基于FPGA的智能变电站SV和GOOSE的实现

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1、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：TM7690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

2、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

3、。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C

4、PU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

5、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。图1单CPU完成SV及GOOSE功能过程Fig.1RealizationofSVandGOOSEbyoneCP

6、U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

7、作原理如图2所示。图2多CPU完成SV及GOOSE功能过程Fig.2RealizationofSVandGOOSEbymulti-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。2.3CPU+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F

8、PGA的配置管理，其方案工作原理如图3所示。图3CPU+FPGA完成SV及GOO