CN1303162A - 变电站自动化系统测控单元通信管理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于变电站内的测控装置内部传输网络通信方法,现有技术中绝大多数都采用变电站自动化技术,缺点是抗干扰和纠错能力差,各站之间无法通信等。本发明方法采用的通信系统由一个主管理微处理器和多个功能插件组成。每一个插件都有包括以下步骤:CAN网的仲裁场由报文信息传送的源及目标地址组成,根据报文的重要性来分配各功能插件的地址,从而决定该报文的优先级,地址编码越小优先级别越高;对CAN网及有关部分进行初始化;采用中断方式发送和接收报文信息:采用CAN诊断方式对上述信息进行处理。本发明的优点:具有结构简单、功能多和可靠性高的效果。
Description
本发明涉及变电站自动化技术中网络通信的装置，更具体地涉及变电站自动化系统中的通信管理装置。
变电站自动化技术发展很快，现在新建的变电站绝大多数都采用了变电站自动化技术，很多老站也在进行改造。变电站自动化系统与常规变电站系统相比，最大的特点就是站内通信能力强。通信是变电站自动化系统的关键问题。
从90年代初变电站自动化技术出现以来，先后出现过几类通信网络方案。最初有用RS485总线将变电站内部智能电子设备连在一起，使用一个主站对多个从站的通信方式，这种方式较简单，但在技术上存在如下缺陷：
1、只能有一个主站，无法实现多主站信息互为备份的冗余设计；
2、从站无法主动上送重要信息，实时性较差；
3、各从站之间无法直接通信，只能通过主站中继才能相互通信；
4、对较小规模的系统，实时性可以得到保证，但随着系统规模的扩大，系统的实时性能将会急剧降低；
5、抗干扰及纠错能力较差，一般只适合在控制室内部使用，不能用于开关场或开关间隔内，即不能适用于分散安装的变电站自动化系统。
后来随着各种现场总线技术的发展，由于现场总线技术具有简单易用、组网方便、抗干扰能力强等特点，很快就被电力自动化设备业界采用，用来构成变电站自动化系统的站内通信网。现场总线种类较多，目前使用较多的主要是LonWorks和CAN两种现场总线。用现场总线来做变电站自动化系统的通信网络，从工程实践来看是成功的。但随着变电站自动化系统从以前的35kV、110kV等中、低压变电站向220kV～500kV高压、超高压大型变电站发展，一方面，变电站自动化系统要监视和控制的对象数目剧增，例如在110kV的中压变电站自动化系统中，遥信对象一般不超过600个，遥控对象一般不超过300个，而在220kV的高压变电站系统中，遥信对象一般都会超过2000个，遥控对象会超过1000个；另一方面，高压、超高压变电站自动化系统会使用比中、低压系统更多的数字式继电保护等智能化电子设备(IED)，这些设备需要通过内部通信网络传输大量的遥测、故障录波等信息，特别是在发生故障时需要传输的信息量会更大，这一切都决定了高压、超高压变电站自动化系统内部通信量要比中、低压变电站自动化系统的通信量大得多。因此高压、超高压变电站自动化系统对内部通信网提出了新的、更高的技术要求。现场总线普遍具有传输带宽窄、速率低等特点，它们不能满足高压、超高压大型变电站自动化系统的通信要求。
随着计算机软、硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软、硬件技术，设计者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌入式以太网，嵌入式以太网的出现为变电站自动化系统的设计者提供了实现站内通信网络的新途径。目前国外已经有一些著名大公司利用嵌入式技术来构成高压、超高压变电站自动化系统的内部通信网络。具体有两种应用模式：1、每个智能电子设备(IED)配置一个嵌入式以太网接口，每个IED作为一个以太网节点直接连到以太网上；2、设置一个通信管理机，通信管理机通过RS485、现场总线等方式与几个智能电子设备通信，然后用嵌入式以太网接口作为一个以太网节点连到以太网上。
第一种应用模式完全采用嵌入式以太网技术，尽管在技术上解决了高压、超高压变电站自动化系统的内部通信网络问题，但在现有条件下，由于每个嵌入式以太网接口的成本还较高，所以该应用模式会使整个系统的造价增加很多。
