JEC61850數據集中器的FPGA設計

李志宏

（上海芯易恒聯科技有限公司，上海 201114）

1 系統簡介

IEC61850標準1是目前國內電力系統自動化領域廣泛應用的標準標準。IEC61850標準里面的數據采用SV和GOOSE包傳輸，包含了大量的數據信息。如果將電站內的所有SV和GOOSE數據采集到一個設備上，可以有效地統籌處理，但是這樣需要很高的運算處理能力，傳統的CPU無法滿足設計要求。研究發現，SV和GOOSE數據包格式相對固定，比較適合采用FPGA來處理，系統只要用普通的CPU來處理一些其他算法和管理任務就可以了。引入FPGA設計以后，整個系統對CPU的性能要求急劇降低，極大地降低了功耗，提高了處理效率，滿足了系統的處理能力和散熱要求。

2 系統需求

JEC61850數據集中器需要完成GOOSE、SV數據包的接收和GOOSE數據包的發送。其中，接收GOOSE和SV包的站點最多為96個站點，對于GOOSE數據包每個站點最多支持128個GOOSE的變量（兩比特數值，其他類型不支持），但一共不超過4 096個GOOSE變量；對于SV數據包，每個站點最多支持16個SV的變量（32位浮點數），這樣一共最多支持96×16=1536個SV的值。對于發送GOOSE數據包，最多支持96個站點，一共不超過4 096個GOOSE變量。

3 FPGA系統詳細設計

在本系統中，FPGA需要完成4個GE（千兆口），2個FE（百兆口）的GOOSE和SV的數據采集、SV數據分析，以及完成GOOSE數據包的產生和發送。對于SV數據包，為了減輕CPU負擔，FPGA還按照設計完成大量的DSP運算，CPU收取到的就是經過處理之后的純數據，然后按照需求進行某些算法處理；在發送GOOSE數據包時，CPU只需要寫FPGA的寄存器，然后FPGA將自動產生GOOSE數據包并將其發送出去；另外，所有的原始數據和分析之后的數據，由FPGA直接存儲到SATA硬盤中，這些處理都無須CPU干預。

圖1是FPGA架構框圖，包含數據發送、數據接收、系統管理接口、時鐘選擇與異步鐘處理和內部RAM資源、數據瓶頸與調度五大部分。

圖1 FPGA 架構框圖

3.1 數據接收

在接收端，FPGA從GE和FE口收到數據包，先打上IEEE 1588 2時間戳，同時進行包分類，如果是IEEE 1588的數據包就轉到CPU，進行IEEE 1588的處理，如果是SV和GOOSE數據包，就提取對應的包頭，利用包頭進行CAM3查找，對應出SV和GOOSE的分類項（共8 192個地址），最多同時可以處理4 096路GOOSE開關量和1 536路SV的模擬量，然后將包頭剝離，只存儲其數據和相應的地址，緩存在每個GE和FE口對應的2 KB的QUEUE內，再做接收調度（RX_ARB）。

對于GOOSE數據包，將對比老的數據，然后和新的數據比對，按照算法得出結果，直接緩存到對應的4 096個GOOSE的寄存器，如果有變化則產生中斷，供CPU讀取。4 096路數據最多中斷CPU一次，避免頻繁中斷CPU，提高CPU的利用率。

對于SV數據包，將首先緩存所有的模擬量到對應的1 536路的RAM中，同時從DDR里面讀取出以前緩存的數據，將這兩組數據合起來輸入到SV的DSP運算模塊，計算結果存入對應的1 536個SV的寄存器，供CPU使用；同時把新的數據更新并存入DDR里面，DDR的老數據對應的丟棄掉一組。

所有的數據結果都將打上時間戳，直接按照順序存入SATA硬盤，此時SATA硬盤利用FPGA順序讀寫，沒有文件系統。系統設置了兩個SATA接口，如果一個硬盤滿或損壞，則自動切換到另一個硬盤并告警，CPU不參與硬盤的讀寫。

3.2 數據發送

在發送端，CPU會預先配置好要發送包的包頭，然后朝對應的寄存器寫入需要發送的GOOSE值，FPGA發現寄存器變化之后，自動讀出包頭，按照GOOSE協議的處理流程將GOOSE值和包頭一起拼包，然后根據CPU的預先配置發送到對應的以太網接口。

CPU同時會產生IEEE 1588的數據包，寫入FPGA后，FPGA將根據CPU的預先配置將其發送到對應的以太網接口。

3.3 系統管理接口

為了可以通過網絡管理整個系統，FPGA還外置了一個GE口，數據可以通過管理的GE口和FE口進行數據交互。這個GE口連接到CPU的GE口，這樣通過兩個FE口，就可以實時和CPU進行數據交互，管理整個系統。

3.4 時鐘選擇與異步鐘處理

在本系統中，有四組時鐘，GE口的收發是GMII接口，采用125 MHz的隨路時鐘；FE口的收發是MII接口，采用的是25 MHz的時鐘。SV運算采用FPGA內部的DSP進行，時鐘選用的是75 MHz。SATA的時鐘選擇的是120 MHz。整個系統其他模塊的時鐘都采用125 MHz時鐘。所有的異步數據都用異步的FIFO或雙口RAM進行異步數據交互。

