CN111447516A - 一种基于epon的城市配网广域保护主机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于EPON的城市配网广域保护主机，包括外壳以及安装在外壳内的OLT模块、DSP前置采集模块、DSP逻辑处理模块、通信管理模块和电源模块，OLT模块与若干个既有ONU进行通信，DSP前置采集模块分别与OLT模块和DSP逻辑处理模块进行通信，通信管理模块分别与OLT模块、DSP前置采集模块和DSP逻辑处理模块进行通信，OLT模块、DSP前置采集模块、DSP逻辑处理模块和通信管理模块分别与电源模块相连。与现有技术相比，本发明具有信息交互速度快、抗干扰能力强、处理速度快等优点。
Description
技术领域
本发明涉及配网广域保护技术领域，尤其是涉及一种基于EPON的城市配网广域保护主机。
背景技术
随着城市配电自动化水平的不断提高，配电自动化整体发展带来信息的存贮和流通、运行维护的工作方式、厂站端设备故障处理、运行检修模式和管理层的管理决策等一系列亟需研究的课题。配电自动化及运行管理***是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术，将配电网实时信息、离线信息、用户信息、电网结构参数、地理信息进行集成，构成完整的自动化及运行管理***，从而实现配电***正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和运行管理，使配电自动化与配电运行管理***集成为一体的***。传统配网自动化***通常采用过流保护来隔离故障，存在着故障定位不精确，停电范围广，无法自动恢复供电等缺点。
目前针对广域保护装置的研究不断进行，例如中国专利CN202535154U中公开了一种用于区域电网的广域智能控制主机装置，该装置以DSP处理芯片为核心，使用光纤以太网来采集智能控制单元和电子式互感器合并单元的信息，在进行数据采集时依然由延时，有可能会导致较大事故发生。
同时现有技术中的时间同步技术方法，例如依靠外部同步时钟源进行同步和用过类似于NTP的网络同步协议进行时间同步等方法，都需要依靠外部独立的同步对时装置进行对时，导致整个***存在着架构复杂、不稳定、不可靠、成本高、时间同步精度低等不足。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种信息交互速度快、抗干扰能力强、处理速度快、时间同步更加精确的基于EPON的城市配网广域保护主机。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于EPON的城市配网广域保护主机，包括外壳以及安装在外壳内的OLT模块、DSP前置采集模块、DSP逻辑处理模块、通信管理模块和电源模块；所述的OLT模块与若干个既有ONU进行通信；所述的DSP前置采集模块分别与OLT模块和DSP逻辑处理模块进行通信；所述的通信管理模块分别与OLT模块、DSP前置采集模块和DSP逻辑处理模块进行通信；所述的OLT模块、DSP前置采集模块、DSP逻辑处理模块和通信管理模块分别与电源模块相连。
优选地，所述的广域保护主机设有内部交换机；所述的OLT模块、DSP前置采集模块、DSP逻辑处理模块和通信管理模块分别与内部交换机相连，通过内部交换机进行信息交互。
更加优选地，所述的广域保护主机设有网络隔离变压器；所述的OLT模块、DSP前置采集模块、DSP逻辑处理模块和通信管理模块分别通过网络隔离变压器与内部交换机相连。
优选地，所述的OLT模块通过无源光网络EPON与既有ONU进行通信；所述的OLT模块通过以太网与DSP前置采集模块进行通信。
更加优选地，所述的OLT模块包括FPGA、串行器、OLT光单元、PHY芯片和配置FLASH；所述的OLT光单元、PHY芯片和配置FLASH分别与FPGA相连；所述的PHY芯片通过串行器与FPGA相连。
更加优选地，所述的OLT光单元上设有EPON光接口；所述的无源光网络EPON通过EPON光接口接入OLT模块；所述的PHY芯片上设有以太网接口；所述的OLT模块通过以太网接口分别与DSP前置采集模块和通信管理模块进行通信。
优选地，所述的DSP前置采集模块为CPU处理器。
