智能变电站网络风暴检测装置及合并单元的制作方法

本实用新型涉及变电站智能自动安全装置领域，特别是涉及一种智能变电站网络风暴检测装置及合并单元。

背景技术：

智能站(智能变电站)的间隔层、过程层、站控层的通信都为数字信号。装置通信的稳定性是变电站不可或缺的重要部分，与保护、测控、计量等环节密切相关。工程应用中，由于过程层和站控层以及间隔层之间通信存在组网方式，这种通信方式必须经过交换机，因此在组网等环节会受网络风暴以及错误帧的影响。网络风暴以及各种错误帧严重影响了站内设备的可靠运行。因此，迫切的需要一种手段能快速、准确地对站内设备进行相应的网络风暴检测，确保采样系统可靠运行。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：目前的测试仪在风暴测试时，仅能够进行单设备的检测，如需模拟站内复杂的多报文共存的环境，需要多台测试仪配合完成。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统技术在进行风暴测试时仅能进行单装置检测的问题，提供一种智能变电站网络风暴检测装置及合并单元。

为了实现上述目的，一方面，本实用新型实施例提供了一种智能变电站网络风暴检测装置，包括处理器、寄存器、FPGA芯片以及分别连接智能变电站站内各待检测设备的各传输端口；FPGA芯片的输入端通过寄存器连接处理器，输出端连接各传输端口；

处理器将解析配置文件得到的解析信息，通过寄存器传输给FPGA芯片；FPGA芯片通过解析信息中配置的传输端口、将解析信息中各类网络风暴组合报文传输给相应的待检测设备。

在其中一个实施例中，处理器为Power PC。

在其中一个实施例中，Power PC为MPC8247型微处理器。

在其中一个实施例中，FPGA芯片为ARTIX-7系列芯片。

在其中一个实施例中，传输端口为以太网端口。

在其中一个实施例中，传输端口为光纤接口。

本实用新型具有如下优点和有益效果：

本实用新型智能变电站网络风暴检测装置，基于处理器、FPGA芯片实现报文编辑、流量控制等，通过装置单口(传输端口)向待测设备发出各类TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol：传输控制协议/因特网互联协议)、IEC61850组合报文，无需依靠测试仪，即可对智能站内各设备进行系统的网络风暴测试。本实用新型可支持同时对多台待测试设备同时以不同规约和不同的流量进行网络风暴检测，还可以直接在变电站系统中进行，网络风暴检测不依靠外部测试仪、交换机搭建环境，在线检测的支持可大大增加对智能变电站站内设备网络风暴检测的可靠性，同时节省了测试仪、交换机等设备的外购成本，可以缓解现场运维人员的操作负担、并减少现场的运维成本。

另一方面，本实用新型实施例还提供了一种合并单元，包括集成在CPU插件中的上述智能变电站网络风暴检测装置。

本实用新型具有如下优点和有益效果：

本实用新型合并单元，在兼容传统合并单元的基础上，还可进行网络风暴检测。可在站内根据需求对智能变电站站内各设备进行单播、组播、广播网络风暴的相关测试。本实用新型的合并单元通过智能变电站网络风暴检测装置实现报文编辑、流量控制，通过装置单口(传输端口)向待测设备发出各类TCP/IP、IEC61850组合报文，无需依靠测试仪，即可对智能站内各设备进行系统的网络风暴测试。

附图说明

通过附图中所示的本实用新型的优选实施例的更具体说明，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1为智能站中合并单元与智能终端示意图；

图2为智能站保护功能实现方式示意图；

图3为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置实施例1的结构示意图；

图4为本实用新型合并单元实施例1的结构示意图；

图5为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元的工作原理示意图；

图6为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中抓取报文示意图；

图7为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中输入报文示意图；

图8为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中修改SV报文字段示意图；

图9为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中配置报文发送间隔示意图；

图10为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中已配置好的网络风暴配置文件示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的首选实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元的一具体应用场景说明：

众所周知，相比于常规站，智能站新增的智能设备即指合并单元MU(Merging Unit)与智能终端，图1为智能站中合并单元与智能终端示意图；其中，合并单元是指对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔层设备使用的装置。

图2为智能站保护功能实现方式示意图；如图2所示，合并单元将采集到的电压、电流等模拟量转换为数字量，并加以时间标识，以SV(Sampled Value)报文的形式合并输出。智能终端在输出保护装置的跳闸指令时，将数字量转换至模拟量，而在接收断路器本身的状态量时，将模拟量转换至数字量；智能终端接收的保护跳闸指令、上传至保护的断路器状态量均以GOOSE报文的形式传输。

