（电气工程专业论文）分布式rtu系统中通信处理装置的设计.pdf

a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs y s t e mi s c o m p o s e do fp o w e rp l a n t , p o w e rt r a n s m i s s i o na n d t r a n s f o r m a t i o ns y s t e m ，p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n dm a n yk i n d so fe l e c t r i c a ll o a d a l ll e v e l so fc o n t r o lc e n t e ra r ei nc h a r g eo ft h ec o n t r o l l i n ga n dm a n a g e m e n to ft h e w h o l es y s t e m t om a i n t a i nt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dk e e pi tr u ne c o n o m i c a l l y , t h ec o n t r o lc e n t e rm u s ts u p e r v i s et h ew h o l ec o n d i t i o no ft h es y s t e mt i m l ya n d e x a c t l y r t up l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e m i ti sa l s ov i t a lt o k e e pt h es y s t e ml a i ns a f e l ya n dc o n s t a n t l y , a n dt om a k et h es y s t e mm o r ee c o n o m i c a l b a s e do nt h et h o r o u g h i n v e s t i g a t i o n o fd o m e s t i ca n do v e r s e a sr t u ，a c o m m u n i c a t i o np r o c e s s i n gd e v i c ei m p l i e di nd i s t r i b u t e dr t us y s t e mi sd e s i g n e di n t h ep a p e r i ta d o p t ss t a n d a r di n d u s t r i a lp c 10 4c p u i nh a r d w a r ed e s i g n ，u s i n gt h e a b u n d a n te x t e r n a l r e s o u r c e ，ad e v i c ew i t hm u l t i p l es e r i a lp o r t ，d o u b l ef i e l d b u s n e t w o r ka n dd o u b l ee t h e r n e ti sd e v e l o p e d ，w h i c ha l s os o m ef u n c t i o n s ，s u c ha sd i s p l a y , k e y b o a r do p e r a t i o n ，d o u b l em a c h i n eb a c k u pa n dp r e c i s et i m es y n c h r o n i z a t i o n 。 i n s o f t w a r ed e s i g n ，t h eo o pa n dp s o sa lle m p l o y e d s e l f - d e f i n a t i o nd a t a b a s e ，p o r t d r i v i n ga n dm a n a g e m e n ta lec o m b i n e dt o g e t h e r t h ei n d e p e n d e n c eo fe a c hp o r ti s g u a r a n t e e d i np r o t o c o ld e s i g n ，i no r d e rt or e d u c er e d u n d a n tc o d ea n ds h o r t e nt h e p e r i o do fp r o t