配电子站.doc

1、DOC88，文库，中国知网，豆丁网基于嵌入式系统的配电子站配电子站和其应用软件的设计基于 VxWorks 的配电子站摘要：配电子站是大中型配电自动化系统中的信息枢纽。该文对基于实时操作系统VxWorks 的嵌入式配电子站的硬件和软件进行了研究。嵌入式配电子站硬件平台采用基于工业处理器 ARM9（AT91RM9200）的硬件平台，支持双以太网技术，支持串行口通信和CAN 总线通信等，采用的通信协议有 TCP/IP 协议，基于网络的 IEC60870-5-104 规约通信，CAN2.0B 规约等，可以方便地与各种设备进行连接、通信、信息交换。现场试验结果表明基于 VxWorks 的嵌入式配电子站可

2、以大大提高配电自动化系统的可靠性。关键词：VxWorks ；配电子站； ARM9；IEC60870-5-104中图分类号：TM764 文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2008)10-0027-03随着我国经济的迅速发展和农网改造的层层深入，用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高，这就需要电力部门提供安全、经济、可靠和高质量的电能，而配电自动化则是其中重要的一环。配电网络线路复杂而庞大，其供电容量、用户性质、供电质量、可靠性要求等千差万别，使其需要有很强的适应性。配电子站是配电自动化系统的基本单元和重要组成，它在配电网中起着承上接下，上下联系节点的作用。配电子站用于对配电网及配电设

3、备的信息采集、监控和控制等。基于嵌入式操作系统 VxWorks 的配电通信子站，可以实现高性能的通信管理，能够实现配电子站与配电主站以及与 FTU、TTU 等终端的通信。可以采集足够的配电网实时运行数据并对其进行处理及分析，通过通信通道，如光纤、以太网、无线网络、电话线等，将信息传送至配电自动化终端设备或主站系统，同时接收来自主站的控制命令。通过遥控即可在控制中心对配电网进行必要的操作，从而大大缩短故障处理时间和降低劳动强度。1 通信方案配置配电网的通信系统有别于输电网，终端数量大。配电系统的通信设备大多暴露在室外，需承受各种恶劣的自然条件和电磁干扰，同时还要考虑到维护方便，因此要求有高度的可

4、靠性。我国的大中型配电网络采用分层次结构。配电通信网层次结构，如图 1 所示。图 1 配电通信网层次结构配电主干通信网：主要是子站与主站之间通信，一般采用网络通信方式。通过高速以太网，实现子站与主站的实时数据交换通信。配电分支通信网：是子站到配电终端 FTU 的通信，一般采用光纤。光纤通信具有高速、可靠、抗干扰、易施工等优点。光纤通信有两种不同的通信方式：光纤以太网和光纤自愈环。FTU 与用户 TTU 的通信网：由于 TTU 数量很大，根据 TTU 在配电网络的布局，其通信方式可以分为 CAN 网通信和串口总线方式，也可以 TTU 加 MODEM，经过音频电缆与 FTU 实现通信，也可以通过

5、GPRS 等无线方式进行传输。2 硬件平台嵌入式配电子站硬件平台采用基于工业处理器 ARM9（AT91RM9200）的硬件平台，支持双以太网技术，支持串行口通信和 CAN 总线通信等，功耗低，可靠性高，具有完善周密的电路设计和强大的技术支持。系统硬件结构由以下几部分组成：MCU 及外围电路，SDRAM 和 FLASH 电路，双以太网，CAN 总线，RS232 和 RS485 串行口，电源、复位电路和 JTAG 接口，液晶显示模块和键盘输入接口。2.1 MCU 及外围电路嵌入式处理器基于 ARM9TDMI 架构的 AT91RM9200 处理器，保证网络通信和数据采集的畅通和实时性。ARM32 位

6、嵌入式 RISC 处理器，具有低功耗、低成本和高性能的特点，AT91RM9200 集成了许多标准接口，包括在网络层广泛使用的 10/100Base-T 以太网媒体访问控制器(MAC)，串口控制器等。AT91RM9200 集成了包括 JTAGICE、专门 UART 调试通道(DBGU)及嵌入式的实时追踪的一系列的调试功能。2.2 存储器接口电路SDRAM 采用两片 Hynix 的 HY57V281620ETP-H 芯片，容量达到了 16MB2。FLASH 采用 intel 公司的 JS28F640J3d75 芯片，容量为 64Mb(8MB)，工作电压为2.73.6V，16 位数据宽度。2.3 I