第二种应用模式的实质是通信管理机将所管理的几个智能电子设备的信息处理后，利用一个以太网节点对外通信，这种应用模式的成本较低。但是由于测控单元等设备的重要信息必须以RS485、现场总线等低速方式与通信管理机进行交换，所以测控单元的重要信息的响应时间就比较长，现有通信管理机对重要测控信息实时响应的出现瓶颈问题，整个系统的实时性就不如应用第一种模式。
对于变电站自动化系统的测量、控制功能，现有技术通常使用测控单元装置来实现。这些测控单元对外留有通信接口，通过这些通信接口将信息外传。考虑到超高压变电站系统的二次系统一般都是基于间隔设计的，超高压变电站自动化系统内部通信网的可靠性要求很高，要求可方便地构成双网结构，超高压变电站系统对测控信息的实时响应时间要求很高以及成本问题。
本发明的目的就是针对上述的通信与测控的一些问题，解决220kV～500kV高压、超高压变电站自动化系统的网络通信和测量控制一体化的问题，本发明提出了基于嵌入式以太网技术、LonWorks现场总线技术、CAN总线技术的，面向高压、超高压变电站自动化系统测控单元通信管理装置的技术方案。
本发明所描述的测控单元通信管理装置(以下简称通信管理装置)包括一个微处理器，该微处理器执行通信管理装置的主要程序并管理和协调通信管理装置上其它硬件模块；一个非易失存储器FLASH，该模块与微处理器连接，由于该模块具有掉电不丢失数据的特点，所以将管理通信板上的程序和运行报告存储在该模块中；一个随机存取存储器RAM，该模块与微处理器连接，该模块为程序运行提供数据存储空间；一个电可擦可编程只读存储器EEPROM，该模块与微处理器连接，该模块存储通信管理装置的配置信息；两个RS232串行通信接口，微处理器通过这两个RS232接口分别与测控单元的人机接口板(MMI)及调试PC机通信；一个RS485串行通信接口，微处理器通过该模块与测控单元所在间隔的其它智能电子设备通信；一个以太网编解码器，该模块与微处理器连接，该模块完成对以太网发送数据的曼彻斯特编码和以太网接收数据的曼彻斯特解码，同时提供以太网的收发时钟；一个以太网的隔离变压器，以太网编解码器连接，该模块提供以太网信号的电气隔离和传输阻抗的匹配功能；一个以太网的光电转换及收发模块，该模块与以太网的隔离变压器连接，该模块将以太网发送数据的电信号转变为光信号并发送到光纤介质，该模块并将从光纤介质接收到的以太网数据的光信号转换为电信号；两个LonWorks现场总线控制器，这两个模块分别通过与两个LonWorks收发器模块配合完成对LonWorks网络上信息的接收和发送控制，该模块作为微处理器模块的外设，受微处理器模块的控制，两个模块都是LonWorks现场总线收发器，微处理器模块通过该模块与传输介质连接；两个CAN总线控制器与微处理器连接，这两个模块分别通过两个CAN总线收发器模块配合完成对CAN总线上信息的接收和发送控制并与传输介质连接。
由于本发明采用了通信与测控功能相结合，将现有的通信管理机的功能和测控单元中管理装置的功能合二为一。这样用测控单元中的通信管理装置完成了间隔内外的通信功能，取消了现有的通信管理机器。同时，在技术上也消除了现有通信管理机对重要测控信息实时响应的瓶颈；将嵌入式以太网技术、LonWorks现场总线技术、CAN总线技术有机结合，把三种技术集成在同一个通信管理装置上，其中用嵌入式以太网技术完成间隔层之间以及间隔层与变电站层之间的通信功能，LonWorks现场总线完成与间隔内部智能电子设备的通信功能，CAN总线作为测控单元装置内部的通信总线，完成装置内部的通信任务，同时由于采用了冗余设计技术，使用双LonWorks网络接口、双CAN总线接口，提高了网络通信的可靠性，因此，本发明的通信管理装置具有结构简单、功能多和可靠性高的优点和效果。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。
图1是本发明以太网与LonWork相结合的方案系统配置示意图；
图2是本发明的通信管理装置构成示意图；
图3是本发明的通信管理装置的软件构成示意图；
图4是本发明的测控单元管理程序流程图；
图5是本发明的以太网信息处理程序流程图；
图6是本发明的LonWorks网信息处理程序流程图；
