专利名称：智能网络记录分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种记录分析装置，更具体地说涉及一种智能网络记录分析装置，可用于智能变电站网络数据的记录和分析装置，属于智能/数字化变电站网络智能设备领域。
背景技术：
随着网络通讯技术的不断发展和完善，基于IEC61850标准的智能/数字化变电站高度依赖智能/数字化变站内的通信网络。而智能/数字化变电站网络的“健康状态”主要体现在网络流量状况、网络稳定性、网络负荷的变化、网络数据交换的实时性、网络数据传递的可靠性、网络攻击等。基于IEC61850标准的智能/数字化变电站通信网络上的数据源主要可分为两大类，一类为SMV、G00SE信息，另一类为MMS及其它信息。第一类网络报文都是基于链路层的协议，协议本身简单，而其承载的信息为SMV、G00SE数据。SMV、G00SE则反映数字化变电站的运行状况以及保护的动作行为。该类数据的特性变化要求网络监测设备的实时响应达到毫秒级甚至微妙级，SMV报文占智能/数字化变电站网络报文总量的90% 之上。SMV数据量大，要求存储的周期长。第二类网络报文基于链路层之上，该类网络报文的协议类型种类繁多，其网络报文的特性主要是描述智能/数字化变电站内的智能设备的通信行为以及其通信的正确性，该类网络数据的分析复杂而其实时性要低于SMV、GOOSE的要求，但要求存储的网络报文能够按照时间轨迹还原智能设备的真实通信场景。目前网络通信已成为智能/数字化变电站的核心。变电站的网络负荷以及网络数据传输的正确性攸关变电站的安全稳定运行。若电网发生故障或自动化系统异常的情况下，能够及时监测以及发出告警信息从而帮助变电站工作人员及时准确定位故障已经成为当前数字化变电站领域的重要研究方向。为了满足对数字化变电站网络健康状况的监测以及对电网本身运行的健康状况的监测，满足上述需求的设备其核心在于实现网络数据的无损高精度的采集；对网络数据帧标定高精度的时间戳；对sv、GOOSE等数据分析的实时性、 存储能力；对基于链路层之上的网络报文的分析以及按照时间轨迹还原各智能设备的真实通信场景的能力；能够提供用户智能化的配置和分析的手段。经检索发现，申请号ZL200920234783. 4的中国专利《便携式电力通信规约检测仪及其检测方法》公布了一种通讯规约实时记录与分析仪，该设备的主要技术方案为网络数据通过报文侦听器接入FPGA，并由FPGA完成并串转换，通过千兆以太网把网络数据传输到上位CPU完成整个网络数据的采集过程，并在CPU上完成网络数据的分析和存储。上述便携式电力通信规约检测仪及其检测方法存在以下问题1)电力通信规约检测仪主要的一个功能是把网络数据记录下来，重现网络通讯过程，而还原网络通讯过程，最重要的是按照时间轨迹进行重现。而上述便携式电力通信规约检测仪及其检测方法中仅仅完成网络数据的采集，并没有在网络数据帧打上精确的时间戳，对于由多端口采集到的网络数据，没有时间戳的标定是不能完成按时间轨迹还原整个网络通讯的原貌，从而失去了分析网络过程的依据。[0007]2)网络数据通过FPGA完成并串转换后仍然采用网络通讯方式传送给CPU，这个过程中FPGA的并串转换模块其功能上仅仅是完成部分交换机的功能，上位CPU接收到的数据依然是基于以太网协议封装后的网络报文，其带来的缺陷在于对于前端采集到的网络数据帧因为协议封装的需要会出现一个完整的网络帧被人为的分成多个数据包，给CPU带来额外的开销，需要对接受到的网络数据帧重新组装。对于大容量的网络数据的传输，CPU的中断很频繁且不规则对实时要求较高的场合，频繁的中断对CPU的额外开销是巨大的。这个的设计很难保证对大容量数据的存储和分析的要求。