專利名稱：一種基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力系統保護設備，尤其涉及一種基于快速報文幀聚合技術的斷路 器在線監測裝置。
背景技術：
斷路器作為電力系統中實現保護與控制功能的重要一次設備，其動作可靠性直 接關系到電力系統的安全與穩定，一旦發生故障將帶來嚴重后果。常規變電站多采用離 線例行試驗對斷路器運行狀態進行判斷，預防性試驗及計劃檢修存在盲目性大、費用高 等缺點，并且頻繁的操作及過度的拆卸會降低斷路器動作的可靠性。近年來，隨著智能 電網和數字化變電站技術的發展，一種集檢測、控制、通信等功能于一體的智能斷路器 受到廣泛關注與研究。智能斷路器要求一次開關設備除了具有智能控制功能外，還應具 有實時在線監測功能，代表了電網數字化、網絡化和智能化的發展方向。IEC 61850《變電站通信網絡和系統》是目前世界范圍內變電站自動化系統 統一國際標準，標準中為斷路器狀態量的檢測定義了通用面向對象的變電站事件(簡稱 GOOSE)模型，通過基于交換式以太網的串行通信網絡實現GOOSE報文在保護、測控、 計量等智能電子設備間的信息共享。GOOSE報文通信成功的重要指標取決于報文傳輸的 實時性。為改善數據通信的實時性，IEC 61850根據變電站數據需求的緊急程度將報文分 為7個優先級(快速報文、中速報文、低速報文、原始數據報文、文件傳輸報文、時間同 步報文和具有訪問控制的命令報文)。GOOSE報文屬于快速報文，額定傳輸延時限定在 毫秒級以下。工程中GOOSE報文要負責斷路器中機械行程、振動信號、分合閘線圈電流、開 斷電流、主回路電流、主回路電壓、導電接觸部位的溫度、絕緣狀態、GIS氣體密度、 SF6氣體微水、分合間狀態監測等眾多數字量和狀態量的傳輸，報文長度長、對報文傳輸 的實時性有一定的影響，目前主要通過提高以太網處理器的數據處理速度、擴大以太網 交換機帶寬和合理配置虛擬LAN等外圍技術減小GOOSE報文的傳輸延時，都未能從根 本上提高報文的傳輸速度。基于IEEE 802.11η標準的幀聚合技術是近年來國際上新興的一種提高WLAN吞 吐能力的方法，目前主要應用在無線局域網中。幀聚合技術通過改進報文的物理層和 MAC層，降低協議開銷，減小報文長度，可有效提高物理層的傳輸速率。鑒于GOOSE 報文在過程總線中采用多播尋址的傳播模式，多幀報文存在共同目的地址的特點，利用 幀聚合技術可有效減小多幀報文的總長度，減少報文在以太網交換機中的存儲轉發延時 和光線中的傳播延時，提高報文傳輸實時性。
發明內容
發明目的為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于快速報文幀 聚合技術的斷路器在線監測裝置，采用雙核處理器快速處理數據，運用幀聚合技術壓縮GOOSE報文，是一種具有超強實時性的高壓斷路器在線監測裝置，其通信模式與互操作 性符合IEC 61850標準。技術方案為實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，包括開關狀態監測回 路、調理電路、第一 A/D轉換電路、FPGA和DSP/ARM雙核操作系統，所述開關狀態 監測回路依次通過調理電路、A/D轉換電路與FPGA的輸入端相連，所述FPGA的輸出 端通過數據總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統的輸入端相連，所述DSP/ARM雙 核操作系統包括SDARM、FLASH、串行接口、JTAG調試口、光纖以太網口(簡稱光纖 口)、以太網口、復位看門狗、第二 A/D轉換電路、晶振和電源。其中開關狀態檢測回路包括斷路器，以及與斷路器相連的各個檢測回路，例如 觸頭行程檢測回路、振動信號檢測回路、分閘線圈電流檢測回路、合閘線圈電流檢測回 路、觸頭溫度檢測回路、開斷電流檢測回路、觸頭動作次數檢測回路、微水含量檢測回 路、儲能狀況監測檢測回路、控制回路監測檢測回路等，各個檢測回路分別依次與相應 的調理電路和第一 A/D轉換電路連接；第一 A/D轉換電路負責對相應檢測回路的檢測 信號進行A/D轉換，以實現在FPGA內對多路信號進行同步采集；FPGA通過數據總線 地址總線與DSP/ARM雙核操作系統相連，相連后形成的系統主要對各輸入量進行運算 處理、GOOSE通信、擴展CAN通信、串口通信、鍵盤控制、LCD顯示、遙控輸出等； 串口主要作調試用，通過主機的超級終端顯示裝置的調試信息和輸出信息；JTAG調試口 主要功能是在線調試應用程序；光纖以太網口主要是與交換機進行通信，以收發報文， 光纖以太網口的個數可以為一個以上，當要求裝置通過光纖同時輸出一路以上信號的情 況下；由于所述裝置運行的是嵌入式操作系統，各種映像文件比較大，使用串行接口下 載、拷貝的速度會比較慢，增加一個以太網口，能夠完成目標板與主機的快速通信；第 二 A/D轉換電路主要用于對低壓斷路器信息進行就地采集。