一種支持iec61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，包括數據采集接口，數據處理模塊，外設接口和通訊接口。采集接口包括負責模擬信號采集的模數轉換器(ADC)AD7656，負責數字信號采集的GPIO口；所述數據處理模塊為內嵌了ARM926的FPGA處理器，負責管理數據在ADC，通訊接口間的傳輸以及數據的規約轉換；所述外設接口包括UART、IIC、SPI，負責與外部設備進行通訊。所述的通訊接口包括表示層的AES高級加密，數據鏈路層的MAC，和物理層的PHY芯片，支持光纖和以太網通訊。該片上系統具有體積小，功能擴展性強、通訊方式靈活、支持數字變電站規約通訊的特點。
【專利說明】
一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及電力通信的技術領域，特別涉及一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統。
【背景技術】
[0002]電力系統數據采集是系統安全穩定運行的重要環節。繼電保護、電能質量監測、擾動分析等等應用都需要有系統運行數據的支撐。隨著可再生能源的接入、數字化變電站的普及等情況，系統對數據采集的精度、速度(實時性)都提出了更高的要求。以數字化變電站為例，系統的運行數據(三相電壓、電流、開關狀態等)數據的需要從電子互感器進行采集，通過站內網絡進行傳輸、接收設備接收或應用設備對數據進行處理，實現監控或發出動作命令，且整個通信過程是建立在IEC61850的通信規范上進行的。通訊的質量影響著變電站多種應用功能的實現，進而影響系統的穩定性。目前的采集裝置主要作用為從傳感器采集數據，但不支持數據的IEC61850規范轉換，需要外接規約轉換器；同時由于數據處理能力的制約和數據實時性的要求，一般只進行單一的數據采集和傳輸，不對數據做進一步的處理(如繼電保護、電能質量分析等)。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，通過ADC和GP1 口分別對電力系統中的模擬量(電壓信號，電流信號，氣壓，風速、風向等)和數字量(開關狀態)進行采集，由處理器對數據進行處理和傳輸，最后將處理結果通過串口或以太網的方式進行傳輸，可實現電力系統運行數據在線監測。該系統具有體積小、功能擴展性強、通訊方式靈活、數據處理效率高、成本低的特點。
[0004]本發明的目的通過下述技術方案實現:
[0005]—種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，所述片上系統集成數據采集接口、數據處理模塊、通訊接口、外設接口 ；
[0006]其中，所述數據采集接口包括模擬量采集口ADC與數字量采集口GP1，實現對數字量和模擬量的采集；
[0007]所述數據處理模塊是內嵌ARM926的FPGA，實現所述片上系統數據流控制以及通訊規約轉換；
[0008]所述通訊接口包括集成在內部的依次連接的表示層的AES高級加密模塊、數據鏈路層的MAC、物理層的PHY芯片以及以太網接口和光纖接口，進行數據的通訊傳輸；
[0009]所述外設接口包括UART、IC、SPI，負責與外部設備進行通訊；
[0010]所述數據處理模塊分別與所述數據采集接口、通訊接口以及外設接口連接。
[0011 ]進一步地，所述模擬量采集接口采用16位模數轉換器AD7656，支持6路模擬信號輸入;所述數字采集接口采用32位GP1 口。
[0012]進一步地，所述模擬量采集接口采集的模擬量為變電站PT、CT二次側的電壓、電流信號，以及通過氣壓、風速、風向傳感器轉換的電信號，通過模擬信號輸入口進入AD7656芯片，轉換為片上系統可處理的數字信號。
[0013]進一步地，所述數字采集接口采集的數字量為線路開關狀態，與GP1口連接，ARM芯片通過讀取GP1 口電平狀態即可獲得線路開關狀態。
[0014]進一步地，所述模數轉換器AD7656的采樣頻率設置為:5k，32k，64k或96k，轉換精度為16位，其數據傳輸方式設置為MCU傳輸或DMA方式傳輸。
[0015]進一步地，所述數據處理模塊為內嵌32位的ARM926的FPGA，負責數據在采集接口、數據處理模塊、外設接口及通訊接口之間的傳輸，以及對所采集信號進行規約轉換，將數據打包成符合IEC61850協議，串口 103協議、以太網103協議的數據包，支持數字變電站的通訊。