网络风暴报文在类型上分为单播、广播和组播；其中，广播风暴(broadcast storm)简单的讲是指当广播数据充斥网络无法处理，并占用大量网络带宽，导致正常业务不能运行，甚至彻底瘫痪，这就发生了“广播风暴”。一个数据帧或包被传输到本地网段(由广播域定义)上的每个节点就是广播；由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪，这就是广播风暴。单播风暴通常是点对点，通常是由于报文帧的格式错误，网内设备不能正常响应，该报文会一直存于网络中，随着时间推移，甚至让网络瘫痪。组播是多种类型错误报文一起混杂，是前面几种风暴的集合体。

在进行设备的网络风暴测试时，目前的测试仪可以实现单设备的检测，但是测试仪进行风暴测试时输出单格式的报文，如需模拟站内复杂的多报文共存的环境，需要多台测试仪配合完成；即目前的测试仪只能进行单一报文的输出，无法同时对多台装置施加不同流量、不同格式的报文，而且测试需要搭建复杂的系统，费时且容易出错。此外，测试仪的离线检测无法对变电站整体系统环境的模拟；因此，如何通过站内设备进行系统在线网络风暴的检测成为电力用户、设备厂商等共同面对的重要课题。

而本实用新型智能变电站网络风暴检测装置，基于处理器、FPGA芯片实现报文编辑、流量控制等，通过装置单口(传输端口)向待测设备发出各类TCP/IP、IEC61850组合报文，无需依靠测试仪，即可对智能站内各设备进行系统的网络风暴测试。本实用新型可支持同时对多台待测试设备同时以不同规约和不同的流量进行网络风暴检测，还可以直接在变电站系统中进行，网络风暴检测不依靠外部测试仪、交换机搭建环境，在线检测的支持可大大增加对智能变电站站内设备网络风暴检测的可靠性，同时节省了测试仪、交换机等设备的外购成本，可以缓解现场运维人员的操作负担、并减少现场的运维成本。

进一步的，本实用新型合并单元，在兼容传统合并单元(如图1、图2所示)的基础上，还可进行网络风暴检测。可在站内根据需求对智能变电站站内各设备进行单播、组播、广播网络风暴的相关测试。本实用新型的合并单元通过智能变电站网络风暴检测装置实现报文编辑、流量控制，通过装置单口(传输端口)向待测设备发出各类TCP/IP、IEC61850组合报文，无需依靠测试仪，即可对智能站内各设备进行系统的网络风暴测试。

本实用新型智能变电站网络风暴检测装置实施例1：

为了解决传统技术在进行风暴测试时仅能进行单装置检测的问题，本实用新型提供了一种智能变电站网络风暴检测装置实施例1；图3为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置实施例1的结构示意图；如图3所示，可以包括处理器310、寄存器320、FPGA(Field－Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)芯片330以及分别连接智能变电站站内各待检测设备的各传输端口340；FPGA芯片330的输入端通过寄存器320连接处理器310，输出端连接各传输端口340；

处理器310将解析配置文件得到的解析信息，通过寄存器320传输给FPGA芯片330；FPGA芯片330通过解析信息中配置的传输端口340、将解析信息中各类网络风暴组合报文传输给相应的待检测设备。

具体而言，本实用新型采用处理器配合FPGA的方式，首先由处理器对配置文件进行读取和解析，之后把相应的解析信息直接写入相应的寄存器中，之后由FPGA直接对寄存器进行读取，并根据Power解析的配置发送间隔时间进行发送。其中，解析信息可以包括单帧报文帧信息、发送口信息、单口发送报文数目、单帧报文发送间隔信息。

在其中一个具体的实施例中，处理器为Power PC。实际操作时候，Power PC根据寄存器的地址，一次写入4字节数据，本实用新型可以采用16进制数，FPGA根据和Power PC预先约定好的地址以及相应功能进行寻址读取数据。

在其中一个具体的实施例中，Power PC可以为MPC8247型微处理器。FPGA芯片可以为ARTIX-7系列芯片。

具体而言，Power PC可以采用MPC8247实现相应的功能；MPC8247是一款微处理器，支持频率为266-400MHz，单独的16字节的数据和指令高速缓存，具有体积小、耗电低、处理能力强、网络功能强大等特点，能够装载和运行嵌入式Linux操作系统，用户可以在这个系统平台上进行自主软件开发。而FPGA芯片可以采用ARTIX-7系列实现相应的功能。

