（电力系统及其自动化专业论文）配电自动化终端中通信管理机的设计与实现.pdf

t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o nm a n a g e ri n d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nt e r m i n a l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c ，c o m p u t e r ，n e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o na n d e m b e d d e ds y s t e m s ，p r o j e c t sf o ru p g r a d i n gu r b a na n dr u r a lp o w e rg r i d sa n dt h e c o n s t r u c t i o no fs m a r tg r i d ，m a n yi n t e l l i g e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r kt e r m i n a l sh a v e a p p e a r e da n dp u ti n t oo p e r a t i o n t h ei n t e l l i g e n td i s t r i b u t i o nn e t w o r kt e r m i n a l sh a v e m o r e f u n c t i o n s ，h i g h e rr e l i a b i l i t y a n d s t a b i l i t y ，l o w e r c o s t h i g h e r q u a l i t y c o m m u n i c a t i o nc o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u s p r o d u c t s s o m eo ft h ei n t e l l i g e n t d i s t r i b u t i o nn e t w o r kt e r m i n a l sh a v ef i e l dc o n t r o lf u n c t i o n o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fs w i t c h i n gs t a t i o n a u t o m a t i o nm o n i t o rt e r m i n a l ，c o m b i n e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n t t r e n do ft h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h en e e d so fs w i t c h i n gs t a t i o na u t o m a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fd i s t r i b u t e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka u t o m a t i o n t e r m i n a lw i t hav a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o nm e t h o d sw h i c hi s a p p l yt o 1o k v s w i t c h i n g t h et e r m i n a lc o m p o s e do fc o m m u n i c a t i o nm a n a g e r ，t e l e m e t r yb o a r d ， r e m o t es i g n a lb o a r da n dr e m o t ec o n t r o lb o a r d t h e s ec o m p o n e n t sa r ec o n t r o l l e db y as e p a r a t ec p u t h et e r m i n a li sv e r yf l e x i b l e ，w h i c hc a ni n c r e a s ea n dd e c r e a s et h e n u m b e ro ft h et e l e m e t r yb o a r d ，r e m o t es i g n a lb o a r da n dr e m o t ec o n t