。进一步地，因为FPGA是高性能的可编程逻辑器件，它集成度高，器件密度可高达数千万***门，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计，因而利用FPGA的这个特征可以实现大量信号传输从发送端到接收端的固定电路，从而在微观上实现点对点传输，因此主要用来负责本发明中的网络业务传输。
在该实施方式中，CPU(20)主要用于为进入该数据传输回路的报文配置包括起始地址和目的地址的标识信息，以及对各业务FPGA(10、11、12、13)分别配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址进而助于根据标识信息对相应的报文进行识别和处理，同时，还为各业务FPGA(10、11、12、13)配置指示可处理的报文类型的回路表。因为这些用途对处理时间要求并不高，进而可以选用传统的低功耗器件CPU进行，利用CPU可以充分利用软件灵活性大的特点，进行多种功能设计。通过对各业务FPGA配置具有唯一性的地址、并为报文配置标识信息，报文在数据传输回路中传输时，能够找到正确的目的业务FPGA，由该业务FPGA对报文进行识别和处理，能够有效防止“网络风暴”的产生。当然，该CPU(20)还可以用于检测各业务FPGA(10、11、12、13)是否配置了相同的MAC地址和/或IP地址，当存在配置地址相同的业务FPGA时，至少对该相同的两个或多个业务FPGA进行重新配置，以确保地址唯一性。
一种智能变电站专用网络交换机的另一个实施例，如图2所示，网络交换机还可以包括一个环FPGA，该环FPGA连接于任意两个相邻业务FPGA之间，其用于报文的传输及用于与另一网络交换机的环FPGA进行连接构成环路进而实现多个网络交换机之间报文的传输，可以扩展交换机的使用范围、连接更多的二次设备。具体而言，环FPGA至少包括输入端口、输出端口、环网输入端口以及环网输出端口，环FPGA的输入端口与一业务FPGA的输出端口连接，环FPGA的输出端口与另一业务FPGA的输入端口连接，环FPGA的环网输入端口、环网输出端口分别用于与其他网络交换机的环FPGA的环网输出端口、环网输入端口连接以构成环路。以图2所示，两个网络交换机(100、200)构成环路，其中，环FPGA(14)设置于业务FPGA(11)和业务FPGA(12)之间，具体的，环FPGA(14)的输入端口(142)连接业务FPGA(11)的输出端口(113)，环FPGA(14)的输出端口(143)连接业务FPGA(12)的输入端口(122)，环FPGA(14)的环网输入端口(144)连接网络交换机(200)中环FPGA24的输出端口(245)，而环FPGA(14)的环网输出端口(145)与环FPGA24的输入端口(244)相连构成环路。
上述实施方式中，业务FPGA(10、11、12、13)处理速率可以为百兆级以满足信号的快速传输，而由于环FPGA(14)还要用于连接其他交换机，其信号传递量相较于业务FPGA(10、11、12、13)处理更大，因此可以选用处理速率为千兆级的环FPGA。
在优选实施方式中，各业务FPGA(10、11、12、13)和环FPGA(14)还可以用于对报文的传输进行流量控制和延时控制，进行流量控制能够防止交换机内数据拥堵，进行延时控制有利于信号传输的同步性。
在优选实施方式中，各业务FPGA(10、11、12、13)还用于在报文是第一帧报文时，根据回路表检测其是否允许该类型的报文进入处理；如果业务FPGA(10、11、12、13)不允许该类型的报文进入处理，业务FPGA(10、11、12、13)询问CPU(20)是否允许该类型的报文进入业务FPGA(10、11、12、13)处理；如果CPU(20)允许该类型的报文进入业务FPGA(10、11、12、13)处理，则业务FPGA(10、11、12、13)将报文的类型写入其配置表中，并允许后续相同类型的报文其中进入处理。在后续报文传输过程中，为配置在回路表的类型的报文、以及未指定起始地址和目的地址的报文直接被抛弃，也能够有效避免“网络风暴”的产生，进而防止该网络交换机使用瘫痪。
一种智能变电站专用网络交换机的数据交换方法，如图3所示，包括如下步骤：
步骤S1，采用多个业务FPGA依次连接构建数据传输回路。
步骤S2，采用CPU为各业务FPGA分别配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址、并为各业务FPGA配置指示可处理的报文类型的回路表，为进入数据传输回路的报文配置包括起始地址和目的地址的标识信息。
步骤S3，利用任一业务FPGA对其余各FPGA进行时钟同步。
步骤S4，报文传输过程中，各业务FPGA根据报文所携带的标识信息识别相应的报文并对其进行处理。
在步骤S4中，还可以包括：对报文的传输进行流量控制和延时控制。
具体而言，在步骤S4中，在对报文的传输进行延时控制的步骤中，可以通过如下两种方式进行延时控制：
其一、对每一帧报文的延时进行测量，将测量得到的实际延时添加在每一帧报文中供延时保护处理。
其二、对每一帧报文固定延时，通过配置强制各帧报文在数据传输回路中驻留固定的时间供延时保护处理。
在一优选实施方式中，如图4所示，具体在步骤S4，即在报文传输过程中，还包括：
步骤S41、如果报文是第一帧报文，业务FPGA根据回路表检测其是否允许该类型的报文进入处理；