o c o ld e v e l o p i n g ，t h ed i f f e r e n c ea n dr e s e m b l a n c ei np r o c e s s i n gb e t w e e n m a s t e rp r o t o c o la n ds l a v ep r o t o c o la r ea d e q u a t e l yc o n s i d e r e d ，a n dc l a s si n h e r i t a n c ei s u s e d b a s e do nt h es t a n d a r dc p ub o a r da n df u l l yd e v e l o p e de m b e d d e dr u n - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m - p s o s ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s i n gi sd e s i g n e dw i t hl i t t l ev o l u m e ， g r e a tp r o c e s s i n gc a p a b i l i t ya n dg o o ds t a b i l i t y i n h e r i t a n c e ，p o l y m o r p h ya n dp a c k e ti n o r i e n t - o b j e c tt e c h n o l o g ya r eu s e dt om a k et h ep r o g r a me a s i e rt ob et e s t e da n d m a i n t a i n e d i no r d e rt ow o r kt o g e t h e rw i t hr e l a ya n do t h e ri n t e l l i g e n c ed e v i c ew o r k c o n v e n i e n t l y , m a n yp r o t o c o l sa r ed e v e l o p e d t h ef i e l df u n n i n gs h o w st h a tt h e d e s i g n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a nf i tw e l la n dt h ea n t i c i p a t i v ed e s i g no b j e c t i v e sa r e a c h i e v e d k e y w o r d ：d i s t r i b u t e dr t u ；c o m m u n i c a t i o np r o c e s s ；p r o t o c o l ；p s o s ；p c 10 4 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞态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了谢意。 学位论文作者签名引吸签字日期砂7 年月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞连盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨递盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：于一l 派； 签字吼驴7 年月日 导师签名： 磁炳占 婵嗍3 妒朋7 日 第一章绪论 第一章绪论 电力系统是由发电厂、输变电系统、配电系统和各种不同类型的负荷等组成， 由各级调度中心对系统的运行进行控制和管理。为了保证供电质量和电力系统 运行的可靠性和经济性，系统的调度控制中心必须及时而准确地掌握全面的运行 状况，随时进行分析，做出正确的判断和决策，必要时采取相应的措施，及时处 理事故和异常情况，以保证电力系统安全优质、经济可靠的运行。 实现电网调度自动化，首先要采集实时数据进行监视和控制，所以电网调度 自动化的基本组成部分是数据采集和监控系统，即s c a d a 系统。在此基础上配 以自动发电控制( a g c ) 、经济调度控制( e d c ) ，以及其它如安全监视、安全分 析等功能，构成现代能量管理系统( e m s ) 。 远动系统把调度控制中心与发电厂、变电站联系起来，为调度中心提供实时 数据，实现对远方运行设备的监视和控制，是电力系统调度自动化的基础。