数字化变电站计量仪表网络接口模块的设计

杨新华 许胜军 韩永军

(⒈兰州理工大学电气工程与信息工程学院,甘肃 兰州 730050;⒉甘肃省工业过程先进控制重点实验室,甘肃 兰州 730050)

0 引 言

随着国家智能电网计划的推进,数字化变电站的建设进入了快速发展阶段。数字化变电站采用智能化的非常规互感器,内部信息交换实现了网络化、数字化,全站基于IEC61850标准的统一信息建模[1]。

常规变电站的计量系统由仪用互感器、计量仪表组成,计量精度和电压等级受到互感器的限制。与常规变电站不同,数字化变电站计量单元作为间隔层的一个逻辑节点,接收来自站内高速以太网符合 IEC61850标准的数据,经协议解析单元处理后还原出非常规互感器采样的实时电网信息,由数字信号处理单元运算处理后得到各种电能参数,完成计量功能。数字化变电站的计量系统采用光纤接入网络,具有计量精度高、成本低、运行可靠的优点。如何能够准确、及时的接收并解析出数字变电站网络的各种信息是该仪表设计的关键,本文围绕这一课题探讨了该部分的软硬件设计,提出完整的设计方案。

1 采样值传输协议 IEC61850-9-1

IEC61850-9-1规定了通过单向多路点对点串行通信链路传输采样值的特定通信服务和映射,通信协议栈如图1所示。物理层首选的光纤传输系统是IEE802.3100Base-Fx,在链路层,采用了 ISO/IEC8802-3的以太网帧格式,其结构如图2所示,以太网的地址域由全部“1”组成的以太网广播地址被用作目标地址的缺省值,针对不同的信息优先等级采用了符合 IEEE802.1Q的优先级标记[2,5]。

应用层通过 APDU实现信息交换,APDU的帧格式如图3所示,一个APDU由应用协议控制信息APCI和若干个ASDU组成,ASDU数据帧格式如4所示。一个 ASDU中包含 7个电流互感器数据和 5个电压互感器数据,其中额定相电流、额定中心线电流以有效值给出,单位为安培;额定相电压是以1/10kV有效值为单位定义的额定电压。

图1 IEC61850-9-1通信协议栈

2 接口部分总体设计

基于IEC61850数字化变电站的计量系统在物理层设计了光纤接口和 RJ45接口,这样可以同时兼容具备数字电输出和数字光输出两种类型的合并单元,为了提高实时性能采用一片高性能的 32位 DSP负责 IEC 61850-9-1协议解析及数字运算,另外一个 CPU负责系统控制及处理各种命令,两个 CPU之间通过双口 RAM实现通信,这样设计能够最大限度的提高系统性能,避免出现数据丢包的现象。

图2 以太网帧格式

为兼容具有数字电输出的合并单元,系统还设计了 RJ45网络接口。系统主要由以下 5个部分组成:① 光纤接口模块,由光纤接口、光收发模块、媒介转换芯片 IP113A构成,完成将光电信号转换;② 协议解析模块,本文采用数字信号处理部分负责完成 IEC61850-9-1协议解析;③ 100M以太网接口部分,实现与站内光纤网络的无缝连接;④RJ45接口部分,本文由HR911103A实现;⑤电源供电模块。系统组成原理如图5所示。

图3 APDU帧格式

图4 ASDU帧格式

系统工作流程如下:来自合并单元符合IEC61850-9-1要求的数据帧通过 SC光纤接口接入系统,经由光收发一体模块处理后转变为 PECL电平,再由媒介转换芯片IP113A将信号传输给以太网控制器 LAN 91C111(若是数字电信号,经 RJ45接口直接连接以太网控制器),以太网控制器将接收到的数据按照 IEEE802.3将数据包解帧后输出到DSP控制模块,DSP根据IEC61850-9-1在应用层将数据解析还原为非常规互感器的采样值,经数字运算后得到实时电压、电流、有功电量、无功电量等参数;这些参数放入双口RAM中,ARM 7控制模块通过中断读取运算结果,完成显示、命令处理、存储、通信等系统功能。