r o lb o a r d a c c o r d i n gt ot h en u m b e ro ft h e1 i n et h es w i t c h i n gs t a t i o nn e e dt oc o l l e c t t h e t e r m i n a lc a nc o l l e c ta n dc a l c u l a t et h ee n e r g yi n f o r m a t i o no fs w i t c h i n gs t a t i o n ， i m p l e m e n tt h em a s t e rr e m o t ec o n t r o lc o m m a n d ，i d e n t i f ya n di s o l a t ef e e d e rf a u l t ， a n dr e s t o r et h ep o w e rs u p p l yo fn o n f a u l tf e e d e r t h ep a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e r i nd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nt e r m i n a li nd e t a i l i tp r o p o s et h es y s t e md e s i g no ft h e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e r ，i n c l u d i n gh a r d w a r e d e s i g n a n ds o f t w a r e d e s i g n i t e x p o u n d st h ed e s ig na n di m p l e m e n t a t i o no fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ea n de t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n t h es o f t w a r e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi e c 6 0 8 7 0 5 10 1 p r o t o c o la n di e c 6 0 8 7 0 - - 5 10 4p r o t o c o li nc o m m u n i c a t i o nm a n a g e ra r ei n t r o d u c e d i nd e t a i la tl a s to ft h ep a p e r k e y w o r d ：s w i t c h i n gs t a t i o nm o n i t o rt e r m i n a l ，c o m m u n i c a t i o nm a n a g e r ，e t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ， i e c 6 0 8 7 0 5 101 p r o t o c o l ， i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4p r o t o c o l 插图清单 图1 1 配电网自动化系统结构图1 图2 1d t u 实现方案图7 图3 1 硬件构成图9 图3 2 外扩电路的片选地址产生电路1 1 图3 3 主程序流程图1 2 图4 1t m s 3 2 0 f 2 81 2 与o c m j 4 x 8 c1 4 硬件接口电路图15 图4 2 按键与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 硬件接口电路图1 6 图4 3o c m j 4 x 8 c1 48 位并口写操作时序图1 6 图4 4o c m j 4 x s c1 48 位并口读操作时序图1 7 图4 5 静态画面1 9 图4 6 母线电压显示的静态画面2 0 图4 7 菜单按键数据结构体一2 5 图4 8 菜单变迁图。