數字化變電站計量儀表網絡接口模塊的設計

楊新華 許勝軍 韓永軍

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

0 引 言

隨著國家智能電網計劃的推進,數字化變電站的建設進入了快速發展階段。數字化變電站采用智能化的非常規互感器,內部信息交換實現了網絡化、數字化,全站基于IEC61850標準的統一信息建模[1]。

常規變電站的計量系統由儀用互感器、計量儀表組成,計量精度和電壓等級受到互感器的限制。與常規變電站不同,數字化變電站計量單元作為間隔層的一個邏輯節點,接收來自站內高速以太網符合 IEC61850標準的數據,經協議解析單元處理后還原出非常規互感器采樣的實時電網信息,由數字信號處理單元運算處理后得到各種電能參數,完成計量功能。數字化變電站的計量系統采用光纖接入網絡,具有計量精度高、成本低、運行可靠的優點。如何能夠準確、及時的接收并解析出數字變電站網絡的各種信息是該儀表設計的關鍵,本文圍繞這一課題探討了該部分的軟硬件設計,提出完整的設計方案。

1 采樣值傳輸協議 IEC61850-9-1

IEC61850-9-1規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和映射,通信協議棧如圖1所示。物理層首選的光纖傳輸系統是IEE802.3100Base-Fx,在鏈路層,采用了 ISO/IEC8802-3的以太網幀格式,其結構如圖2所示,以太網的地址域由全部“1”組成的以太網廣播地址被用作目標地址的缺省值,針對不同的信息優先等級采用了符合 IEEE802.1Q的優先級標記[2,5]。

應用層通過 APDU實現信息交換,APDU的幀格式如圖3所示,一個APDU由應用協議控制信息APCI和若干個ASDU組成,ASDU數據幀格式如4所示。一個 ASDU中包含 7個電流互感器數據和 5個電壓互感器數據,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通信協議棧

2 接口部分總體設計

基于IEC61850數字化變電站的計量系統在物理層設計了光纖接口和 RJ45接口,這樣可以同時兼容具備數字電輸出和數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負責 IEC 61850-9-1協議解析及數字運算,另外一個 CPU負責系統控制及處理各種命令,兩個 CPU之間通過雙口 RAM實現通信,這樣設計能夠最大限度的提高系統性能,避免出現數據丟包的現象。

圖2 以太網幀格式

為兼容具有數字電輸出的合并單元,系統還設計了 RJ45網絡接口。系統主要由以下 5個部分組成:① 光纖接口模塊,由光纖接口、光收發模塊、媒介轉換芯片 IP113A構成,完成將光電信號轉換;② 協議解析模塊,本文采用數字信號處理部分負責完成 IEC61850-9-1協議解析;③ 100M以太網接口部分,實現與站內光纖網絡的無縫連接;④RJ45接口部分,本文由HR911103A實現;⑤電源供電模塊。系統組成原理如圖5所示。

圖3 APDU幀格式

圖4 ASDU幀格式

系統工作流程如下:來自合并單元符合IEC61850-9-1要求的數據幀通過 SC光纖接口接入系統,經由光收發一體模塊處理后轉變為 PECL電平,再由媒介轉換芯片IP113A將信號傳輸給以太網控制器 LAN 91C111(若是數字電信號,經 RJ45接口直接連接以太網控制器),以太網控制器將接收到的數據按照 IEEE802.3將數據包解幀后輸出到DSP控制模塊,DSP根據IEC61850-9-1在應用層將數據解析還原為非常規互感器的采樣值,經數字運算后得到實時電壓、電流、有功電量、無功電量等參數;這些參數放入雙口RAM中,ARM 7控制模塊通過中斷讀取運算結果,完成顯示、命令處理、存儲、通信等系統功能。

3 硬件部分設計

3.1 100M以太網接口部分電路設計

該電路由 LAN 91C111、IP113A、光收發一體模塊及外圍電路組成,負責收發來自光纖或RJ45接口的以太網數據幀。

圖5 系統原理框圖

LAN 91C111是SMSC公司生產的專門用于嵌入式產品的10M/100M第三代快速以太網控制器,它支持IEEE 802.3以太網標準,能夠自適應地選擇傳輸速率,支持 10M/100Mbps,內部具有8KB存儲器用作接受發送的 FIFO緩存[3]。IP113A是 ICPlus公司生產的 10/100BASE-TX與 100BASE-FX之間媒介轉換芯片,它支持IEEE802.3x,內部包含一個兩端口的交換控制器,一個快速以太網收發器和并且在內部實現了100BASE-FX的物理層[4]。光收發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、具有標準 1×9管腳配置的光模塊。LAN 91C111與IP113A及光收發模塊連接關系如圖6所示。

IP113A與光收發模塊采用交流耦合方式匹配,輸出信號經過電阻網絡處理在光收發模塊端就得到了 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,該引腳通過電阻網絡實現與光收發模塊RD信號的連接。在本系統中 IP113A采用了 2.5V供電電壓,而LAN 91C111供電電壓為 3.3V,因此設計了電平轉換電路,該電路有四片 ADI公司2.5V/3.3V電平轉換芯片ADG3241組成,以太網控制器與 IP113A通過該電路實現連接,LAN 91C111通過 16位數據總線與 DSP連接。

3.2 數字信號處理及通信部分電路設計

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

TMS320F2812與主控 CPU之間采用雙口 RAM實現數據通信,本文選取 IDT公司雙口 RAM芯片 IDT70V 261S/L實現,IDT70V261S/L是 Integrated Device Technology公司生產的 16K×16高速雙口靜態 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,不需要進行電平轉換。IDT70V261S/L具有真正的雙端口,可以同時進行數據存取,兩個端口具有獨立的控制信號線、地址線和數據線,在本系統中IDT70V261S/L的左端口接 DSP系統,右端口接 ARM 7控制系統,當 DSP系統解析一幀數據并運算完畢后,寫入 IDT70V 261S/L的3FFF單元,雙口RAM的INTR引腳產生中斷通知主處理器讀取運算結果,主處理器通過讀取 IDT70V 261S/L的 3FFF單元清除中斷標志[6]。

圖6 光纖以太網接口電路圖

圖7 數字處理及通信部分電路框圖

4 軟件設計

軟件設計分為協議解析程序設計和 LAN 91C 111驅動程序設計,LAN91C111工作流程如下:驅動程序將要發送的數據包按指定格式寫入芯片并啟動發送命令,LAN 91C 111會自動把數據包轉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據,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、發送數據包、接收數據包三部分[7]。

協議解析程序嚴格按照IEC 61850-9-1對數據幀格式的要求,程序按照以下步驟設計:①根據標準要求的數據長度對各個變量進行定義并設計出對應的結構體;② 解析出APDU數據幀,記錄該幀信息中的 APCI信息;③ 根據 APCI信息,解析出應用服務數據單元 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用。

5 結束語

本文提出了一種基于IEC 61850數字化變電站計量儀表的接口設計方案,經模擬現場實驗,該方案能夠準確、及時接收并解析出站內以太網的電壓、電流、頻率等各項信息,滿足數字化變電站計量儀表對網絡接口設計的要求,達到了設計目的,能夠實現與站內以太網的無縫連接,同時,本方案也可作為數字化變電站其他IED接口的設計參考。

[1] 高 翔.數字化變電站應用技術[M].北京:中國電力出版社.2008.14～15.

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