專利名稱：一種智能變電站過程層報文線性處理架構及其處理方法
技術領域：
本發明涉及一種網絡數據處理方法，具體來說涉及一種智能變電站過程層報文線性處理架構及其處理方法。
背景技術：
隨著計算機和通信技術更加廣泛的應用于變電站的綜合自動化系統，變電站的二次設備及其之間的通信行為日趨數字化和智能化，特別是在IEC 61850國際規約的發布之后，智能變電站建設和傳統變電站智能化的改造更是方興未艾。智能變電站一個很重要的特點就是信息的共享程度較傳統變電站有了很大的提高，傳統的復雜二次電纜接線逐步被簡約的光纜接線所取代，二次的電壓、電流以及開關量的信號均通過報文的形式進行傳遞， 其中電壓、電流值是通過SV報文進行傳輸的，開關量是通過GOOSE報文傳遞的。
雖然在很多方面，智能變電站都較傳統變電站有了很多變化，但是在從電壓、電流信號的采集到處理的工作上，現在很多智能變電站的試點還是沿用傳統變電站的數據采集和處理體系架構。
如圖1所示，二次的電壓、電流信號首先經過中間電壓/電流互感器變成更低的交流信號，多路模擬開關根據輸入的地址信號，選擇其中的一條通路作為輸出信號。再經過采樣/保持器。采樣/保持器的功能是在采樣狀態下，輸出跟隨輸入的變化而變化；在保持狀態下，輸出等于輸入保持狀態時輸入的瞬時值。采樣/保持器的輸出信號送往A/D轉換器進行A/D轉換，最后將數字信號送往CPU進行處理。
CPU控制采樣處理的流程圖如圖2所示。每當選定的通路經過A/D轉換結束后， CPU響應中斷，讀入轉換的結果，當一條線路一個周期采樣結束之后，CPU就對這一個周期的采樣數據進行處理。
可見，傳統的變電站采樣處理是以一個周波為單位的，每接收和處理一個周波的采樣值都需要CPU響應一次中斷，這是同X86CPU的體系架構有關的。每一條SV報文一般情況下只包含一個電壓/電流采樣點的信息，對于保護用的采樣值信息，采樣率為80點/周波，X86體系架構的CPU每接收和解析一個數據報文需中斷一次，那么在智能變電站的情況下，CPU的需要在一個周波的時間內中斷80次，1秒鐘就要中斷4000次，這無疑會占用CPU 大量的資源，降低報文的接收和處理效率。發明內容
本發明的目的在于提供一種智能變電站過程層報文線性處理架構，該架構簡單、 模塊清晰、擴展性能強，適合智能變電站大量網絡數據信息的接收和處理工作，消除了原有方法的報文處理瓶頸，使得智能變電站的運行更加可靠和安全。
本發明的另一目的在于提供一種智能變電站過程層報文線性處理方法，該方法可以實現在無需處理器響應中斷的前提下對智能變電站報文進行線性接收和處理，消除了因高頻率的中斷帶來的CPU數據包接收和處理的瓶頸問題。
本發明的目的可通過以下的技術措施來實現
一種智能變電站過程層報文線性處理架構，包括相互連接的網絡處理器、數據包輸入處理單元和隨機存儲器；所述數據包輸入處理單元為硬件協處理單元，設有網絡報文接口，負責網絡報文的接收與分發并直接訪問隨機存儲器空間，同時發出事件消息給網絡處理器。
所述網絡處理器包含至少6個微引擎，所有微引擎共享隨機存儲器的空間。
所述隨機存儲器為同步動態隨機存儲器(SDRAM)、靜態隨機存儲器(SRAM)或三態內容尋址存儲器(TCAM)。
本發明還提供一種智能變電站過程層報文線性處理方法，包括如下步驟
1)、當有報文到達報文接入口時，數據包輸入處理單元接收報文，并將報文放入隨機存儲器(RAM)的報文緩存區域，同時根據報文的以太網ID識別報文種類，再根據報文種類傳遞事件消息和指針給網絡處理器的相關微引擎；
2)、微引擎1處理面向變電站事件的通用對象(GOOSE，Generic Object Oriented Substation)報文，解析整個數字化變電站過程層的事件信息，并將報文放入隨機存儲器 (RAM)的緩存區域；
