以太網IEC103在弧光保護裝置中的實現

涂永飛, 聶光輝

(鎮江華東電力設備制造廠有限公司，江蘇 鎮江 212004)

以太網IEC103在弧光保護裝置中的實現

涂永飛, 聶光輝

(鎮江華東電力設備制造廠有限公司，江蘇 鎮江 212004)

介紹了弧光保護裝置如何通過W5100芯片實現雙網口。裝置采用W5100的兩個端口實現了TCP和UDP，然后通過兩者的結合完成以太網IEC103通信，在實際應用中取得了良好的效果。

弧光保護；以太網IEC103；W5100；UDP；TCP

0 引言

IEC103傳輸規約是國際電工委員會為了在不同保護設備和控制系統之間實現信息互換的目的而制定的繼電保護設備信息接口配套標準[1]，在電力系統中得到了廣泛應用。隨著計算機網絡通信技術的發展，越來越多的繼電保護裝置采用以太網IEC103規約。本文主要結合鎮江華東電力設備制造廠公司ZHG-1A型弧光保護裝置，詳細介紹以太網IEC103在弧光保護裝置中的實現方法。

1 ZHG-1A型智能弧光保護裝置的硬件設計方案

ZHG-1A型智能弧光保護裝置依據紫外光弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，具有保護動作速度快、可靠性高等特點[2]。裝置采用“DSP+雙ARM”架構，其中DSP作為主CPU，負責電壓、電流的采集計算和保護邏輯，一片ARM負責液晶顯示和DSP通信，另一片ARM主要負責與站內監控系統通信，通信規約采用以太網IEC103和Modbus。整個裝置的硬件設計方案如圖1所示。

圖1 裝置硬件設計方案

2 以太網IEC103的硬件設計方案

大多數以太網接入設備采用MCU+以太網控制芯片(如RTL8019AS,DM9008等)，然后通過軟件實現嵌入式TCP/IP協議棧，這種方式對開發人員的軟硬件設計能力要求較高。

隨著微電子技術的發展，硬件協議棧芯片越來越便宜，因此本裝置采用韓國WIZnet公司生產的W5100，使用它不需要考慮以太網的控制，只需要進行簡單的端口(Socket)編程[3]。本裝置使用兩片W5100，分別采用直接總線接口和SPI總線接口方式來實現弧光保護裝置的兩路以太網通信。

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復位，W5100剛上電時一定要復位且持續時間不小于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位數據線。在直接總線方式下，/CS必不可少，用于MCU訪問W5100內部寄存器或存儲器。/WR為寫使能，/RD為讀使能。以上管腳與LPC1788的外部存儲控制器模塊(EMC)相連[4]。/INT引腳與EINT0管腳相連。/RESET為W5100的復位腳，/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IEC103的軟件設計

弧光保護裝置是國內最近幾年才出現的新裝置，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格規定的應用服務數據單元和傳輸“標準化”報文的應用過程，第二種方法使用通用分類服務，以傳輸幾乎所有可能的信息[5]。本裝置采用第二種方法。

本裝置采用標準TCP/IP的客戶機-服務器模型進行通信。規約采用以太網UDP報文與TCP報文相結合[6]的格式，應用規約控制信息(APCI)采用與IEC104相似的格式。W5100共有四個端口，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端口號為2404；端口S1置為UDP模式，UDP端口號為1032。上電初始化后，就已建立了UDP連接。通信開始時，主站定時向弧光保護裝置發送廣播報文，裝置通過UDP收到主站的IP地址和端口號后，主動與主站建立TCP連接。整個鏈路建立后，主站與裝置利用TCP報文進行信息傳輸，采用的報文格式如圖4所示。

圖4 報文格式

W5100接收到一幀數據后,/INT腳輸出低電平,引起LPC1788的外部中斷，置位外部中斷標志。當TCP建立連接，通信正常時，主程序每隔10 ms調用網絡報文處理程序。在以太網IEC103報文進行接收的過程中，對接收成功的一串報文首先要進行幀校驗，先查看報頭0x68,再查看接收數據的長度，最后再看接收序列號和發送序列號，采用IEC104相似的規約控制信息，能夠防止報文丟失和報文重復傳送。當接收的報文正確無誤時，再通過發送序列號判斷報文是I格式、S格式還是U格式。如果接收的報文是I格式，則按照通用分類服務對報文進行解析，響應報文，最后組織相應報文發給主站。以太網IEC103網絡處理流程如圖5所示。

圖5 以太網IEC103網絡處理流程圖

本設計中以太網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時數據。當發生開入量變位、壓板狀態改變、裝置發生動作、告警等事件時，裝置會即時將這些變化信息主動上傳到主站。

主函數中的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 結束語

在弧光保護產品中實現以太網IEC103規約是廠家面對的問題。裝置采用LPC1788+兩片W5100實現了IEC103網絡方式。W5100中的兩個端口一個用于UDP，一個用于TCP，使得裝置與主站鏈接靈活，通信傳輸可靠。經過現場的運行測試，實現了弧光保護裝置長期在線、實時監測，滿足了通信要求，對其他產品實現以太網IEC103具有借鑒意義。

[1] 吳曉輝，陳澤文.基于DSP的以太網103規約在電力監控系統中的應用 [J].計算機應用與軟件，2009，26(10)：235-238.

[2] 涂永飛,王名傳.基于SPI雙機通信的弧光保護系統[J].微型機與應用,2015,34(2)：72-74.

[3] 成都浩然電子有限公司.W5100數據手冊[Z].2010.

[4] NXP.LPC178x/7x用戶手冊[Z]. 2011.

[5] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.遠動設備及系統第5部分：傳輸規約：繼電保護設備信息接口配套標準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103規約及其在水電廠自動化系統中應用[J].電力自動化設備,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IEC103在弧光保護裝置中的實現[J].微型機與應用，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：電力系統自動裝置。E-mail：tuyongfei@163.com。

聶光輝(1986-)男，碩士，主要研究方向：電力系統設備研發。