CN105548777A - 基于双cpu并行录波存储的故障录波装置 - Google Patents
基于双cpu并行录波存储的故障录波装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块、电源模块和两个CPU模块,两个所述CPU模块各通过一条独立的千兆网总线与所述FPGA模块进行通信,所述FPGA模块设置有RJ45接口,所述FPGA模块的RJ45接口可通过千兆网向后台或工控机传送IEC61850-9-2报文格式的实时采集数据,所述对时模块同时为所述AD转换模块、所述FPGA模块和两个所述CPU模块提供时间基准信号,所述电源模块为整个故障录波装置供电。本发明解决了目前故障录波装置运行可靠性低、数据存储不合理等技术问题,提高了装置运行、存储可靠性和数据传输速率,具有性能高、兼容性好、可靠性高、稳定性好、应用广泛等特点。
Description
技术领域
本发明属于电力***技术领域,具体涉及一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置。
背景技术
故障录波装置是电力***动态记录过程必不可少的精密设备,是评价继电保护动作行为及分析设备故障性质和原因的重要依据。其主要任务是在电力***发生故障时,自动并准确地记录故障全过程各种电气量的变化情况,通过记录的电气量进行分析处理,从而准确地判断处理故障,保证电力***安全稳定可靠地运行。
随着电力***IEC61850标准的颁布,计算机技术和光纤、网络通信技术的迅猛发展,变电站自动化技术也逐渐由传统变电站向数字化变电站方向发展。传统故障录波装置存在硬件配置较低,***容量小,实用性差等问题,已无法满足电力***故障录波和数据通信的要求。为适应大容量电力***的快速发展,需要拥有高性能坚实硬件和丰富后台软件,具有稳定存储功能、强大网络功能和通信能力的高可靠性故障录波装置。
目前,市场上的故障录波装置主要有以下两种:
其一,大部分故障录波装置采用单个工控模块(又称CPU模块)作为主控处理器,及多处理器并行处理技术来实现实时数据采集、同步信号处理及网络通信等功能;其中,CPU模块与各模块之间通过双口RAM实现数据通讯;CPU模块主要用于对记录数据进行分析处理存储、显示和打印输出,通过联网通讯接口(Ethernet、标准的RS-232等)实现数据共享。
其二,部分故障录波装置采用分布式结构设计,故障录波装置的采集单元采集故障数据后,通过高速PCI-E总线传送到主CPU模块进行分析、处理、存储、显示打印与数据共享。
上述两种故障录波装置存在以下缺陷:
1)故障录波装置各模块之间采用双口RAM实现数据通信,当进行大量数据传输时,由于仲裁机制、时分复用的原因,影响数据传输和处理;
2)采用单CPU模块作为主控处理器,用于数据分析处理、实现人机交互、故障判断、数据存储、远程通讯等功能,一旦运行中CPU模块出现故障,不仅会影响现场装置正常运行,而且导致所有未存入硬盘的录波数据全部丢失;
3)故障录波装置的应用程序和录波数据都存储在一个盘里,硬盘频繁读写导致物理介质损坏,从而导致装置宕机;
4)故障录波装置的分析处理单元采用的CPU处理器性能偏低,速度慢,支持的存储容量小,已无法满足大容量电力***对故障录波装置的处理能力及存储能力方面提出的更高的要求;
5)无硬件压缩功能,硬盘采用2.5吋笔记本硬盘;
6)采集数据无法导出给其他装置,***扩展性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,实现两个硬件结构完全相同且各自独立的CPU模块在同一故障录波装置中以相同的操作***和应用程序同步运行,以提高装置运行和存储的可靠性,解决上述技术问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块、电源模块和两个CPU模块,两个所述CPU模块各通过一条独立的千兆网总线与所述FPGA模块进行通信,所述FPGA模块设置有RJ45接口,所述FPGA模块的RJ45接口可通过千兆网向后台或工控机传送IEC61850-9-2报文格式的实时采集数据,所述对时模块同时为所述AD转换模块、所述FPGA模块和两个所述CPU模块提供时间基准信号,所述电源模块为整个故障录波装置供电。
具体地,所述FPGA模块设置有两个千兆网接口,两个所述CPU模块分别与所述FPGA模块的两个千兆网接口通过千兆网总线连接。
具体地,两个所述CPU模块均包括COME模块、两个千兆网处理器、数据压缩卡、数据存储模块、RJ45接口、USB接口、串口、外接VGA接口和人机交互接口,所述COME模块内置CPU处理器及DDR存储器,两个所述CPU模块之间设置有人机交互接口转换电路,所述人机交互接口转换电路连接有显示器、指示灯、键盘和鼠标,两个所述CPU模块均可与调度主站和调度子站进行通信。