3)、微引擎2處理采樣值(SV，Sampled Value)報文，解析整個數字化變電站的采樣值信息，并將報文放入隨機存儲器(RAM)的緩存區域；
4)、微引擎3處理互聯網協議(IP，Internet Protocol)報文，解析整個數字化變電站的IEEE1588實時情況和整個數字化變電站站控層制造報文規范(MMS) (MMS)協議工作情況，并將報文放入隨機存儲器(RAM)的緩存區域；
5)、當微引擎1或者微引擎2解析發現電力系統發生異常事件時，發送消息事件和指針給微引擎4，微引擎4啟動故障錄波，將相關報文放入隨機存儲器(RAM)的故障錄波緩存區域；
6)、微引擎5不停地檢測存儲緩存和故障錄波緩存，當發現這兩個緩存有新的報文數據時，將新數據放入存儲設備；
7)、微引擎6負責運行實時預警、離線分析程序。
所述IP(互聯網協議hternet Protocol)報文包括IEEE1588(網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準)報文和MMS(制造報文規范Manufacturing Message Specification)報文。
所述存儲設備為磁盤或存儲陣列。
本發明對比現有技術，有如下優點
該架構簡單、模塊清晰、擴展性能強，適合智能變電站大量網絡數據信息的接收和處理工作，消除了原有方法的報文處理瓶頸，使得智能變電站的運行更加可靠和安全。該方法可以實現在無需處理器響應中斷的前提下對智能變電站報文進行線性接收和處理，消除了因高頻率的中斷帶來的CPU數據包接收和處理的瓶頸問題。
圖1是傳統的電壓、電流采樣處理硬件結構圖2是傳統變電站接收和處理信息的流程圖3是本發明利用網絡處理器的報文處理架構示意圖4是網絡處理器可編程流水線的處理流程圖5是本發明智能變電站過程層報文線性處理方法的處理流程圖。
具體實施方式
圖3示出了本發明的智能變電站過程層報文線性處理架構，包括相互連接的網絡處理器、數據包輸入處理單元和隨機存儲器；所述數據包輸入處理單元為硬件協處理單元， 設有網絡報文接口，負責網絡報文的接收與分發并直接訪問隨機存儲器空間，同時發出事件消息給網絡處理器。虛線框內代表網絡處理器的CPU部分。NP內部集成了 6個數據報文處理的微引擎，6個微引擎共享隨機存儲器(RAM)空間。
網絡處理器是一種可編程器件，它特定的應用于通信領域的各種任務，比如包處理、協議分析、路由查找、聲音/數據的匯聚、防火墻、QoS等。除了可以提供類似傳統成品 CPU的強大可編程功能，同時又具有ASIC實現數據包處理的能力。網絡處理器器件內部通常由若干個微碼處理器和若干硬件協處理器組成，多個微碼處理器在網絡處理器內部并行處理，通過預先編制的微碼來控制處理流程。而對于一些復雜的標準操作(如內存操作、路由表查找算法、QoS的擁塞控制算法、流量調度算法等)則采用硬件協處理器來進一步提高處理性能，從而實現了業務靈活性和高性能的有機結合。
NP的體系架構在很大程度上依賴它所具備的功能，根據應用的需求，可以采用不同的組網方式，靈活地構造出不同種類的處理平臺。對于不同種類的處理平臺，整個系統架構基本上保持一致，主要包括控制平面、數據平面和管理平面。控制平面主要實現各種設備的驅動和協議報文的處理，數據平面通過可編程流水線的微碼實現分組轉發功能，管理平面負責整個系統的OAM(運營、管理和維護)。
NP主要由4個單元組成共享內存交換單元、流水線單元、內部集成的微引擎單元和流量管理單元。共享內存交換單元提供4M的內存空間，主要用于存儲數據包，其中包括很多子單元，例如輸入仲裁單元、隊列映射單元和隊列調度單元等。內部微引擎和流水線是NP最核心的單元，它們完成NP的所有功能。