调度 控制中心称为调度端，发电厂、变电站称为厂站端。从远动角度看，调度端为控 制站，厂站端为被控站。远动系统由控制站、被控站及信道等组成。习惯上，把 被控站内，完成远动数据采集与处理、数据发送与接收、以及输出执行等功能的 设备称为远程终端( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，展f f r t u ) 。随着电力系统的迅速发 展，对电网的监视和控制要求日益提高。作为采集电网运行数据和执行调度命令 的远动终端，其作用也越来越重要瞳，。 变电站自动化技术随着集成电路技术、微机技术、通信技术和网络通信技术 的发展，其体系结构也不断变化，性能和功能以及可靠性等也在不断提高。最近 几年我国的变电站自动化工作取得了实质性的进展，变电站自动化已成为变电站 电气设计中不可缺少的一项基本内容，成为站内值班员乃至系统调度员保证电网 安全可靠运行的一个重要手段。 1 1 变电站自动化系统的结构形式 当前变电站自动化的技术特点是新老交替、新老结合、新老并存。既有以常 规远动装置为核心派生的老站改造模式，又有局部或完全分散的新站设计模式， 更有将保护、监控、仪表、录波、防误操作等功能合一的一体化解决方案。根据 目前在变电站中的具体应用，除老站改造外，其结构形式可以分为集中式、分布 集中式、分散与集中相结合和全分散式嘲叫耵。 1 传统站改造模式 第一章绪论 这种模式就是目前国内应用最普遍的远方终端装置( r t u ) 加上当地监控系 统( 又称当地功能) 组成。这种结构方式是在保留常规的电气二次设备的基础上， 利用普遍运用的r t u ，再配上变送器、遥信转接、遥控执行、不间断电源( u p s ) 等屏柜。当采用交流采样r t u 时，可省去变送器屏柜。站内保护装置的信息可通 过遥信输入回路( 即硬件方法) 进入r t u ，亦可通过按约定的规约通信( 即软件 方法) 进入r t u 。此模式适合于各种电压等级、不同规模的变电站。根据用户不 同层次的要求，其当地功能的配置可为1 台p c 机，也可是一个完整的双前置、 双主机、双工作站的监控系统。该模式保留了r t u 的功能和二次回路设计。 2 集中式结构模式 集中式结构是根据变电站规模，配置相应容量的集中式保护装置和监控主机 及数据采集系统，安装在中央控制室内。主变压器和各进出线及站内所有电气的 运行状态，通过电流互感器和电压互感器经电缆传送至中央控制室的保护装置和 监控主机( 或远动装置) 。继电保护动作信息往往是取自保护装置的信号继电器 的辅助触点，通过电缆送给监控主机( 或远动装置) 。 3 分布集中式系统组屏模式 这种系统虽有多种不同形式，但实质均属于分层分布式多c p u 的体系结构。 这种模式在目前国内新建变电站中应用最多，并取得了较成熟的运行经验。与传 统模式相比，最大的区别在于将r t u 的遥控、信号、测量、电能计费、通信等功 能分别组屏，而由通信单元通过串行口与各功能单元以及微机保护、故障录波、 上位机等通信。其特点是将控制、保护两大功能作为一个整体来考虑，二次回路 设计大为简化。主要用于3 5 1 1 0 k v 中低压变电站。 4 全分散式 该模式主要特点是以一次主设备如开关、变压器、母线等为安装单位，将控 制、i o 、闭锁、保护等单元分散，就地安装在一次主设备( 屏柜) 上。站控单元( 在 主控室内) 通过串行口( 光纤通信) 与各一次设备屏柜( 在现场) 相连，并与上位机 和远方调度中心通信。具体实施又分为2 种模式：保护相对独立以及保护和测量 合一。全分散模式较适合于要求节省占地面积和二次电缆的3 5 - - i l o k v 中低压变 电站，例如城市( 市区) 变电站。 5 局部分散式 此模式综合了集中式与分散式的特点，将保护和测控单元分散安装在开关柜 内，而高压线路保护和主变压器保护装置等采用集中组屏安装在控制室内，采用 了分散式的系统结构而控制和保护仍集中配屏。此模式可用于各种电压等级的变 电站，尤其适用于5 0 0 k v 以及大型2 2 0 k v 站。 2 第一章绪论 1 2 本文研究的对象 当前，分布处理的思想已经渗透到自动化系统的各个领域，远动系统( r t u ) 近几年有两大技术突破：一是功能分散配置；二是交流采样。分布式r t u 一般都 采用现场总线，支持光纤或双绞线，各功能单元可分散装设在一次设备旁边，可 减少大量二次电缆，接线既简单又可靠，具有标准接口及开发工具，标准化程度 高。分布式r t u 与厂站自动监控系统结合，可取代大量常规表盘，便于维护，降 低成本怕。 同时，大中型变电站对监控系统的要求越来越高，其典型模式是采用分散分 布式模块结构，安装方式为既可集中安装也可分散安装，模块间通信采用高速的 网络通讯。对于高电压等级的变电站，近年来对网络提出的新需求是采用双网的 通讯模式，即采用互为备用的两个通信网络，以提高通信的可靠性，不仅r t u 与 当地监控系统之间要求双网，模块间通信也要求采用双网。