電能量遠方終端雙平面網絡接入平臺設計

張衛東

積成電子股份有限公司

電能量遠方終端雙平面網絡接入平臺設計

張衛東

積成電子股份有限公司

電力調度數據網絡主要承載電力系統實時安全監控、電量結算、環境監測和辦公自動化等通信業務，實現發電廠和變電站相關信息接入。為了保證網絡數據傳輸的可靠性和穩定性，對于重要的骨干電廠和變電站要配置雙平面調度數據網絡，接入到調度數據網的重要終端設備也必須支持雙平面接入.為了終端設備到雙平面調度數據網絡的接入，一些廠商的終端設備采用了串口至以太網轉換器擴展網絡通道，這種方案受限于異步串口的通信速率，網絡數據傳輸的吞吐率較低，而且串口至以太網轉換器的可靠性低，降低了信息接入的可靠性。

電能量遠方終端；以太網控制器；電力調度數據網絡

本文研究的電能量遠方終端先前使用的核心板已經停產、電子盤斷貨，還考慮到升級使用的核心板自帶的以太網控制器和應用軟件的底層驅動不兼容，整個裝置沒有可用的以太網接口。課題組決定設立項目開發一塊帶雙網卡的多功能母板，分別接入第一平面網絡和第二平面網絡，對裝置進行升級設計。

1 總體方案設計

電能量遠方終端基于現代關口表計量計費系統的需求理念設計，主要用于與全電子式多功能電能表通信，抄讀電能表采集生成的電能量、瞬時量、需量、事件和電能表工作狀態信息，生成并保存帶時標的分鐘電量信息、日和月凍結電量信息，并采用IEC60870-5-102協議等協議與計量計費系統主站和站控層后臺系統通信，上報采集和生成的各種計量信息.所設計的電能量遠方終端的硬件平臺以一款采用Vortex86DX 的PC/104的嵌入式計算機模板為核心，在充分利用核心板資源的基礎上，擴展了2路以太網接口、8路異步串口、看門狗以及CPU 接口的引出連接電路等，以滿足硬件平臺支撐的需求。

2 硬件設計

為了提高終端抗電磁干擾的能力，進行裝置硬件總體設計時，將通過 PC104總線擴展的硬件電路全部安排在 CPU 基板上，4-SIO板和 DCOM 板僅布置通信接口芯片，確保并行總線信號不出 CPU 基板，降低現場的電磁干擾對終端運行的影響。基于器件布置與硬件加密方面的考慮，總線接口與譯碼控制電路采用CPLD 設計。

2.1 供電電路設計

電源系統為整個 RTU 提供能量，是整個系統工作的基礎，因此設計一個穩定的電源電路是一個系統設計重要的環節。 為了保障終端工作的穩定性，需要設計交直流 220V 雙路供電系統，并能自動切換。采用兩塊 PS-45-5 交直流輸入開關電源給裝置供電，為了實現對輸入電源的無縫切換，兩塊電源采用止逆二極管并行向終端供電，任何一路輸入電源掉電都不影響終端的供電。

2.2 HT2000 e RTU 雙網口 CPU 母板硬件設計

隨著電力系統技術支持系統技術的快速發展，遠動終端、電能量遠方終端等廠站端設備都通過電力調度數據網接入系統。考慮到網絡數據傳輸的可靠性和穩定性，確保電力系統安全和經濟運行，對于重要的骨干電廠和變電站要配置第二平面數據網絡。

3 軟件設計

3.1 軟件運行環境及開發平臺

uIP協議棧是為HT2000eRTU電能量遠方終端設計的網絡通信模塊。HT2000eRTU的硬件本質上是一臺以Intel586為核心的嵌入式工業計算機系統。HT2000eRTU電能量遠方終端的操作系統為DOS，集成開發環境為TurboC2.0，裝置的運行軟件eRTU.EXE采用前后臺方式工作，本文移植實現的uIP協議棧在現有的eRTU工程框架下進行，即uTCPIP.C為eRTU軟件項目中的一個程序模塊。

3.2 程序框架設計

本文開發的uIP協議棧模塊作為eRTU工程項目的一部分編譯連接到HT2000eRTU的運行軟件中執行。作為eRTU工程項目的一部分，uIP協議棧模塊設計開發必須與已有的設計規范保持嚴格的一致。本文在弄清楚eRTU工程項目的通信軟件模塊的層次結構的基礎上，設計了uIP協議棧模塊與其他軟件模塊的接口函數，將uTCPIP. C有機地嵌入到了eRTU工程項目之中。

3.3 RTL8019AS 接收數據包

接收數據包的步驟如下：(1)接收緩沖操作。如果一個數據包被網卡芯片接收到了，CURR頁將會自動存儲這個接收到的數據包。假如單頁無法放下，CURR的值會加1；如果CURR= RECEIVESTOPPAGE， 那CURR自 動 轉 換 為RECEIVE_START_ PAGE，接收數據將會繼續寫入。(2)用戶讀取接收數據包。它先將數據寫入接收緩沖區的同時跟著變更改界限，這個過程用戶無需參與。中斷處理函數的觸發發生在這種情況下，即當一個正確的數據接收完畢的時候，緊接其后要做的工作就是把需要的數據包派發到內存當中，讀取數據包的個數來自于ReceiveByteCount，這里要處理一種數據包存儲有間斷的特殊狀態：需要先后進行兩次操作，這樣方可得到一個完整的數據包。

3.4 ARP 協議處理程序設計

通常情況下一臺主機是根據以太網地址來確定他所連接的目的接口，確認之后將相應的數據幀傳達給處在同一局域網上的其他主機，值得注意的是設備驅動程序自始至終不會檢查相關的目的 IP 地址。地址解析協議(ARP)模塊由 4 個函數構成，共同完成地址解析的功能。

3.5 TCP 協議處理程序設計

TCP 協議是一種相對復雜的通信協議，TCP 接收函數的關鍵功能是將所得的 TCP 報進行整理劃分，接著以這個接點所處的狀態使得狀態處理函數有所響應。

本文完成了一款電能量遠方終端多功能母板的設計，主要解決了終端接入雙平面電力調度數據網絡的問題。結合終端上移植實現的 μTCP/IP 協議棧和網絡應用，對網卡的功能和性能指標進行的測試，驗證了所完成的設計滿足項目技術要求。

[1] 金勇. 電能量遠方終端雙平面網絡接入平臺設計[D]. 西安工程大學，2016.

[2] 黃國兵，金勇，賈榮興，藺元. 某電能量遠方終端雙平面網絡接口設計[J]. 西安工程大學學報，2016，01：102-106.

[3] 艾璐博. 110kV智能變電站的設計研究[D]. 山東大學，2012.