NP還提供了多個網絡報文接口，可以接入多路千兆以太網。數據包輸入處理單元 (PIP)是一個專用的硬件協處理單元，它負責網絡報文的接收與分發。PIP能夠直接訪問 RAM空間，能夠在無需微引擎處理的情況下將從網絡接口接收的報文存儲到RAM的緩存區域，同時發出事件消息(EVENT)給微引擎。PIP具有編程能力，能夠根據以太網ID識別網絡報文的種類，并且根據報文的分類將事件消息傳送給指定的微引擎。6個微引擎共同發揮報文解析的作用，每個微引擎獨立工作，并行處理，消除了報文處理的瓶頸；高速的PIP硬件協處理器保證了 NP的高速接入能力。
NP的可編程流水線由若干數據包指令設置計算機組件和與之相對應的微引擎訪問點構成，如圖4所示。每個數據包指令設置計算機組件內部集成了若干個處理器，所有的微引擎線形排列成一條流水線。數據包指令設置計算機組件內部的處理器每執行一個指令字操作時，最多完成5條指令的執行。每個處理器存儲64條指令字，可編程的微碼存儲于該指令字中。微引擎訪問點可以任意地接入微引擎，通過微引擎訪問外部的SDRAM(同步動態隨機存儲器)、SRAM(靜態隨機存儲器)和TCAM(三態內容尋址存儲器)，完成對各種表項的查找和數據包的緩存。
對于需要進行流水線處理的數據包，首先進入SMS (共享內存交換)，將數據包的前256個字節發送到流水線輸入仲裁，進行數據包分片和上下文初始化，而數據包的尾部存儲在4M空間的數據包緩存中。數據包進入流水線后，數據包的分片0攜帶上下文進入數據包指令設置計算機組件的處理器0，完成相關的指令操作后，分片0攜帶上下文傳遞給處理器1，分片1傳遞給處理器0不執行任何操作，隨后分片0繼續向前移動，分片2、分片3 相繼進入處理器中。在此過程中，只有攜帶了上下文的數據包片段才被處理。對單個數據包而言，流水線的處理實質是一種串行處理機制。當處理器需要處理數據包分片1的信息時，可以采用滑動處理機制。數據包的分片0攜帶上下文進入處理器0，完成具體的指令操作后，分片0傳遞給處理器1，數據包上下文在處理器0中等待一個時鐘周期，直到分片1到達，才處理分片1的相關信息。
整個裝置功能強大，架構簡單，模塊化清晰。任何擴展功能都可以在增加的微引擎上運行，對網絡報文處理性能不造成影響。經實驗測試，采用該款NP的網絡報文記錄與分析裝置可以保證處理至少640mbps流量的數字化變電站網絡報文，對應40個間隔(80個MU)的數字化變電站網絡流量。真正做到了一臺裝置實現整個數字化變電站的絡報文記錄與分析。
本發明的智能變電站過程層報文線性處理方法如圖5所示，包括如下步驟
1)、當有報文到達報文接入口時，數據包輸入處理單元接收報文，并將報文放入隨機存儲器的報文緩存區域(RAM區域)，同時根據報文的以太網ID識別報文種類，再根據報文種類傳遞事件消息(EVENT)和指針給網絡處理器的相關微引擎；
2)、微引擎1處理GOOSE (面向變電站事件的通用對象Generic Object Oriented Substation)報文，解析整個數字化變電站過程層的事件信息，并將報文放入隨機存儲器 (RAM)的緩存區域；
3)、微引擎2處理SV(采樣值Sampled Value)報文，解析整個數字化變電站的采樣值信息，并將報文放入隨機存儲器(RAM)的緩存區域；
4)、微引擎3處理IP (互聯網協議hternet Protocol)報文，解析整個數字化變電站的IEEE1588對時情況和整個數字化變電站站控層MMS協議工作情況，并將報文放入隨機存儲器(RAM)的緩存區域；
5)、當微引擎1或者微引擎2解析發現電力系統發生異常事件時，發送消息事件和指針給微引擎4，微引擎4啟動故障錄波，將相關報文放入隨機存儲器(RAM)的故障錄波緩存區域；
6)、微引擎5不停地檢測存儲緩存和故障錄波緩存，當發現這兩個緩存有新的報文數據時，將新數據放入存儲設備(磁盤或存儲陣列)；
7)、微引擎6負責運行實時預警、離線分析程序。