[0016]進一步地，所述ARM926的FPGA的芯片程序在Kei 14開發環境下編寫，包括:AD采集轉換程序、規約轉換程序、以太網發送程序、串口發送程序，其中AD轉換支持MCU或DMA方式，規約轉換程序按照IEC61850-9-2標準進行開發。
[0017]進一步地，所述規約轉換程序實現將數據轉換成符合IEC61850協議標準的數據包，電壓、電流量以SV報文形式進行打包，線路開關量以GOOSE報文的形式進行打包；同時根據以太網103協議，串口 103協議對數據包進行打包以供以太網、串口通訊。
[0018]進一步地，所述高級加密解密AES模塊用于對傳輸和接收數據進行加解密，保證通訊安全；
[0019]所述PHY芯片為DP83849芯片；
[0020]所述以太網接口為以太網通訊接口 RJ45-100，所述光纖接口為10Mbps/100Mbps的光纖通信接口 HFBR-5803，所述以太網接口和光纖接口實現與外部的數字化變電站主站的接收、解析設備進行通訊。
[0021]進一步地，所述UART接口支持RS232物理接口和/或RS485物理接口，所述SPI接口和IIC接口為擴展功能接口，三者均可作為通訊與功能調試接口。
[0022]本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果:
[0023]I)本發明支持IEC61850數字化變電站通訊規范，無需外接規約轉換器。
[0024]2)本發明支持lOMbps/lOOMbps的光纖通信，提高了傳輸效率，為繼電保護等對實時性要求高的應用提供了硬件基礎。
[0025]3)本發明體積小，成本低，功耗小，易于安裝，有豐富的外設接口，易于調試與維護。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明公開的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統整體結構圖；
[0027]圖2是模數轉換芯片AD7656以及其中的模擬信號電壓輸入范圍設置示意圖；
[0028]圖3是PHY芯片DP83849結構圖；
[0029]圖4為ARM926的數據控制和規約轉換流程圖。
【具體實施方式】
[0030]為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0031 ] 實施例
[0032]如圖1所示為一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統整體結構圖，本實施例公開了一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，所述片上系統集成了數據采集接口，數據處理模塊，通訊接口。所述數據采集接口包括模擬量采集口 ADC與數字量采集口GP10，負責對數字量和模擬量的采集;所述數據處理模塊是內嵌ARM926的FPGA，負責所述片上系統數據流控制以及通訊規約轉換;所述通訊接口包括集成在內部的表示層的AES高級加密模塊、數據鏈路層的MAC、物理層的PHY芯片以及以太網接口和光纖接口，進行數據的通訊傳輸。所述外設接口包括1^1^、1(:、3?1，負責與外部設備進行通訊。
[0033]上述模擬量采集接口采用了16位模數轉換器AD7656，支持6路模擬信號輸入;數字采集接口采用了32位GP1 口。
[0034]所述模擬量采集接口采集的模擬量主要為變電站PT、CT二次側的電壓、電流信號，以及通過氣壓、風速、風向等各類傳感器轉換的電信號。通過模擬信號輸入口進入AD7656芯片，轉換為系統可處理的數字信號。具體模數轉換芯片AD7656的結構框圖如附圖2所示。所述數字采集接口采集的數字量主要為線路開關狀態，與GP1 口連接，ARM芯片通過讀取GP1口電平狀態即可獲得線路開關狀態。其中，AD轉換芯片AD7656的采樣頻率可設置為:5k，32k，64k，96k，轉換精度為16位。對于繼電保護等實時性要求較高的應用場景，ADC的數據傳輸方式設置為MCU傳輸，對于電能質量檢測等實時性要求不高的應用場景，為節省硬件資源，ADC的傳輸方式設置為DMA方式傳輸，可設置閾值為16、32、64、128字節。
