CN101499639A - 集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置 - Google Patents

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郭庆良
袁启洪
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Abstract

为了解决现有继电保护和测量综合装置的通信接口种类单一，无法满足不同用户、不同应用场合不同的组网要求，本发明提供一种集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其包括微处理器，微处理器的内部集成有UART串口，以及地址总线、数据总线和控制总线，还包括分别与微处理器相连的RS－485接口、CAN总线接口和以太网接口。本发明设置有多种通信接口，拥有丰富、多样、灵活的组网方式，最大限度的满足了不同用户、不同应用场合的组网要求。

Description

集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及应用于电力系统的一种继电保护和测量综合装置。
背景技术
电力行业中，继电保护和测量综合装置是电力系统中重要的二次设备。工作在中、低压电力系统的继电保护装置一般都具备测量功能，通常把这种既有保护功能又有测量功能的继电保护装置称为继电保护和测量综合装置，简称综保装置。它能够反应电气设备的故障和不正常工作状态并自动迅速地、有选择性地动作于断路器将故障设备从系统中切除，保证无故障设备继续正常运行，将事故限制在最小范围，提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全、连续供电；同时它具有测量电流、电压、有功功率、无功功率等功能；并且一般都要求综保装置具有对外通信的功能，以便将装置本身的运行状况、测量参数和继电保护动作信息及时发送至保护管理机或监控机。
目前，电力系统的自动装置和综保装置的通信网络上，所采用的通信方式并不统一。其中，RS-485为半双工工作方式，采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，在过去的20年时间里被广泛的使用。但是基于在RS-485总线上只能有一个主站的特点，以及通信速率低、带负载能力差等缺陷，电力系统的通信网络中开始应用现场总线，比较广泛使用的是CAN总线。CAN总线(Controller Area Network)即控制局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一，起先，CAN总线被设计为汽车环境中的微控制器通信总线，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络，现今，其作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通信总线，已被广泛应用到各个自动化控制系统中，如电力系统。以太网通信近几年来开始应用于电力系统的通信网络中，因以太网采用统一的TCP/IP协议，可以直接和局域网的计算机互联而不要额外的硬件设备，方便数据在局域网的共享等诸多特点，在国内外逐步得到了迅速的普及，开始大量的使用，但其保密性相对较差，现场组网时也不太方便。针对电力系统的自动装置和综保装置的通信网络所采用的通信方式多样性的特点，而现有技术中的综保装置，其多数只设置有RS-485接口或只设置有CAN总线接口，也有少数采用以太网接口，其通信接口种类单一，无法满足不同用户和不同应用场合采用不同通信网络方式的要求。
发明内容
为了解决现有综保装置的通信接口种类单一，无法满足不同用户、不同应用场合不同的组网要求的缺陷，本发明提供一种集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其设置有多种通信接口，拥有丰富、多样、灵活的组网方式，最大限度的满足了不同用户、不同应用场合的组网要求。
技术方案：
集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其包括微处理器，所述微处理器的内部集成有UART串口，以及地址总线、数据总线和控制总线，其特征在于，还包括分别与所述微处理器相连的RS-485接口、CAN总线接口和以太网接口。
所述微处理器为32位微处理器。
所述微处理器采用支持多任务的操作系统。
所述操作系统为μC/OS。
所述RS-485接口为分别与所述微处理器相连的两个或多个RS-485接口，所述CAN总线接口为分别与所述微处理器相连的两个或多个CAN总线接口，所述以太网接口为分别与所述微处理器相连的两个或多个以太网接口。
所述每个RS-485接口分别包括相连接的高速光电耦合器和RS-485驱动器，所述高速光电耦合器与所述微处理器的UART串口相连，所述RS-485驱动器用于连接到上位机系统RS-485通信网络中。
所述每个CAN总线接口分别包括依次连接的CAN控制器、高速光电耦合器和CAN驱动器，所述CAN控制器与所述微处理器相连，所述CAN驱动器用于连接到上位机系统CAN总线通信网络中。
所述CAN控制器嵌入在所述微处理器中。
所述每个以太网接口分别包括相连接的以太网控制器和隔离变压器，所述以太网控制器与所述微处理器的地址总线、数据总线和控制总线相连，所述隔离变压器用于连接到上位机系统以太网通信网络中。
技术效果：
本发明的综保装置集成了RS-485接口、CAN总线接口和以太网接口，当现场的上位机系统通信网络采用RS-485总线或CAN总线或以太网中的任意一种时，该综保装置均可以通过与上位机通信网络相匹配的接口连入到上位机通信网络中，满足了现场工作中不同上位机系统通信网络的需求，避免了综保装置所带接口与上位机系统通信网络不匹配，导致无法使用，或者需要另外增设转换模块才能使用的情况发生而给现场组网带来不必要的麻烦。另外，当上位机系统通信网络采用RS-485总线、CAN总线或以太网中的两种甚至三种不同的通信网络时，该继电保护装置还可以通过不同的接口同时连入相应的上位机通信网络中，而且RS-485接口、CAN总线接口和以太网接口分别与微处理器相连，各路可以独立工作，无需任何外加转换设备，完全能够满足现场组网的需求。
本发明集成多种通信接口的综保装置的每种类型的接口可以为分别与微处理器相连的两个或多个接口，即两个或多个RS-485接口、两个或多个CAN总线接口以及两个或多个以太网接口。每种接口的每个接口均分别与微处理器相连接，在微处理器多任务支持下，每个接口都能够独立运行，可运行独立的协议。当上位机系统为RS-485总线、CAN总线或以太网中的双通信网络或多通信网络时，该综保装置与上位机系统相匹配的两个或多个接口可以同时接入相应的通信网络中，应现场组网需求，两路或多路通信网络可以并行工作或彼此间热备份，显示出强大的通信功能。以上位机系统为同种的双通信网络为例，综保装置的相应的两个接口同时接入双通信网络中，此时应客户要求，可实现双网并联运行，传输相同的规约，也可双网独立运行，传输不同的协议和内容，例如：其中一个网络传输继电保护信息，一个网络传输测量信息，显示出强大的通信功能和优越的灵活性。