上述裝置在上電后FLASH將自己內部的程序通過總線傳給SDRAM，然后 SDRAM再啟動所得的程序并帶動ARM/DSP工作。DSP/ARM雙核操作系統可以采用TMS320DM64XX處理器，所述 TMS320DM64XX處理器具有強大的數據處理能力，DSP操作系統和ARM操作系統分別 負責被監測數據的處理與網絡通信，能夠解決狀態監測數據龐雜的問題，具有較強的實 時性。所述串行接口采用MAX203，所述MAX203其中的兩路串口 RS232作為發送驅 動端口，所述MAX203其中的另兩路串口 RS232作為接收驅動端口 ；所述MAX203可承 受的最大電流為15mA，工作電壓為+5V。所述基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置中的DSP/ARM雙核操作 系統自帶以太網媒體訪問控制層(簡稱MAC層)控制器，MAC層位于邏輯鏈路層(簡 稱LLC)和物理層(簡稱PHY)之間，主要由數據封裝和媒體訪問管理兩個模塊組成，完 成數據的封裝、拆封、發送和接收功能。ARM采用DMA或FIFO的工作方式，通過媒 體獨立接口(簡稱Mil)連接PHY雙絞線或光纖收發器。所述基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置的PHY層采用LXT971A， 完成IEE802.3標準中規定的物理代碼子層和物理代碼附加層，以及物理介質獨立層的所有功能；LXT971A直接支持10/100Mbit/s雙絞線應用，也支持100Mbit/s光纖接口。所述基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置對GOOSE快速報文采用幀 聚合技術，對多個目的地址相同的GOOSE進行聚合，使其公用一個MAC層目的地址， 以減少報文長度。所述基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置還包括網卡芯片，在系統 需要多路以太網通信時，需要外擴以太網控制芯片，將網卡芯片通過以太網控制芯片與 所述裝置連接，使得系統中的GOOSE報文通過光纖傳輸，而不是通過電纜傳輸。以太網 控制芯片可以為LAN9215，LAN9215是16位10/100Mbit/s以太網控制芯片，外部MII 接口，其主要特點是集成的以太網MAC層和PHY層；完全符合IEEE802.3/802.3U標 準；IOBASE-T和100BASE-TX的支持；支持全雙工和半雙工模式；自動32為CRC生 成和校驗；全雙工流量控制；環回模式。有益效果本發明提供的基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，其 通信系統基于IE61850標準通信，被監測數據以GOOSE報文的形式傳輸，并通過光纖取 代電纜進線數據傳輸，快速可靠；并且GOOSE報文屬于快速報文，傳輸延時固定在毫秒 級，數據傳輸在特殊時刻，即跳合間命令及狀態位發生變化時，該裝置能很好滿足報文 傳輸實時性的要求。所述裝置采用幀聚合技術，在GOOSE報文多播尋址的傳播過程中， 將目的地址相同的多幀報文聚合為一幀，降低以太網協議開銷，減少報文長度，從根本 上縮短了 GOOSE報文在以太網中的傳輸延時。同時，所述裝置內部集成了 A/D模塊， 不僅監測數字量信息，還可以監測模擬量信息，實現斷路器狀態量的就地采集、監測和 控制，兼容常規變電站和數字化變電站的采集模式，工程適用性強。
圖1為本發明裝置的結構示意圖；圖2為幀聚合的數據原理圖；圖3為看門狗復位電路原理圖；
圖4為串行接口的電路原理圖；圖5為物理層電路原理圖；圖6為以太網控制芯片連接電路原理圖；圖7為通信電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。如圖1所示為一種基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置的結構示意 圖，包括開關狀態監測回路、調理電路、第一 A/D轉換電路、FPGA和DSP/ARM雙核 操作系統，所述開關狀態監測回路依次通過調理電路、A/D轉換電路與FPGA的輸入端 相連，所述FPGA的輸出端通過數據總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統的輸入端相 連，所述DSP/ARM雙核操作系統包括SDARM、FLASH、串行接口、JTAG調試口、光 纖以太網口、以太網口、復位看門狗、第二 A/D轉換電路、晶振和電源。