而且很多省份都要求 在3 5 k v 站采用分散分布式r t u 系统，分散分布式的监控系统是一个趋势口1 ，将有 广阔的市场。 根据以上实际需要，东方电子研制出一套分布式r t u 系统。该系统既有适应 集中配屏的按遥测、遥信等功能划分的采集装置，又具有按对象( 线路等) 配置 的采集装置，还设计有延伸通信距离的中继器等，具体包括以下几种： 1 通信处理装置 通信处理装置是整个系统的信息处理枢纽，用于变电站内通讯信息汇总、处 理及传送。网络方式采用f d k 和c a n 双现场网络结构，既可集中安装于主控室 r t u 机柜中，也可以分散就近安装在变电站各处。 2 综合监控模块 适合以对象为单位对电厂或变电站的一、二次设备电气安装单位进行全面、 实时的监测和控制。单个模块除可完成遥测、遥信、遥控、遥调等基本四遥功能 以外，还可完成电度累计、断路器检同期或检无压、变电站v o c 调节、电厂a g c 输出、遥控防误闭锁、面向对象的保护管理机及网络通信功能。 3 输入输出控制模块 采用精巧的嵌入式结构，不需要遥控执行屏等辅助设备。具有6 4 个开关量 ( 共地) 输入，其中的任何一个可根据需要方便地定义为遥信或脉冲电度输入， 每个开关量输入都有一个独立的消抖功能，时间精确到l m s 。数字量输出共有6 路，共1 2 个点的“分 ，“合 控制信号。所有的控制信号可以预定输出闭锁功 能。在完成一般遥信与遥控功能的同时还具有电压无功控制功能。 4 直流量采集模块 直流量采集模块可实现6 4 路单端遥测量采集( 共地方式，如直流电压量等) 第一章绪论 或3 2 路双端遥测量采集( 不共地方式，如直流电流等) 。遥测采集精度为单端遥 测量0 i 级、双端遥测量0 2 级。 5 数字量采集模块 数字量采集模块可实现6 4 路开关量或脉冲量的采集。不同的采集方式通过 软件设置。开关量采集可用内部2 4 v 电源驱动，也可外接电源驱动( 根据不同配 置，可分别接2 4 v 、4 8 v 、i i o v 、2 2 0 v ) ，其s o e 分辨率为l - - - ，2 m s 。 6 数字量输出模块 数字量输出模块可实现1 6 路3 2 点遥控功能。内部遥控继电器全部采用接点 返校方式，并增加了特殊的密码锁保护及其它保护措施，确保了在最坏的情况下 不会造成遥控的误动。遥控模块一般外接中间继电器单元或通过遥控端子板外接 遥控执行屏。 7 交流采样模块 交流采样模块可用两表法实现十二线路共用p t 或独立p t 全电量采集，根据 实际需要可用三表法实现八条线路的全电量采集。在完成一般交流采样功能的同 时还能进行高速采样、谐波分析、p t 异常报警、c t 异常报警等功能。该模块可 对十二线路交流输入量中任何一路启动高速采样，用于谐波分析、相位比较。 8 线路同期控制模块 线路同期控制模块用于实现变电站线路的同期操作。它可完成1 串“一个半一 接线方式3 个断路器或其它接线方式下单独2 个断路器的自动准同期操作。可检 测相位差，并以恒定前导时间发出合闸脉冲，捕捉同期点。可在给定条件下完成 无压合闸。 9 模拟量输出模块 模拟量输出模块可输出4 路在电气上完全隔离的模拟量，输出方式共有三 种，电压o l o v ，电流o - 2 0 m a ，电流4 - 2 0 m a ，每种输出方式由软件设置，无需 硬件跳线设置。四路输出可冗余，内部实时监视模拟量输出，输出不正常时，实 现自动切换。同时可实现1 6 路单端遥测量采集或8 路双端遥测量采集。能实现 a g c 功能。 1 0 电压无功自动控制装置 模块采用模糊控制算法，在保证电压合格率及无功要求的前提，有效地减少 了开关动作次数。电容器投切顺序采用先投先切控制算法，可以保证电容器均匀 使用，提高整个电容器组的使用寿命。模块采用逆调压原理来自动更新电压的上 下限。可根据电网的负荷结构，自动灵活地控制各点电压的调节范围，可以克服 分段整定造成的操作繁琐和实时性差的缺点。 1 1 调制解调器模块 4 第一章绪论 调制解调器模块具有多种功能，可灵活配置。内有4 个插槽，可安装调制解 调器板或双机切换板。调制解调器板是电力系统通信专用调制解调器用于专线 或电力载波通信，其通信波特率及频率等通过跳线设置。在通信处理装置双机各 用配置时，调制解调嚣模块用于在主、备机之间切换串行口。可通过双机切换板 切换数字口，通过调制解调器板切换模拟口。 1 2 f d k c a n 双网光纤中继器模块 f i ) k c a n 双网光纤中继器模块是将系统内部的f d k 和c a n 网通过光纤通信的 转换模块。通过光纤中继器。f d k 和c a n 网的传输距离可由原来的1 2 0 0 米增加 为5 千米，使系列模块分散安装时安装范围大大增加。同时由于光纤的抗电磁干 扰性能好，在高电压等级变电站用来在不同高压室之问进行网络通信非常理想。 