3)电网发生故障或自动化系统异常的情况下，通常需要监测设备的实时响应要达到毫秒甚至微秒级，上述便携式电力通信规约检测仪及其检测方法中描述的分析模块是在 CPU上完成，同时采集模块又是通过多个模块的延时才传输到CPU内，这样的设计其实时性无法到达毫秒级更不用说微秒级。4)电网发生故障或自动化系统异常的情况下，在线实时分析结果需要以图文方式实时呈现给用户，并准确定位到通信故障报文处，这样才具有实用价值。上述便携式电力通信规约检测仪尚不具备完善友好的人机交互接口。通过对智能/数字化变电站的调研，对智能/数字化变站的网络数据的来源以及作用进行具体细致的分类，发现SV、GOOSE网中的数据主要来自过程层，而该数据的特性直接反映数字化变电站的运行情况，该类协议都是基于链路层，协议本身简单，重点在于对数据本身的特性需要实时监测，若出现异常的情况下，需要及时响应并发出告警信息。而其他来自间隔层和站控层的网络数据大都基于链路层之上的协议。该类网络数据的协议纷繁复杂，而其实时性远小于SV和GOOSE网对实时性的要求。因此需要开发一种对通信网络上的通信报文进行无损捕捉、记录并分析装置来解决现有技术存在的问题。
发明内容本实用新型解决了现有技术中存在的问题和不足，提供一种智能网络记录分析装置，该装置可对通信网络上的通信报文进行无损捕捉、记录并分析，广泛应用于智能变电站网络数据的记录和分析。本实用新型的智能网络记录分析装置，主要包括有FPGA单元、CPU单元和管理系统单元，FPGA单元一端连接智能变电站网络接入信号，另一端通过利用DMA技术可完成 FPGA单元和CPU单元之间网络数据交互的高速PCI-E接口总线与CPU单元连接，CPU单元通过千兆以太网连接管理系统单元。使用高速PCI-E接口总线利用DMA技术完成FPGA和 CPU之间网络数据的交互，避免了数据传输过程中对CPU的占用，同时保证了每个网络数据帧在CPU上的完整性，简化了 CPU的网络数据分析过程。本实用新型的智能网络记录分析装置其进一步的技术方案是所述的FPGA单元由网络数据接收以及时间校时模块、数据传输模块和SV、GOOSE、GMRP、PTP的实时数据分析模块组成，网络数据接收以及时间校时模块通过光纤或RJ45接口连接智能变电站网络接入信号，数据传输模块通过高速PCI-E接口总线与CPU单元连接。本实用新型的智能网络记录分析装置其进一步的技术方案还可以是所述的CPU 单元由数据存储模块、具有TCP/IP协议层的网络数据包的分析模块和以太网通信模块组成，以太网通信模块通过千兆以太网连接管理系统单元。[0015]本实用新型的智能网络记录分析装置其进一步的技术方案还可以是所述的管理系统单元由管理系统、实时数据库系统、显示器、键盘和鼠标组成。与现有技术相比本实用新型具有以下有益效果针对智能/数字化变站的网络数据特性和需要的不同，充分利用FPGA可编程特性完成无损高精度的网络采集模块以及对网络数据帧的时间戳的标定。充分利用FPGA可并行运行特性、通过引入硬件流水线设计理念在FPGA内完成网络负荷、网络流量分布等统计信息以及实时性要求高，数据量大的SMV、GOOSE的协议解释和SMV、GOOSE数据的分析。对数字化变电站的异常和保护设备的动作行为及时准确的发出告警信号，其实时性高达微妙级。对于SMV数据量大以及存储周期长的特点及要求，利用特殊编码压缩技术，对SMV数据进行编码压缩存储。通过引用编码压缩技术，极大的压缩了有效的存储数据，加快了数据存储能力和减低了对磁盘的依赖和读写速度的要求，使设备的数据处理能力和存储能力有了质的提升。通过使用FPGA完成SMV、G00SE的解码和数据分析以及引入DMA技术、编码压缩技术，极大的提高了监测设备对数字化变电站运行状况的实时响应能力，同时也大大的释放 CPU的负荷，降低了对CPU主频的要求，降低了设备的生产成本，增加了设备的稳定性和可能靠性。