更具体地,所述COME模块同时与两个所述千兆网处理器、所述数据压缩卡、所述数据存储模块、所述USB接口、所述串口、所述外接VGA接口和所述人机交互接口相连接,两个所述千兆网处理器和所述数据压缩卡均通过PCIE总线与所述COME模块连接,其中一个所述千兆网处理器与所述FPGA模块连接,另一个所述千兆处理器与所述CPU模块内的RJ45接口相连,所述数据存储模块通过SATA总线与所述COME模块连接。
更具体地,所述数据存储模块包括一个电子盘和两个硬盘,所述电子盘用于存储故障录波装置的操作***和应用程序,两个所述硬盘分别用于存储暂态数据和稳态数据。
更具体地,所述对时模块向所述COME模块发送时间基准信号。
更具体地,两个所述CPU模块的人机交互接口通过所述人机交互接口转换电路连接。
更具体地,所述DDR存储器的容量大于等于4GB。
更具体地,所述COME模块中的CPU处理器采用低功耗双核四线程处理器。
本发明的有益效果在于:
1)采用高速互连技术结合千兆网,实现板卡和板卡之间多通道的高速数据传输,通过改进交换技术,大大提高数据交换效率,解决了并行总线访问冲突的问题,每个插件分配一条独立的数据传输通道,插件不需要再向***申请带宽,而其总线频率也可以大大提高;
2)两个CPU模块都有独立的接口,且完全可以热备使用,确保数据传输、数据存储、人机交互和通信功能的独立性,提高了装置运行的可靠性;
3)采用多级存储技术,确保录波数据的安全,避免传统故障录波装置的应用程序和数据存储在一个盘里,硬盘物理介质频繁读写损坏造成的装置宕机;
4)CPU模块采用低功耗双核四线程处理器和高带宽内存,为装置提供更先进、卓越的性能,从而提高了***运行处理的效率;
5)采用数据压缩卡压缩数据,数据压缩比达到5:1,延长了整个装置的数据存储时间,硬盘采用2.5吋、7X24小时监控级硬盘,读写次数大大提高;
6)FPGA模块设有RJ45接口可将实时采集数据导出,实现采集数据共享,方便用户分析处理,确保装置分析处理的准确性。
附图说明
图1是本发明所述基于双CPU并行录波存储的故障录波装置的结构示意框图;
图2是本发明所述CPU模块的结构示意框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明:
如图1和图2所示,本发明基于双CPU并行录波存储的故障录波装置包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块、两个CPU模块和电源模块。CPU模块是故障录波装置的核心,一台故障录波装置通过双CPU模块冗余控制,两个CPU模块硬件结构完全相同,且互为冗余,无主次之分,通用性好;此设计保证了***的安全运行,提高了***运行的可靠性。
下面对各个部分模块展开详细的介绍:
模拟量信号调理模块,用于将电力***中输入的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、温度等所有模拟信号,通过互感器隔离变换、隔离运算放大器、线性光耦隔离变换等方式,将输入信号按线性比例转换成0-5V的电压信号输出给AD转换模块。
开关量隔离模块,用于将电力***中输入开关量信号通过光耦隔离,将开关量信号的闭合状态量统一变换成0-5V的高低电平信号输出给AD转换模块。
AD转换模块,用于接收由对时模块发送的时间基准信号、模拟量信号调理模块发送的0-5V电压信号和开关量隔离模块发送的0-5V的高低电平信号,将模拟量信号调理模块发送的信号经AD芯片转换成数字信号,将开关量隔离模块发送的信号经光耦芯片隔离转换成安全开关信号,之后将数字信号和安全开关信号通过地址数据总线发送给FPGA模块。
FPGA模块,用于接收由对时模块发送的时间基准信号和经AD转换模块转换后的数据,并将收到的数据打上分辨率为1us的精确时戳,按4k的巨帧IEC61850-9-2报文格式分别通过两个独立的千兆网接口经千兆网总线传送至CPUA模块、CPUB模块,同时也可通过RJ45接口经千兆网传送至后台或工控机进行分析处理;
对时模块,接收外部1588/PTP报文、或接收光/电IRIG-B码对时信号并解析为有效的时间基准信号(秒脉冲/PPS和串口报文),给装置各模块提供统一的时间基准;同时输出电IRIG-B码对时信号给其他装置进行对时。
CPU模块,主要完成采集数据的分析计算、记录存储等分析处理,还与站控层设备进行通信。用于故障录波时,暂态录波数据处理功能主要完成计算各起动判据,判断是否满足起动定值,如果满足起动条件,则同步开始录波并实现录波数据的记录存储、分析处理、显示打印、远传及远方维护等功能;稳态录波数据处理功能主要完成实时过滤千兆网数据,根据处理判据打上数据标签,将数据压缩后存储在稳态数据硬盘上,便于事后检索、分析处理。
