數(shù)字化變電站計量儀表網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計

楊新華 許勝軍 韓永軍

(⒈蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;⒉甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點實驗室,甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

隨著國家智能電網(wǎng)計劃的推進(jìn),數(shù)字化變電站的建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。數(shù)字化變電站采用智能化的非常規(guī)互感器,內(nèi)部信息交換實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化,全站基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模[1]。

常規(guī)變電站的計量系統(tǒng)由儀用互感器、計量儀表組成,計量精度和電壓等級受到互感器的限制。與常規(guī)變電站不同,數(shù)字化變電站計量單元作為間隔層的一個邏輯節(jié)點,接收來自站內(nèi)高速以太網(wǎng)符合 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù),經(jīng)協(xié)議解析單元處理后還原出非常規(guī)互感器采樣的實時電網(wǎng)信息,由數(shù)字信號處理單元運算處理后得到各種電能參數(shù),完成計量功能。數(shù)字化變電站的計量系統(tǒng)采用光纖接入網(wǎng)絡(luò),具有計量精度高、成本低、運行可靠的優(yōu)點。如何能夠準(zhǔn)確、及時的接收并解析出數(shù)字變電站網(wǎng)絡(luò)的各種信息是該儀表設(shè)計的關(guān)鍵,本文圍繞這一課題探討了該部分的軟硬件設(shè)計,提出完整的設(shè)計方案。

1 采樣值傳輸協(xié)議 IEC61850-9-1

IEC61850-9-1規(guī)定了通過單向多路點對點串行通信鏈路傳輸采樣值的特定通信服務(wù)和映射,通信協(xié)議棧如圖1所示。物理層首選的光纖傳輸系統(tǒng)是IEE802.3100Base-Fx,在鏈路層,采用了 ISO/IEC8802-3的以太網(wǎng)幀格式,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,以太網(wǎng)的地址域由全部“1”組成的以太網(wǎng)廣播地址被用作目標(biāo)地址的缺省值,針對不同的信息優(yōu)先等級采用了符合 IEEE802.1Q的優(yōu)先級標(biāo)記[2,5]。

應(yīng)用層通過 APDU實現(xiàn)信息交換,APDU的幀格式如圖3所示,一個APDU由應(yīng)用協(xié)議控制信息APCI和若干個ASDU組成,ASDU數(shù)據(jù)幀格式如4所示。一個 ASDU中包含 7個電流互感器數(shù)據(jù)和 5個電壓互感器數(shù)據(jù),其中額定相電流、額定中心線電流以有效值給出,單位為安培;額定相電壓是以1/10kV有效值為單位定義的額定電壓。

圖1 IEC61850-9-1通信協(xié)議棧

2 接口部分總體設(shè)計

基于IEC61850數(shù)字化變電站的計量系統(tǒng)在物理層設(shè)計了光纖接口和 RJ45接口,這樣可以同時兼容具備數(shù)字電輸出和數(shù)字光輸出兩種類型的合并單元,為了提高實時性能采用一片高性能的 32位 DSP負(fù)責(zé) IEC 61850-9-1協(xié)議解析及數(shù)字運算,另外一個 CPU負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制及處理各種命令,兩個 CPU之間通過雙口 RAM實現(xiàn)通信,這樣設(shè)計能夠最大限度的提高系統(tǒng)性能,避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象。

圖2 以太網(wǎng)幀格式

為兼容具有數(shù)字電輸出的合并單元,系統(tǒng)還設(shè)計了 RJ45網(wǎng)絡(luò)接口。系統(tǒng)主要由以下 5個部分組成:① 光纖接口模塊,由光纖接口、光收發(fā)模塊、媒介轉(zhuǎn)換芯片 IP113A構(gòu)成,完成將光電信號轉(zhuǎn)換;② 協(xié)議解析模塊,本文采用數(shù)字信號處理部分負(fù)責(zé)完成 IEC61850-9-1協(xié)議解析;③ 100M以太網(wǎng)接口部分,實現(xiàn)與站內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)的無縫連接;④RJ45接口部分,本文由HR911103A實現(xiàn);⑤電源供電模塊。系統(tǒng)組成原理如圖5所示。

圖3 APDU幀格式

圖4 ASDU幀格式

系統(tǒng)工作流程如下:來自合并單元符合IEC61850-9-1要求的數(shù)據(jù)幀通過 SC光纖接口接入系統(tǒng),經(jīng)由光收發(fā)一體模塊處理后轉(zhuǎn)變?yōu)?PECL電平,再由媒介轉(zhuǎn)換芯片IP113A將信號傳輸給以太網(wǎng)控制器 LAN 91C111(若是數(shù)字電信號,經(jīng) RJ45接口直接連接以太網(wǎng)控制器),以太網(wǎng)控制器將接收到的數(shù)據(jù)按照 IEEE802.3將數(shù)據(jù)包解幀后輸出到DSP控制模塊,DSP根據(jù)IEC61850-9-1在應(yīng)用層將數(shù)據(jù)解析還原為非常規(guī)互感器的采樣值,經(jīng)數(shù)字運算后得到實時電壓、電流、有功電量、無功電量等參數(shù);這些參數(shù)放入雙口RAM中,ARM 7控制模塊通過中斷讀取運算結(jié)果,完成顯示、命令處理、存儲、通信等系統(tǒng)功能。

3 硬件部分設(shè)計

3.1 100M以太網(wǎng)接口部分電路設(shè)計

該電路由 LAN 91C111、IP113A、光收發(fā)一體模塊及外圍電路組成,負(fù)責(zé)收發(fā)來自光纖或RJ45接口的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。