图7是本发明的CAN总线信息处理程序流程图；
图8是本发明的RS232串行通信接口信息处理程序流程图。
图1是本发明以太网与LonWork相结合的方案系统配置示意图，图2是本发明的通信管理装置构成示意图。本发明所描述的测控单元通信管理装置(以下简称通信管理装置)包括微处理器201，该微处理器201执行通信管理装置的主要程序并管理和协调通信管理装置上其它硬件模块，微处理器201模块可以使用32位嵌入式微处理器MC68EN360，它的SCC1被配置成10M以太网接口；非易失存储器FLASH202，该模块与微处理器连接，由于该模块具有掉电不丢失数据的特点，所以将管理通信板上的程序和运行报告存储在该模块中，该模块可以使用两片SST公司的FLASH芯片，每片存储容量为512K字节，分别存储程序和报告；随机存取存储器RAM203，该模块与微处理器连接，该随机存取存储器RAM203模块可以使用DRAM芯片，存储容量为4M字节，为程序运行提供数据存储空间；电可擦可编程只读存储器EEPROM204，该模块与微处理器连接，该模块可以使用X24645芯片，存储通信管理装置的配置信息；标号为205-1和205-2模块是两个RS232串行通信接口，微处理器201通过这两个RS232接口分别与测控单元的人机接口板(MMI)及调试PC机通信，标号为205-1和205-2模块可以使用微处理器201模块MC68EN360的SCC3、SCC4两个串行通信口，配置成RS232通信口；标号为206模块是RS485串行通信接口，微处理器201通过该模块与测控单元所在间隔的其它智能电子设备通信，该模块可以使用201模块MC68EN360的SCC2串行通信口，配置成RS485串行通信接口；以太网编解码器207，该模块与微处理器连接，该模块完成对以太网发送数据的曼彻斯特编码和以太网接收数据的曼彻斯特解码，同时提供以太网的收发时钟，该模块可以使用LXT901A芯片；以太网的隔离变压器208，以太网编解码器207连接，该模块提供以太网信号的电气隔离和传输阻抗的匹配功能，该模块可以使用Fil-Mag23Z356SM和TDK109隔离变压器；以太网的光电转换及收发模块209，该模块与以太网的隔离变压器208连接，该模块将以太网发送数据的电信号转变为光信号并发送到光纤介质，该模块并将从光纤介质接收到的以太网数据的光信号转换为电信号，该模块可以使用ML4669光电转换器、光发送器HP1414、光接收器HP2416；标号为210-1和210-2的两个模块都是LonWorks现场总线控制器，在本方案中采用了双LonWorks网络的冗余设计，所以配置了两个LonWorks现场总线控制器；这两个模块分别通过与标号为211-1和211-2的两个LonWorks收发器模块配合完成对LonWorks网络上信息的接收和发送控制，该模块可以使用两片MC143120E2DW LonWorks现场总线控制器，以Slave B方式与微处理器201模块的MC68EN360接口。该模块作为微处理器201模块的外设，受微处理器201模块的控制，211-1和211-2两个模块都是LonWorks现场总线收发器，微处理器201模块通过该模块与传输介质连接，该模块可以使用两片FTT-10A LonWorks现场总线收发器，通过FTT-10A与双绞线传输介质连接；CAN总线控制器212-1和212-2与微处理器201连接，在本方案中采用了双CAN总线的冗余设计，所以配置了两个CAN现场总线控制器，这两个模块模块可以使用两片MCP2510芯片，以SPI串行方式与201模块的MC68EN360接口，并分别通过与标号为213-1和213-2的CAN总线收发器模块配合完成对CAN总线上信息的接收和发送控制并与传输介质连接，该模块可以使用82C250CAN总线收发器，通过该模块与双绞线传输介质连接。
根据上述通信管理装置，本发明使用嵌入式实时多任务操作系统作为软件开发平台。在该平台上，可以建立多个基于消息的实时性任务，每个任务由消息激活，由操作系统根据任务的优先级完成实时性切换。同时，每个任务之间有相对的独立性，便于任务的扩展。