2 6 图5 1w 5 1 0 0 结构框图2 9 图5 2w 510 0 存储空间2 9 图5 3 直接并行总线接口模式3 0 图5 - 4s p i 串行接口模式3 0 图5 5t m s 3 2 0 f 2 81 2 与w 510 0 接口电路31 图5 - 6 端口中断寄存器s ni r 定义3 2 图5 7 网络处理流程3 3 图5 8 数据接收处理过程3 5 图5 - 9 数据发送处理过程3 5 图6 11 0 1 规约模型结构3 8 图6 2f t l 2 可变帧长格式3 8 图6 3f t l 2 固定帧长格式3 8 图6 4 控制域的定义3 8 图6 5 应用服务数据单元的结构3 9 图6 - 6 非平衡链路建立过程4 0 图6 7 总召唤过程4 l 图6 8 被中断后续传组召唤过程4 1 图6 - 9 发生遥信变位时的通讯过程4 2 图6 1 0 遥控过程4 3 图6 1 1 接收数据报文处理模块实现流程图4 8 图6 1 2i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约网络参考模型5 0 图6 1 3 应用规约数据单元的结构5 1 图6 1 4 信息传输格式类型( i 格式) 的控制域5 1 图6 1 5 编号的监视功能类型( s 格式) 的控制域5 2 图6 1 6 未编号的控制功能类型( u 格式) 的控制域5 2 图6 1 7 接收数据处理流程图5 7 图6 1 8 固定帧处理函数示意图5 8 图6 1 9 可变帧处理函数示意图：5 8 图7 1d t u 和通信管理机实物图6 0 表格清单 表1 1 配电网自动化的三个发展阶段2 表3 1 外扩电路映射空间分配表1 0 表4 1 模块引脚说明1 5 表4 2 时序参数表17 表4 3 与液晶显示模块有关联的变量与函数说明。1 8 表4 4 汉字字符显示坐标19 表4 5 与按键扫描、处理相关联的变量和函数说明2 1 表4 6 按键的作用2 4 表5 1w 510 0 寄存器及其功能2 9 表6 1 链路功能码3 9 表6 21 0 1 协议的主要函数说明4 7 表6 3 可变帧处理函数详解4 8 表6 - 4 固定帧处理函数详解5 0 表6 5 参数t o ，t 1 ，t 2 ，t 3 ，k 和w 的含义5 3 表6 。61 0 4 规约的主要函数及其功能5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金起工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：啡字日期：如f 。年眵月坫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目墨工些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：r 幺友陟 签字日期：沙l 峰垆月罐日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 碉吲缔 签字日期：矽f 口年4 月巧日 电话： 邮编： 致谢 在这接近3 年的学习和工作中，很多师长、同事、同学和朋友给了我许多帮助和 支持，我在这里表示深深的感谢! 首先要衷心感谢我的导师陶维青副教授，在整个研究生阶段，从科研到生活， 给予我无微不至的关怀，他的严谨的工作作风、渊博的技术知识、敏锐的洞察力以及 诲人不倦的育人态度，给我以深深的影响。他不仅使我学到了研究学问的方法，也使 我学到了许多生活上为人处事的道理，在此表示衷心的感谢和深深的敬意。 感谢我的师兄汪俊锋、崔北京、张全、毛建维、费文坤、王付军，感谢他们在学 习和工作上给予我的指导和帮助。同时，我还要感谢实验室的王瑕、周俭节、王晶、 项玉球等同学，整个研究生期间，我们一起学习一起进步，感谢你t r j 女n 兄弟般地对待 我。 感谢安徽科大鲁能科技有限公司研发部的同事们，你们高超的研发技术水平和忘 我的工作热情深深地感染了我，感谢你们对我的指导和帮助。 深深感谢我的家人，感谢他t r j - 十多年中给予的无私奉献；最后，向所有关心和 帮助我的师长、同学和朋友说声：谢谢! 作者：陈雄 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 配电自动化概述1 1 2 l 配电自动化系统是一种可以使供电企业在远方以实时方式监控、协调和操作配电 设备的自动化系统。其内容包括配电网数据采集和监控、配电地理信息系统和需方管 理几个部分。对一个城市或地区而言配电自动化系统结构一般分为三层：配电网自动 化主站层、配电网自动化子站层和配电网自动化终端层。配电网自动化系统结构如图 卜1 所示。 图卜l 配电网自动化系统结构图 1 配电网自动化终端设备层 终端设备层( t e i 洲i n a ll a y e r ) 是配网自动化系统基础层，主要完成柱上开 关、环网开关、箱式变、配电变压器、开闭所、配电室等各种信息的采集处理和监控 功能。它主要的设备有f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 、t 1 u 及d t u 等。 - 馈线监控终端( f t u ) ：主要用于1 0 k v 配电架空线路、电缆的分段开关、联络 开关、环网柜的数据采集与实时监控。 站所监控终端( d t u ) ：主要用于配电站、开闭所开关站、配电房的数据采集 与控制、故障识别与处理。 配电变压器监控终端( t t u ) ：主要用于公用配电变压器、专用配电变压器、 箱式变的实时监控和监测。 2 配网自动化子站层 配网子站( s u b l a y e r ) 是配电自动化系统中间层，一般放在变电站或开闭所内， 实现辖区内配电网的配电s c a d a 和d a 功能。 