專利名稱：一種基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)保護設(shè)備，尤其涉及一種基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路 器在線監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
斷路器作為電力系統(tǒng)中實現(xiàn)保護與控制功能的重要一次設(shè)備，其動作可靠性直 接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，一旦發(fā)生故障將帶來嚴重后果。常規(guī)變電站多采用離 線例行試驗對斷路器運行狀態(tài)進行判斷，預(yù)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(wǎng)和數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)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(guān)注與研究。智能斷路器要求一次開關(guān)設(shè)備除了具有智能控制功能外，還應(yīng)具 有實時在線監(jiān)測功能，代表了電網(wǎng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展方向。IEC 61850《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》是目前世界范圍內(nèi)變電站自動化系統(tǒng) 統(tǒng)一國際標準，標準中為斷路器狀態(tài)量的檢測定義了通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?簡稱 GOOSE)模型，通過基于交換式以太網(wǎng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)GOOSE報文在保護、測控、 計量等智能電子設(shè)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?shù)?實時性。為改善數(shù)據(jù)通信的實時性，IEC 61850根據(jù)變電站數(shù)據(jù)需求的緊急程度將報文分 為7個優(yōu)先級(快速報文、中速報文、低速報文、原始數(shù)據(jù)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(dǎo)電接觸部位的溫度、絕緣狀態(tài)、GIS氣體密度、 SF6氣體微水、分合間狀態(tài)監(jiān)測等眾多數(shù)字量和狀態(tài)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(wǎng)處理器的數(shù)據(jù)處理速度、擴大以太網(wǎng) 交換機帶寬和合理配置虛擬LAN等外圍技術(shù)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?；贗EEE 802.11η標準的幀聚合技術(shù)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(yīng)用在無線局域網(wǎng)中。幀聚合技術(shù)通過改進報文的物理層和 MAC層，降低協(xié)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(shù)可有效減小多幀報文的總長度，減少報文在以太網(wǎng)交換機中的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時 和光線中的傳播延時，提高報文傳輸實時性。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于快速報文幀 聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，采用雙核處理器快速處理數(shù)據(jù)，運用幀聚合技術(shù)壓縮GOOSE報文，是一種具有超強實時性的高壓斷路器在線監(jiān)測裝置，其通信模式與互操作 性符合IEC 61850標準。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，包括開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回 路、調(diào)理電路、第一 A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA和DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)，所述開關(guān)狀態(tài) 監(jiān)測回路依次通過調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與FPGA的輸入端相連，所述FPGA的輸出 端通過數(shù)據(jù)總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)的輸入端相連，所述DSP/ARM雙 核操作系統(tǒng)包括SDARM、FLASH、串行接口、JTAG調(diào)試口、光纖以太網(wǎng)口(簡稱光纖 口)、以太網(wǎng)口、復(fù)位看門狗、第二 A/D轉(zhuǎn)換電路、晶振和電源。其中開關(guān)狀態(tài)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(shù)檢測回路、微水含量檢測回 路、儲能狀況監(jiān)測檢測回路、控制回路監(jiān)測檢測回路等，各個檢測回路分別依次與相應(yīng) 的調(diào)理電路和第一 A/D轉(zhuǎn)換電路連接；第一 A/D轉(zhuǎn)換電路負責對相應(yīng)檢測回路的檢測 信號進行A/D轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)在FPGA內(nèi)對多路信號進行同步采集；FPGA通過數(shù)據(jù)總線 地址總線與DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)相連，相連后形成的系統(tǒng)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(diào)試用，通過主機的超級終端顯示裝置的調(diào)試信息和輸出信息；JTAG調(diào)試口 主要功能是在線調(diào)試應(yīng)用程序；光纖以太網(wǎng)口主要是與交換機進行通信，以收發(fā)報文， 光纖以太網(wǎng)口的個數(shù)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(tǒng)，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(wǎng)口，能夠完成目標板與主機的快速通信；第 二 A/D轉(zhuǎn)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(nèi)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(tǒng)可以采用TMS320DM64XX處理器，所述 TMS320DM64XX處理器具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，DSP操作系統(tǒng)和ARM操作系統(tǒng)分別 負責被監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與網(wǎng)絡(luò)通信，能夠解決狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)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(fā)送驅(qū) 動端口，所述MAX203其中的另兩路串口 RS232作為接收驅(qū)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(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置中的DSP/ARM雙核操作 系統(tǒng)自帶以太網(wǎng)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(shù)據(jù)封裝和媒體訪問管理兩個模塊組成，完 成數(shù)據(jù)的封裝、拆封、發(fā)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(fā)器。