这个平台的使用，改变了以往单片机编程的串行思维方式，引入了多任务的高级编程概念。这一概念的改变，大大提高了通信管理装置的功能和性能。对于通信管理装置而言，一方面，它信息来源繁多，另一方面，对于信息处理的实时性要求较高，因此可以根据通信管理装置的相应功能建立相应的任务，同时根据消息源实时性要求的高低来确定任务优先级的高低。这样，由消息完成任务的激活，由操作系统完成任务的切换，可以使实时性得到充分的保证。
下面结合实现通信管理装置的程序流程图，进一步描述该装置是如何工作的。
图4是本发明的测控单元管理程序流程图。测控单元管理流程的任务主要是利用通信管理装置完成测控装置的功能，主要包括遥控命令的执行、装置内部的定值管理、间隔内五防操作、实时测量报文的组织等功能。以上功能的实现，一方面由通信管理装置完成相应功能的逻辑判断及分解，另一方面，由通信管理装置协调各智能插件完成分解后的功能。该流程从步骤S401开始进入步骤S402判断是否有遥控命令？如果判断是否定的，程序进入步骤S407，如果判断是肯定的程序进入步骤S403判断是否需要五防判断？如果判断是否定的，程序进入步骤S405填写命令报文，如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S404判断五防判断是否成功？如果该判断是否定的，则程序进入步骤S407，如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S405，然后经过步骤S406置CAN网下发标志进入步骤S407判断是否定值修改？如果判断结果是是否定的，则程序进入步骤S410，如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S408固化定值，然后经过步骤S409通知各智能插件进入步骤S410判断是否需要上送测量报文？如果该判断是否定的，则程序进入步骤S413接收智能插件报文，如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S411填写报文，然后经过步骤S412置以太网、串口发送标志进入步骤S413后到达步骤S414结束。
图5是本发明的以太网信息处理程序流程图。以太网信息处理流程的任务主要是利用通信管理装置完成本间隔与远方调度在以太网上的信息交换与处理。一方面，接收远方调度或变电站层设备通过以太网下发的信息，如果信息是发给本测控单元的，则由通信管理装置协调测控单元内各智能板完成相应操作，如果信息是发给本间隔内其它装置的，则由通信管理装置通过LonWorks网将信息转发至该装置。另一方面，将本间隔内需要上送至远方调度或变电站层设备的有关信息上送至以太网。该流程从步骤S501开始进入步骤S502判断是否有以太网下发的新命令？如果判断是否定的，程序进入步骤S505，如果判断是肯定的程序进入步骤S503判断是否下发给本测控装置的命令？如果判断是否定的，程序进入步骤S504填入LON网发送存储区，置LON网发送标志，进入步骤S506，如果判断结果是肯定的，则程序进入步骤S505填入命令寄存器，在测控管理任务中执行，然后进入步骤S506判断以太网发送标志是否为有效？如果该判断是否定的，则程序进入步骤S508，如果判断结果是肯定的，则程序经过步骤S507将报文区内容发送至以太网，到达步骤S508结束。
图6是本发明的LonWorks网信息处理程序流程图。LonWorks网信息处理流程的任务主要是利用通信管理装置完成测控单元与本间隔内其它装置在LonWorks网上的信息交换与处理。一方面，接收本间隔内其它装置通过LonWorks网上传的信息，由通信管理装置将其转发至以太网，另一方面，通信管理装置将远方发送给其它装置的信息通过LonWorks网下发至该装置。该流程从步骤S601开始进入步骤S602判断是否有LON网上传的新信息？如果判断是否定的，程序进入步骤S604，如果判断是肯定的程序进入步骤S603填入以太网网发送缓冲区，置以太网网发送标志，进入步骤S604判断LON网发送标志是否为有效？如果判断结果是否定的，则程序进入步骤S606，如果判断结果是肯定的，则程序经过步骤S605将报文区内容发送至LON网到达步骤S606结束。