子站的主要功能有：数据采集与处理；控制功能；d a 处理功能；系统的时间统 一；参数设置功能；诊断、调试与远方维护功能；事件事故报警处理功能；事件顺序 记录功能；通信功能。 3 配网自动化主站层 主站层( c e n t r a l l a y e r ) 是整个配电自动化监控和管理系统的核心，主要负 责采集各区域配电子站实时信息，对整个配电网进行监视、控制和有效管理，协调配 电子站层之间的关系，保证整个配电系统处于最优运行状态。 配电自动化系统由于采用了自动化设备，当配电网发生故障或异常运行时，能快 速隔离故障区域，并及时恢复对非故障区域用户的供电，缩短停电时间，减小停电范 围。它使系统在经历故障时，把故障影响范围局限在最小范围，并可迅速通过其他连 接恢复对其他部分的供电，实现了灵活的可重构的配电网拓扑，为未来智能电网的发 展提供了基础；这样有利于提高配电网设备的自身可靠性运行能力，大大地减轻运行 人员的劳动强度和维护费用；由于实现了配电系统自动化，可以合理的控制用电负荷， 从而提高了设备的利用率；采用自动抄表计费，保证了抄表计费的及时和准确，提高 了企业的经济效益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电信息服务。总之，配电 自动化的实现提高了供电可靠性，提高了供电经济性，提高了供电能力，改善了电能 质量，降低了劳动强度、提高了管理水平和服务质量。 1 2 配电自动化的现状及发展趋势拍卅 目前，国外的配电自动化的发展经历了从各种单项自动化林立( 也称为“多岛自 动化 ) 的配电系统，向开放式、一体化和网络化的综合自动化方向发展的过程， 已具有了相当的规模，并且在提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电质量，降低 劳动强度，充分利用现有设备的能力等方面均带来了可观的社会效益和经济效益。一 般认为配电网自动化的发展大致经历了三个阶段，如表1 1 所示。 表卜1 配电网自动化的三个发展阶段 第一阶段第二阶段第三阶段 基于自动化开关设备 基于f t u 和 主要特征 高级应用 相互配合通信网络 故障隔离和健全区域配电管理系统 主要功能远方监控 恢复供电和人工智能 f t u 、环网柜、f 1 i u 、智能环网柜、 重合器、通信网络、通信网络、 主要设备 分段器配电自动化配电自动化计算机系统、高级 计算机系统应用软件 而我国配电网自动化发展起步较晚，过去我国发电和配电投资的比率为l ：0 1 2 ， 大大落后于先进国家的水平l ：0 7 ，低压输电投资的力度也不够，9 0 年代中期才在 变电站逐步实施了变电站自动化( 四遥) ，目前我国的配电网自动化水平大大落后于发 达国家。 2 但近年来，随着智能电网的提出和推进，以往的配电网已经不能满足智能电网对 配电自动化发展的要求。为了更好的服务智能电网的建设，人们对配电网的重视程度 和投入正在逐步改善，对配电网的改造也成为了近年来我国电网改造和建设的重点及 热点，国家相关部f - j j n 大了对配电网建设的同时，不少电力设备制造企业也加大资金、 人力和物力的投入以研制符合智能电网要求的配电自动化产品。因而，配电网自动化 技术在我国有着较为广阔的发展前景和开拓空间。从技术发展角度来讲，配电自动化 设备有着以下几点开拓方向和发展前景： 1 通信方式 通信通道由无线、电力线载波通信向g p r s 、光纤通信发展；通信方式由r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 通信向工业现场总线、以太网发展。 2 d s p 处理器的运用 使用高性能微处理器，特别是具有更高的运算处理速度、更低的功耗的d s p 芯片， 替代传统的单片机芯片，作为电力设备的核心控制芯片，已成为配电自动化技术发展 的必然趋势。 3 多种功能集成 将以往由多台设备实现的各种功能集成到一台设备中完成，使得该设备功能更加 强大，更加智能化。 1 3 开闭所自动化的意义晦1 开闭所是将高压电力分别向周围的几个用电单位供电的电力设施，位于电力系统 中变电站的下一级，其特征是电源进线侧和出线侧的电压相同。1 0 千伏开闭所又称开 关站是城镇配电网的重要组成部分。由于改革开放和经济的发展，原有的配电网适应 不了经济发展的需要，在一些城市和经济发达地区，为解决城镇供电问题，出现了1 0 千伏开闭所。 电网坚强、资产优良、业绩优秀、服务优质，即“一强三优是国家电网公司发 展目标，建设坚强电网“一强三优 的基础。配电网是整个电网的重要组成部分，1 0 千伏丌闭所是城镇配电网中最重要的供电设施之一。特别是在构建1 0 千伏城镇配网 主网架方面起着主导作用。因此，1 0 千伏开闭所是建设坚强电网必不可少的电力设施。 受变电所出线数量，出线走廊的限制，使变电所的剩余容量不能供出去，所以将负荷 输送到1 0 千伏开闭所，再从1 0 千伏开闭所转送出去。1 0 千伏开闭所的母线成为变电 所母线的延伸，1 0 千伏开闭所从中起到一个中转站作用。