如图卜l 所示的大型监控系统共分三层：上层为当地监控层，由一台或多台 当地监控工作站组成；中间层为信息汇总及中央处理层由一台或两台通信处理 装置、调制解调器及双机切换模块纽成；底层为信息采集，控制层，由综合监控 模块、单一功能模块、自动控制模块、微机保护模块等组成。上层与中层之间采 用双以太网通信，双网以主、各冗余方式通信，采用t c p i p 协议；中层与底层 之间采用两种不同性质的现场总线网络通信，这两种网络分别是f d k 及c a n 。双 网采用分流机制通信，双网均可通过光纤传输。 苦荆k 幞，颦十m * 或分散安装 圈卜l 典型系统结构 第一章绪论 1 3 本文的工作 根据本人的实际工作，本文主要完成了通信处理装置的研制工作。通信处理 装置是整个系统的主处理通信模块，负责所有i o 模块或其它监控模块的通信管 理和数据处理，并完成多个调度主站、多种站内智能设备( 如各种微机保护、智 能电度表) 的通信。通信处理装置软件的装载和参数设置均可通过键盘液晶显示 器或通过串口在当地或远程进行。具有双机热备份、单个串口自动识别故障与自 动切换功能。本文的工作具体包括以下几部分： 1 通信处理装置硬件设计。 2 软件设计，特别是数据库的设计。 3 以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 为例，完成了通信规约的实现。 6 第二章通信处理装置硬件设计 2 1 系统结构 第二章通信处理装置硬件设计 如图2 一l 所示，通信处理装置以p c 1 0 4 电路模块为核心设计，电子盘作为 存储媒体，p c 1 0 4 板通过扩展总线i s a 与其它扩充的电路功能单元连接。 图2 - 1 通信处理装置硬件结构框图 通信处理装置设计了1 0 个串行口，其中2 个串行口为p c 1 0 4 板本身具备的， 另外扩充8 个串行口，接口芯片采用a m 8 5 c 3 0 ，它的优点是支持同步、异步通信， 每个通道均自带波特率发生器。对外接口c o m i c o m 6 采用r s 2 3 2 方式，c o m 7 c o m i o 可设置为r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 。 与各测控模块通信的网络方式采用f d k 和c a n 双网络结构。f d k 网络的接口 编码器和译码器用e p l d 实现，接口采用变压器及压敏电阻保护。而c a n 网控制 芯片采用s j a i 0 0 0 ，接口芯片采用8 0 c 2 5 0 ，采用变压器隔离方式。两种网络互为 备用，正常工作时双网间通信任务平均分配。某一个网络故障时，另一个网络自 动将它的任务接管起来，通过软件保证信息不会丢失，提高了对系统突发事件的 处理能力，可以确保数据和命令传输的实时性和准确性。 7 第二章通信处理装置硬件设计 通信处理装置采用超大液晶屏幕显示，具有3 2 0 x 2 4 0 点阵的清晰度，可准确、 实时、全面地显示当前所有i o 模块和其它监控模块的运行状态和数据信息。它 采用压膜按钮技术，具有较强的手感和较好的外观。 通信处理装置可以实现双机热备份( 包括单个串行口自动识别故障与自动切 换、整机自动识别故障与自动切换) ，可与前置模块以双网冗余方式通信。可接 单、双以太网，与当地监控之间进行通信。 2 2 各电路功能单元的详细设计 2 2 1c p u 主板 p c 1 0 4 是一个把计算机可兼容的模块( 电路板) 堆叠在一起形成的一种集成 嵌入式计算机系统。由于p c 1 0 4 具有体积小、堆叠式总线扩展方式、功耗小、 可靠性高、产品模块化、容易开发等优点，已成为嵌入式系统的主要成员嘲叫删。 本设计采用的p c 1 0 4 主板是盛博公司生产的s y s c e n t r e m o d u l e s u p e r d x 模 块，它的主频6 6 m h z 、内存8 m 、电子盘8 m 。 s y s c e n t r e m o d u l e s u p e r d x 是一种高度集成、自栈结构、i b m - p c a t 兼容的 p c 1 0 4 c p u 模块。它可方便地与其它周边设备及模块构成完整系统，是系统的核 心部件。该板不仅具有一般p c a t 机母板和1 2 块扩展板的功能，更具有适应 嵌入式控制的特点，比如，低功耗、超小尺寸、单+ 5 v 供电、宽工作温度范围 等，这都使s c m s u p e r d x 可独立作为一台p c a t 引擎，或与其它p c 1 0 4 模块一 起构成嵌入式应用的理想方案。 s u p e r d x 采用增强型的8 0 4 8 6 处理器，板上包含了所有的p c a t 兼容的d j a 控 制器、中断控制器、定时器，r o m - b i o s 、d r a m 、键盘、喇叭接口。