电源模块,采用高效率交直流通用开关电源模块,输入电压幅值范围为AC/DC85~265V,输出电压包括12V、5V和24V三组,电源总输出功率约132W;装置可以双电源冗余供电,也可单电源模块供电。
人机交互接口转换电路,连接LCD显示屏、指示灯、键盘、鼠标、等,完成与人机交互设备之间的信息传输。LCD显示屏采用夏普公司的15吋4:3工业液晶显示屏(例如:LQ15X1LG91),其分辨率为1024×768。
各插件之间采用高速互连技术结合千兆网和高速连接器,保证信号高速、稳定、准确的传输;每个插件分配一条独立的高速数据传输通道,该通道通过基于通用数据传输协议(如TCP/IP协议)的千兆以太网进行数据传输,将数据传输速率提升了十几倍以上,使用维护简单,大大提高了数据通信的可靠性。同时,该通道采用具有低功耗、低误码率、低串扰、低辐射等特点的低电压串行差分信号进行数据传输,结合高速差分接插件,可提供可靠的差分传输方案,实现高达10Gbit/s的接口速率,在FPGA模块与CPU模块之间完成高速、稳定的数据传输,节省了板件的数据传输时间,满足了当前与下一代***的带宽需求。
装置采用多处理器构架,CPU模块选用Intel双核四线程CPU处理器,并在处理器上基于嵌入式Linux操作***作为软件开发平台,Linux操作***为开源***,具有良好的裁剪和可移植性,采用高级语言编程,保证了***的实时性和高可靠性;FPGA模块选用Altera公司提供CycloneIVEFPGA芯片,该系列FPGA具有低成本、高性能和低功耗,并适用于多种通用逻辑应用的功能。
两个硬件结构完全相同的CPU模块在***中并行运行相同的操作***和应用程序,同时接收由对时模块发送的时间基准信号,维持自身时间的准确;两个CPU模块有独立的通道接收数据及收发状态信息,如FPGA模块采集到的数据按4k的巨帧IEC61850-9-2报文格式通过两条独立的千兆网分别传送至CPUA和CPUB模块;两个CPU模块在***中完全独立运行,互不影响;两个CPU模块经软件和人机交互接口转换电路相结合,控制装置前面的液晶显示器和USB接口输出;当其中一个CPU模块发生故障时,可在界面上选择切换到另一个CPU模块显示和前置USB接口输出。
两个CPU模块硬件结构完全相同,均采用工业控制嵌入式低功耗工业级COME模块扩展,具有功能强大、接口丰富、升级方便、可靠性高、功耗低,并满足恶劣工作环境等特点。其配置如下:
CPU:INTEL双核四线程CPU处理器(例如:INTELcore2I34010U),主频1.7GHz以上,功耗15W左右;
内存:DDR3L1600MHz,容量≥4GB,最高16GB;
电子盘:1个,采用4G(8G)SATA-SLIM电子盘,与COME模块的1个SATA接口相连,用于存储操作***和应用程序。
硬盘:2个,分别于COME模块的另外2个SATA接口相连,采用2.5吋、7*24小时工作模式的监控级硬盘,可存储大于7天的实时数据;采样数据(暂态数据和稳态数据)分别单独存储在不同容量的硬盘里;暂态录波数据采用≥500GB硬盘存储,稳态录波数据采用≥1TB硬盘存储。
数据压缩卡:1张可选,选用基于LZS,eLZS和Deflate等标准无损压缩算法以及一套丰富的哈希/验证算法的加密/压缩处理器,通过PCIExpress接口,将待压缩数据传输到数据压缩卡上,经处理器压缩后再通过PCIExpress接口输出回主机存储到相应的硬盘内。读取硬盘内数据时,压缩处理器可将被压缩的数据100%还原到最初的状态,保证了数据压缩的可靠性。
4个RS232/RS485串行接口,1个用于内部对时,3个面板引出;
4个100M/1000Mb/s自适应网络接口,面板引出;
6个USB接口,2个前置,4个面板引出;
1个LVDS显示接口,用于与前面板的15吋液晶显示器相连;1个VGA显示接口,面板引出,可外接显示器。
与现有技术相比较,本专利技术具有以下优势:
1)装置采用高速互连技术结合千兆网和高速连接器,千兆以太网具有带宽高、传输距离远的优点,能够很好的与高速连接器等数据接口融合,***通过TCP/IP协议进行数据传输,使用维护简单,能满足与各种不同的以太网网络环境,增强***的可移植性。***采用串行差分信号的互连技术,可提高总线传输速率,获得更高的带宽,同时具有抗干扰能力强、传输距离远、带负载能力强、连接数少、布线简单、连接器小型化、可扩展性好、便于热插拔和功耗低等特点。
2)在故障录波装置中有两个相互独立且相同的CPU模块,每个CPU模块都有独立的传输通道、存储介质和人机交互接口;两个CPU模块同步运行相同的操作***和应用程序,都可以实时处理网络报文数据和故障录波数据,且互为冗余,无主次之分,通用性好;两个CPU模块完全可以热备使用,当其中一个CPU模块出现故障时,另一个CPU模块可继续运行及存储,不影响装置的正常工作,有效提高故障录波装置运行的稳定性和可靠性。