所述基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置的PHY層采用LXT971A， 完成IEE802.3標準中規(guī)定的物理代碼子層和物理代碼附加層，以及物理介質(zhì)獨立層的所有功能；LXT971A直接支持10/100Mbit/s雙絞線應(yīng)用，也支持100Mbit/s光纖接口。所述基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置對GOOSE快速報文采用幀 聚合技術(shù)，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(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置還包括網(wǎng)卡芯片，在系統(tǒng) 需要多路以太網(wǎng)通信時，需要外擴以太網(wǎng)控制芯片，將網(wǎng)卡芯片通過以太網(wǎng)控制芯片與 所述裝置連接，使得系統(tǒng)中的GOOSE報文通過光纖傳輸，而不是通過電纜傳輸。以太網(wǎng) 控制芯片可以為LAN9215，LAN9215是16位10/100Mbit/s以太網(wǎng)控制芯片，外部MII 接口，其主要特點是集成的以太網(wǎng)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(huán)回模式。有益效果本發(fā)明提供的基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，其 通信系統(tǒng)基于IE61850標準通信，被監(jiān)測數(shù)據(jù)以GOOSE報文的形式傳輸，并通過光纖取 代電纜進線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸在特殊時刻，即跳合間命令及狀態(tài)位發(fā)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(shù)，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(wǎng)協(xié)議開銷，減少報文長度，從根本 上縮短了 GOOSE報文在以太網(wǎng)中的傳輸延時。同時，所述裝置內(nèi)部集成了 A/D模塊， 不僅監(jiān)測數(shù)字量信息，還可以監(jiān)測模擬量信息，實現(xiàn)斷路器狀態(tài)量的就地采集、監(jiān)測和 控制，兼容常規(guī)變電站和數(shù)字化變電站的采集模式，工程適用性強。


圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為幀聚合的數(shù)據(jù)原理圖；圖3為看門狗復(fù)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(wǎng)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(jié)合附圖對本發(fā)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(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖，包括開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回路、調(diào)理電路、第一 A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA和DSP/ARM雙核 操作系統(tǒng)，所述開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回路依次通過調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與FPGA的輸入端 相連，所述FPGA的輸出端通過數(shù)據(jù)總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)的輸入端相 連，所述DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)包括SDARM、FLASH、串行接口、JTAG調(diào)試口、光 纖以太網(wǎng)口、以太網(wǎng)口、復(fù)位看門狗、第二 A/D轉(zhuǎn)換電路、晶振和電源。開關(guān)狀態(tài)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(shù)檢測回路、微水含量檢測回路、 儲能狀況監(jiān)測檢測回路、控制回路監(jiān)測檢測回路等，各個檢測回路分別依次與相應(yīng)的調(diào) 理電路和第一 A/D轉(zhuǎn)換電路連接。FPGA通過數(shù)據(jù)總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)相連，相連后形成的 系統(tǒng)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(xié)議中的應(yīng)用 層、表示層和數(shù)據(jù)鏈路層。GOOSE報文在應(yīng)用層通過抽象語法標記ASN.1把應(yīng)用程序生 成協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU，表示層遵循ASN. 1的基本編碼規(guī)則BERCBasic Encoding Rules)對 PDU編碼以適合在以太網(wǎng)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(jié)構(gòu)，去除了以往協(xié)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(shù)據(jù)原理圖如附圖2所示。這些服務(wù)映射單 元SDU子幀聚合后只需要發(fā)送一次MAC幀頭信息，大大減少了多個MAC幀頭重復(fù)帶來 的額外負載.真?zhèn)€過程在ARM中實現(xiàn)。附圖3所示為所述裝置中看門狗復(fù)位電路原理圖，包括手動復(fù)位電路 S700SWITCH、看門狗芯片MAX6369、復(fù)位芯片MAX6390。為了防止系統(tǒng)死機或因電 源電壓下降而出現(xiàn)的不可預(yù)測的后果?？撮T狗芯片MAX6369和手動復(fù)位電路并聯(lián)，接入 復(fù)位芯片，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本電路的作用包括手動復(fù)位按鈕；上電復(fù)位脈沖， 使系統(tǒng)運行于一個可知的狀態(tài)；電源故障時，即當+3.3V主電源電壓跌至+1.58V及以下 時，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，使CPU處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常； 看門狗定時器溢出時復(fù)位；軟件復(fù)位。根據(jù)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(diào)節(jié)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(shè)定， 即在設(shè)定時間內(nèi)，如果沒有刷新Watch Dog，則產(chǎn)生復(fù)位脈沖，可以有效防止程序死循環(huán) 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(fā)送驅(qū)動，另兩路串口 RS232接收驅(qū)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(diào)試使用時，可以只用一 路發(fā)送、接收驅(qū)動，另一路備做功能擴展，其使用的是主芯片調(diào)試專用管腳。