3.5 內部RAM資源、數據瓶頸與調度

在GE和FE的接收端，FPGA實時處理完數據包的接收和CAM的數據包分類得到數據的地址，同時按照數據包的內容檢出GOOSE和SV的數據，因為數據包的包頭都丟棄了，所以此時每個端口數據的速度已經遠低于1 Gbps的數據，故此將數據緩存在每路一個2 KB的QUEUE中已經滿足要求。

對于SV的數據，這個系統中每次最多一共1 536路，所以采用兩個2K×32比特的RAM進行存儲，當存儲滿一次之后，直接寫入DDR備用。

對于SV的處理模塊，數據處理需要前面多幀，所以需要一個8個2KB的RAM讀出DDR的數據，然后送給SV模塊處理。為了并行處理，本處RAM采用乒乓模式，在處理0組RAM數據的同時，從DDR讀取1組RAM的數據，在處理1組RAM數據的同時，從DDR讀取0組RAM的數據。讀出的數據同時寫入到SATA硬盤。

在數據發送時，對于GE口的發送，因為GE口發送速度達到1 Gbps，所以發送的RAM選擇2 KB即可達到線速，而FE因為速度慢，為了提高效率，選擇4 KB字節的RAM，如果4 KB的RAM寫滿，則GOOSE_ARB阻塞。實際上，因為設計時整個系統發送的數據遠低于100 Mbps，所以本設計滿足系統需求。

對于SV的數據處理，用到了FPGA內部的DSP資源，時鐘選取75 MHz比較容易布線通過，系統選取了75 MHz時鐘。系統設計要求同時處理1 536路SV數據，每路SV數據4 000 MHz的采樣率，所以每秒必須運算1536×4000 MHz=6144000次，DSP算法按照設計5個時鐘周期處理完一個數據，速度達到15 000 000次/秒，遠大于6 144 000，所以完全可以處理。

4 數據存儲格式

因為系統設計要求最多支持4 096路GOOSE開關量和1536路SV，同時系統最多同時支持96個站點，每個站點的GOOSE最大可以到128個變量，所以，必須要采用一定的數據結構，才能盡可能地節約FPGA的地址空間，這也是本系統設計的難點。下面將對數據格式進行描述。

4.1 SV數據結構

如圖2，SV數據保存在DDR2內，第一列表示所有數據，256條數據為一次大循環，超過256又從0開始覆蓋存儲。第二列表示每一條數據包含96組數據，第三列表示每組最多16個數值，第一行是數據標識，后面跟16個浮點數值。

圖2 SV數據結構

4.2 GOOSE包數據映射格式

GOOSE包里的數據要完全隨機的映射到0～4095個地址，系統一共支持96組GOOSE數據包，每組最多為128個GOOSE，如果直接配置，需要一張96×128 =12288個12比特（0～4095）的地址，這樣對FPGA的存儲要求太高，為此，設計了二級映射。

如圖3，GOOSE數據映射表保存在FPGA的雙口RAM中，第一級映射GOOSE_PTR表示GOOSE數據包的映射，表示每組GOOSE數據包的映射關系，一共96組，包含下列數據：

圖3 GOOSE數據結構

offset:12bit，數據區的指針地址。

data_offset: 12bit，數據包數據區的開始。

goose_offset：12bit，數據包數據區的內部GOOSE

數據的偏移，GOOSE采用ASN.1編碼，為TLV格式，

即Type-Length-Value。根據格式解析。

第二級映射是GOOSE數據到0～4095個地址的映射，一共95組，包含下列數據：

gooseNum：12bit，表示數據多少，最多支持128個。

goose0-goose127：12bit，每個包最多128個GOOSE

數據，0～4095表示4 096個GOOSE，但是這個GOOSE

數據是可以最少到1個的，可以變化 ，但每組數據都以

36比特為最小單位，如果不滿則空著。

XILINX的雙口RAM可以組成512個地址，數據位寬為36比特的模式，3個12比特正好組成36比特。所以以36比特為單位，第一級GOOSE_PTR占用96個地址。第二級DATA_PTR分為96組，一共4 096個12比特加上96個12比特的gooseNum，因為每組數據必須以36比特為最小單位，所以最多這樣一共占用4096+（96×2）個12比特，一共4 288個12bit，最多1 430個36比特，加上第一級的96比特，一共不超過1 526個36比特，正好占用3個512×36的雙口RAM。采用二級映射，正好滿足系統需求，同時節約了資源。

5 結束語

本系統引入了FPGA替代傳統的CPU設計，完成了多達4路GE口和兩路FE一共4 096路GOOSE的收發及1 536路SV接收處理，極大地降低了CPU的運算要求，采用低功耗的SPARTAN6系列的FPGA，也滿足了系統要求低功耗和不允許加風扇等一系列嚴苛要求，根據測試和現場運行，效果良好，完全滿足實際需求。■