该板的外部接 口包括一个p c a t 兼容的双向并行口和两个1 6 5 5 0 兼容的r s 2 3 2 串行口。产品设 计中使用该模块，可使系统实现p c a t 机的所有功能，却只占用较小的空间及极 小的功耗( 2 9 w ) n 1 1 。 2 2 2 串行口 串行口c o m l 、c o m 2 是p c 1 0 4 板本身具备的，为异步串行口，不支持同步方 式，波特率为1 l o - 1 1 5 2 0 0 b p s ，接口为r s 2 3 2 方式。 串行口c o m i 一般专门用来进行维护。将c o m i 通过主板引出机壳外，只引 t x d 、r x d 两条信号线，并采用t v s 器件s a l 2 c a 、1 5 0 p f 高频瓷片电容器进行电 磁干扰防护。在印制板内部将该串行口的r t s - c t s - c d 、d t r - d s r 连在一起，以保 证串行口设置为硬件流控制方式时能够进行三线制通信。 8 第二章通信处理装置硬件设计 串行口c o m 2 一般用来进行远程维护，需要外接m o d e m ，所以将所有8 个信 号线全部引出。每个信号线都加同c o m l 一样的保护器件。 c o m l 、c o m 2 接口控制芯片为1 6 5 5 2 ，收发各有1 6 字节的f i f o 。c o m i 端口地 址3 f 8 3 f f h ，使用中断i r q 4 。c o m 2 端口地址2 f 8 - - 2 f f h ，使用中断i r q 3 。 串行口c o m 3 一- - c o m 6 为扩充串行口，控制芯片采用a m 8 5 c 3 0 ，它支持独立的 波特率发生器，支持同步异步通信方式。它支持的波特率为l l o 9 6 0 0 b p s 。该 芯片还支持d p l l 自同步功能，在e p l d 的配合下，可实现接收同步时钟的恢复， 不再需要由m o d e m 提供同步时钟。接口采用r s 2 3 2 标准，驱动芯片采用m a x 2 0 8 e ， 有效信号线c d 、r x d 、t x d 、d t r 、d s r 、r t s 、c t s ，无r i 信号。其中d t r 信号还 作为双机切换时的串行口切换信号，主机的d t r 无效时将相应串行口切换到备 机。串行口的每个信号线均同c o m l 一样加装保护器件。 串行口c o m 7 - - 一c o m i o 也是扩充串行口，基本功能同c o m 3 - c o m 6 ，并在此基 础上增加了r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 接口标准转换功能。根据现场的需要，可通过更 改跳线将串行口设置为三个接口标准之一。设置为r s 4 8 5 时，硬件还提供了自动 收发方向控制功能。 串行口c o m 3 c o m i o 共用了4 片a m 8 5 c 3 0 ，4 片a m 8 5 c 3 0 各有一个中断请求 信号i r q ，为了节省中断资源，4 个中断共享中断i r q l 5 ，另外设置了一个共享 中断标志寄存器删l t i n t f l a g ，端口地址为1 3 0 h ，只读方式，该端口的低4 位分 别代表一个芯片的中断请求： d o ：l # a m 8 5 c 3 0 ( c o m 3 、c o m 4 ) d 1 ：2 # a m 8 5 c 3 0 ( c o m 5 、c o m 6 ) d 2 ： 3 # a m 8 5 c 3 0 ( c o m 7 、c o m b ) d 3 ：4 # a m 8 5 c 3 0 ( c o m 9 、c o m l 0 ) 当某一片a m 8 5 c 3 0 产生中断时，对应位为“1 ，当i s p 处理后，芯片中断请 求撤消，对应位也随即变为“0 。i s p 只有在所有4 位均变“0 ”后才能退出。 串行口c o m i o 的r i 为特殊功能引脚，它用来做g p s 秒脉冲输入引脚。 所有d t r 信号与双机切换信号相“或后输出，即d t r 与双机切换逻辑有一 个无效则d t r 信号无效，用于双机切换控制。 2 2 3f d k 网络 f d k 是我们自行开发的、嵌入式现场总线网络，它高速、高对时精度、高可 靠、低成本，非常适合变电站综合自动化系统通信使用。它支持与多个前置采集 模块通信，网络拓扑结构为总线型，传输速率为1 8 7 5 k b p s 。物理层是网络的最 底层，它采用r s 4 8 5 接口，使用双绞线进行数据多点传输，数据传输格式为曼彻 斯特编码，在不扩展带宽的前提下实现数据可靠的位同步传输。通过线传输变压 9 第二章通信处理装置硬件设计 器进行电气隔离，使整个网络通信电缆处于全浮空状态，极大地提高了抗干扰性 能。