以太網(wǎng)IEC103在弧光保護(hù)裝置中的實(shí)現(xiàn)

涂永飛, 聶光輝

(鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

以太網(wǎng)IEC103在弧光保護(hù)裝置中的實(shí)現(xiàn)

涂永飛, 聶光輝

(鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

介紹了弧光保護(hù)裝置如何通過W5100芯片實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)口。裝置采用W5100的兩個(gè)端口實(shí)現(xiàn)了TCP和UDP，然后通過兩者的結(jié)合完成以太網(wǎng)IEC103通信，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

弧光保護(hù)；以太網(wǎng)IEC103；W5100；UDP；TCP

0 引言

IEC103傳輸規(guī)約是國際電工委員會(huì)為了在不同保護(hù)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息互換的目的而制定的繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)[1]，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的繼電保護(hù)裝置采用以太網(wǎng)IEC103規(guī)約。本文主要結(jié)合鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠公司ZHG-1A型弧光保護(hù)裝置，詳細(xì)介紹以太網(wǎng)IEC103在弧光保護(hù)裝置中的實(shí)現(xiàn)方法。

1 ZHG-1A型智能弧光保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)方案

ZHG-1A型智能弧光保護(hù)裝置依據(jù)紫外光弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理，具有保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高等特點(diǎn)[2]。裝置采用“DSP+雙ARM”架構(gòu)，其中DSP作為主CPU，負(fù)責(zé)電壓、電流的采集計(jì)算和保護(hù)邏輯，一片ARM負(fù)責(zé)液晶顯示和DSP通信，另一片ARM主要負(fù)責(zé)與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信，通信規(guī)約采用以太網(wǎng)IEC103和Modbus。整個(gè)裝置的硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 裝置硬件設(shè)計(jì)方案

2 以太網(wǎng)IEC103的硬件設(shè)計(jì)方案

大多數(shù)以太網(wǎng)接入設(shè)備采用MCU+以太網(wǎng)控制芯片(如RTL8019AS,DM9008等)，然后通過軟件實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，這種方式對(duì)開發(fā)人員的軟硬件設(shè)計(jì)能力要求較高。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，硬件協(xié)議棧芯片越來越便宜，因此本裝置采用韓國WIZnet公司生產(chǎn)的W5100，使用它不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡單的端口(Socket)編程[3]。本裝置使用兩片W5100，分別采用直接總線接口和SPI總線接口方式來實(shí)現(xiàn)弧光保護(hù)裝置的兩路以太網(wǎng)通信。

2.1 W5100的SPI總線接口

LPC1788的SSP0口與W5100的SPI相連。P0[16]和P0[27] 用作普通的I/0管腳。 P0[16]作為W5100的SPI從模式選擇，P0[27]用作W5100復(fù)位，W5100剛上電時(shí)一定要復(fù)位且持續(xù)時(shí)間不小于2 μs。由于此管腳為LPC1788的開漏極管腳，所以要接上拉電阻(圖中未畫出)。/INT管腳與EINT1相連。/SEN腳接高電平，使能W5100的SPI模式。W5100的SPI接口框圖如圖2所示。

2.2 W5100的直接總線接口

W5100的直接總線接口采用15位地址線，8位數(shù)據(jù)線。在直接總線方式下，/CS必不可少，用于MCU訪問W5100內(nèi)部寄存器或存儲(chǔ)器。/WR為寫使能，/RD為讀使能。以上管腳與LPC1788的外部存儲(chǔ)控制器模塊(EMC)相連[4]。/INT引腳與EINT0管腳相連。/RESET為W5100的復(fù)位腳，/SEN腳接低電平，禁止W5100的SPI模式。W5100的直接總線接口框圖如圖3所示。

圖2 W5100的SPI接口

圖3 W5100的直接總線接口

3 以太網(wǎng)IEC103的軟件設(shè)計(jì)

弧光保護(hù)裝置是國內(nèi)最近幾年才出現(xiàn)的新裝置，IEC 60870-5-103描述了兩種信息交換的方法：第一種方法是基于嚴(yán)格規(guī)定的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元和傳輸“標(biāo)準(zhǔn)化”報(bào)文的應(yīng)用過程，第二種方法使用通用分類服務(wù)，以傳輸幾乎所有可能的信息[5]。本裝置采用第二種方法。

本裝置采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP的客戶機(jī)-服務(wù)器模型進(jìn)行通信。規(guī)約采用以太網(wǎng)UDP報(bào)文與TCP報(bào)文相結(jié)合[6]的格式，應(yīng)用規(guī)約控制信息(APCI)采用與IEC104相似的格式。W5100共有四個(gè)端口，分別是S0，S1，S2，S3。在這里端口S0用作TCP通信，置為TCP客戶端模式,TCP端口號(hào)為2404；端口S1置為UDP模式，UDP端口號(hào)為1032。上電初始化后，就已建立了UDP連接。通信開始時(shí)，主站定時(shí)向弧光保護(hù)裝置發(fā)送廣播報(bào)文，裝置通過UDP收到主站的IP地址和端口號(hào)后，主動(dòng)與主站建立TCP連接。整個(gè)鏈路建立后，主站與裝置利用TCP報(bào)文進(jìn)行信息傳輸，采用的報(bào)文格式如圖4所示。

