适用于电力通信接入网的实验装置

王智东， 陈俊威

(华南理工大学电力学院，广东广州 510640)

0 引言

智能电网建立在高度统一的信息系统基础上，利用先进的通信、信息技术，实现对电网信息的全域共享和综合利用［1-3］。作为智能电网信息系统的重要技术支撑，网络通信技术贯穿于输电、变电、配电、调度等电网环节，不仅是智能电网数字化、信息化、自动化、互动化的基础和关键，而且是实现智能电网电力流、信息流与业务流统一、融合的技术手段，为智能电网信息交换和互操作等提供了平台支持［4-5］。

目前电力系统存在着电力载波、微波、过程总线、以太网等多种通信类型，而且多样化的通信类型将长期同时存在［6］。电力通信网络类型和网络规约的多样化与复杂化，导致实现电力系统接入网不同网络和不同规约的连接与信息转换成为急待解决的难题。

1 电力通信类型分析

变电站是电力能源传输和转换枢纽，变电站通信主要经历三个发展阶段［7-8］，第一阶段是以 RS485/422/232(方便叙述，下文简称为RS总线)为主的简单通信模式［9］;第二阶段以控制器局域网络(ControllerAreaNetwork，CAN)、LonWorks等为代表的过程总线［10-11］;第三阶段是采用速率更高的以太网为代表，尤其是光纤以太网技术［12-13］，上述的各种通信类型在不同电压等级的变电站中还普遍存在。

配电领域的通信方式更加灵活和多样化，常见的配电通信有以下三种通信方式［14］:一是融合计算机技术和数字信号处理技术采用数字式的电力线载波通信;二是采用微波通信技术的电力无线传输信息系统;三是以CAN、LonWorks等为代表的过程总线。在输电领域，同样也存在无线微波通信、电力线载波通信和光纤通信等多种通信网络类型。

由于输电、配电等电力通信应用场合不同，网络通信技术发展不平衡等多种原因，电力系统同时存在着多种不同的通信类型，尤其在电力系统通信的接入网层，更趋于复杂。电力系统通信接入网处于整个电力系统的接入位置，可以自身单独组成网络，相对于骨干网或核心网，其所用的网络类型和网络规约更加多元和丰富，而且在很长的一段时期内将存在多样化的通信类型［5］。

掌握和应用电力系统通信网络技术成为智能电网建设的关键之一，而开发适用于电力系统的高性能通信实验装置是深入了解和熟悉电力系统网络技术的前提。但是，目前智能电网的通信装置存在着集成度较低、装置性能单一、功能分散和不完整等问题，实用性差，难以满足电力系统各通信类型和模式多样化的要求。因此，设计通信功能齐全的实验装置具有很重要的现实意义。

2 实验装置整体方案

针对电力系统通信接入层的多样化需求，同时考虑到选择通信功能集成度高的控制芯片有助于降低开发难度和节省成本，通过比较目前主流芯片生产厂家控制器的综合性能，最终选择了LM3S9B96控制器作为本实验装置的控制器，该芯片内置了 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)、CAN、I2C(Inter-Integrated Circuit)、SPI(Serial Peripheral Interface)、以太网等控制模块，具有多种通信接口，兼容性能好，可以很好满足当前电力系统RS总线、CAN总线、以太网等多种通信需求。LM3S9B96控制器主要特点有:

(1)集成度高。LM3S9B96控制器采用 ARMCortex-M3构架;Thumb-2技术可以使16 B和32 B指令并存，带来了代码密度和性能的有效平衡;支持SDRAM、SRAM/Flash memory、FPGAs、CPLDs;4个32 B定制器，2个看门狗定时器等功能。

(2)运算速率高。LM3S9B96控制器具有256 KB单周期Flash存储器，速度可达50 MHz;50 MHz以上采用预取指技术改善性能;同时兼带96 KB单周期SRAM，较大的内存为处理器的快速运行提供了保障。

(3)通信接口丰富。LM3S9B96控制器具有片外设备接口，提供8/16/32 B外部设备专用并行总线，支持USB2.0，三路支持 IrDA 和 ISO 7816的 UART、SPI和以太网等通信功能。这样，简化了通信电路，提高硬件的可靠性;同时，方便电路的扩展和装置的再开发。

(4)芯片价格成本低。芯片开发无需昂贵开发工具。

实验装置充分利用LM3S9B96控制器丰富的通信接口，采用模块化的设计方法，通过自带的 I2C、UART、SPI、CAN、以太网控制模块和数据总线，分别与RS模块、无线模块、CAN模块、Profibus模块等外围通信模块进行数据交互，如图1所示。该装置具有研发周期短、产品功能扩展方便灵活、成本低廉等模块化设计的优点［15］。