对于运行在CPU的上软件，基本上都是运行在操作系统之上，操作系统均有一个进程调度算法，这一特性决定了运行在操作系统之上的软件，其实时响应就受到调度算法的制约，但正因为有操作系统参与运行，运行在操作系统上的软件其灵活性比硬件解码有优势，我们利用这一特性，把基于链路层协议之上而其响应实时性要求较低的网络数据放在CPU上进行解码。提供良好的人机接口界面，方便用户按照时间轨迹还原智能变电站的真实通信场景，帮助用户查找和定位智能设备之间的通信异常的原因。通过使用SCD文件、设备基本做到无配置，智能化，降低了用户的使用门槛，避免了因为配置错误而引起的对智能设备通信异常的误判。
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的智能网络记录分析装置，主要包括有FPGA单元、CPU单元和数据存储单元，FPGA单元一端连接智能变电站网络接入信号，另一端通过利用DMA技术可完成FPGA单元和CPU单元之间网络数据交互的高速PCI-E接口总线与CPU单元连接， CPU单元通过千兆以太网连接管理系统单元。使用高速PCI-E接口总线利用DMA技术完成 FPGA和CPU之间网络数据的交互，避免了数据传输过程中对CPU的占用，同时保证了每个网络数据帧在CPU上的完整性，简化了 CPU的网络数据分析过程。其中所述的FPGA单元由网络数据接收以及时间校时模块、数据传输模块和SV、GOOSE、GMRP、PTP的实时数据分析模块组成，网络数据接收以及时间校时模块通过RJ45光纤连接智能变电站网络接入信号，数据传输模块通过高速PCI-E接口总线与CPU单元连接。其中所述的CPU单元由数据存储模块、具有TCP/IP协议层的网络数据包的分析模块和以太网通信模块组成，以太网通信模块通过千兆以太网连接管理系统单元。所述的管理系统单元由人机交互模块、实时数据库系统、显示器、键盘和鼠标组成。
权利要求1.一种智能网络记录分析装置，其特征在于主要包括有FPGA单元、CPU单元和数据存储单元，FPGA单元一端连接智能变电站网络接入信号，另一端通过利用DMA技术可完成 FPGA单元和CPU单元之间网络数据交互的高速PCI-E接口总线与CPU单元连接，CPU单元通过千兆以太网连接管理系统单元。
2.根据权利要求1所述的智能网络记录分析装置，其特征在于所述的FPGA单元由网络数据接收以及时间校时模块、数据传输模块和SV、GOOSE、GMRP、PTP的实时数据分析模块组成，网络数据接收以及时间校时模块通过光纤连接智能变电站网络接入信号，数据传输模块通过高速PCI-E接口总线与CPU单元连接。
3.根据权利要求1所述的智能网络记录分析装置，其特征在于所述的CPU单元由数据存储模块、具有TCP/IP协议层的网络数据包的分析模块和以太网通信模块组成，以太网通信模块通过千兆以太网连接管理系统单元。
专利摘要本实用新型公开了一种智能网络记录分析装置，该装置可对通信网络上的通信报文进行无损捕捉、记录并分析，广泛应用于智能变电站网络数据的记录和分析。本实用新型的智能网络记录分析装置，主要包括有FPGA单元、CPU单元和数据存储单元，FPGA单元一端连接智能变电站网络接入信号，另一端通过利用DMA技术可完成FPGA单元和CPU单元之间网络数据交互的高速PCI-E接口总线与CPU单元连接，CPU单元通过千兆以太网连接管理系统单元。
文档编号H02J13/00GK202068232SQ201120097359
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者吴阳生, 周新意, 施宇, 韩笑 申请人:南京新和普自动化系统有限公司