圖5 系統(tǒng)原理框圖

LAN 91C111是SMSC公司生產(chǎn)的專門用于嵌入式產(chǎn)品的10M/100M第三代快速以太網(wǎng)控制器,它支持IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),能夠自適應(yīng)地選擇傳輸速率,支持 10M/100Mbps,內(nèi)部具有8KB存儲器用作接受發(fā)送的 FIFO緩存[3]。IP113A是 ICPlus公司生產(chǎn)的 10/100BASE-TX與 100BASE-FX之間媒介轉(zhuǎn)換芯片,它支持IEEE802.3x,內(nèi)部包含一個兩端口的交換控制器,一個快速以太網(wǎng)收發(fā)器和并且在內(nèi)部實現(xiàn)了100BASE-FX的物理層[4]。光收發(fā)一體模塊選用中心波長為 1310nm、工作電壓在5V,具備 SC光纖接口、具有標(biāo)準(zhǔn) 1×9管腳配置的光模塊。LAN 91C111與IP113A及光收發(fā)模塊連接關(guān)系如圖6所示。

IP113A與光收發(fā)模塊采用交流耦合方式匹配,輸出信號經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)處理在光收發(fā)模塊端就得到了 PECL電平。IP113A的FXSD引腳為光纖光信號檢測引腳,當(dāng)供電電壓為 2.5V時,檢測閾值電壓為 1.35V,該引腳通過電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與光收發(fā)模塊RD信號的連接。在本系統(tǒng)中 IP113A采用了 2.5V供電電壓,而LAN 91C111供電電壓為 3.3V,因此設(shè)計了電平轉(zhuǎn)換電路,該電路有四片 ADI公司2.5V/3.3V電平轉(zhuǎn)換芯片ADG3241組成,以太網(wǎng)控制器與 IP113A通過該電路實現(xiàn)連接,LAN 91C111通過 16位數(shù)據(jù)總線與 DSP連接。

3.2 數(shù)字信號處理及通信部分電路設(shè)計

由于本系統(tǒng)中涉及到大量的數(shù)學(xué)運算及IE61850協(xié)議解析,對DSP的性能要求較高,因此選用 TI公司 DSP處理器TMS320F2812。TMS320F2812是 TI公司功能最強(qiáng)大的 32位定點DSP芯片,它既具有數(shù)字信號處理能力,又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能,適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合,F2812內(nèi)含 128K×16位的片內(nèi) Flash存儲器,由于本系統(tǒng)程序運行需要大量存儲空間,因此在外部存儲器接口擴(kuò)展了一片CY7C1041CV 33作為片外 RAM,該存儲器容量為 256K×16Bit,TMS320F2812與以太網(wǎng)控制器、SRAM、雙口 RAM連接關(guān)系如圖7所示。

TMS320F2812與主控 CPU之間采用雙口 RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,本文選取 IDT公司雙口 RAM芯片 IDT70V 261S/L實現(xiàn),IDT70V261S/L是 Integrated Device Technology公司生產(chǎn)的 16K×16高速雙口靜態(tài) RAM,存取速度小于 25ns,該芯片供電電壓為3.3V可直接與 2812與 2214連接,不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。IDT70V261S/L具有真正的雙端口,可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)存取,兩個端口具有獨立的控制信號線、地址線和數(shù)據(jù)線,在本系統(tǒng)中IDT70V261S/L的左端口接 DSP系統(tǒng),右端口接 ARM 7控制系統(tǒng),當(dāng) DSP系統(tǒng)解析一幀數(shù)據(jù)并運算完畢后,寫入 IDT70V 261S/L的3FFF單元,雙口RAM的INTR引腳產(chǎn)生中斷通知主處理器讀取運算結(jié)果,主處理器通過讀取 IDT70V 261S/L的 3FFF單元清除中斷標(biāo)志[6]。

圖6 光纖以太網(wǎng)接口電路圖

圖7 數(shù)字處理及通信部分電路框圖

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為協(xié)議解析程序設(shè)計和 LAN 91C 111驅(qū)動程序設(shè)計,LAN91C111工作流程如下:驅(qū)動程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)包按指定格式寫入芯片并啟動發(fā)送命令,LAN 91C 111會自動把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸;LAN91C111收到物理信號后自動將其還原成數(shù)據(jù),并按指定格式存放在 RAM中以供 DSP讀取。LAN91C111的編程主要包括:初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包、接收數(shù)據(jù)包三部分[7]。

協(xié)議解析程序嚴(yán)格按照IEC 61850-9-1對數(shù)據(jù)幀格式的要求,程序按照以下步驟設(shè)計:①根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)長度對各個變量進(jìn)行定義并設(shè)計出對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體;② 解析出APDU數(shù)據(jù)幀,記錄該幀信息中的 APCI信息;③ 根據(jù) APCI信息,解析出應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元 ASDU;④從ASDU中解析出所需要的電壓、電流、采樣頻率等各種信息放入 RAM中特定的位置供計量程序調(diào)用。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于IEC 61850數(shù)字化變電站計量儀表的接口設(shè)計方案,經(jīng)模擬現(xiàn)場實驗,該方案能夠準(zhǔn)確、及時接收并解析出站內(nèi)以太網(wǎng)的電壓、電流、頻率等各項信息,滿足數(shù)字化變電站計量儀表對網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計的要求,達(dá)到了設(shè)計目的,能夠?qū)崿F(xiàn)與站內(nèi)以太網(wǎng)的無縫連接,同時,本方案也可作為數(shù)字化變電站其他IED接口的設(shè)計參考。

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