数据链路层为标准的曲l c 协议，采用位同步通信方式，一帧有效数据可达 2 5 6 个字节。使用c c i t t 推荐的c c i t t - 1 6c r c 校验。主节点对从节点的访问为轮 巡式，不支持主动上传。传输层为应用层提供基于连接的可靠的数据传输，它实 现如下功能：流量控制( 运用窗口技术) 、差错控制( 重传、确认技术) 、均衡负 载( 保证各节点受到均等服务) 、紧急数据传送( 优先级) n 羽。f d k 在不增加网络 中继器的情况下最多可与3 1 个前置采集模块通信，增加网络中继器后最多可与 1 1 0 个模块通信。 f d k 的收发l e d 状态指示的脉冲展宽电路也在e p l d 中实现，要求在信号长 发时必须保持l e d 持续发光，以便于故障查找。 f d k 的曼彻斯特编码译码器及硬件防长发功能也在e p l d 中实现。 网络收发器芯片采用带e s d 防护功能的4 8 5 接口芯片。在隔离变压器的初级 ( 外部) 对机壳地加压敏电阻及高压电容抗冲击器件，两线之间加双向t v s 。 2 2 4o a n 网络 控制器局域网( c a n ) 是近几年在电力系统应用较多的现场总线网，它是一 种开放式的多主( 站) 局部网络，系统采用双线串行通信方式，多个单片机可通 过片内或片外的c a n 控制器挂到c a n 总线上。c a n 支持多主机方式及按优先级非破 坏性总线仲裁，具有强有力的检错功能，非常适合在高噪声干扰环境中及需要快 速实时处理的场合下使用。c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网 络n 舯h 刀。本文采用s j a l 0 0 0 与p c 1 0 4 相连，其接口电路如图2 - 2 所示： 图2 2s j a l 0 0 0 与p c 1 0 4 的接口逻辑图 1 0 第二章通信处理装置硬件设计 s j a l 0 0 0 的地址总线和数据总线是分时复用的，而p c 1 0 4 的数据总线和地 址总线是分开的，因此必须将p c 1 0 4 的地址和数据总线转换为分时复用状态， 才能满足接口要求。另外，s j a l 0 0 0 需要占用1 2 8 个地址空间，由于p c 1 0 4 的 低1 k 地址空间已经分配，没有可用的连续的1 2 8 个地址，所以需要使用4 0 0 h 以 上的地址空间，经测试，5 0 0 - - - 5 7 f h 可用。 2 2 5 以太网接口 本模块可扩充1 至2 个以太网接口，可与当地监控后台机通过网络以t c p i p 协议通信。在具备双机备用配置时，可通过以太网进行主、备机之间的数据同步。 以太网硬件采用p c 1 0 4 标准的网卡，做为扩充件，在需要双机备用配置或 与当地监控系统通过网络方式通信时，根据需要可配置1 2 块网卡。 在印制板留有以太网插头位置，采用双r j 4 5 插头，一个对内，一个对外， 对内的用来接网卡，对外的用来接外部网络电缆。 2 2 6 液晶显示及键盘 该装置采用高分辨率大屏幕液晶显示器，具有3 2 0 2 4 0 点阵的清晰度，支 持图形显示及汉字显示功能。 液晶显示器需要负压驱动( 0 一1 2 v ) ，所采用的开关电源中已经提供了- 1 2 v 电压，但需要做好退耦电路。需设置调节对比度的微调电位器。 采用l e d 背光源，背光平时不工作，只有在下列情况下工作： 1 有按键操作； 2 有需要显示的事项发生。 背光在延时3 分钟后通过软件自动关闭。 由于液晶显示器采用m o t o r o l a 的6 8 0 0 系列接口时序( e 时钟) ，为了配合 i n t e l 时序，采用了地址扩展技术，将a 0 接d i ，h l 接r w ，则操作端口地址如 下： 写命令 1 2 0 h 写数据 1 2 1 h 读命令 1 2 2 h 读数据 1 2 3 h 键盘采用8 键微动开关式按键，分别是“复位、e s c 、 i 、，一一 旦 初始化这些设备的逻辑库 申请收发缓冲区 打开通讯驱动 申请定时器 设置该规约所需要的消息类型 读各模块规约配置文件 初始化各模块变量 如果以太网端口配置了1 0 4 规约，则在系统启动时，对将启动的1 0 4 规约任 务进行初始化，初始化成功，则启动该规约任务；初始化错误，任务不启动，同 时系统给出错误提示信息，可利用维护软件的查看信息功能查看。图4 - 5 是1 0 4 规约初始化流程图。 当通道空闲达到约定时间后，进入发送处理，应用层( a s d u ) 组帧后，需要 按照规约要求打包并将发送计数器+ 1 。发送处理流程如图4 - 6 所示。 3 9 第四章通信规约的实现 图4 - 6 发送流程图 当接收到主站发来的信息，首先需要判断收到的报文是什么格式的报文，对 于i 帧，则要判断发送序列号是否正确，然后解包处理。