图7是本发明的CAN总线信息处理程序流程图。CAN总线信息处理流程的任务主要是完成通信管理装置与本测控装置之内各智能插件在CAN总线上的信息交换与处理。一方面，接收各智能插件上送的实时测量数据，由通信管理装置进行组织后，上送至远方调度，另一方面，通信管理装置将远方下发的遥控命令进行分解处理后，将相关命令下发至相应智能插件，由该插件完成最后操作。该流程从步骤S701开始进入步骤S702判断是否有CAN网上传的新信息？如果判断是否定的，程序进入步骤S704，如果判断结果是肯定的，程序进入步骤S703填入CAN网接收缓冲区，在测控管理任务中处理，然后进入步骤S704判断CAN网发送标志是否为有效？如果判断结果是否定的，则程序进入步骤S706，如果判断结果是肯定的，则程序经过步骤S705将报文区内容发送至网到达步骤S706结束。
图8是本发明的RS232串行通信接口信息处理程序流程图。RS232串口信息处理流程的任务主要是利用通信管理装置完成本测控装置与智能显示模块之间的信息交换与处理。本测控装置外接一个智能显示模块，用于在当地显示测控装置的实时信息，同时可以由用户在当地完成对测控装置的操作。为保持显示模块的相对独立性，因此，单独占用一个232串口与其通讯。在该任务中，一方面，将装置的实时工作信息上送至显示模块用于实时显示，另一方面，接收用户通过显示模块下发的操作命令，执行相应操作，并回答相应信息。该流程从步骤S801开始进入步骤S802判断是否有面板下发的命令？如果判断是否定的，程序进入步骤S804，如果判断结果是肯定的，程序进入步骤S803填入命令寄存器，在测控管理任务中执行，然后进入步骤S804判断串口发送标志是否为有效？如果判断结果是否定的，则程序进入步骤S806，如果判断结果是肯定的，则程序经过步骤S805将报文区内容发送至以太网到达步骤S806结束。
另外RS485口信息处理流程的任务主要是利用通信管理装置完成测控单元与本间隔内其它装置在RS485上的信息交换与处理。一方面，接收本间隔内其它装置通过RS485上传的信息，由通信管理装置将其转发至以太网，另一方面，通信管理装置将远方发送给其它装置的信息通过RS485下发至该装置，其具体程序流程与图5、图6所述相似，这里不再重复描述。
以上各个任务看似各自独立，其实在整个装置的运行过程中又是相互交织的。例如，就任务1测控装置管理任务而言，当执行遥控命令时，遥控命令的来源是通过任务2或任务6接收而来的，而执行过程是通过任务5协调各智能插件完成的，执行结果信息又是通过任务2或任务6上送的。所以整个通讯管理装置的功能正是通过着6个任务的有机结合才得以完整实现。
Claims (12)
1、一种测控单元通信管理装置，包括一个微处理器，该微处理器(201)执行通信管理装置的主要程序并管理和协调通信管理装置上其它硬件模块；一个非易失存储器FLASH(202)，该模块与微处理器连接，由于该模块具有掉电不丢失数据的特点，所以将管理通信板上的程序和运行报告存储在该模块中；一个随机存取存储器RAM(203)，该模块与微处理器连接，该模块为程序运行提供数据存储空间；一个电可擦可编程只读存储器EEPROM(204)，该模块与微处理器连接，该模块存储通信管理装置的配置信息；两个RS232串行通信接口(205-1,205-2)，微处理器通过这两个RS232接口分别与测控单元的人机接口板(MMI)及调试PC机通信；一个RS485串行通信接口(206)，微处理器通过该模块与测控单元所在间隔的其它智能电子设备通信；一个以太网编解码器(207)，该模块与微处理器连接，该模块完成对以太网发送数据的曼彻斯特编码和以太网接收数据的曼彻斯特解码，同时提供以太网的收发时钟；一个以太网的隔离变压器(208)，与以太网编解码器连接，该模块提供以太网信号的电气隔离和传输阻抗的匹配功能；一个以太网的光电转换及收发模块(209)，该模块与以太网的隔离变压器(208)连接，该模块将以太网发送数据的电信号转变为光信号并发送到光纤介质，该模块并将从光纤介质接收到的以太网数据的光信号转换为电信号；两个LonWorks现场总线控制器(210-1,210-2)，这两个模块分别通过与两个LonWorks收发器(211-1,211-2)模块配合完成对LonWorks网络上信息的接收和发送控制，该模块作为微处理器模块的外设，受微处理器模块的控制，两个模块都是LonWorks现场总线收发器，微处理器模块通过该模块与传输介质连接；两个CAN总线控制器(212-1,212-2)与微处理器连接，这两个模块分别通过两个CAN总线收发器(213-1,213-2)模块配合完成对CAN总线上信息的接收和发送控制并与传输介质连接。