圖4 報(bào)文格式

W5100接收到一幀數(shù)據(jù)后,/INT腳輸出低電平,引起LPC1788的外部中斷，置位外部中斷標(biāo)志。當(dāng)TCP建立連接，通信正常時(shí)，主程序每隔10 ms調(diào)用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文處理程序。在以太網(wǎng)IEC103報(bào)文進(jìn)行接收的過程中，對(duì)接收成功的一串報(bào)文首先要進(jìn)行幀校驗(yàn)，先查看報(bào)頭0x68,再查看接收數(shù)據(jù)的長度，最后再看接收序列號(hào)和發(fā)送序列號(hào)，采用IEC104相似的規(guī)約控制信息，能夠防止報(bào)文丟失和報(bào)文重復(fù)傳送。當(dāng)接收的報(bào)文正確無誤時(shí)，再通過發(fā)送序列號(hào)判斷報(bào)文是I格式、S格式還是U格式。如果接收的報(bào)文是I格式，則按照通用分類服務(wù)對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，響應(yīng)報(bào)文，最后組織相應(yīng)報(bào)文發(fā)給主站。以太網(wǎng)IEC103網(wǎng)絡(luò)處理流程如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)IEC103網(wǎng)絡(luò)處理流程圖

本設(shè)計(jì)中以太網(wǎng)IEC103采用平衡傳輸方式。通常情況下裝置采用一問一答方式傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生開入量變位、壓板狀態(tài)改變、裝置發(fā)生動(dòng)作、告警等事件時(shí)，裝置會(huì)即時(shí)將這些變化信息主動(dòng)上傳到主站。

主函數(shù)中的W5100直接總線接口方式程序如下:

……

if(Bus_GulTick)

//外部中斷,置1

{ Bus_GulTick=0;

Bus_W5100_Interrupt_Process();

}

if(Bus_NetWork.netloop)

//10 ms執(zhí)行1次

{

Bus_NetWork.netloop=0;

if(Bus_NetWork.OnLink==DISCONNECTED)

Bus_ProcessAboutUDP();

//UDP

else

Bus_ProcessAboutNet();

//TCP

}

……

建立TCP和UDP連接程序如下：

if(Bus_S0_State==0)

{//建立TCP連接

if(Bus_S0_Mode==TCP_CLIENT)

{

if(Bus_Socket_Connect(0)==W5100_TRUE)

Bus_S0_State=S_INIT;

else

Bus_S0_State=0;

}}

if(Bus_S1_State==0)

{//建立UDP連接

if(Bus_Socket_UDP(1)==W5100_TRUE)

Bus_S1_State=S_INIT|S_CONN;

else

Bus_S1_State=0;

}

4 結(jié)束語

在弧光保護(hù)產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)IEC103規(guī)約是廠家面對(duì)的問題。裝置采用LPC1788+兩片W5100實(shí)現(xiàn)了IEC103網(wǎng)絡(luò)方式。W5100中的兩個(gè)端口一個(gè)用于UDP，一個(gè)用于TCP，使得裝置與主站鏈接靈活，通信傳輸可靠。經(jīng)過現(xiàn)場的運(yùn)行測試，實(shí)現(xiàn)了弧光保護(hù)裝置長期在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測，滿足了通信要求，對(duì)其他產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)IEC103具有借鑒意義。

[1] 吳曉輝，陳澤文.基于DSP的以太網(wǎng)103規(guī)約在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，26(10)：235-238.

[2] 涂永飛,王名傳.基于SPI雙機(jī)通信的弧光保護(hù)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(2)：72-74.

[3] 成都浩然電子有限公司.W5100數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].2010.

[4] NXP.LPC178x/7x用戶手冊(cè)[Z]. 2011.

[5] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5部分：傳輸規(guī)約：繼電保護(hù)設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)DL/T667-1999[S].北京：中國電力出版社， 2011.

[6] 鄧素碧，趙振龍，陳軍,等.以太網(wǎng)103規(guī)約及其在水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2007,27(4)：79-82.

Implementation of Ethernet IEC103 for arc protection equipment

Tu Yongfei, Nie Guanghui

(Zhenjiang East China Electric Power Equipment Company Ltd，Zhenjiang 212004,China)

This paper mainly introduces how arc protection equipment implementing device of double network interfaces by W5100.The derice implements Ethernet IEC 103 communication through the combination of TCP and UDP which implemented by two ports of W5100. It has obtained the great effects in practical applications.

arc protection；Ethernet IEC103；W5100 ；UDP;TCP

TP273

A

1674-7720(2016)05-0078-03

涂永飛, 聶光輝. 以太網(wǎng)IEC103在弧光保護(hù)裝置中的實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(5)：78-80.

2015-11-05)

涂永飛(1983-)通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置。E-mail：tuyongfei@163.com。

聶光輝(1986-)男，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)。