随着科技的进步，微处理器的功能越加强大，在针对本发明选择微处理器时，优先选择32位的处理器，以提高继电保护装置的响应及通信速度；并且优先选择集成多路CAN控制器的微处理器，不仅简化电路图的设计、方便软件的操作、节约成本，还可以丰富CAN总线接口的资源，使其具备强大的功能。
说明书附图
图1为本发明集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置的通信网络接口图；
图2为本发明集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置的通信接口原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置的通信网络接口图，图中的微处理器为飞利浦公司的32位微处理器LPC2292，其内部集成有16Byte的收发FIFO(先入先出寄存器)的串口UART1和UART2，还集成有强大验收滤波功能的CAN控制器1和CAN控制器2。如图所示的综保装置设置有三种类型的接口，每种类型的接口都包含有两个分别与微处理器相连的接口，即两个以太网接口、两个CAN总线接口和两个RS-485接口，以上六个接口的一端分别与微处理器相连，其另一端根据现场上位机系统通信网络的需求连入。本实施例的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置设置有三种、六个通信接口，可以根据现场的通信网络，工作在多个相同或不同的上位机系统的通信网络中，最大限度的满足现场组网的需求。
图2为本发明集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置的通信接口原理框图，图中包括两个RS-485接口1和2分别与微处理器相连，其中RS-485接口1包括相连接的高速光电耦合器组1(所述的高速光电耦合器组包括若干高速光电耦合器，下同)和RS-485驱动器1，高速光电耦合器组1与微处理器的UART串口1相连，RS-485驱动器1与上位机系统的RS-485-1通信网络相连接，当然也可以通过现场通信管理机与上位机系统的RS-485-1通信网络相连接；同理，RS-485接口2包括相连接的高速光电耦合器组2和RS-485驱动器2，高速光电耦合器组2与微处理器的UART串口2相连，RS-485驱动器2与上位机系统的RS-485-2通信网络相连接，当然也可以通过现场通信管理机与上位机系统的RS-485-2通信网络相连接。由此，可以看出同种类型的不同接口与微处理器分别连接，在微处理器多任务的支持下，每个接口都可以独立运行，并可运行独立的协议，比如，与RS-485-1通信网络连接的RS-485接口1上可以遵循Modbus协议，而与RS-485-2通信网络连接的RS-485接口2上可以遵循IEC-103协议，两路独立运行，并行工作；因此本发明拥有强大的通信功能，实用性强，满足现场组网的不同要求；另外，两个RS-485通信接口，还可以一主一备，提高通信网络的可靠性。
图2中还包括两个CAN总线接口1和2分别与微处理器相连接，两个接口的连接方式完全相同：其中CAN总线接口1，包括相连接的高速光电耦器组3和CAN驱动器1，高速光电耦合器组3与嵌入在微处理器中的CAN控制器1相连，CAN驱动器1与上位机系统的CAN总线-1通信网络相连接，当然也可以通过现场通信管理机与上位机系统的CAN总线-1通信网络相连接。CAN总线接口2则包括相连接的高速光电耦合器组4和CAN驱动器2，高速光电耦合器组4与嵌入在微处理器中的CAN控制器2相连，CAN驱动器2与上位机系统的CAN总线-2通信网络相连接，当然也可以通过现场通信管理机与上位机系统的CAN总线-2通信网络相连接。与两路CAN总线通信网络相连的两个CAN总线接口，每个都可以支持Hilon A协议、Hilon B协议的Modbus协议或IEC-103协议或其它协议，因此，两个接口可并行工作或互为备用。另外，本例由于选择的微处理器本身就集成有CAN控制器，其可丰富CAN总线接口的资源，可简化电路图的设计、方便软件的操作以及节约成本；若选用的微处理器没有嵌入CAN控制器，其CAN总线接口还应包括CAN控制器，并且CAN控制器分别与微处理器和高速光电耦合器组相连接。
本发明还包括两个以太网接口1和2分别与微处理器相连，见图2，以以太网接口1为例，其包括依次连接的以太网控制器1和隔离变压器1，以太网控制器1与微处理器的地址总线、数据总线和控制总线相连，隔离变压器1与上位机系统的以太网-1通信网络相连接，当然也可以通过现场通信管理机与上位机系统的以太网-1通信网络相连接。与两路以太网通信网络相连的两个以太网接口，每个接口都可以支持TCP/IP协议和/或UDP协议的Modbus协议、IEC-104协议或其它协议，因此，两个接口可并行工作或互为备用。
微处理器可以使用μC/OS操作系统，其实时性好，可支持多任务并行，即把多个通信接口的功能分成多个任务来运行；当然微处理器也可以使用其他可支持多任务并行的操作系统。在高性能的微处理器的支持下，相当于多个接口并行。每个任务内有自己的通信协议，可以是IEC-103协议、Modbus协议或IEC-104等协议中的任一个。而且每个通信接口都有自己的地址，可以认为动态设置。如果该综保装置接收到RS-485-1通信网络或RS-485-2通信网络中的数据，微处理器响应该RS-485接口1或RS-485接口2对应的中断，把接收的数据保存下来，同时释放消息，通知相应的任务来处理数据，再通过发送中断把上位机请求的数据上传。同时，如果该综保装置接收到CAN总线-1通信网络或CAN总线-2通信网络中数据，微处理器响应该CAN总线接口1或CAN总线接口2对应的中断，把接收的数据保存下来，同时释放消息，通知相应的任务来处理数据，再通过发送中断把上位机请求的数据上传。另外，在以太网通信中，本发明的综保装置可以看作是网络中的WEB服务器，可以同时接受多个客户机的访问。如果接收到以太网-1通信网络或以太网-2通信网络中数据，微处理器响应该以太网接口1或以太网接口2对应的中断，把接收的数据保存下来，同时释放消息，通知UDP或TCP进程做相应处理，每路以太网可以支持多个端口(每个应用程序占有一个端口)，同时与多个应用程序建立连接，与客户机的应用程序交互数据。综上，本发明的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置集成了三种、六个或多个接口，每个接口在微处理器多任务的支持下，独立运行，并可运行独立的协议，同种类型多个接口间可以并行工作或互为备份，不同种类型接口间可以并行工作，适用于拥有多个相同或不同的通信网络的上位机系统，其丰富、灵活的组网方式和强大的通信功能，在最大限度上满足现场组网的各种需求。