開關狀態檢測回路包括斷路器，以及與斷路器相連的各個檢測回路，例如觸頭行程檢測回路、振動信號檢測回路、分閘線圈電流檢測回路、合閘線圈電流檢測回路、 觸頭溫度檢測回路、開斷電流檢測回路、觸頭動作次數檢測回路、微水含量檢測回路、 儲能狀況監測檢測回路、控制回路監測檢測回路等，各個檢測回路分別依次與相應的調 理電路和第一 A/D轉換電路連接。FPGA通過數據總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統相連，相連后形成的 系統主要對各輸入量進行運算處理、GOOSE通信、擴展CAN通信、串口通信、鍵盤控 制、LCD顯示、遙控輸出等。為保證GOOSE報文快速傳輸，GOOSE報文傳輸只采用TCP/IP協議中的應用 層、表示層和數據鏈路層。GOOSE報文在應用層通過抽象語法標記ASN.1把應用程序生 成協議數據單元PDU，表示層遵循ASN. 1的基本編碼規則BERCBasic Encoding Rules)對 PDU編碼以適合在以太網上進行傳輸。GOOSE報文幀格式中的MAC報頭包含幀的源地 址、目的地址和他們的長度。當多個PDU向同一個接收端傳送時，目的地址相同，多個 PDU可共用一個MAC頭，簡化了幀的結構，去除了以往協議幀之間的幀間間隔和競爭時 間，從而提高了 MAC層的吞吐量，幀聚合的數據原理圖如附圖2所示。這些服務映射單 元SDU子幀聚合后只需要發送一次MAC幀頭信息，大大減少了多個MAC幀頭重復帶來 的額外負載.真個過程在ARM中實現。附圖3所示為所述裝置中看門狗復位電路原理圖，包括手動復位電路 S700SWITCH、看門狗芯片MAX6369、復位芯片MAX6390。為了防止系統死機或因電 源電壓下降而出現的不可預測的后果。看門狗芯片MAX6369和手動復位電路并聯，接入 復位芯片，以提高系統的穩定性。本電路的作用包括手動復位按鈕；上電復位脈沖， 使系統運行于一個可知的狀態；電源故障時，即當+3.3V主電源電壓跌至+1.58V及以下 時，產生復位脈沖，使CPU處于復位狀態，不執行任何指令，直至電源電壓恢復正常； 看門狗定時器溢出時復位；軟件復位。根據所述裝置的具體要求，可以將MAX6369芯片的看門狗定時器時間調節在 3s,即SET2、SETO接高電平，SETl接地。刷新時間可以通過引腳接法不同進行設定， 即在設定時間內，如果沒有刷新Watch Dog，則產生復位脈沖，可以有效防止程序死循環 或死機。附圖4所示為所述裝置中串行接口的電路原理圖，其采用的是串口通信芯片 MAX203,芯片MAX203中的兩路串口 RS232發送驅動，另兩路串口 RS232接收驅動， 其工作電壓為+5V，可承受的最大電流為15Ma。所述裝置在做調試使用時，可以只用一 路發送、接收驅動，另一路備做功能擴展，其使用的是主芯片調試專用管腳。主芯片內帶以太網媒體訪問MAC層控制器，MAC層位于LLC層和HPY層之 間，主要由數據封裝和媒體訪問管理兩個模塊組成，完成數據的封裝、拆封、發送和接 收功能；其采用DMA或FIFO的工作方式，通過MII連接PHY層雙絞線或光纖收發器。附圖5所示為所述裝置選用LXT971A作為物理層使用的結構示意圖，LXT971A 是Intel公司的網絡通訊接口芯片，能夠完成IEE802.3標準中規定的物理代碼子層和物理 代碼附加層，還可完成物理介質獨立層所有的功能。直接支持10/100Mbit/S雙絞線應 用，也支持100Mbit/s光纖接口。上述LXT971A可設置成雙絞通信和光纖通信兩種方式。雙絞和光纖線接入方式可由模式轉換開關進行選擇，當模式開關打到電源上(即SD/TP接高)時選擇的是光纖 通信模式，當模式開關接地(即SD/TP接地)時選擇的是雙絞線通信方式。由于網絡信 號在電平和編碼方面與MAC層和HPY層發出信號的不同，所以需在物理插座和控制層間 增加隔離變壓器和物理接口電路物理層，物理層對發送的數據進行編碼，變壓器對以太 網絡上的信號進行雙極性的合成和電平變換。在本裝置中，芯片接口 MDDIS接地，表示 可以對MDIO進行讀寫操作。在正常工作時，可以通過MDIO將控制字寫入控制寄存器 內，改變LXT971A的工作狀態，數據傳輸與MDC同步。MDC時鐘由ARM輸出提供。所述裝置在系統需要多路以太網通信的時候，需要使用以太網控制芯片，附圖 6所示為以太網控制芯片LAN9215的電路連接示意圖，所述裝置的主芯片通過LAN9215 與網卡芯片相連接，使系統中的GOOSE報文通過光纖進行傳輸。