本發明利用網絡處理器(NP)來代替X86體系結構的CPU，可以實現智能變電站報文(SV和G00SE)無需處理器響應中斷的線性接收和處理，消除了因高頻率的中斷帶來的 CPU數據包接收和處理的瓶頸問題。
本發明的實施方式不限于此，在本發明上述基本技術思想前提下，按照本領域的普通技術知識和慣用手段對本發明內容所做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發明權利保護范圍之內。
權利要求
1.一種智能變電站過程層報文線性處理架構，其特征在于包括相互連接的網絡處理器、數據包輸入處理單元和隨機存儲器；所述數據包輸入處理單元為硬件協處理單元，設有網絡報文接口，負責網絡報文的接收與分發并直接訪問隨機存儲器空間，同時發出事件消息給網絡處理器。
2.根據權利要求1所述的智能變電站過程層報文線性處理架構，其特征在于所述網絡處理器包含至少6個微引擎，所有微引擎共享隨機存儲器的空間。
3.根據權利要求2所述的智能變電站過程層報文線性處理架構，其特征在于所述隨機存儲器為同步動態隨機存儲器、靜態隨機存儲器或三態內容尋址存儲器。
4.一種智能變電站過程層報文線性處理方法，其特征在于包括如下步驟。1)、當有報文到達報文接入口時，數據包輸入處理單元接收報文，并將報文放入隨機存儲器的報文緩存區域，同時根據報文的以太網ID識別報文種類，再根據報文種類傳遞事件消息和指針給網絡處理器的相關微引擎；。2)、微引擎1處理面向變電站事件的通用對象報文，解析整個數字化變電站過程層的事件信息，并將報文放入隨機存儲器的緩存區域；。3)、微引擎2處理采樣值報文，解析整個數字化變電站的采樣值信息，并將報文放入隨機存儲器的緩存區域；。4)、微引擎3處理互聯網協議報文，解析整個數字化變電站的IEEE1588實時情況和整個數字化變電站站控層制造報文規范協議工作情況，并將報文放入隨機存儲器的緩存區域；。5)、當微引擎1或者微引擎2解析發現電力系統發生異常事件時，發送消息事件和指針給微引擎4，微引擎4啟動故障錄波，將相關報文放入隨機存儲器的故障錄波緩存區域；。6)、微引擎5不停地檢測存儲緩存和故障錄波緩存，當發現這兩個緩存有新的報文數據時，將新數據放入存儲設備；。7)、微引擎6負責運行實時預警、離線分析程序。
5.根據權利要求4所述的智能變電站過程層報文線性處理方法，其特征在于所述互聯網協議報文包括IEEE1588網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準報文和制造報文規范報文。
6.根據權利要求4所述的智能變電站過程層報文線性處理方法，其特征在于所述存儲設備為磁盤或存儲陣列。
全文摘要
本發明公開了一種智能變電站過程層報文線性處理架構，包括相互連接的網絡處理器、數據包輸入處理單元和隨機存儲器；所述數據包輸入處理單元為硬件協處理單元，設有網絡報文接口，負責網絡報文的接收與分發并直接訪問隨機存儲器空間，同時發出事件消息給網絡處理器。本發明還提供一種智能變電站過程層報文線性處理方法。本發明的架構簡單、模塊清晰、擴展性能強，適合智能變電站大量網絡數據信息的接收和處理工作，消除了原有方法的報文處理瓶頸，使得智能變電站的運行更加可靠和安全。本發明的處理方法可以實現在無需處理器響應中斷的前提下對智能變電站報文進行線性接收和處理，消除了因高頻率的中斷帶來的CPU數據包接收和處理的瓶頸問題。
文檔編號H04L12/56GK102546399SQ201110425988
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者葉睆, 張學強, 曹彥朝, 潘登, 都海坤, 陳宏輝, 陳海波, 韓琳, 黃毅 申請人:廣東電網公司茂名供電局, 廣州思唯奇計算機科技有限公司