更加优选地，所述的DSP逻辑处理模块包括DSP芯片和DDR2 SDRAM存储器；所述的DDR2 SDRAM存储器与DSP芯片相连；所述的DSP芯片通过内部交换机分别与OLT模块和DSP前置采集模块进行通信。
优选地，所述的DSP逻辑处理模块内嵌有时间同步算法，该算法包括：
步骤1：OLT模块向ONU发送GATE报文，包括本地时间戳T1、OLT实时时钟TA1和下行路径时延Tdown信息；
步骤2：ONU在接收GATE报文后，判断是否包含有效时钟同步信息，若是，则执行步骤3，否则，返回步骤1；
步骤3：ONU通过GATE报文信息计算OLT的实时时钟TA2，计算方法为：
TA2＝TA1+Tdown
步骤4：ONU计算本地实时时钟TB1与TA2之间的偏差Tdiff；
步骤5：判断Tdiff的绝对值是否大于预设时间偏差门限Tth，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤7；
步骤6：直接将TB1赋值为TA2的值；
步骤7：使用预设的微调步长Tadj对TB1进行逐步校正，直至Tdiff小于预设阈值；
步骤8：完成时间同步。
优选地，所述的广域保护主机设有状态指示模块，该模块安装在外壳上；所述的状态指示模块与DSP逻辑处理模块相连；所述的状态指示模块还与电源模块相连。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、信息交互速度快：本发明中的广域保护主机通过无源光网络EPON与ONU进行信息交互，并且对采集的数据进行对时，保证了数据的同步性；装置内部采用千兆交换机进行信息交互，装置与ONU以及装置内部模块之间的信息交互速度都很快，尽可能的减小数据采集延时。
二、抗干扰能力强：本发明中的OLT模块、DPS前置采集模块和DPS逻辑处理模块分别通过隔离变压器与内部交换机进行通信，使得芯片端与外部隔离，提高了装置的抗干扰能力，同时对新芯片也有较大的保护作用。
三、处理速度快：本发明中的广域保护主机设置有DPS前置采集模块，在DPS芯片对采集数据进行处理前，通过DPS前置采集模块对数据进行预处理，经过预处理后的信息再通过DPS逻辑处理模块进行处理，这样的分级处理方式，大大提高了装置的数据处理速度。
四、时间同步更加精确：本发明中的DSP逻辑处理模块内嵌有时间同步算法，该算法经过频繁的时钟同步，有效的消除了OLT和ONU终端之间因本地晶振存在的固有频偏、温漂而导致的同步偏差，时间同步精度达到纳秒级别。
附图说明
图1为本发明中广域保护主机的框架结构示意图；
图2为本发明中广域保护主机的结构示意图；
图3为本发明中OLT模块的结构示意图。
图中标号所示：
1、外壳，2、OLT模块，3、DSP前置采集模块，4、DSP逻辑处理模块，5、通信管理模块，6、电源模块，7、内部交换机，8、状态指示模块，201、FPGA，202、串行器，203、OLT光单元，204、PHY芯片，205、配置FLASH，206、EPON光接口，207、以太网接口，401、DSP芯片，402、DDR2SDRAM存储器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其结构如图1和图2所示，包括：
外壳1；
OLT模块2，实现IEC61850三网合一功能，通过无源光网络和多个终端ONU通信；
DSP前置采集模块3，用于接收来自OLT模块2的IEC61850报文，并完成报文有效性判别，完成模拟量的线性插值，完成各模拟量对应的数字滤波、FFT计算等，并打包通过内部交换机发送给DSP逻辑处理模块4，可以使用多块DSP前置采集模块协同完成大量的前置数据处理；
DSP逻辑处理模块4，用于完成相关保护和控制功能的逻辑判别、出口控制等功能，需通过内部交换机7与OLT模块2和DSP前置采集模块3通信，最终通过各智能采集控制实现对断路器的控制，保护遥测、遥信、SOE、动作报告、保护录波等数据通过内部交换机发送给通信管理模块5；
通信管理模块5，用于接收来自维护工作站的配置信息，进行一定的预处理后，配置给OLT模块2、DSP前置采集模块3和DSP逻辑处理模块4，同时接收上述模块的状态信息，上传给维护工作站；
电源模块6，用于为各模块供电；
内部交换机7，用于进行各模块间的信息交互；
状态指示模块8，用于对各模块的状态进行指示。
各模块间的连接关系具体为：