2、根据权利要求1的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的微处理器(201)模块可以使用32位嵌入式微处理器MC68EN360，它的SCC1被配置成10M以太网接口。
3、根据权利要求2的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的非易失存储器FLASH(202)可以使用两片SST公司的FLASH芯片，每片存储容量为512K字节，分别存储程序和报告。
4、根据权利要求3的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的随机存取存储器RAM(203)，可以使用DRAM芯片，存储容量为4M字节，为程序运行提供数据存储空间。
5、根据权利要求4的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的电可擦可编程只读存储器EEPROM(204)可以使用X24645芯片，存储通信管理装置的配置信息。
6、根据权利要求5的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的两个RS232串行通信接口可以使用微处理器(201)模块MC68EN360的SCC3、SCC4两个串行通信口，配置成RS232通信口。
7、根据权利要求6的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的RS485串行通信接口可以使用201模块MC68EN360的SCC2串行通信口，配置成RS485串行通信接口。
8、根据权利要求7的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的以太网编解码器(207)可以使用LXT901A芯片。
9、根据权利要求8的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的以太网的隔离变压器(208)可以使用Fil-Mag 23Z356SM和TDK109隔离变压器。
10、根据权利要求9的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的以太网的光电转换及收发模块(209)，该模块与以太网的隔离变压器(208)连接，该模块将以太网发送数据的电信号转变为光信号并发送到光纤介质，该模块并将从光纤介质接收到的以太网数据的光信号转换为电信号，该模块可以使用ML4669光电转换器、光发送器HP1414、光接收器HP2416。
11、根据权利要求10的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的LonWorks现场总线控制器配置了两个LonWorks现场总线控制器，这两个模块分别通过与两个LonWorks收发器(211-1,211-2)模块配合完成对LonWorks网络上信息的接收和发送控制，该模块可以使用两片MC143120E2DW LonWorks现场总线控制器，以Slave B方式与微处理器(201)模块的MC68EN360接口。
12、根据权利要求10的测控单元通信管理装置，其特征在于：所述的CAN总线控制器(212-1,212-2)与微处理器(201)连接，在本方案中采用了双CAN总线的冗余设计，所以配置了两个CAN现场总线控制器，这两个模块模块可以使用两片MCP2510芯片，以SPI串行方式与201模块的MC68EN360接口，并分别通过与CAN总线收发器模块配合完成对CAN总线上信息的接收和发送控制并与传输介质连该模块可以使用82C250 CAN总线收发器，通过该模块与双绞线传输介质连接。
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