1 0 千伏开闭所的设备安装在 室内，其操作安全、方便，并且室内设备运行环境好，运行、维护方便。避免了传统 架空配电线路工作人员的劳动强度大，操作时间长，安全管理难度高，影响供电可靠， 又受气象及周围环境因素的带来的诸多问题。 随着社会经济发展，城网供电可靠率成为供电企业管理水平的重要标志。1 0 千伏 开闭所同时有来自不同变电所或同一变电所不同1 0 千伏母线的两路或多路相互独立 的可靠电源，以确保重要用户的可靠供电。电网1 0 千伏开闭所的合理设置，可加强 对配电网的控制，提高配电网运行的调度灵活性。遇城网设备检修或设备发生故障时， 1 0 千伏开闭所操作灵活的优势就能体现出来，最终使停电范围缩小到最小。 1 0 千伏开闭所以其供电可靠性，灵活性，安全性，操作方便等优点在建设坚强电 网中起着重要作用。 1 0 千伏开闭所是配电网的重要组成部分，其自动化程度的高低，直接反映了配电 自动化的水平。开闭所自动化的实现对配网自动化具有巨大的推动作用，符合国家电 网提出的建设坚强电网的要求，为智能电网的建设提供了基础。随着微机技术的飞速 发展，以及电力系统自动化水平的不断提高，变电站综合自动化和无人值班越来越受 到关注，大大的提高了系统的安全及经济运行水平，实现了减人增效。目前，对于开 闭所综合自动化系统进行的研究较少，本文就拟对此课题进行研究和开发，并主要侧 重于开闭所监控终端中通信管理机的研究和开发。 1 4 本论文的主要工作和章节安排 本论文的主要工作是：根据配电网自动化的最新发展需求，汲取计算机技术、数 字信号处理技术、电网故障检测技术研究的新成果研制出一种适合1 0 千伏开闭所的 配电网自动化终端，即开闭所自动化监测终端d t u 。论文依据g b t1 3 7 2 9 2 0 0 2 运 动终端设备、d l t7 2 1 2 0 0 0 配电网自动化系统远方终端、d l 厂r 配电自动化系统 功能规范等国家标准，借鉴国内外研制同类装置的经验，特别是实验室多年来从事 运动终端设备研究的经验，研究和开发出一种分层分布式结构的开闭所监控终端。尤 其在终端的人机界面、以太网通信、1 0 1 和1 0 4 通信规约方面做了深入的探讨，完成 了开闭所监控终端中通信管理机的研究和设计。 本论文的章节安排如下： 第一章：简要介绍了配电自动化的概念、系统组成、现状和发展趋势，并在此基 础上介绍了开闭所的作用和实现开闭所自动化的意义。 第二章：依据开闭所自动化监测终端的作用及功能要求，提出了一种分层分布式 的开闭所监控终端实现方案。介绍了开闭所监控终端的系统结构和组成原理。 第三章：通信管理机的系统设计，具体介绍了通信管理机的硬件电路设计、软件 设计以及抗干扰设计。 第四章：通信管理机的人机界面的设计与实现，具体包括液晶模块的选型，硬件 电路设计，软件设计。探讨了一种按键与菜单关联，数据与程序分离的人机界面软件 设计思想。 第五章：对基于硬件协议栈的以太网芯片w s l 0 0 进行了介绍，设计了w 5 1 0 0 与 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 之间的接口电路，介绍了以太网通信的软件设计。最终实现了通信管 理机的以太网通信功能。 第六章：简要介绍了1 0 1 规约和1 0 4 规约的内容，并具体介绍了规约的实现方法， 4 实现了规约在通信管理机中的具体应用。 第七章：对于本课题做了总结分析，分析其中的优点和缺点，对进一步的工作做 出了展望。 第二章d t u 的功能要求及实现方法 2 1d t u 的作用及功能要求 d t u 即开闭所监控终端( d i s t r i b u t i o nt e r m i n a lu n i t ) ，是安装在常规开闭站( 所) 、 户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处的数据采集与监控终端装置。 d t u 的作用是完成对开闭所等成组开关设备的位置信号，电压、电流、有功、无 功、功率因数、电量等数据的采集与计算，执行主站遥控命令，对开关进行分、合闸 操作。可以实现对馈线故障的识别、隔离和对非故障区间的恢复送电工作。有的还可 实现保护和备用电源自动投切功能【2 】。 d t u 应具有如下一些功能： 1 状态量采集与监控：状态量有开关位置、保护动作信号和异常信号、开关储能 信号、无功补偿装置投退状态、通信状态、蓄电池状态监视( 选配功能) 。 2 模拟量采集与监控：模拟量有电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等。 3 控制功能：接受并执行遥控指令，如开关分合闸操作、无功补偿装置投退。 4 设置功能：电流整定值、电压整定值、继电保护动作时限等参数的设置；当地、 远方操作设置；时间设置、远方对时。 5 时间记录和上报：电流、电压超整定值时，记录及上报其极限值及发生的起止 时间，时间记录精确到分，至少记录最近3 次：记录并上报重要状态量变位状态和发 生时间；记录并上报终端主电源失电的起始时间和恢复时间( 时间记录精确到分) 。 