Claims (9)

1.集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其包括微处理器，所述微处理器的内部集成有UART串口以及地址总线、数据总线和控制总线，其特征在于，还包括分别与所述微处理器相连的RS-485接口、CAN总线接口和以太网接口。
2.根据权利要求1所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述微处理器为32位微处理器。
3.根据权利要求1所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述微处理器采用支持多任务的操作系统。
4.根据权利要求3所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述操作系统为μC/OS。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述RS-485接口为分别与所述微处理器相连的两个或多个RS-485接口，所述CAN总线接口为分别与所述微处理器相连的两个或多个CAN总线接口，所述以太网接口为分别与所述微处理器相连的两个或多个以太网接口。
6.根据权利要求5所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述每个RS-485接口分别包括相连接的高速光电耦合器和RS-485驱动器，所述高速光电耦合器与所述微处理器的UART串口相连，所述RS-485驱动器用于连接到上位机系统RS-485通信网络中。
7.根据权利要求5所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述每个CAN总线接口分别包括依次连接的CAN控制器、依次连接高速光电耦合器和CAN驱动器，所述CAN控制器与所述微处理器相连，所述CAN驱动器用于连接到上位机系统CAN总线通信网络中。
8.根据权利要求7所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述CAN控制器嵌入在所述微处理器中。
9.根据权利要求5所述的集成多种通信接口的继电保护和测量综合装置，其特征在于，所述每个以太网接口分别包括相连接的以太网控制器和隔离变压器，所述以太网控制器与所述微处理器的地址总线、数据总线和控制总线相连，所述隔离变压器用于连接到上位机系统以太网通信网络中。
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