7、O 接口通用串行总线：串行口采用的通信协议有两种：异步协议和同步协议。随着大规模集成电路技术的发展，通用的同步 USRT 和异步 UART 接口芯片种类越来越多，采用ADM3202ARN 和 MAX3430 串行口芯片作为串行通信接口电路的核心芯片，会使电路结构比较简单，且性能优良。CAN 总线接口：CAN 总线通信速率高，抗干扰能力强，通信距离长。采用双 CAN总线通信，CAN 控制器采用 SJA1000T 芯片，CAN 总线收发器采用 TJA1040 芯片。工业以太网接口：采用双以太网技术。AT91RM9200 内部实际上已包含了以太网MAC 控制，但并未提供物理层接口，故需外接一片物理层

8、芯片 DM9161E，以提供以太网的接入通道。单独的网络芯片采用 LAN9115，组成双以太网。光纤以太网通信，网络通信速率高，可靠性强，冗余度高，可扩展性好。通过光纤以太网可以实现主站与子站之间的通信。2.4 电源、复位电路和 JTAG 接口电源部分是整个电路正常工作的基础，它为处理器和各个部件提供工作电压，ARM9电路系统需要 5V、3.3V 和 1.8V 的直流稳压电源，因此需要将 5V 变换成 3.3V 和 1.8V。复位能够迅速使微控制器进入到开始状态，并且从用户定义的存储器地址开始执行程序。复位能够迅速停止当前正在执行的指令，初始化控制和状态位。JTAG 主要用于芯片内部及对系统进

9、行仿真、调试。JTAG 技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路访问口，通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试。2.5 液晶显示模块和键盘输入接口全中文菜单显示，实现人机交互界面。3 软件实现3.1 VxWorks 概述VxWorks 操作系统是一种实时嵌入式操作系统。VxWorks 以其良好的持续发展能力，高性能的内核，友好的用户开发环境，高可靠性和实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如飞机导航、导弹制导，卫星通行等。配电通信子站采用 VxWorks，可以大大提高系统通信的稳定性和实时性，系统具有高效的 TCP/IP 协

10、议栈，可以实时与主站通信，并可以远方诊断现场装置运行情况，进行远方软件维护和升级。3.2 CAN2.0B 通信的实现采用现场总线技术实现网络通信，由于其具有的高抗干扰能力，高速及高可靠性而得到广泛应用。在原 CAN2.0A 协议的基础上扩展了 ID 的位数，又在过滤接收功能里增加了双滤功能，因而更加适于具有多网络节点，需要实时传输信息，能够广播传输信息的应用场合。3.3 网络通信和 IEC60870-5-104 规约的实现网络通信采用 TCP/IP 通信协议。 配电子站作为服务器，在建立 TCP 连接前，应一直处于侦听状态并等待调度端的连接请求，当 TCP 连接已经建立，则应持续地监测 TCP

11、 连接的状态，以便 TCP 连接被关闭后能重新进入侦听状态并初始化一些与 TCP 连接状态有关的程序变量；配电主站作为客户机，在建立 TCP 连接前，应不断地向配电子站发出连接请求，一旦连接请求被接收，则应监测 TCP 连接的状态，以便 TCP 连接被关闭后重新发出连接请求。当子站发生了突发事件，子站将根据具体情况主动向主站发送报文。IEC60870-5-104 规定控制站（即配电主站）作为客户机，而被控站（即配电子站）作为服务器。基于网络的 IEC60870-5-104 规约通信报文格式：I 格式-可计数的信息传输功能；S 格式-可计数的确认功能；U 格式- 启动，停止，测试功能。通信流程图

12、如图 2 所示。图 2 IEC60870-5-104 规约通信流程图3.4 BSP 开发BSP 是针对具体的硬件平台，用户所编写的启动代码和部分设备驱动程序的集合。BSP 所实现的功能包括初始化和驱动部分设备。BSP 需要支持处理器复位、初始化、驱动串口和必要的时钟处理等。3.5 功能实现从配电终端读取数据：配电终端装置通过 CAN2.0B 规约将 YC、YX 量等数据传送至配电子站，并将数据填入已开辟的缓冲区。使用缓冲区操作使得系统对底层驱动程序的调用机会大大减少，将大量的数据实时的保存下来，以便于查询和转发。转发缓冲区数据：配电子站需要将从配电终端装置获取的数据有选择地转发到配电主站上去，