OLT模块2、DSP前置采集模块3、DSP逻辑处理模块4、通信管理模块5和电源模块6分别安装在外壳1内；
OLT模块2通过无源光网络EPON与若干个既有的ONU进行通信；
DSP前置采集模块3分别与OLT模块2、DSP逻辑处理模块4进行通信；
通信管理模块5分别与OLT模块2、DSP前置采集模块3和DSP逻辑处理模块4进行通信；
OLT模块2、DSP前置采集模块3、DSP逻辑处理模块4和通信管理模块5分别与电源模块6相连；
OLT模块2、DSP前置采集模块3、DSP逻辑处理模块4和通信管理模块5分别与内部交换机7相连，通过内部交换机7进行模块间的信息交互。
本实施例中的OLT模块2、DSP前置采集模块3、DSP逻辑处理模块4和通信管理模块5分别通过网络隔离变压器与内部交换机7相连，提高装置的抗干扰性能，提高装置的实用性。
下面对各主要模块进行描述：
一、外壳1
本实施例中的外壳1采用4U整层机箱设计，采用嵌入式安装方式，具体尺寸为483mm*177mm*291mm。
二、OLT模块2
本实施例中的OLT模块2基于FPGA平台开发，每个OLT模块2实现一路EPON接口和一路以太网接口，其结构如图3所示，包括FPGA201、串行器202、OLT光单元203、PHY芯片204和配置FLASH205，OLT光单元203、PHY芯片204和配置FLASH205分别与FPGA201相连，PHY芯片204通过串行器202与FPGA201相连。
在OLT光单元203上设有EPON光接口206，无源光网络EPON通过EPON光接口206接入OLT模块2，PHY芯片204上设有以太网接口207，OLT模块2通过以太网接口分别与DSP前置采集模块3和通信管理模块5进行通信。
OLT模块2实现了无源光网络OLT端功能、PON接口IEEE802.3ah MAC协议、MPCP(多点控制报文)协议、DBA动态带宽分配、无源光网络内ONU间报文转发、以太网接口的IEEE802.3 MAC协议、EPON配置管理，负责EPON网络的发现、注册、注销、测距、动态带宽分配、网络报文转发等功能。
每个OLT模块2最大可支持32路ONU接入，主机可以接入多个OLT模块2来进行扩展。
三、前置采集模块3
前置采集模块主要接收来自OLT的IEC61850报文，并完成报文有效性判别，完成模拟量的线性插值，完成各模拟量对应的数字滤波、FFT计算等，并打包通过内部交换机发送给DSP逻辑处理模块，所以可以直接选用常用的CPU完成数据处理即可，除CPU外配置一些例如存储器、通信模块等的***设备即可。
四、DSP逻辑处理模块4
DSP逻辑处理模块4包括DSP芯片401和DDR2 SDRAM存储器402，DDR2SDRAM存储器402与DSP芯片401相连，DSP芯片401通过内部交换机7分别与OLT模块2和DSP前置采集模块3进行通信。
本实施例中DSP芯片401采用TMS320C6455，是TI公司推出的一款新型高性能定点DSP，基于第三代先进VeloviTI VLIW(超长指令字)结构开发出来的新产品。TMS320C6455主频达到了1GHz，1ns的指令周期，每周期执行8条32位指令，最大峰值速度达到8000MIPS。这意味着，在1G时钟频率下，8000个16位*16位的MACs能在1秒钟发生。TMS320C6455还带有SerialRapidIO(r)总线，互连速率每秒高达25Gbits，实现了极高的多处理性能，降低了***消耗，比此前的外部存储器接口快12倍，这使得多DSP级连变得十分方便。TMS320CC6455片内是基于C64xx内核的L1/L2存储结构，片上集成有大量的存储空间。L1P为32K字节，L1D为32K字节，L2为2M字节，比此前C64x器的存储器容量件翻一番，其中L1P和L2都可直接映射到存储空间。
TMS320CC6455的***总线包括：一个内部集成电路总线(I2C)，两个多路缓冲串口总线(McBSPs)，两个64位通用定时器(可以配置成4个32位定时器)，一个可配置的16位或32位主机接口(HPI16/HPI32)，一个PCI总线，一个16管脚的通用输入/输出端口(GPIO)，一个10/100/1000M以太网媒体访问控制器(EMAC)，一个无缝外部存储器接口(64-bit EMIFA)，一个32位DDR2 SDRAM接口.