3 硬件部分设计

3.1 100M以太网接口部分电路设计

该电路由 LAN 91C111、IP113A、光收发一体模块及外围电路组成,负责收发来自光纤或RJ45接口的以太网数据帧。

图5 系统原理框图

LAN 91C111是SMSC公司生产的专门用于嵌入式产品的10M/100M第三代快速以太网控制器,它支持IEEE 802.3以太网标准,能够自适应地选择传输速率,支持 10M/100Mbps,内部具有8KB存储器用作接受发送的 FIFO缓存[3]。IP113A是 ICPlus公司生产的 10/100BASE-TX与 100BASE-FX之间媒介转换芯片,它支持IEEE802.3x,内部包含一个两端口的交换控制器,一个快速以太网收发器和并且在内部实现了100BASE-FX的物理层[4]。光收发一体模块选用中心波长为 1310nm、工作电压在5V,具备 SC光纤接口、具有标准 1×9管脚配置的光模块。LAN 91C111与IP113A及光收发模块连接关系如图6所示。

IP113A与光收发模块采用交流耦合方式匹配,输出信号经过电阻网络处理在光收发模块端就得到了 PECL电平。IP113A的FXSD引脚为光纤光信号检测引脚,当供电电压为 2.5V时,检测阈值电压为 1.35V,该引脚通过电阻网络实现与光收发模块RD信号的连接。在本系统中 IP113A采用了 2.5V供电电压,而LAN 91C111供电电压为 3.3V,因此设计了电平转换电路,该电路有四片 ADI公司2.5V/3.3V电平转换芯片ADG3241组成,以太网控制器与 IP113A通过该电路实现连接,LAN 91C111通过 16位数据总线与 DSP连接。

3.2 数字信号处理及通信部分电路设计

由于本系统中涉及到大量的数学运算及IE61850协议解析,对DSP的性能要求较高,因此选用 TI公司 DSP处理器TMS320F2812。TMS320F2812是 TI公司功能最强大的 32位定点DSP芯片,它既具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能,适用于有大批量数据处理的测控场合,F2812内含 128K×16位的片内 Flash存储器,由于本系统程序运行需要大量存储空间,因此在外部存储器接口扩展了一片CY7C1041CV 33作为片外 RAM,该存储器容量为 256K×16Bit,TMS320F2812与以太网控制器、SRAM、双口 RAM连接关系如图7所示。

TMS320F2812与主控 CPU之间采用双口 RAM实现数据通信,本文选取 IDT公司双口 RAM芯片 IDT70V 261S/L实现,IDT70V261S/L是 Integrated Device Technology公司生产的 16K×16高速双口静态 RAM,存取速度小于 25ns,该芯片供电电压为3.3V可直接与 2812与 2214连接,不需要进行电平转换。IDT70V261S/L具有真正的双端口,可以同时进行数据存取,两个端口具有独立的控制信号线、地址线和数据线,在本系统中IDT70V261S/L的左端口接 DSP系统,右端口接 ARM 7控制系统,当 DSP系统解析一帧数据并运算完毕后,写入 IDT70V 261S/L的3FFF单元,双口RAM的INTR引脚产生中断通知主处理器读取运算结果,主处理器通过读取 IDT70V 261S/L的 3FFF单元清除中断标志[6]。

图6 光纤以太网接口电路图

图7 数字处理及通信部分电路框图

4 软件设计

软件设计分为协议解析程序设计和 LAN 91C 111驱动程序设计,LAN91C111工作流程如下:驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令,LAN 91C 111会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输;LAN91C111收到物理信号后自动将其还原成数据,并按指定格式存放在 RAM中以供 DSP读取。LAN91C111的编程主要包括:初始化、发送数据包、接收数据包三部分[7]。

协议解析程序严格按照IEC 61850-9-1对数据帧格式的要求,程序按照以下步骤设计:①根据标准要求的数据长度对各个变量进行定义并设计出对应的结构体;② 解析出APDU数据帧,记录该帧信息中的 APCI信息;③ 根据 APCI信息,解析出应用服务数据单元 ASDU;④从ASDU中解析出所需要的电压、电流、采样频率等各种信息放入 RAM中特定的位置供计量程序调用。

5 结束语

本文提出了一种基于IEC 61850数字化变电站计量仪表的接口设计方案,经模拟现场实验,该方案能够准确、及时接收并解析出站内以太网的电压、电流、频率等各项信息,满足数字化变电站计量仪表对网络接口设计的要求,达到了设计目的,能够实现与站内以太网的无缝连接,同时,本方案也可作为数字化变电站其他IED接口的设计参考。

[1] 高 翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社.2008.14～15.

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[6] 安剑奇,廖力清,温兴清.高速双端口共享存储器IDT7025及其应用[J].电子工艺技术,2006,27(5):291～296.

[7] 付晓军.以太网控制器LAN91C111在基于DSP的嵌入式系统中的应用[D].武汉:华中师范大学,2006.