3)装置采用了多级存储方式,将操作***和应用程序存储在4G/8GSATA-SLIM电子盘里,提高了***运行的速率和安全性;将故障录波数据按暂态数据和稳态数据两种方式分别存储到2个独立的硬盘中,充分保证了故障录波数据的安全性;同时对有故障报文进行分类统计,并将故障报文数据进行了分区、多级存储,既保证了故障网络报文数据的安全性,又方便了问题报文的快速查找。每一个CPU模块都3个独立存储盘,既能保证***运行和数据存储的可靠性,又能保证智能电网海量报文数据的存储。
4)CPU模块采用嵌入式低功耗、高集成度的工业级COME模块,COME模块内置低功耗INTEL双核四线程CPU处理器(例如:INTELcore2I34010U),主频高达1.7GHz以上,功耗15W左右;内存采用容量≥4GB的DDR3L1600系列;且可以兼容不同尺寸和引脚定义的模块,以适应***升级和新技术的不断发展。
5)CPU模块内置可选数据压缩卡,该数据压缩卡选用基于LZS,eLZS和Deflate等标准无损压缩算法以及一套丰富的哈希/验证算法的压缩处理器扩展实现,可实现至少5:1的数据缩减比,从而减少数据的存储空间,提高数据传输、存储和处理效率。
6)装置在FPGA模块上设有RJ45接口,将实时采集数据以IEC61850-9-2报文格式导出给后台或工控机用于分析、处理及存储,实现采集数据共享,保证数据采集的准确性;并可在CPU模块无法分析处理数据时,提供对采集数据进行分析处理存储的功能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,包括模拟信号调理模块、开关量隔离模块、AD转换模块、对时模块、FPGA模块和电源模块,其特征在于:还包括两个CPU模块,两个所述CPU模块各通过一条独立的千兆网总线与所述FPGA模块进行通信,所述FPGA模块设置有RJ45接口,所述FPGA模块的RJ45接口可通过千兆网向后台或工控机传送IEC61850-9-2报文格式的实时采集数据,所述对时模块同时为所述AD转换模块、所述FPGA模块和两个所述CPU模块提供时间基准信号,所述电源模块为整个故障录波装置供电。
2.根据权利要求1所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:所述FPGA模块设置有两个千兆网接口,两个所述CPU模块分别与所述FPGA模块的两个千兆网接口通过千兆网总线连接。
3.根据权利要求1所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:两个所述CPU模块均包括COME模块、两个千兆网处理器、数据压缩卡、数据存储模块、RJ45接口、USB接口、串口、外接VGA接口和人机交互接口,所述COME模块内置CPU处理器及DDR存储器,两个所述CPU模块之间设置有人机交互接口转换电路,所述人机交互接口转换电路连接有显示器、指示灯、键盘和鼠标,两个所述CPU模块均可与调度主站和调度子站进行通信。
4.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:所述COME模块同时与两个所述千兆网处理器、所述数据压缩卡、所述数据存储模块、所述USB接口、所述串口、所述外接VGA接口和所述人机交互接口相连接,两个所述千兆网处理器和所述数据压缩卡均通过PCIE总线与所述COME模块连接,其中一个所述千兆网处理器与所述FPGA模块连接,另一个所述千兆处理器与所述CPU模块内的RJ45接口相连,所述数据存储模块通过SATA总线与所述COME模块连接。
5.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:所述数据存储模块包括一个电子盘和两个硬盘,所述电子盘用于存储故障录波装置的操作***和应用程序,两个所述硬盘分别用于存储暂态数据和稳态数据。
6.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:所述对时模块向所述COME模块发送时间基准信号。
7.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:两个所述CPU模块的人机交互接口通过所述人机交互接口转换电路连接。
8.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:所述DDR存储器的容量大于等于4GB。
9.根据权利要求3所述的基于双CPU并行录波存储的故障录波装置,其特征在于:所述COME模块中的CPU处理器采用低功耗双核四线程处理器。
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