13、或者接受配电主站有选择的查询。遥测改变，配电子站具有上送功能。发送数据到配电主站：配电子站通过以太网将从配电终端读取的数据传送到配电主站，遵循基于网络的 IEC60870-5-104 远动传输规约。4 系统测试和实验4.1 系统测试平台系统硬件测试平台主要用于测试配电子站与配电终端之间的 CAN 通信以及配电子站与配电主站之间的以太网通信。测试中配电终端装置采用国电南瑞的 DAT-1000 系列产品，主要与 DAT-1L 和 DAT-1LA 装置进行通信。而主站则采用在 PC 机上通过与模拟主站进行通信来测试以太网通信。4.2 测试与实验结果经过严格的测试和苛刻的实验，基于嵌入式硬件平台的配电

14、子站能够按照要求完成与配电主站和配电终端之间的通信。采用 CAN 总线通信方式与多个 FTU 进行通信，通信抗干扰力强，通信速度快，不丢失遥测量及 SOE 等。采用以太网通过基于网络的 IEC60870-5-104 远动传输规约与配电主站进行通信，系统可靠性高，通信速度快，完全符合配电自动化系统通信要求。参考文献1 孟爱萍配电自动化系统中的通信方案J 电力系统通信， 2007，28(6)：43-452 陈智育，温彦军，陈琪VxWorks 程序开发实践M北京：人民邮电出版社，20043 周启平，张杨，吴琼VxWorks 开发指南与 Tornado 实用手册M 北京：中国电力出版社，2004.4

15、张凤霞基于 ARM 和 VxWorks 嵌入式系统软件设计技术J计算机科学，2007，34(8)： 281-2825 康静，郑建勇，袁涛，等VxWorks 在 AT91RM9200 上的 BSP 设计J 单片机与嵌入式系统应用，2006（10）：78-826 WindRiver. Tornado Reference. Tornado Online Manuals，2005.7 变电站，继电保护与测控设备和通信管理机传输规约（CANBUS 通信规约2.0B）S.2000.8 IEC 60870-5-104 远动设备与系统，第 5 部分，传输规约，第 104 篇：采用标准传输文件集的 IEC608

16、70-5-101 的网络访问S 2000.电力系统配网及自动化系统概述OLT: optical line terminal(光 缆 终 端 设 备 ） ， 用 于 连 接 光 纤 干 线 的 终 端 设 备 。OLT 功 能1、 向 ONU(光 网 络 分 配 单 元 ） 以 广 播 方 式 发 送 以 太 网 数 据 ； 2、 发 起 并 控 制 测 距 过 程 ， 并 记 录 测 距 信 息 ； 3、 为 ONU 分 配 带 宽 ； 即 控 制 ONU 发 送 数 据 的 起 始 时 间 和 发 送 窗 口 大 小 EPON 无 源 光 网 络 系 统 中 的 局 端 设 备 （ OLT）

17、 ， 是 一 个 多 业 务 提 供 平 台 ， 同 时 支 持IP 业 务 和 传 统 的 TDM 业 务 。 放 置 在 城 域 网 边 缘 或 社 区 接 入 网 出 口 ， 收 敛 接 入 业 务 并分 别 传 递 到 IP 网 。 EPON 无 源 光 网 络 系 统 组 网 灵 活 ， 下 联 半 径 20 公 里 范 围 内 处 于 业 务 接 入 点 的 多个 终 端 , 构 成 EPON 系 统 网 络 。 该 系 统 可 支 持 多 种 业 务 模 式 ， 适 应 多 种 工 作 环 境 ， 为用 户 提 供 FTTx 系 列 解 决 方 案 。 OLT 除 了 提 供 业 务 汇 聚 的 功 能 外 ， 还 是 集 中 网 络 管 理 平 台 。 在 OLT 上 可 以 实 现 基 于设 备 的 网 元 管 理 和 基 于 业 务 的 安 全 管 理 和 配 置 管 理 。 不 仅 可 以 监 测 、 管 理 设 备 及 端 口 ，还 可 以 进 行 业 务 开 通 和 用 户 状 态 监 测 ， 而 且 还 能 够 针 对 不 同 用 户 的 QoS/SLA 要 求 进行 带 宽 分 配 。