接收处理流程如图4 - 7 所示。 第四章通信规约的实现 图4 - 7 接收流程图 1 0 4 规约采用接收序列号和发送序列号，是为了防止报文丢失和报文重复传 送嘲。这里定义发送序列号为n ( s ) ，而接受序列号为n ( r ) 。 ( 1 ) 创建了一个t c p 连接后，n ( s ) = 0 ，n ( r ) = o 。有以下几种情况可使系统重 新创建t c p 连接。 当主站或r t u 重新启动，第一次成功地进行t c p 连接； 网络中断后重新连接； 由于主站或r t ut l 超时或报文中序号不正确，主动关闭连接后，重新连 接。 ( 2 ) 发送和接收计数器不依赖于s t a r t d t s t o p d t 的使用，主站发送的 s t a r t d t 和s t o p d t 只是控制r t u 的数据传输，对n ( s ) 和n ( r ) 不起作用。 ( 3 ) 每发送一帧i 格式报文，n ( s ) + 1 ，并且要将发送的报文保存在缓冲区 4 l 第四章通信规约的实现 内，直到收到主站的确认。发送i 格式报文时，需要把主站未确认的报文个数 k 与系统设置的k 值相比较，当k = k 时，r t u 将停止发送。 ( 4 ) r t u 每接收一帧正确报文，则n ( r ) + l 。如果主站发送的接收序列号 = 系统设置的w 值，并且没有i 帧 向主站发送时，则发送s 帧，将n ( r ) 置入s 帧的接收序列号，去确认主站发送的报 文矧。 4 2 第五章总结与展望 第五章总结与展望 本文完成了基于嵌入式系统的通信处理装置的设计，在设计中充分考虑了变 电站恶劣的运行条件，全面采用多种抗电磁干扰措施，采用多层电路板设计，采 用表面贴装工艺，全金属屏蔽外壳，通过i e c 6 1 0 0 0 - 4 的i i 级多项标准，可以安 装在变电站的主控室中。 采用军品级的p c 1 0 4 模板作为处理核心，采用高可靠性的嵌入式实时多任 务操作系统p s o s 系统，使装置具有很高的稳定性和强大的处理能力，并且升级 相对容易。 根据需要开发了丰富的规约库，如i e c 6 0 8 7 0 - 5 系列、c d t 、d n p 、m o d b u s 、 s c l 8 0 1 等多个规约，可以方便的与各种调度主站及站内智能设备互连，特别是 按照综合自动化的要求直接与保护模块相连，省略了保护管理机，也就减少了故 障发生的概率。 该装置已经在多个现场稳定运行，基于当前的发展趋势和和市场需求，下一 步的工作重点应着重于以下几点： 1 结构改进。使用全金属屏蔽外壳，屏蔽效果没有问题，但是美观性较差， 感觉产品档次不高，考虑采用全注塑外壳，内覆金属膜实现屏蔽。 2 目前规约采用的是静态库的方式，虽然开发的规约很多，但是如果全部 编译，会造成运行程序较大，将占用更大的电子盘和内存空间，并且下装运行程 序的时间较长。如果不全部编译，只编译通用规约和用户要求的特定规约，一旦 在安装结束运行一段时间后，用户现场有新的规约要求，则造成服务上的麻烦， 特别对于有特殊功能的现场。考虑使用动态连接库的方式，不再需要重新编译软 件。 3 i e c 6 1 8 5 0 的提出以及高电压等级站越来越多要求以间隔为单位配置，考 虑面向间隔的系统设计，并实现i e c 6 1 8 5 0 的接入要求。 4 随着以太网技术的发展和更多的应用，2 个网络接口显得不太够用，考 虑增加网络接口，并开发通信处理装置与系列测控模块使用以太网通信。 4 3 参考文献 参考文献 r 1 张永健，电网监控与调度自动化 m ，北京：中国电力出版社，2 0 0 4 2 柳永智，刘晓川，电力系统远动 m ，北京：中国电力出版社，2 0 0 3 3 黄益庄，变电站综合自动化技术 m ，北京：中国电力出版社，2 0 0 0 4 金午桥，变电站自动化系统的发展策略 j ，电力系统自动化，1 9 9 9 ， 2 3 ( 2 2 ) ：5 8 - 6 2 5 金午桥，洪宪平，变电站自动化新技术的应用研究 j ，电网技术，2 0 0 0 ， 2 4 ( 5 ) ：3 8 - 4 2 6 辛耀中，新一代电网调度自动化系统 j ，电力系统自动化，1 9 9 9 ， 2 3 ( 2 ) ：2 0 - 2 2 7 蔡洋等，电网调度自动化系统的应用与发展 j ，中国电力，2 0 0 0 ， 3 3 ( 2 ) ：3 6 - 4 0 8 徐听等，基于p c 1 0 4 总线标准的嵌入式数字遥控系统设计 j ，工业仪表与 自动化装置，2 0 0 0 ，( 3 ) ：2 7 2 9 9 张海荣，严东超，p c 1 0 4 的串行通信接口及其应用，第七届联合国际计算机 会议论文集，汕头：汕头大学出版社，2 0 0 0 ，7 4 7 - 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