本实用新型网络风暴功能可以由Power PC配合FPGA实现，首先使用者需要通过私有配置文档(格式为.ini)进行发送信息编辑，之后Power PC的应用程序对私有配置文件进行解析，并根据解析信息重新组包(这里的组包指的是组成网络风暴报文，报文格式详细见IEC 61850或其他以太网格式规约)，FPGA则根据Power PC组好的报文，按私有配置信息中的中断间隔进行报文发送。

进一步的，本实用新型可通过对发送报文的单帧长度以及报文发送间隔时间进行设置(及上述配置文件.ini)，从而实现装置每个口能以不同的速率发出多种不同帧格式风暴报文，完成对复杂测试情况的模拟。

在其中一个具体的实施例中，传输端口为以太网端口。

具体而言，基于本实用新型可以使装置单口(传输端口)可同时发出多种不同格式的网络风暴报文。配置界面可以对装置发送的网络风暴报文帧格式进行编辑，能发出各类TCP/IP、IEC61850报文，例如MMS(Manufacturing Message Specification)、SNTP(简单网络时间协议，Simple Network Time Protocol)。此外，还能通过软件对通信报文的抓取和修改，模拟变电站运行时候常产生的异常状态报文，对变电站内装置的可靠性进行检验，完美的模拟各种复杂故障场景。

需要说明的是，基于本实用新型，可以根据操作人员预设进行的实验内容，如果进行GOOSE风暴检测，则根据IEC 61850中GOOSE格式进行编辑，如果是SV风暴检测，则参考IEC61850-9-2部分；其中，IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准，本领域技术人员可以通过SCD(变电站IEC61850标准中substation configuration description的缩写，即全站系统配置文件)文件了解整个变电站的结构和布局。

本实用新型可以通过FPGA可以实现配置单口的报文配置功能；可根据实验者预设进行的实验，如GOOSE或者SV，对帧格式，发送口，发送的间隔等信息进行配置，可对单口配置不同帧格式的网络风暴，因此装置单口即可模拟发出不同类型的网络风暴报文(在进行网络风暴时候，按照规定会进行多口同类型报文，但是报文帧内容会进行修改，有错误的有正确的，考察对错误报文的判断能力。详细情况可查阅各个网络风暴检测规范，其中都有详细的帧格式配置说明，不同的实验的要求和实验方式都不相同)。

需要说明的是，本实用新型对单口进行配置的过程可以通过现有技术实现；具体而言，Power PC对配置文件解析后传递给FPGA，而FPGA对以太网端口控制属于其基本功能之一，可以通过现有技术实现。

在其中一个具体的实施例中，传输端口为光纤接口。

具体而言，本实用新型装置还可以实现光口配置功能，通过配置文件，使每个光口(光纤接口)都独立输出不同的网络风暴，支持同时对多台装置进行网络风暴测试(光口输出的多，可以连接的被测装置就多，上文中的每个单口都能独立配置，指的是实现对多被测装置同时进行不同实验)。

需要说明的是，上文中单口和此处光口的指引意义不同，上文如果改光口配置，可以理解为装置所有口都只能发一种类型报文FPGA对以太网的控制采用的是一对多映射的方式，而实际装置FPGA是一对一控制，实现更加复杂，要求更高。

此外，基于本实用新型，可根据报文类型设置不同的流量。可通过对发送报文的单帧长度以及报文发送间隔时间进行设置，从而实现同时多类型风暴报文以不同的流量输出的网络风暴；本实用新型支持多装置同时检测，装置具有光口配置功能，可灵活的配置光口，使每个光口都独立输出不同的网络风暴，从而达到同时对多个测试装置的支持。

本实用新型合并单元实施例1：

为了解决传统技术在进行风暴测试时仅能进行单装置检测的问题，本实用新型实施例还提供了一种合并单元实施例1，图4为本实用新型合并单元实施例1的结构示意图；如图4所示，可以包括集成在CPU插件中的上述智能变电站网络风暴检测装置。

具体而言，本实用新型合并单元的实体装置可以为PSMU 602系列合并单元；而合并单元功能的实现可以由CPU插件实现；其中，CPU插件采用Power PC配合FPGA的架构(即集成在CPU插件中的智能变电站网络风暴检测装置)，所有的网络风暴功能都集成在CPU插件中，由Power PC配合FPGA实现。