6 通信功能：具有两个及两个以上通信接口，按预定通信规约的规定，与上级站 进行通信，将采集信息及时上报或者接受上级站命令执行相应的操作。 7 自诊断功能：程序出轨死机时自行恢复功能；自动监视主、备用通信信道及切 换功能；个别插件损坏诊断报告等功能。 8 当地功能：对有人值班的较大站点，可以完成显示、打印功能：越限报警功能 在譬 1 于o 9 电源及失电保护功能：应有备用电源，主电源失电时，备用电源自动投入，并 至少维持终端连续2 4 h 工作，同时具有备用电源工作状态监视及上报功能 5 】。 2 2d t u 的实现方案 依据上述的功能要求，为了提高终端的可靠性和灵活性，本文采用独立模块单元 通过网络互连的分层分布式的网络结构来实现d t u 的系统设计。系统由通信管理机、 交流采集单元、遥信单元、遥控单元、电力载波机、电源模块、蓄电池模块、显示模 块、通信接口等组成。其中通信管理机、交流采集单元、遥信单元和遥控单元均由独 立的c p u 完成。系统的方案实现图如图2 1 所示： 6 1 卜、 蓄电池 i 肥2 洲。v 输入睁 系统 厂 电源 卜l ， d c 2 4 v 4 8 v 卜输入吲删模块p 一 4 8 5 蚓串口接l 总通 卜信输入吲遥信模块p 线讯 蚓嚣 ，1卜 管 n 理 陋输出h 遥控模块p 一 机 蚓蒜 图2 1d t u 实现方案图 1 通讯管理机作为整个系统结构的核心单元，选用t i 公司功能强大的3 2 位 d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心c p u ，向上通过g p r s 载波或以太网完成和主站或配网 子站的通讯；向下通过4 8 5 总线完成与遥测、遥信和遥控单元的通讯，并支持l c d 方式显示设备的运行状态和参数。 2 遥测单元基于t i 公司的m s p 4 3 0 f 5 4 3 8 超低功耗微处理器+ 外围功能模块组成。 外部电网的多路电压，电流的采集是利用6 片a d e 7 7 5 8 专用电能计量芯片完成的。 3 遥控输出单元基于1 6 位低功耗高性能单片机m s p 4 3 0 f 5 4 3 8 设计，每个遥控单 元完成1 6 路继电器控制，并可将继电器动作状态回读。同时负责电池的活化处理任 务。 4 遥信单元采用单独单片机m s p 4 3 0 f 5 4 3 8 完成状态量采集和s o e 事件顺序记录， 可完成4 8 路开关量输入，同时完成蓄电池状态监测。 2 3 本章小结 本章首先介绍了开闭所监控终端的作用及功能要求，并根据开闭所监控终端的功 能要求提出了一种分布式的开闭所监控终端设计方案。该开闭所监控终端主要由通信 管理机、交流采集单元、遥信单元和遥控单元组成，通信管理机与交流采集单元、遥 信单元和遥控单元之间通过4 8 5 总线进行通信。而且通信管理机、交流采集单元、遥 信单元和遥控单元均由独立的c p u 完成。 7 第三章通信管理机的系统设计 3 1 通信管理机的硬件电路设计 3 1 1 通信管理机的功能要求和设计原则 3 1 1 1 功能要求 通信管理机作为整个开闭所监控终端的核心单元，它的功能主要包括： 1 总线通信功能：通信管理机应有r s 4 8 5 接口，用于实现与遥测板、遥信板和遥 控板之间的通信。 2 与主站通信功能：通信管理机应具有r s 2 3 2 和以太网接口，并支持 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约和i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约，用于实现同主站的通信。 3 存储大量数据的功能：通信管理机作为开闭所监控终端的一部分，需要存储大 量的与开闭所相关的实时、历史、统计数据和参数等。往往大部分处理器自带的存储 空间不够，还需要外扩r a m 、e e p r o m 或f l a s h 。 4 人机交互功能：通信管理机应能够通过按键配合来显示开闭所的各种实时数 据、通信管理机的参数等，并能够通过按键来修改参数。 5 维护功能：通信管理机应有r s 2 3 2 本地维护口，用于通信管理机的测试和维护； 并支持软件远程更新功能。 3 1 1 2 设计原则 通信管理机的设计应满足下列原则 1 可靠性高 通信管理机作为开闭所监控终端的核心单元，负责收集遥测板和遥信板的实时信 息并及时上传给主站，并接受主站的命令并将相应的命令下发给相应的模块，起到了 整个开闭所通信枢纽的作用，所以必须确保其可靠性。 2 开放性 系统采用国家标准的通信规约。 3 抗干扰能力强 d t u 主要用于对开闭所的运行状态进行监测和控制，现场存在着大量电磁信号等 各种干扰。因此，作为d t u 的核心单元，通信管理机的硬件必须具有很强的抗干扰 能力。 4 兼顾经济性和先进性的原则 在装置硬件设计时，在保证装置性能和先进性的前提下，尽量降低硬件设计的成 本，提高装置的性价比，更好的推广开闭所监控终端产品。 