图1 电力通信接入网实验装置结构框图

3 关键模块实现

3.1 主控制器模块和电以太网模块

主控制器模块的设计关键在于其最小系统，主要包括系统电源、系统时钟和调试接口JTAG(Joint Test Action Group)等回路。

电源的质量直接决定装置运行的可靠性，本系统需要3.3和2.5 V等多个电压，目前微机系统常用的直流提供方式主要有直流转直流DC-DC方法或线性稳压器LDR(Low Dropout Regulator)两种方法，前者效率高但成本高;后者效率较差但具有很大的成本优势。本设计中综合考虑所需电源的功耗、设计成本等因素，根据具体情况灵活选择。电源具体设计如下:因为3.3 V电源是用得较多的系统电源，采用较为节能的DCDC电源芯片PQ1LA333MSPQ，将从电源端子进入装置的5 V电源转换为3.3 V的系统电源。由于2.5 V电源的使用率不高，主要考虑成本因素，选用线性稳压器FAN2558S12X将5 V电源转变为2.5 V电源供给光以太网等模块。在电源芯片和LM3S9B96控制器的每个电源管脚，都尽可能并联上 0.1、0.01 和 2.2 μF容值不等的去耦电容，以过滤不同频段的电源纹波干扰。

在系统时钟设计方面，将频率为16 MHz的晶体接入到LM3S9B96控制器的时钟输入管脚，通过LM3S9B96控制器内置的倍频回路后作为系统时钟。同时，提供25 MHz的晶体作为LM3S9B96控制器内置的以太网模块的时间基准，具体设计如图2所示。

LM3S9B96控制器内置的以太网模块遵循IEEE 802.3—2002规范，支持10/100 Mb/s半/全双工以太网通信，包括媒体访问控制器MAC单元和网络物理层IEEE1588PTP硬件支持的PHY单元。利用LM3S9B96控制器内置的以太网单元即可方便实现电以太网功能，只需将LM3S9B96控制器以太网单元的收、发两对具有差动功能的管脚，经过由电阻、电容组成的匹配电路后，连接到集成了隔离变压器功能的RJ45接口连接器J3011G21DNL如图2所示。

由于LM3S9B96控制器内置的以太网物理层PHY单元支持 IEEE1588功能，无需另外添加复杂的IEEE1588电路，便可实现IEC61850标准的IEEE1588对时方式［16］。

3.2 RS 总线模块

RS232、RS422和RS485网络功能虽然相对简单，但在目前的电力系统通信领域都有一定程度的应用，本RS总线模块在LM3S9B96控制器的UART控制模块的基础上，通过添加对应的简单芯片即可实现RS232、RS422和RS485功能。

采用 ISO35芯片实现 RS422或 RS485功能，ISO35芯片是具有TIA/EIA 485/422通信接口的芯片，具有1 Mb/s的数据传输速率，而且ISO35具有数据隔离功能，可较好保证数据完整性。具体设计如图2所示，通过LM3S9B96控制器的UART控制模块来控制ISO35芯片的RE或DE管脚，从而使该模块工作在RS485读或写的半双工状态。当同时使能RE或DE管脚时，该模块工作在RS422读写全双工状态。

图2 RS232/RS422/RS485模块原理图

根据ISO35芯片的电源要求，利用电源转换芯片NKE0503S得到隔离的3.3 V电源和地供给ISO35芯片。

同时选用MAX3250芯片实现RS232功能。所采用的MAX3250芯片是一款具有250 kb/s数据传输率的EIA/TIA-232和 V.28/V.24通信接口芯片，允许RS232侧与逻辑侧存在±50 V的电压差。MAX3250芯片的FAULT漏极管脚25开路输出在任何一路RS232输入出现过高的隔离端电压时，会产生报警信号，起到保护芯片的作用。

3.3 CAN 模块

主控制器LM3S9B96已集结了CAN功能模块，只需添加收发器芯片便可实现完整的CAN通信。为了简化电路和降低成本，选用具有数据隔离功能的单芯片ISO1050作为CAN收发器芯片，该芯片在满足CAN高达1 Mb/s的数据传输速率的基础上，还具有信号隔离能力，避免了传统设计中需另外添加隔离电路以增强可靠性的做法。

具体设计如图3所示，ISO1050芯片的接收管脚和发送管脚分别与LM3S9B96控制器CAN模块数据控制器的数据接收管脚和发送管脚相接，进行数据交互。同时，经过隔离的ISO1050芯片的一对具有差动功能的管脚接到与外界CAN总线联系的端子。

图3 CAN模块原理图

3.4 LonWorks电力载波模块

LonWorks电力载波模块由电力智能载波收发芯片PL3120、发送放大电路、耦合电路和接收滤波电路组成。

LonWorks电力载波采用同时集成了神经元功能和电力线收发功能的PL3120载波收发器，PL3120芯片采用单片系统方式、超小型的封装模式，支持CENELEC-A和CENELEC-C运行，符合多个国家的电力线规则。

具体设计如图4所示，外部电源的电源端POWER直接连接到耦合电路，发送端TXOUT接到芯片接口的发送放大电路;接收端RXIN连接到芯片的接收滤波电路。具体实现如下:

图4 LonWorks的电力线载波模块电路原理图

LM3S9B96控制器通过I2C接口给PL3120芯片提供时钟和进行数据交互。PL3120芯片通过由电阻和电容构成的接口电路，连接到由电容和电感配合组成的耦合电路，耦合电路的的电源端POWER连接到外部电源。耦合电路作为PL3120芯片和电源之间的滤波器，在提供电涌和线路瞬变保护之外还可以阻止干扰信号，可通过装置的端子耦合到AC/DC输电线，或无动力的双绞线上。

为了增大传输距离，需要配置发送放大电路。发送放大电路由多个BJT(Bipolar Junction Transistor)构成差分放大电路，把信号放大为峰峰值为7 V的信号，并通过发送接口TXOUT与耦合电路部分相接，进行滤波处理，并连接到芯片接口的发送放大部分发送到LonWorks网络。

接收端RXIN连接到芯片的接收滤波部分。接收电路的RXIN管脚作为电路的输入端，连接到耦合信号输入端进行滤波处理，同时接入PL3120芯片的模拟信号输入端，接收来自LonWorks网络的数据。

3.5 Profibus模块

Profibus协议由于太过复杂而庞大，在主控制芯片上编程实现会加重主控制模块的负担，而且编程实现会增大研发的难度。为了降低研发难度、缩短开发周期、降低开发成本，本文采用内部封装了完整的Profibus协议的SPC3芯片来实现，可以保证装置要求的高可靠性、高效率。

本模块基于SPC3芯片，该芯片通过总线接口与LM3S9B96控制器相连，LM3S9B96控制器的高8 B地址线与SPC3的AB0～AB7数据线相连，低8 B地址线与SPC3的 DB0～DB7数据线相连，SPC3芯片从Profibus总线接收数据，完成进行基本的Profibus协议处理后，把接收的数据存入相应的缓冲区，并以中断的形式通知LM3S9B96控制器，最终由主控制器进行处理，具体设计如图5所示。

图5 Profibus模块的电路原理图

3.6 无线模块

无线模块采用低成本、低功耗的单片UHF收发器CC1101芯片。CC1101芯片集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率可以灵活编程控制;工作频段灵活;前向误差校正功能使得差错控制性能得到提升。

通过LM3S9B96控制器的工作在四线模式的SPI通信模块与CC1101芯片的四线SPI接口进行信息交换，由此实现无线通信。为了抑制高频电流的干扰，本模块增加由 L101、L111、C131、C111、L121、L131、C131构成的平衡转换器。CC1101芯片的RF_N、RF_P管脚经匹配电路后连接到天线通信模块。无线模块的CC1101芯片的外围电路如图6所示。

图6 无线模块的电路原理图

LM3S9B96 控制器通过由 SCLK、SO、SI、CSn管脚组成的SPI接口与CC1101连接，灵活地实现通讯参数配置、工作模式选择、数据通讯功能。

3.7 光以太网模块

光以太网功能在电力系统中得到了越来越多的应用。但目前单芯片控制器中很少具有光以太网功能，所以在需要光以太网功能的设计中，往往通过主控制器的数据总线扩展，与功能复杂的光以太网芯片相连，来实现光以太网功能。但是该方法需涉及较为复杂的光以太网芯片编程，而且印刷电路板布线较为困难，增加了系统的复杂性。

本光以太网模块在电以太网模块的基础上，通过增加光/电转换以太网芯片，实现光以太网功能。具体设计如图7所示，该模块以光/电转换以太网芯片IP113M为核心，IP113M提供的光纤接口连接至百兆光纤收发器HFBR-2115TZ和HFBR-1115TZ芯片，与外界的光纤以太网相连;同时，IP113M的电以太网接口经隔离变压器YL37-1107S后连接到RJ45电以太网网络接口，该电以太网接口可以通过双绞线连接到文中3.1节介绍的电以太网RJ45接口，从而实现外界的光纤信号经过光纤收发器后进入IP113M芯片，再通过IP113M芯片的电以太网接口和与之相连的主控制器的电以太网接口，实现光纤信号的处理。

图7 光以太网模块的电路原理图

4 结语

本文针对电力系统通信方式多样性和复杂性的问题，采用“单核心，模块化”的方法设计了基于LM3S9B96控制器的电力通信接入网的实验装置，可以实现电力系统多种通信规约的处理和转换功能，克服了传统通信装置性能单一、功能分散的缺点，为智能电网提供了高性能、高可靠性的通信平台支撑。

该实验装置具有可扩展性强、成本低廉、集成度高、功能全面等优点，不仅适用于电力系统常见接入网络性能和网络规约的测试，或者电力系统异构网络的互联和多种网络规约的转换等实验;还可作为简单的电力系统通信网关，实现不同网络和不同规约的无缝连接和信息转换。

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