本实用新型合并单元具有传统合并单元的所有功能，可以本地采样并正常的发出IEC 61850-9-2以及IEC GOOSE的相关报文，还能发出各类TCP/IP、IEC61850报文，例如MM、SNTP；因此，基于本实用新型对智能变电站内装置进行网络风暴测试时，可以代替网络风暴测试仪，直接的对站内设备在线检测，无需另外搭建实验环境，可在线对站内所有装置进行网络风暴检测。

本实用新型合并单元，在兼容传统合并单元的基础上，还可进行网络风暴检测。可在站内根据需求对智能变电站站内各设备进行单播、组播、广播网络风暴的相关测试。本实用新型的合并单元通过智能变电站网络风暴检测装置实现报文编辑、流量控制，通过装置单口(传输端口)向待测设备发出各类TCP/IP、IEC61850组合报文，无需依靠测试仪，即可对智能站内各设备进行系统的网络风暴测试。

本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元的工作原理：

为了进一步说明实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元的具体实现过程，特以包括集成在CPU插件的智能变电站网络风暴检测装置的合并单元，对智能变电站内各待检测设备进行网络风暴检测的实际过程为例，说明本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元的工作原理。图5为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元的工作原理示意图；如图5所示，可以包括以下过程：

1、发送口编辑：通过编辑界面对网络风暴的发送口(指合并单元已有的某一口/或多个端口)进行编辑，如设置1口，则装置1口对外发送网络风暴，如设置1，2，3口则相应的1口，2口，3口发送网络风暴。

2、对单口下的报文进行配置：通过配置文件(此处为空的配置文件，即.ini内所有内容都可以编辑；而图10给出的配置文件是已经配置好的网络风暴配置文件)对单口发送的单帧报文的格式进行编辑；

既能通过抓包软件对抓取报文的直接粘贴复制，也可以通过手动输入报文；具体而言，测试人员想进行什么类型的风暴检测，就通过抓包软件连接对应的装置进行报文抓取，这样可以省去手动报文帧格式输入过程，比较便捷；同时，也可以根据帧格式手动输入。例如，如果想做GOOSE风暴，可以通过抓包软件，如wrieshark，连接智能终端抓取GOOSE报文。

图6为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中抓取报文示意图，如图6所示，可通过抓包工具直接抓取，粘贴复制进配置文件；图7为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中输入报文示意图，如图7所示，用写字板直接进行文档编辑手动输入(一个数据位为32位)。

其中，以SV报文为例：图8为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中修改SV报文字段示意图；如果想修改图8中SVID字段，则可以修改图8中黑色背景部分：80，03，53，41，43部分。

3、对单帧报文的发送速率进行配置：通过配置文件对单口发送的单帧报文的格式的发送间隔实现，发送间隔最小单位为微秒。具体计算公式如下：

报文单帧长度×8bits/发送间隔时间＝流量(Mb/s)

如GOOSE报文(1000个字节)，设定发送间隔为2ms，则该帧风暴报文传输速率最大为1 000×8bits/2ms＝4Mb/s。

其中，组合报文的编辑：对某一端口重复上述步骤，实现该口多帧不同速率网络风暴报文的组合；其中，两个单帧报文都是相互独立的报文，发送格式是随意设定，没有限定，但是报文速率是通过控制报文的长度和报文的发送间隔来设定，发送间隔时间只能对每个发送口进行设置，如图9所示，图9为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中配置报文发送间隔示意图。

4、Power PC对解析寄存器的写入(Power PC和FPGA的交互是寄存器，不写入寄存器，FPGA无法读取)。

5、FPGA根据寄存器内容进行组包发送(FPGA进行报文发送，和以太网端口控制，根据Power PC组织好的报文，发送给被测设备)。

6、图10为本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元工作流程中已配置好的网络风暴配置文件示意图；图10给了一个配置好的网络风暴配置文件，其中：#2表示为风暴配置在2口，4表示该口下发送4帧不同格式的报文，100*则表示为发送间隔为100微秒

本实用新型智能变电站网络风暴检测装置及合并单元，可以实现网络风暴输出功能，支持多设备(装置)同时检测，在网络风暴检测时无需外购测试仪，不需要搭建模拟系统，在站内系统中即可完成对全站设备的网络风暴检测，可在时间效率方面、运维成本方面、检测可靠性等方面对变电站进行优化。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。