3 1 2 通信管理机的硬件构成与工作原理 3 1 2 1 硬件构成 根据通信管理机的功能要求和设计原则，本文通信管理机的硬件选用面向控制的 具有很高可靠性和强大处理能力的3 2 位d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为m c u ，采用模块化 8 的设计方法，硬件由核心处理模块、电源模块、数字量输入输出模块、时钟和存储器 模块、串口通讯模块、串口扩展模块、以太网通信模块、人机交互模块组成。硬件构 成如图3 1 所示。充分利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的存储器接口x i n t f 扩展了以太网通信模 块，s r a m 芯片，串1 2 扩展电路，按键与显示电路和数字量输入输出电路；利用 g p i o a 0 、g p i o a l 和g p i o a 2 模拟1 2 c 总线扩展了e e p r o m 和时钟电路；利用s p i 接口扩展了f l a s h 芯片：利用自带的s c i 接口扩展了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 电路。 数字量输入 继电器组 光电隔离 光电隔离 e e p r o m 时钟电路 春鋈i 监视电路管理l 盥恍吧阳 显示电路l i 按键电路 光电隔离 光电隔离 f l a s h 以太网 s r a m 串口扩展 电路 r s 2 3 2 接 【j 电路 r s 4 8 5 接 口电路 r s 4 8 5 接 口电路 图3 - 1 硬件构成图 3 1 2 2 工作原理 通信管理机上电后，会不断通过4 8 5 总线与各个遥测单元、遥信单元通信，获取 相应的遥测和遥信信息；当管理机接收到主站的召唤命令时，就将相应的遥测、遥信 信息发送给主站；当管理机接收到主站的遥控命令时，首先判断是管理机的遥控命令 还是遥控单元的遥控命令，如果是遥控单元的遥控命令就需要将相应的遥控命令发送 给遥控单元。当有按键操作或者动态显示时间到时，显示反映开闭所运行状态的实时 信息和通信管理机的运行状态、参数等信息，或者响应按键操作修改并保存一些参数。 并定时或根据需要将数据存储在相应的内部存储器或外扩存储器中。 3 1 3 部分硬件模块介绍 1 、数字量输入输出模块 由于电网中干扰较大，在数字量输入和输出口均加入了光电耦合隔离器进行隔 离，以提高通信管理机的抗干扰能力。 对于数字量的输入，在通信管理机中主要用作监测蓄电池状态。外部的数字信号 先后经过光电耦合隔离器和7 4 h c 2 4 5 缓冲器后通过数据总线进入t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。 对于数字量的输出，在通信管理机中主要用作对蓄电池的活化及充放电操作。数 9 认 m n m | 兰 屹s 删 州 鲫 姒 m ；暑 煳 剐 晒2昭 | 耋 | 耋 m m 啪 字量输出信号首先锁存在开关量输出控制缓存7 4 h c 5 7 4 中，经光电耦合隔离器后， 再输出到控制继电器。 2 、串口通讯模块 通信管理机充分利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片自带的两个异步串行口s c i a 和s c i b 来 设计r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信电路。r s 2 3 2 通信电路采用s p 3 2 2 0 e b e y 芯片设计，用于 为通信管理机与主站的远程通信提供串口接口。r s 4 8 5 通信电路采用s n 6 5 l b c l 8 4 芯 片设计，用于与遥测板、遥信板和遥控板之间的通信。 3 、串口扩展模块 由于串口不够用，本文还利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的外部存储器接口x i n t f 和 t l l 6 c 7 5 2 b 芯片来扩展串口，t l l 6 c 7 5 2 b 可以将d s p 输出的并行数据转换为串行数 据通过t x 输出，又可将外面从r x 输入的串行数据转换为并行数据。一片t l l 6 c 7 5 2 b 可以扩展两个串口，一个用于实现r s 4 8 5 通信，一个备用。r s 4 8 5 通信用作通信管理 机的维护口。 4 、存储模块 由于开闭所的线路多，通信管理机需要存储的数据量大，所以通信管理机扩展了 大量的存储空间，以满足现场对存储空间的需求。利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的g p i o a 口模 拟1 2 c 总线扩展了一片e e p r o m 芯片2 4 c 1 2 8 ，用于存储系统参数。利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的x i n t f 口扩展了一片s r a m 芯片c y 7 c 1 0 2 1 ，用于存储一些通信的实时数据。