探讨数字化变电站单向数据传输设备设计思路的构建

廖宏宇

摘 要：为了提高变电站系统信息传输的可靠性和降低建设成本，应利用数字化变电站中过程层与间隔层之间数据的单向性来设计出一种单输入多输出的数据传输设备，以满足变电站建设的需求，本文则对数字化变电站单向数据传输设备的设计思路进行分析探讨。

关键词：数字化变电站；单向数据；数据传输设备；设计思路

中图分类号：TM76；TM63 文献标识码：A

IEC 61850协议将变电站整个系统分为站控层、间隔层和过程层，由于传统的过程层与间隔层设备之间的信息传输主要通过特定的交换机连接实现的，传统的信息传输不仅增加了建设成本，也具有不稳定的特点，因此，设计一种一入多出的单向以太网传输设备，并建立数字化变电站自动化系统，从而实现一个合并单元向多个间隔层装置发送数据的功能。

一、SIMOOED以太网传输设备方案

传统模式下设备交换机接入方案主要采用方式数据冲突的检测技术、数据路由交换技术和生成树技术来确保信息的正确传输，但传统的交换机接入方案具有建设成本高、开发周期长的特，并且在硬件设施上交换机需要高度的CPU来转发数据。因此，采用SIMOOED设备在变电站自动化系统中的接入方案，如图1所示，其具有开发难度小、无数据冲突和硬件实时转发的特点，与传统模式下交换机接入方案相比，SIMOOED设备具有更多的优势。

二、SIMOOED设备结构组成

SIMOOED设备使用由以太网PHY芯片DP83849IF和零延时缓存芯片CY2309，其设备原理主要是通过外部布线及双口PHY芯片DP83849IF内部具有丰富的数据路由功能将多个DP83849I联系起来，从而实现数据的传输。其中，对u影5MHz的晶振，可以通过零延时缓存芯片CY2309为每片DP83849IF提供时钟，对于LED显示器，可以显示SIMOOED的工作状态，其系统电压为3.3v，MCU的主要任务是通过I/O对DP83849IF进行有效设置。如图2所示，表示SIMOOED设备原理。

三、SIMOOED设备设计思路构建

（一）硬件模块

1数据转发模块，数据转发模块主要使用双口10/100MPHY的芯片DP83849IF，其支持MII、RMII、SCMII模式，同时也支持电口、光口等两种物理接口，DIMOOED设备主要采用SCMII模式、速率为100Mbit/s的光接口和使用6快DP83849IF来实现“一入十一出”、“一入五出”的两种工作状态，为了实现两个工作状态的切换，可以通过设置DP83849IF内部寄存器来改变两个端口的数据路由方式，由于变电站现场间隔层装置的个数直接决定了工作状态的选择，若合并单元需要传递数据的间隔层装置不超过4个，则应选择“一入五出”的工作状态，反之，选择“一入十一出”的工作状态。在设备设计中，一般芯片主要分为数据流入口和数据流出口，每个端口所对应的物理接口，其都为标准光接口，然而，对于寄存器的设置，应设置由芯片地址和端口片内地址等端口地址，当芯片地址设置完成后，则需要固定端口地址。对于“一入五出”的工作状态来说，与“一入十一出”设计相比，一些端口没有信号输出，虽然“一入五出”与“一入十一出”两个工作状态芯片的一些外部连线有所不一样，但其并不发生冲突，在进行PCB布线时，其外部连线可以并存。由于芯片内部数据路由方式有所改变，但这个方式的改变可以通过软件来实现，无需变更布线。

2时钟模块，芯片DP83849IF在SCMII模式下所需的时钟频率为25MHz，这就要求设备中时钟先与数据线延时需保持一致，并且在布线过程中每个芯片的4根数据线距数据源的长度应保持一致。SIMOOED可以通过芯片CT2309的引脚REF输入频率为25MHz的时钟并同时输出9个同频率的时钟信号，一般CT2309的输入、输出的典型延时控制在5～8.7ns内，若在相同负载条件下，同一个芯片的输入、输出之间的典型延时为60ns。

（二）软件模块

软件模块的主要作用是对寄存器的值进行修改，通过LED指示灯显示设备的工作状态，并通过设置一个跳线来选择设备的运行状态，一般情况下，ON表示“一入十一出”的运行状态，OFF表示“一入五出”的运行状态。对于软件模块的串行总线，主要由MDIO和MDC组成，一般通过读写指令对串行总线的操作码、端口地址及寄存器地址进行操作，一般将读写指令中的“开始、端口地址、数据”位均设置到MDIO，在读指令中，“转变吗、数据”位需要从MDIO中读取，一般转变码中的Z为高阻状态；在写指令中，“转变码、数据”位则需要设置到MDIO。但需要注意的是：写指令中位的读取与设置需要与MDC时钟配合，即在MDC下降过程中，需要从MDIO读取1位二进制数，而在MDC上升过程中，应设置1位二进制数到MDIO。

四、设备测试方案调试

设备测试方案如图3所示，在GPS时钟对所有设备测量装置和保护装置进行校时，应由一个合并单元来测试数据，即采用IEC61850-9-1格式来发送最高采样速率，一般最高采样速率为10kHz，通过对比分析测量装置和保护装置的数据，可以得出SIMOOED数据延时为4.5μs，其误码率为0，由此可知，SIMOOED设备满足数字化变电站的应用需求。

结语

在数字化变电站建设中，确保数据传输可靠性是变电站建设的重要前提，为了实现数字化变电站单向数据的传输设备，采用EC61850协议基于网络通信平台的变电站自动化系统，实现单点对多点传输的功能，由于SIMOOED具有建设成本低、延时固定等有点，因此，SIMOOED设备满足数字化变电站单向数据传输设备的需求。

参考文献

[1]陈文杰. 基于IEC61850的数字化变电站技术的实用化探讨[D].华南理工大学，2012.

[2]戚磊. 数字化变电站系统构建方法及其工程实践[D].华北电力大学，2012.

[3]周金秋. 基于移动存储介质的单向数据传输设备的设计与实现[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），2012.

[4]徐天奇. 基于IEC61850的数字化变电站信息系统构建及可靠性研究[D].华中科技大学，2009.

[5]张陈. 基于IEC61850的变电站自动化系统设计[D].西南交通大学，2010.