LAN9215是16位 10/100Mbit/s以太網控制器，外部MII接口。其主要特點集成的以太網MAC和PHY ； 完全符合IEEE 802.3/802.3u標準；IOBASE-T和100BASE-TX的支持；支持全雙工和半 雙工模式；自動32位CRC生成和校驗；全雙工流量控制；環回模式。如附圖7所示，FPGA與DSP/ARM的通信方式有兩種，并行通信與串行通信， 考慮到斷路器信號對于實時性的要求較高，并行通信的速率約為串行通信的8倍，而且 DSP與FPGA之間狀態量的信息通信量較大，所以本裝置采用DSP與FPGA之間的并行通 信，并且DSP與FPGA的通道配置控制信號也通過并行通信，依靠若干握手信號以及片 選和中斷信號來控制當FPGA中數據按序存放完成之后，向DSP發送快速中斷信號， DSP接到中斷后，立即從其他任務跳轉到讀取FPGA中數據的任務。握手信號主要實現 DSP與FPGA初始化，寫配置信息等操作時的狀態量通信。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出對于本技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤 飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，其特征在于所述裝置包 括開關狀態監測回路、調理電路、對從開關狀態監測回路的檢測信號進行A/D轉換以實 現在FPGA內實現多路信號同步采集的第一 A/D轉換電路、FPGA和對輸入量進行運算處 理并進行GOOSE通信的DSP/ARM雙核操作系統，所述開關狀態監測回路依次通過調理 電路、A/D轉換電路與FPGA的輸入端相連，所述FPGA的輸出端通過數據總線地址總線 與DSP/ARM雙核操作系統的輸入端相連，所述DSP/ARM雙核操作系統包括SDARM、 FLASH、串行接口、在線調試應用程序的JTAG調試口、與交換機進行通信并收發報文的 光纖以太網口、以太網口、復位看門狗、用于對低壓斷路器信息進行就地采集的第二 A/ D轉換電路、晶振和電源。
2.根據權利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，其特征在 于所述串行接口采用MAX203，所述MAX203其中的兩路串口 RS232作為發送驅動端 口，所述MAX203其中的另兩路串口 RS232作為接收驅動端口。
3.根據權利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，其特征在 于所述DSP/ARM雙核操作系統自帶以太網媒體訪問控制層控制器。
4.根據權利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，其特征在 于所述裝置的物理層采用LXT971A。
5.根據權利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，其特征在 于所述裝置對一個以上目的地址相同的GOOSE通信信息進行幀聚合處理。
6.根據權利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，其特征在 于所述裝置還包括網卡芯片，所述網卡芯片通過以太網控制芯片與所述裝置連接，所 述以太網控制芯片為LAN9215。
全文摘要
本發明公開了一種基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監測裝置，包括開關狀態監測回路、調理電路、第一A/D轉換電路、FPGA和DSP/ARM雙核操作系統，所述開關狀態監測回路依次通過調理電路、A/D轉換電路與FPGA的輸入端相連，所述FPGA的輸出端通過數據總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統的輸入端相連，所述DSP/ARM雙核操作系統包括SDARM、FLASH、串行接口、JTAG調試口、光纖以太網口、以太網口、復位看門狗、第二A/D轉換電路、晶振和電源。本發明提供的裝置，數據傳輸快速可靠，能夠滿足報文傳輸實時性要求，并且降低以太網協議開銷，減少報文長度，減少報文傳輸延時。
文檔編號H04L12/26GK102014027SQ201010584859
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月13日 優先權日2010年12月13日
發明者梅軍, 鄭建勇, 黃燦 申請人:東南大學