[0035]ADC模塊組件AD7656的工作過程如下:M⑶傳輸方式下，將ADC模塊進行初始化，包括將工作模式設置為MCU控制模式，對儲存數據的區域進行清零操作，ADC開始讀取及轉換模擬量時，ARM芯片直接將ADC數據接收寄存器(Received Data Register，RDR)讀取到的16位數據寫入儲存區域;DMA傳輸方式下，將ADC模塊進行初始化，包括將工作模式設置為DMA控制模式(同時設置FIFO儲存器的觸發值)，再對DMA進行初始化，包括設置DMA的讀取數據的源地址為RDR，和傳輸目標地址(SRAM中的0x0005000)等，ADC開始讀取及轉換模擬量時，DMA控制器便開始將RDR中的數據傳輸到FIFO中，當數據量達到閾值時便將FIFO中的數據寫入目標地址。
[0036]上述數據處理模塊采用了XILINX公司的XCKU040-FFVA1156ACY1509型號的FPGA，內嵌32位的ARM926處理器，負責數據在采集口，處理模塊，外設接口及通訊接口之間的傳輸，具體過程如附圖4所示，以及對所采集信號進行規約轉換，將數據打包成符合IEC61850協議，串口 103協議、以太網103協議的數據包，支持數字變電站的通訊。
[0037]上述ARM926的FPGA芯片程序在Kei 14開發環境下編寫，包括:AD采集轉換程序，規約轉換程序，以太網發送程序，串口發送程序。其中AD轉換支持MCU，DMA方式，規約轉換程序按照IEC61850-9-2標準進行開發。
[0038]上述規約轉換程序可將數據轉換成符合IEC61850協議標準的數據包，該標準是是電力系統自動化領域唯一的全球通用標準，電壓、電流量以SV報文形式進行打包，線路開關量以GOOSE報文的形式進行打包。同時根據以太網103協議，串口 103協議對數據包進行打包以供以太網、串口通訊。
[0039]上述通訊接口包括:表示層的高級加密解密AES模塊，負責對傳輸和接收數據進行加解密，保證通訊安全；數據鏈路層的MAC;物理層的PHY芯片DP83849;以太網通訊接口RJ45-100和lOMbps/lOOMbps的光纖通信接口 HFBR-5803。與外部設備(如數字化變電站主站的接收、解析設備)進行通訊。具體PHY芯片DP83849結構圖如附圖3所示。
[0040]上述外設接口包括UART接口、SPI接口、以及IIC接口；上述UART接口支持RS232物理接口和/或RS485物理接口，用于接收發送IEC103規約數據;上述SPI接口和IIC接口為擴展功能接口，用于連接外部的設備。
[0041 ]上述公開的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統的正常工作步驟如下:
[0042]S1、在數據來源處安裝該片上系統。將變電站電壓互感器二次側的電壓信號，電流互感器二次側電流，風速(向)傳感器的電壓信號，氣壓傳感器的電壓信號轉換到模擬電壓輸入范圍(+/-1OV或+/-5V)內，接到模擬量采集接口的6路通道(圖2中的AD_V1?AD_V6)。通過以太網接口和/或光纖接口將所述片上系統與以太網或者光纖網互相連接。通過電源模塊給芯片供電。
[0043]S2、給數據處理模塊的ARM926處理器下載相應的程序，以進行AD采集、芯片內數據流控制，和數據的IEC61850協議打包和以太網發送，具體過程如圖4中的程序框圖所示;開啟片上系統，進行采集傳輸。
[0044]S3、將接收設備(可為同樣的片上系統，PC機等)接入以太網中，下載相應的解析程序，實現對所接受數據包的解析。
[0045]S4、將接收設備與顯示設備連接，可將采集到的電流、電壓、風向(速)、氣壓、等數據實時顯示出來。
[0046]綜上所述，本實施例提供的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統集成了豐富的模擬信號、數字信號采集接口，有線外設接口和數據通訊接口，以及高效的數據處理器。可實現對系統運行數據，如數字化變電站的智能化一次設備的信號采集，并且將數據打包為支持IEC61850、以太網103、串口 103通訊協議的格式，通過以太網、光纖通信進行通信。集成度高，體積小，易于安裝調試，支持數字化變電站通訊規范，無需外接規約轉換器，降低成本。