利 用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的s p i 接口扩展了一片f l a s h 芯片a t 4 5 d b 3 2 1 c ，用于存储一些历史 数据。 3 1 4 部分外扩电路在d s p 中映射的空间分配 由硬件构成图可知，许多外设都是通过d s p 的存储器接口x i n t f 与d s p 进行连 接，这样这些外设都会被映射到d s p 相应的存储空间，d s p 访问这些外设就像访问 自己的存储空间一样方便。表3 - 1 所示为具体的空间分配情况。图3 2 为这些外扩电 路的片选地址产生电路。图中c s 3 与x i n t f 的x z c s o a n d l 引脚相连，w e 和r d 分别与x i n t f 的x w e 和p a r d 相连。 表3 - 1 外扩电路映射空间分配表 外扩电路基地址寻址范围( b y t e ) 以太网电路0 x 8 0 0 0 03 2 k s r a m0 x 1 0 0 0 0 01 2 8 k 串口扩展电路 0 x 2 c 0 08 数字量输入o x 4 a 0 01 数字量输出o x 4 e 0 0l 按键电路0 x 2 4 0 01 显示电路0 x 2 2 0 0 l 1 0 图3 2 外扩电路的片选地址产生电路 3 2 通信管理机的软件设计 软件设计作为整个系统设计的重要环节，它的好坏对整个系统的性能和稳定性都 将产生重大的影响，它决定了硬件设备能否可靠工作以及硬件设备的性能能否得到充 分的发挥。下面将介绍通信管理机的软件开发环境和设计思想。 3 2 1 软件开发环境 通信管理机软件的实现以t i 公司的c c s 3 3 软件环境为主要的开发平台，以c 语 言为主要的开发工具。测试用的上位机软件采用m i c r o s o f tv c + + 6 0 编写。 3 2 2 软件设计思想 通信管理机需要完成多种功能，因此通信管理机软件需要良好的可靠性、实时性、 稳定性、准确性和健壮性，而且应该易于理解和维护，便于系统功能的拓展。 软件进行模块化、层次化设计，划分为多个模块，每个模块的功能相对独立，负 责一项或几项功能相近的工作，模块之间的接口力求清楚、简洁，调用层次关系明确。 除中断处理模块由中断处理子函数处理( 如串口收发程序、以太网收发程序) 外，其 余模块都由主程序调用运行。 3 2 3 主程序流程图 通信管理机的软件主要实现：1 、通过r s 4 8 5 与遥测和遥信单元进行通信，采集 遥测和遥信单元的信息，并向遥控单元转发遥控命令；2 、通过r s 2 3 2 串口或以太网 与主站进行通信；3 、1 0 1 规约和1 0 4 规约的解包与打包处理；4 、响应按键操作并显 示整个系统的工作状态和参数。软件主程序流程图如图3 2 所示。 在程序的主函数中，不断查询各种任务标志，当任务标志为1 时就处理相应的任 务，当任务标志为o 就接着查询下一个任务标志。各种任务标志的查询都放在一个 w h i l e 死循环里。为了保证数据的实时性，需要实时的不断的通过4 8 5 总线收集遥测 单元和遥信单元的数据，所以只要是4 8 5 总线是空闲的，而且没有其他更重要的数据 需要通过4 8 5 总线发送，程序里就会循环向各个遥测和遥信单元发送数据召唤命令， 以及时取得遥测和遥信单元最新的数据。当有串口( r s 4 8 5 、r s 2 3 2 或者维护口) 接 收中断时，在中断子程序中置相应的接收中断标志，在主程序中查询到相应的标志为 l 时，就处理接收到的数据，如果需要并作进一步的发送处理。每当2 0 m s 时间到就 驱动按键扫描与按键处理以及调用以太网通讯处理函数。程序就这样如流程图所示不 断循环下去。流程图中r s 4 8 5 总线通信主要实现通信管理机与遥测板、遥信板和遥控 板的通信，r s 2 3 2 串口通信为i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的实现提供物理通道，以太网通信 为i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的实现提供物理通道，按键扫描与按键处理用于人机界面的实 现。关于人机界面的软件设计请见第四章，关于以太网通信的软件设计请见第五章， 关于i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约和i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的软件设计请见第六章。 y ，面j 嘉沱隐卜n 眵 陬窃始化j少 0 7 【- - 自检测 r s 2 3 2 串口 扫描按键 叶1 通讯处理 喂狗 l 一 一 1 进行相应的 按键处理、 i 处理相应t 筝j r s 4 8 5 维护处理 画面显示 l 总线发送任务i ， 一 r 令l 。静态数据显示的思路为：把每个要显示的变量放在一个大 的静态数据结构体数组中，主程序在按键处理函数结束时