TMS320C6455带有的DDR2 SDRAM存储器接口，可以实现与32位存储器件的无缝连接。存储器的运行时钟直接由PLL2进行控制，时钟为PLL2输入时钟的10倍。DDR2 SDRAM的刷新由TMS320C6455自动控制。DDR2 SDRAM存储器采用Infineon公司的DDR-500，256M系列芯片。芯片采用BGA封装，使得芯片的性能更稳定。
TMS320CC6455有6种引导模式，分别是不引导、主机引导、EMIFA 8-bit ROM引导、主I2C引导、从I2C引导和串行RapidIO引导。BOOTMODE[3:0]的设置可以选择不同的引导模式。本设计采用EMIFA 8-bit ROM引导，即采用Flash存储器引导。FLASH存储器选用1M*8位的AM29DL800。FLASH存储器主要用于DSPs程序的存储。本***采用EMIFA的8位ROM引导模式。CE3空间被配置成8bit，异步接口。
TMS320CC6455上的EMAC接口为DSP处理内核与网络提供了一个有效的接口。EMAC提供10/100M全双工或半双工，1000M全双工模式传输，并提供硬件流量控制和QOS支持。TMS320CC6455的EMAC接口支持到计算机网络协议的数据链路层，支持标准的MII接口与物理层设备相连。物理层设备使用BROADCOM公司的BCM5464。
DSP逻辑处理模块内嵌有时间同步算法，该算法包括：
步骤1：OLT模块向ONU发送GATE报文，包括本地时间戳T1、OLT实时时钟TA1和下行路径时延Tdown等信息；
步骤2：ONU在接收GATE报文后，判断是否包含有效时钟同步信息，若是，则执行步骤3，否则，返回步骤1；
步骤3：ONU通过GATE报文信息计算OLT的实时时钟TA2，计算方法为：
TA2＝TA1+Tdown
步骤4：ONU计算本地实时时钟TB1与TA2之间的偏差Tdiff；
步骤5：判断Tdiff的绝对值是否大于预设时间偏差门限Tth，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤7，本实施例中偏差门限Tth设置为50μs；
步骤6：直接将TB1赋值为TA2的值；
步骤7：使用预设的微调步长Tadj对TB1进行逐步校正，直至Tdiff小于预设阈值，本实施例中Tadj取值为16ns，预设阈值也设为16ns；
步骤8：完成时间同步。
五、通信管理模块5
本实施例选用了Intel的IXP420芯片为通信管理核心CPU，IXP420网络处理器采用的是XScale架构的RISC处理器内核，是专为网络应用而设计的产品。该处理器集成了两个独立的网络处理引擎NPE，用来执行网络数据处理，这样可以减轻XScale内核的计算量，让它可以集中力量进行普通的计算和任务控制。由于四个处理器在硬件上是独立的，因此可以并行运算从而提高处理效率，除此之外，IXP420也集成了多种常用模块，如USB、UART等以连接不同的外设。
网络处理器引擎NPE是IXP420的一大特点，它的内核是一个多线程的硬件处理器引擎，本身就是133MHz的RISC处理器，拥有独立的数据、指令存储器和指令集。它的主要功能就是用来对那些标准RISC处理器难以高效执行的数据处理任务进行处理。有了NPE和XScale处理器内核的分工合作，IXP420能综合普通数据处理和网络管理任务。
六、状态指示模块8
状态指示模块8安装在外壳1上，该模块与DSP逻辑处理模块4相连，电源模块6为其供电。本实施例中的状态指示模块8具体为状态指示灯，如图2所示，包括运行状态指示灯、报警指示灯、网络状态指示灯、跳闸状态指示灯、重合闸状态指示灯、通信状态指示灯等。
本实施例中广域保护主机的各项性能指标具体为：
(1)机械及环境参数
机箱结构尺寸：483mm×177mm×291mm，采用嵌入式安装；
正常工作温度：-5～40℃；
极限工作温度：-10～55℃；
贮存及运输：-25～70℃。
(2)额定电气参数
直流电源：220V，110V，允许偏差:+15％，-20％；
交流电压：220V；
交流电流：5A，1A
频率：50Hz。
(3)电磁兼容
辐射电磁场干扰试验符合GB/T 14598.9的规定；
快速瞬变干扰试验符合GB/T 14598.10的规定；
静电放电试验符合GB/T 14598.14的规定；
脉冲群干扰试验符合GB/T 14598.13的规定；
射频场感应的传导骚扰抗扰度试验符合GB/T 17626.6的规定；
工频磁场抗扰度试验符合GB/T 17626.8的规定；
脉冲磁场抗扰度试验符合GB/T 17626.9的规定。
(4)绝缘试验
绝缘试验符合GB/T14598.3-93 6.0的规定；