步骤S42、如果业务FPGA不允许该类型的报文进入处理，业务FPGA询问CPU是否允许该类型的报文进入业务FPGA处理；
步骤S43、如果CPU允许该类型的报文进入业务FPGA处理，则业务FPGA将报文的类型写入其回路表中，并允许后续相同类型的报文进入处理。
本发明通过采用多个业务FPGA依次连接构建成数据传输回路，对各业务FPGA配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址，同时对报文配置含起始地址和目的地址的标识信息，相当于信号(即报文)的点对点的传输，能够准确完整、实时地实现报文的传输；通过对交换机中各业务FPGA统一时钟，能够保证信号传递的同步性。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种智能变电站专用网络交换机，其特征在于：包括多个业务FPGA和分别与各业务FPGA相连接的中央处理器，各业务FPGA依次连接并构成数据传输回路；所述业务FPGA用于智能变电站中二次设备产生的报文的输入、传输、识别、处理及输出，任一业务FPGA还用于对其他业务FPGA进行时钟同步；所述中央处理器用于为进入数据传输回路的报文配置包括起始地址和目的地址的标识信息，以及对各业务FPGA分别配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址进而助于根据标识信息对相应的报文进行识别和处理，同时，为各业务FPGA配置指示可处理的报文类型的回路表；所述业务FPGA至少包括接入端口、输入端口以及输出端口，所述业务FPGA的接入端口用于与智能变电站中的二次设备进行连接进而接收报文的输入，所述业务FPGA的输出端口用于与其他业务FPGA的输入端口连接，所述业务FPGA的输入端口用于与其他FPGA的输出端口连接进而构成所述数据传输回路；
所述网络交换机还包括一个连接于任意两个相邻业务FPGA之间的环FPGA，该环FPGA用于报文的传输以及与另一网络交换机的环FPGA进行连接构成环路进而实现多个网络交换机之间报文的传输；所述环FPGA至少包括输入端口、输出端口、环网输入端口以及环网输出端口，所述环FPGA的输入端口与一业务FPGA的输出端口连接，所述环FPGA的输出端口与另一业务FPGA的输入端口连接，所述环FPGA的环网输入端口、环网输出端口分别用于与其他网络交换机的环FPGA的环网输出端口、环网输入端口连接以构成环路。
2.根据权利要求1所述的一种智能变电站专用网络交换机，其特征在于：所述业务FPGA处理速率为百兆级，所述环FPGA处理速率为千兆级。
3.根据权利要求1所述的一种智能变电站专用网络交换机，其特征在于：所述业务FPGA和所述环FPGA还用于对报文的传输进行流量控制和延时控制。
4.根据权利要求1所述的一种智能变电站专用网络交换机，其特征在于：所述业务FPGA还用于在所述报文是第一帧报文时，根据回路表检测其是否允许所述类型的报文进入处理；如果所述业务FPGA不允许所述类型的报文进入处理，则业务FPGA询问所述中央处理器是否允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理；如果所述中央处理器允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理，则所述业务FPGA将所述报文的类型写入其配置表中，并允许后续相同类型的报文进入处理。
5.一种如权利要求1至4任一项所述智能变电站专用网络交换机的数据交换方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采用多个业务FPGA依次连接构建数据传输回路；
步骤2、采用中央处理器为各业务FPGA分别配置具有唯一性的MAC地址和/或IP地址、并为各业务FPGA配置指示可处理的报文类型的回路表，为进入数据传输回路的报文配置包括起始地址和目的地址的标识信息；
步骤3、利用任一业务FPGA对其余各业务FPGA进行时钟同步；
步骤4、报文传输过程中，各业务FPGA根据报文所携带的标识信息识别相应的报文并对其进行处理。
6.根据权利要求5所述的一种智能变电站专用网络交换机的数据交换方法，其特征在于：在所述报文传输过程中，还包括对报文的传输进行流量控制和延时控制。
7.根据权利要求6所述的一种智能变电站专用网络交换机的数据交换方法，其特征在于：所述对报文的传输进行延时控制的具体处理方法为：对每一帧报文的延时进行测量，将测量得到的实际延时添加在每一帧报文中供延时保护处理；或者，对每一帧报文固定延时，通过配置强制各帧报文在所述数据传输回路中驻留固定的时间供延时保护处理。
8.根据权利要求5所述的一种智能变电站专用网络交换机的数据交换方法，其特征在于：所述报文传输的具体处理过程为：
(1)如果所述报文是第一帧报文，所述业务FPGA根据回路表检测其是否允许所述类型的报文进入处理；
(2)如果所述业务FPGA不允许所述类型的报文进入处理，所述业务FPGA询问所述中央处理器是否允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理；
(3)如果所述中央处理器允许所述类型的报文进入所述业务FPGA处理，则所述业务FPGA将所述报文的类型写入其回路表中，并允许后续相同类型的报文进入处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |