適用于電力通信接入網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置

王智東， 陳俊威

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640)

0 引言

智能電網(wǎng)建立在高度統(tǒng)一的信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的通信、信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)信息的全域共享和綜合利用［1-3］。作為智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)貫穿于輸電、變電、配電、調(diào)度等電網(wǎng)環(huán)節(jié)，不僅是智能電網(wǎng)數(shù)字化、信息化、自動化、互動化的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，而且是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)電力流、信息流與業(yè)務(wù)流統(tǒng)一、融合的技術(shù)手段，為智能電網(wǎng)信息交換和互操作等提供了平臺支持［4-5］。

目前電力系統(tǒng)存在著電力載波、微波、過程總線、以太網(wǎng)等多種通信類型，而且多樣化的通信類型將長期同時(shí)存在［6］。電力通信網(wǎng)絡(luò)類型和網(wǎng)絡(luò)規(guī)約的多樣化與復(fù)雜化，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)接入網(wǎng)不同網(wǎng)絡(luò)和不同規(guī)約的連接與信息轉(zhuǎn)換成為急待解決的難題。

1 電力通信類型分析

變電站是電力能源傳輸和轉(zhuǎn)換樞紐，變電站通信主要經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段［7-8］，第一階段是以 RS485/422/232(方便敘述，下文簡稱為RS總線)為主的簡單通信模式［9］;第二階段以控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork，CAN)、LonWorks等為代表的過程總線［10-11］;第三階段是采用速率更高的以太網(wǎng)為代表，尤其是光纖以太網(wǎng)技術(shù)［12-13］，上述的各種通信類型在不同電壓等級的變電站中還普遍存在。

配電領(lǐng)域的通信方式更加靈活和多樣化，常見的配電通信有以下三種通信方式［14］:一是融合計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)采用數(shù)字式的電力線載波通信;二是采用微波通信技術(shù)的電力無線傳輸信息系統(tǒng);三是以CAN、LonWorks等為代表的過程總線。在輸電領(lǐng)域，同樣也存在無線微波通信、電力線載波通信和光纖通信等多種通信網(wǎng)絡(luò)類型。

由于輸電、配電等電力通信應(yīng)用場合不同，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展不平衡等多種原因，電力系統(tǒng)同時(shí)存在著多種不同的通信類型，尤其在電力系統(tǒng)通信的接入網(wǎng)層，更趨于復(fù)雜。電力系統(tǒng)通信接入網(wǎng)處于整個(gè)電力系統(tǒng)的接入位置，可以自身單獨(dú)組成網(wǎng)絡(luò)，相對于骨干網(wǎng)或核心網(wǎng)，其所用的網(wǎng)絡(luò)類型和網(wǎng)絡(luò)規(guī)約更加多元和豐富，而且在很長的一段時(shí)期內(nèi)將存在多樣化的通信類型［5］。

掌握和應(yīng)用電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵之一，而開發(fā)適用于電力系統(tǒng)的高性能通信實(shí)驗(yàn)裝置是深入了解和熟悉電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前提。但是，目前智能電網(wǎng)的通信裝置存在著集成度較低、裝置性能單一、功能分散和不完整等問題，實(shí)用性差，難以滿足電力系統(tǒng)各通信類型和模式多樣化的要求。因此，設(shè)計(jì)通信功能齊全的實(shí)驗(yàn)裝置具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 實(shí)驗(yàn)裝置整體方案

針對電力系統(tǒng)通信接入層的多樣化需求，同時(shí)考慮到選擇通信功能集成度高的控制芯片有助于降低開發(fā)難度和節(jié)省成本，通過比較目前主流芯片生產(chǎn)廠家控制器的綜合性能，最終選擇了LM3S9B96控制器作為本實(shí)驗(yàn)裝置的控制器，該芯片內(nèi)置了 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)、CAN、I2C(Inter-Integrated Circuit)、SPI(Serial Peripheral Interface)、以太網(wǎng)等控制模塊，具有多種通信接口，兼容性能好，可以很好滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)RS總線、CAN總線、以太網(wǎng)等多種通信需求。LM3S9B96控制器主要特點(diǎn)有:

(1)集成度高。LM3S9B96控制器采用 ARMCortex-M3構(gòu)架;Thumb-2技術(shù)可以使16 B和32 B指令并存，帶來了代碼密度和性能的有效平衡;支持SDRAM、SRAM/Flash memory、FPGAs、CPLDs;4個(gè)32 B定制器，2個(gè)看門狗定時(shí)器等功能。

(2)運(yùn)算速率高。LM3S9B96控制器具有256 KB單周期Flash存儲器，速度可達(dá)50 MHz;50 MHz以上采用預(yù)取指技術(shù)改善性能;同時(shí)兼帶96 KB單周期SRAM，較大的內(nèi)存為處理器的快速運(yùn)行提供了保障。

(3)通信接口豐富。LM3S9B96控制器具有片外設(shè)備接口，提供8/16/32 B外部設(shè)備專用并行總線，支持USB2.0，三路支持 IrDA 和 ISO 7816的 UART、SPI和以太網(wǎng)等通信功能。這樣，簡化了通信電路，提高硬件的可靠性;同時(shí)，方便電路的擴(kuò)展和裝置的再開發(fā)。

(4)芯片價(jià)格成本低。芯片開發(fā)無需昂貴開發(fā)工具。

實(shí)驗(yàn)裝置充分利用LM3S9B96控制器豐富的通信接口，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過自帶的 I2C、UART、SPI、CAN、以太網(wǎng)控制模塊和數(shù)據(jù)總線，分別與RS模塊、無線模塊、CAN模塊、Profibus模塊等外圍通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。該裝置具有研發(fā)周期短、產(chǎn)品功能擴(kuò)展方便靈活、成本低廉等模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)［15］。

圖1 電力通信接入網(wǎng)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

3 關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 主控制器模塊和電以太網(wǎng)模塊

主控制器模塊的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于其最小系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)電源、系統(tǒng)時(shí)鐘和調(diào)試接口JTAG(Joint Test Action Group)等回路。

電源的質(zhì)量直接決定裝置運(yùn)行的可靠性，本系統(tǒng)需要3.3和2.5 V等多個(gè)電壓，目前微機(jī)系統(tǒng)常用的直流提供方式主要有直流轉(zhuǎn)直流DC-DC方法或線性穩(wěn)壓器LDR(Low Dropout Regulator)兩種方法，前者效率高但成本高;后者效率較差但具有很大的成本優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)中綜合考慮所需電源的功耗、設(shè)計(jì)成本等因素，根據(jù)具體情況靈活選擇。電源具體設(shè)計(jì)如下:因?yàn)?.3 V電源是用得較多的系統(tǒng)電源，采用較為節(jié)能的DCDC電源芯片PQ1LA333MSPQ，將從電源端子進(jìn)入裝置的5 V電源轉(zhuǎn)換為3.3 V的系統(tǒng)電源。由于2.5 V電源的使用率不高，主要考慮成本因素，選用線性穩(wěn)壓器FAN2558S12X將5 V電源轉(zhuǎn)變?yōu)?.5 V電源供給光以太網(wǎng)等模塊。在電源芯片和LM3S9B96控制器的每個(gè)電源管腳，都盡可能并聯(lián)上 0.1、0.01 和 2.2 μF容值不等的去耦電容，以過濾不同頻段的電源紋波干擾。

在系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)方面，將頻率為16 MHz的晶體接入到LM3S9B96控制器的時(shí)鐘輸入管腳，通過LM3S9B96控制器內(nèi)置的倍頻回路后作為系統(tǒng)時(shí)鐘。同時(shí)，提供25 MHz的晶體作為LM3S9B96控制器內(nèi)置的以太網(wǎng)模塊的時(shí)間基準(zhǔn)，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

LM3S9B96控制器內(nèi)置的以太網(wǎng)模塊遵循IEEE 802.3—2002規(guī)范，支持10/100 Mb/s半/全雙工以太網(wǎng)通信，包括媒體訪問控制器MAC單元和網(wǎng)絡(luò)物理層IEEE1588PTP硬件支持的PHY單元。利用LM3S9B96控制器內(nèi)置的以太網(wǎng)單元即可方便實(shí)現(xiàn)電以太網(wǎng)功能，只需將LM3S9B96控制器以太網(wǎng)單元的收、發(fā)兩對具有差動功能的管腳，經(jīng)過由電阻、電容組成的匹配電路后，連接到集成了隔離變壓器功能的RJ45接口連接器J3011G21DNL如圖2所示。

由于LM3S9B96控制器內(nèi)置的以太網(wǎng)物理層PHY單元支持 IEEE1588功能，無需另外添加復(fù)雜的IEEE1588電路，便可實(shí)現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IEEE1588對時(shí)方式［16］。

3.2 RS 總線模塊

RS232、RS422和RS485網(wǎng)絡(luò)功能雖然相對簡單，但在目前的電力系統(tǒng)通信領(lǐng)域都有一定程度的應(yīng)用，本RS總線模塊在LM3S9B96控制器的UART控制模塊的基礎(chǔ)上，通過添加對應(yīng)的簡單芯片即可實(shí)現(xiàn)RS232、RS422和RS485功能。

采用 ISO35芯片實(shí)現(xiàn) RS422或 RS485功能，ISO35芯片是具有TIA/EIA 485/422通信接口的芯片，具有1 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且ISO35具有數(shù)據(jù)隔離功能，可較好保證數(shù)據(jù)完整性。具體設(shè)計(jì)如圖2所示，通過LM3S9B96控制器的UART控制模塊來控制ISO35芯片的RE或DE管腳，從而使該模塊工作在RS485讀或?qū)懙陌腚p工狀態(tài)。當(dāng)同時(shí)使能RE或DE管腳時(shí)，該模塊工作在RS422讀寫全雙工狀態(tài)。

圖2 RS232/RS422/RS485模塊原理圖

根據(jù)ISO35芯片的電源要求，利用電源轉(zhuǎn)換芯片NKE0503S得到隔離的3.3 V電源和地供給ISO35芯片。

同時(shí)選用MAX3250芯片實(shí)現(xiàn)RS232功能。所采用的MAX3250芯片是一款具有250 kb/s數(shù)據(jù)傳輸率的EIA/TIA-232和 V.28/V.24通信接口芯片，允許RS232側(cè)與邏輯側(cè)存在±50 V的電壓差。MAX3250芯片的FAULT漏極管腳25開路輸出在任何一路RS232輸入出現(xiàn)過高的隔離端電壓時(shí)，會產(chǎn)生報(bào)警信號，起到保護(hù)芯片的作用。

3.3 CAN 模塊

主控制器LM3S9B96已集結(jié)了CAN功能模塊，只需添加收發(fā)器芯片便可實(shí)現(xiàn)完整的CAN通信。為了簡化電路和降低成本，選用具有數(shù)據(jù)隔離功能的單芯片ISO1050作為CAN收發(fā)器芯片，該芯片在滿足CAN高達(dá)1 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上，還具有信號隔離能力，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中需另外添加隔離電路以增強(qiáng)可靠性的做法。

具體設(shè)計(jì)如圖3所示，ISO1050芯片的接收管腳和發(fā)送管腳分別與LM3S9B96控制器CAN模塊數(shù)據(jù)控制器的數(shù)據(jù)接收管腳和發(fā)送管腳相接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，經(jīng)過隔離的ISO1050芯片的一對具有差動功能的管腳接到與外界CAN總線聯(lián)系的端子。

圖3 CAN模塊原理圖

3.4 LonWorks電力載波模塊

LonWorks電力載波模塊由電力智能載波收發(fā)芯片PL3120、發(fā)送放大電路、耦合電路和接收濾波電路組成。

LonWorks電力載波采用同時(shí)集成了神經(jīng)元功能和電力線收發(fā)功能的PL3120載波收發(fā)器，PL3120芯片采用單片系統(tǒng)方式、超小型的封裝模式，支持CENELEC-A和CENELEC-C運(yùn)行，符合多個(gè)國家的電力線規(guī)則。

具體設(shè)計(jì)如圖4所示，外部電源的電源端POWER直接連接到耦合電路，發(fā)送端TXOUT接到芯片接口的發(fā)送放大電路;接收端RXIN連接到芯片的接收濾波電路。具體實(shí)現(xiàn)如下:

圖4 LonWorks的電力線載波模塊電路原理圖

LM3S9B96控制器通過I2C接口給PL3120芯片提供時(shí)鐘和進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PL3120芯片通過由電阻和電容構(gòu)成的接口電路，連接到由電容和電感配合組成的耦合電路，耦合電路的的電源端POWER連接到外部電源。耦合電路作為PL3120芯片和電源之間的濾波器，在提供電涌和線路瞬變保護(hù)之外還可以阻止干擾信號，可通過裝置的端子耦合到AC/DC輸電線，或無動力的雙絞線上。

為了增大傳輸距離，需要配置發(fā)送放大電路。發(fā)送放大電路由多個(gè)BJT(Bipolar Junction Transistor)構(gòu)成差分放大電路，把信號放大為峰峰值為7 V的信號，并通過發(fā)送接口TXOUT與耦合電路部分相接，進(jìn)行濾波處理，并連接到芯片接口的發(fā)送放大部分發(fā)送到LonWorks網(wǎng)絡(luò)。

接收端RXIN連接到芯片的接收濾波部分。接收電路的RXIN管腳作為電路的輸入端，連接到耦合信號輸入端進(jìn)行濾波處理，同時(shí)接入PL3120芯片的模擬信號輸入端，接收來自LonWorks網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。

3.5 Profibus模塊

Profibus協(xié)議由于太過復(fù)雜而龐大，在主控制芯片上編程實(shí)現(xiàn)會加重主控制模塊的負(fù)擔(dān)，而且編程實(shí)現(xiàn)會增大研發(fā)的難度。為了降低研發(fā)難度、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，本文采用內(nèi)部封裝了完整的Profibus協(xié)議的SPC3芯片來實(shí)現(xiàn)，可以保證裝置要求的高可靠性、高效率。

本模塊基于SPC3芯片，該芯片通過總線接口與LM3S9B96控制器相連，LM3S9B96控制器的高8 B地址線與SPC3的AB0～AB7數(shù)據(jù)線相連，低8 B地址線與SPC3的 DB0～DB7數(shù)據(jù)線相連，SPC3芯片從Profibus總線接收數(shù)據(jù)，完成進(jìn)行基本的Profibus協(xié)議處理后，把接收的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的緩沖區(qū)，并以中斷的形式通知LM3S9B96控制器，最終由主控制器進(jìn)行處理，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 Profibus模塊的電路原理圖

3.6 無線模塊

無線模塊采用低成本、低功耗的單片UHF收發(fā)器CC1101芯片。CC1101芯片集成了一個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可以靈活編程控制;工作頻段靈活;前向誤差校正功能使得差錯控制性能得到提升。

通過LM3S9B96控制器的工作在四線模式的SPI通信模塊與CC1101芯片的四線SPI接口進(jìn)行信息交換，由此實(shí)現(xiàn)無線通信。為了抑制高頻電流的干擾，本模塊增加由 L101、L111、C131、C111、L121、L131、C131構(gòu)成的平衡轉(zhuǎn)換器。CC1101芯片的RF_N、RF_P管腳經(jīng)匹配電路后連接到天線通信模塊。無線模塊的CC1101芯片的外圍電路如圖6所示。

圖6 無線模塊的電路原理圖

LM3S9B96 控制器通過由 SCLK、SO、SI、CSn管腳組成的SPI接口與CC1101連接，靈活地實(shí)現(xiàn)通訊參數(shù)配置、工作模式選擇、數(shù)據(jù)通訊功能。

3.7 光以太網(wǎng)模塊

光以太網(wǎng)功能在電力系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。但目前單芯片控制器中很少具有光以太網(wǎng)功能，所以在需要光以太網(wǎng)功能的設(shè)計(jì)中，往往通過主控制器的數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展，與功能復(fù)雜的光以太網(wǎng)芯片相連，來實(shí)現(xiàn)光以太網(wǎng)功能。但是該方法需涉及較為復(fù)雜的光以太網(wǎng)芯片編程，而且印刷電路板布線較為困難，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

本光以太網(wǎng)模塊在電以太網(wǎng)模塊的基礎(chǔ)上，通過增加光/電轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)芯片，實(shí)現(xiàn)光以太網(wǎng)功能。具體設(shè)計(jì)如圖7所示，該模塊以光/電轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)芯片IP113M為核心，IP113M提供的光纖接口連接至百兆光纖收發(fā)器HFBR-2115TZ和HFBR-1115TZ芯片，與外界的光纖以太網(wǎng)相連;同時(shí)，IP113M的電以太網(wǎng)接口經(jīng)隔離變壓器YL37-1107S后連接到RJ45電以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，該電以太網(wǎng)接口可以通過雙絞線連接到文中3.1節(jié)介紹的電以太網(wǎng)RJ45接口，從而實(shí)現(xiàn)外界的光纖信號經(jīng)過光纖收發(fā)器后進(jìn)入IP113M芯片，再通過IP113M芯片的電以太網(wǎng)接口和與之相連的主控制器的電以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)光纖信號的處理。

圖7 光以太網(wǎng)模塊的電路原理圖

4 結(jié)語

本文針對電力系統(tǒng)通信方式多樣性和復(fù)雜性的問題，采用“單核心，模塊化”的方法設(shè)計(jì)了基于LM3S9B96控制器的電力通信接入網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)多種通信規(guī)約的處理和轉(zhuǎn)換功能，克服了傳統(tǒng)通信裝置性能單一、功能分散的缺點(diǎn)，為智能電網(wǎng)提供了高性能、高可靠性的通信平臺支撐。

該實(shí)驗(yàn)裝置具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低廉、集成度高、功能全面等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于電力系統(tǒng)常見接入網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)規(guī)約的測試，或者電力系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和多種網(wǎng)絡(luò)規(guī)約的轉(zhuǎn)換等實(shí)驗(yàn);還可作為簡單的電力系統(tǒng)通信網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)和不同規(guī)約的無縫連接和信息轉(zhuǎn)換。

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