冲击电压试验符合GB/T14598.3-93 8.0的规定。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，包括外壳(1)以及安装在外壳(1)内的OLT模块(2)、DSP前置采集模块(3)、DSP逻辑处理模块(4)、通信管理模块(5)和电源模块(6)；所述的OLT模块(2)与若干个既有ONU进行通信；所述的DSP前置采集模块(3)分别与OLT模块(2)和DSP逻辑处理模块(4)进行通信；所述的通信管理模块(5)分别与OLT模块(2)、DSP前置采集模块(3)和DSP逻辑处理模块(4)进行通信；所述的OLT模块(2)、DSP前置采集模块(3)、DSP逻辑处理模块(4)和通信管理模块(5)分别与电源模块(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的广域保护主机设有内部交换机(7)；所述的OLT模块(2)、DSP前置采集模块(3)、DSP逻辑处理模块(4)和通信管理模块(5)分别与内部交换机(7)相连，通过内部交换机(7)进行信息交互。
3.根据权利要求2所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的广域保护主机设有网络隔离变压器；所述的OLT模块(2)、DSP前置采集模块(3)、DSP逻辑处理模块(4)和通信管理模块(5)分别通过网络隔离变压器与内部交换机(7)相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的OLT模块(2)通过无源光网络EPON与既有ONU进行通信；所述的OLT模块(2)通过以太网与DSP前置采集模块(3)进行通信。
5.根据权利要求4所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的OLT模块(2)包括FPGA(201)、串行器(202)、OLT光单元(203)、PHY芯片(204)和配置FLASH(205)；所述的OLT光单元(203)、PHY芯片(204)和配置FLASH(205)分别与FPGA(201)相连；所述的PHY芯片(204)通过串行器(202)与FPGA(201)相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的OLT光单元(203)上设有EPON光接口(206)；所述的无源光网络EPON通过EPON光接口(206)接入OLT模块(2)；所述的PHY芯片(204)上设有以太网接口(207)；所述的OLT模块(2)通过以太网接口分别与DSP前置采集模块(3)和通信管理模块(5)进行通信。
7.根据权利要求1所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的DSP前置采集模块(3)为CPU处理器。
8.根据权利要求2所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的DSP逻辑处理模块(4)包括DSP芯片(401)和DDR2 SDRAM存储器(402)；所述的DDR2 SDRAM存储器(402)与DSP芯片(401)相连；所述的DSP芯片(401)通过内部交换机(7)分别与OLT模块(2)和DSP前置采集模块(3)进行通信。
9.根据权利要求1所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的DSP逻辑处理模块(4)内嵌有时间同步算法，该算法包括：
步骤1：OLT模块(2)向ONU发送GATE报文，包括本地时间戳T1、OLT实时时钟TA1和下行路径时延Tdown信息；
步骤2：ONU在接收GATE报文后，判断是否包含有效时钟同步信息，若是，则执行步骤3，否则，返回步骤1；
步骤3：ONU通过GATE报文信息计算OLT的实时时钟TA2，计算方法为：
TA2＝TA1+Tdown
步骤4：ONU计算本地实时时钟TB1与TA2之间的偏差Tdiff；
步骤5：判断Tdiff的绝对值是否大于预设时间偏差门限Tth，若是，则执行步骤6，否则，执行步骤7；
步骤6：直接将TB1赋值为TA2的值，然后执行步骤8；
步骤7：使用预设的微调步长Tadj对TB1进行逐步校正，直至Tdiff小于预设阈值，然后执行步骤8；
步骤8：完成时间同步。
10.根据权利要求1所述的一种基于EPON的城市配网广域保护主机，其特征在于，所述的广域保护主机设有状态指示模块(8)，该模块安装在外壳(1)上；所述的状态指示模块(8)与DSP逻辑处理模块(4)相连；所述的状态指示模块(8)还与电源模块(6)相连。
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2020
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