主芯片內(nèi)帶以太網(wǎng)媒體訪問MAC層控制器，MAC層位于LLC層和HPY層之 間，主要由數(shù)據(jù)封裝和媒體訪問管理兩個模塊組成，完成數(shù)據(jù)的封裝、拆封、發(fā)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(fā)器。附圖5所示為所述裝置選用LXT971A作為物理層使用的結(jié)構(gòu)示意圖，LXT971A 是Intel公司的網(wǎng)絡(luò)通訊接口芯片，能夠完成IEE802.3標準中規(guī)定的物理代碼子層和物理 代碼附加層，還可完成物理介質(zhì)獨立層所有的功能。直接支持10/100Mbit/S雙絞線應(yīng) 用，也支持100Mbit/s光纖接口。上述LXT971A可設(shè)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(zhuǎn)換開關(guān)進行選擇，當模式開關(guān)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(guān)接地(即SD/TP接地)時選擇的是雙絞線通信方式。由于網(wǎng)絡(luò)信 號在電平和編碼方面與MAC層和HPY層發(fā)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(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼，變壓器對以太 網(wǎng)絡(luò)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(nèi)，改變LXT971A的工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸與MDC同步。MDC時鐘由ARM輸出提供。所述裝置在系統(tǒng)需要多路以太網(wǎng)通信的時候，需要使用以太網(wǎng)控制芯片，附圖 6所示為以太網(wǎng)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(wǎng)卡芯片相連接，使系統(tǒng)中的GOOSE報文通過光纖進行傳輸。LAN9215是16位 10/100Mbit/s以太網(wǎng)控制器，外部MII接口。其主要特點集成的以太網(wǎng)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(huán)回模式。如附圖7所示，F(xiàn)PGA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(tài)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(shù)據(jù)按序存放完成之后，向DSP發(fā)送快速中斷信號， DSP接到中斷后，立即從其他任務(wù)跳轉(zhuǎn)到讀取FPGA中數(shù)據(jù)的任務(wù)。握手信號主要實現(xiàn) DSP與FPGA初始化，寫配置信息等操作時的狀態(tài)量通信。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)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(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，其特征在于所述裝置包 括開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回路、調(diào)理電路、對從開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回路的檢測信號進行A/D轉(zhuǎn)換以實 現(xiàn)在FPGA內(nèi)實現(xiàn)多路信號同步采集的第一 A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)，所述開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回路依次通過調(diào)理 電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與FPGA的輸入端相連，所述FPGA的輸出端通過數(shù)據(jù)總線地址總線 與DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)的輸入端相連，所述DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)包括SDARM、 FLASH、串行接口、在線調(diào)試應(yīng)用程序的JTAG調(diào)試口、與交換機進行通信并收發(fā)報文的 光纖以太網(wǎng)口、以太網(wǎng)口、復(fù)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(zhuǎn)換電路、晶振和電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)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(fā)送驅(qū)動端 口，所述MAX203其中的另兩路串口 RS232作為接收驅(qū)動端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，其特征在 于所述DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)自帶以太網(wǎng)媒體訪問控制層控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，其特征在 于所述裝置的物理層采用LXT971A。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，其特征在 于所述裝置還包括網(wǎng)卡芯片，所述網(wǎng)卡芯片通過以太網(wǎng)控制芯片與所述裝置連接，所 述以太網(wǎng)控制芯片為LAN9215。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于快速報文幀聚合技術(shù)的斷路器在線監(jiān)測裝置，包括開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回路、調(diào)理電路、第一A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA和DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)，所述開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測回路依次通過調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路與FPGA的輸入端相連，所述FPGA的輸出端通過數(shù)據(jù)總線地址總線與DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)的輸入端相連，所述DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)包括SDARM、FLASH、串行接口、JTAG調(diào)試口、光纖以太網(wǎng)口、以太網(wǎng)口、復(fù)位看門狗、第二A/D轉(zhuǎn)換電路、晶振和電源。本發(fā)明提供的裝置，數(shù)據(jù)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(wǎng)協(xié)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(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者梅軍, 鄭建勇, 黃燦 申請人:東南大學(xué)