專利名稱：一種基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力系統(tǒng)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(jiān)測裝置。
背景技術：
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備，其動作可靠性直接 關系到電力系統(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(shù)字 化變電站技術的發(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(jiān)測功 能，代表了電網數(shù)字化、網絡化和智能化的發(fā)展方向。IEC 61850《變電站通信網絡和系統(tǒng)》是目前世界范圍內變電站自動化系統(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(xiàn)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?shù)膶崟r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?shù)膶崟r性有一 定的影響，目前主要通過提高以太網處理器的數(shù)據(jù)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?；贗EEE 802. Iln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(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(fā)延時和光線中的傳播延 時，提高報文傳輸實時性。

實用新型內容發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本實用新型提供一種基于快速報文 幀聚合技術的斷路器在線監(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。技術方案為實現(xiàn)上述目的，本實用新型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(jiān)測裝置，包括開關狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)，所述開關狀態(tài)監(jiān)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(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(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(xiàn)在FPGA內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、IXD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(fā)報文，光纖以太網口的個數(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(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 絡通信，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(jiān)測裝置中的DSP/ARM雙核操作系 統(tǒng)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(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(jiān)測裝置對G00SE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(jiān)測裝置還包括網卡芯片，在系統(tǒng)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(tǒng)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；10BASE-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。有益效果本實用新型提供的基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監(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，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(xié)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(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為本實用新型裝置的結構示意圖；圖2為幀聚合的數(shù)據(jù)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。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作更進一步的說明。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(jiān)測裝置的結構示意 圖，包括開關狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)， 所述開關狀態(tài)監(jiān)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(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(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的調理電路和第一 A/D轉換電路連接。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、IXD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)議中的應用層、表 示層和數(shù)據(jù)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(xié)議數(shù) 據(jù)單元PDU，表示層遵循ASN. 1的基本編碼規(guī)則BER (Basic 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(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(tǒng)死機或因電源電壓下 降而出現(xiàn)的不可預測的后果?？撮T狗芯片MAX6369和手動復位電路并聯(lián)，接入復位芯片，以 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本電路的作用包括手動復位按鈕；上電復位脈沖，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，產生復位脈沖，使 CPU處于復位狀態(tài)，不執(zhí)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(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(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(fā)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(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(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(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(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(tǒng)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；10BASE-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 其他任務跳轉到讀取FPGA中數(shù)據(jù)的任務。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。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)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，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和 潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
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(jiān)測裝置，其特征在于所述裝置包括 開關狀態(tài)監(jiān)測回路、調理電路、對從開關狀態(tài)監(jiān)測回路的檢測信號進行A/D轉換以實現(xiàn)在 FPGA內實現(xiàn)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(tǒng)，所述開關狀態(tài)監(jiān)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(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、在線調試 應用程序的JTAG調試口、與交換機進行通信并收發(fā)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(jù)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(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(jù)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(jiān)測裝置，其特征在 于所述DSP/ARM雙核操作系統(tǒng)自帶以太網媒體訪問控制層控制器。
4.根據(jù)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(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(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(jiān)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。
專利摘要本實用新型公開了一種基于快速報文幀聚合技術的斷路器在線監(jiān)測裝置，包括開關狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)，所述開關狀態(tài)監(jiān)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(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。本實用新型提供的裝置，數(shù)據(jù)傳輸快速可靠，能夠滿足報文傳輸實時性要求，并且降低以太網協(xié)議開銷，減少報文長度，減少報文傳輸延時。
文檔編號H02J13/00GK201877891SQ20102065548
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權日2010年12月13日
發(fā)明者梅軍, 鄭建勇, 黃燦 申請人:東南大學