[0047]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于，所述片上系統集成數據采集接口、數據處理模塊、通訊接口、外設接口 ； 其中，所述數據采集接口包括模擬量采集口 ADC與數字量采集口 GP1，實現對數字量和模擬量的采集； 所述數據處理模塊是內嵌ARM926的FPGA，實現所述片上系統數據流控制以及通訊規約轉換； 所述通訊接口包括集成在內部的依次連接的表示層的AES高級加密模塊、數據鏈路層的MAC、物理層的PHY芯片以及以太網接口和光纖接口，進行數據的通訊傳輸； 所述外設接口包括1^奶、1(:、3?1，負責與外部設備進行通訊以及系統功能調試； 所述數據處理模塊分別與所述數據采集接口、通訊接口以及外設接口連接。2.根據權利要求1所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于，所述模擬量采集接口采用16位模數轉換器AD7656，支持6路模擬信號輸入；所述數字采集接口采用32位GP1 口。3.根據權利要求1所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于，所述模擬量采集接口采集的模擬量為變電站PT、CT二次側的電壓、電流信號，以及通過氣壓、風速、風向傳感器轉換的電信號，通過模擬信號輸入口進入AD7656芯片，轉換為片上系統可處理的數字信號。4.根據權利要求1所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于，所述數字采集接口采集的數字量為線路開關狀態，與GP1 口連接，ARM芯片通過讀取GP1 口電平狀態即可獲得線路開關狀態。5.根據權利要求2所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于，所述模數轉換器AD7656的采樣頻率設置為:5k，32k，64k或96k，轉換精度為16位，其數據傳輸方式設置為MCU傳輸或DMA方式傳輸。6.根據權利要求1所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于，所述數據處理模塊為內嵌32位的ARM926的FPGA，負責數據在采集接口、數據處理模塊、外設接口及通訊接口之間的傳輸，以及對所采集信號進行規約轉換，將數據打包成符合IEC61850協議，串口 103協議、以太網103協議的數據包，支持數字變電站的通訊。7.根據權利要求1所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于，所述ARM926的FPGA的芯片程序在Kei 14開發環境下編寫，包括:AD采集轉換程序、規約轉換程序、以太網發送程序、串口發送程序，其中AD轉換支持MCU或DMA方式，規約轉換程序按照IEC61850-9-2標準進行開發。8.根據權利要求7所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于， 所述規約轉換程序實現將數據轉換成符合IEC61850協議標準的數據包，電壓、電流量以SV報文形式進行打包，線路開關量以GOOSE報文的形式進行打包；同時根據以太網103協議，串口 103協議對數據包進行打包以供以太網、串口通訊。9.根據權利要求1所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于， 所述高級加密解密AES模塊用于對傳輸和接收數據進行加解密，保證通訊安全； 所述PHY芯片為DP83849芯片； 所述以太網接口為以太網通訊接口 RJ45-1OO，所述光纖接口為I OMbps/1 OOMbps的光纖通信接口 HFBR-5803，所述以太網接口和光纖接口實現與外部的數字化變電站主站的接收、解析設備進行通訊。10.根據權利要求1所述的一種支持IEC61850協議的電力系統數據采集與傳輸片上系統，其特征在于， 所述UART接口支持RS232物理接口和/或RS485物理接口，所述SPI接口和IIC接口為擴展功能接口，三者均可作為通訊與功能調試接口。
【文檔編號】G08C23/06GK105869385SQ201610327007
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】李夢詩, 謝昭群, 王穎凱, 夏候凱順, 吳青華
【申請人】華南理工大學