CN201504122U - 便携式电力通信规约检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式电力通信规约检测仪，属于电力系统通信检测技术领域。该检测仪包括安置在一便携机箱内含有报文侦听器和并行转串行处理器的采集装置和含有CPU、分析系统、分别与CPU连接的输入器和显示器的分析装置；报文侦听器输入端接入电力通信链路，其输出端并行连接于并行转串行处理器输入端；并行转串行处理器输出端串行连接于CPU，报文侦听器和并行转串行处理器的控制端分别连接CPU。该检测仪可以杜绝检测电力通信时丢失报文，从而对电力通信实现真正有效的检测。

Description

便携式电力通信规约检测仪

技术领域

本发明涉及一种对电力系统通信及其过程进行实时检测的仪器，属于电力系统通信检测技术领域。

背景技术

当前电力系统已普遍采用自动化系统进行监视、控制和调度工作，如能量管理系统EMS、变电站综合自动化系统SCADA等。这些系统的信息来源和控制都依赖网络通信，而且随着基于IEC61850通信体系的数字化变电站的实施和大面积推广，传统的通过电缆连接方式传递测控计量电流电压、断路器和隔离刀闸的控制联闭锁、继电保护跳合闸、启动、闭锁等信号，也已改为通过网络通信方式实现。因此，电力自动化系统的网络通信的正确传送就尤为重要。

通过近几年对电力自动化系统运行缺陷统计分析发现，因网络通信缺陷导致电力自动化系统运行异常呈上升趋势。这是由于：目前电力自动化系统中的各子系统往往采用多个厂家的不同产品，各厂家对通信规约的理解存在不一致，而且出于某些目的对规约进行修改和扩充的现象也非常普遍；各个厂家在通信规约的实现能力上参差不齐，导致在工程现场修改程序的现象比较平凡，使得产品缺乏足够严格的测试过程以保证通信的可靠性。据发明人所知，荷兰的KEMA咨询公司为国际上标准一致性测试权威机构，但其是实验室测试，无法在工程现场进行测试，也不具备系统健壮性测试，同时，其测试用例与工程现场也不完全一致，而且产品还有在工程现场修改的可能，因此，KEMA的测试结果不足以保证通信的可靠性。

现有电力自动化系统在实际运行中的通信故障较多，这些通信故障主要体现在以下几个方面：后台监控事故时动作事件记录不完整，保护测控装置因通信问题引起自复位，通信单元或后台监控功能异常或死机，调度和无人值班集控中心自动化系统收到的数据不全甚至全部丢失，遥测数据异常跃变，遥信数据异常变位，测控装置防误操作联闭锁故障以及计算机网络遭病毒攻击等等。由于这些报文故障是不定期和不可预期出现的，并且缺乏有效的技术手段，目前维护人员往往只能对这些通信故障进行定性分析，因此不利于综合自动化系统的安全运行。

经检索发现，申请号200610098252.8的中国专利《通讯规约记录分析装置及其分析方法》公开了一种分体式通讯规约记录分析装置，该装置的主要技术方案是一个分布式结构，由分配在各个通信节点的通信记录仪和一个分析管理机组成，通信记录仪和分析管理机之间用单独的以太网连接；在规约记录仪中，串口接入模块、以太网接入模块、CAN网接入模块、LONWORK模块、GPS模块的输出端分别与CPU模块的输入端连接，CPU模块的输出端接装置异常输出模块、大容量存储模块的输入端，键盘显示模块与CPU模块相连接；规约记录装置的输出端接规约分析装置的输入端将记录的内容供规约分析管理机分析。

上述通讯规约记录分析装置存在以下问题：

1)该装置的记录仪所述的各接入模块和存储器并行与CPU模块连接，众所周知，CPU是串行工作方式，当多个接入模块同时高速传送报文到CPU模块时会造成报文丢失。同时CPU模块将多个接入模块传送来的报文传送给存储器进行报文存储，而存储器的数据吞吐量远小于接入模块的速率，又会造成存储时的报文丢失。一旦报文丢失，记录存储的报文就不完整，等出了故障后调阅这些不完整的报文进行分析时就会出错，甚至根本找不到报文产生故障的原因，从而无法进一步查找和排除相应的电网故障，进而造成较大的事故。

2)该装置中所述的某些模块(如CAN网接入模块、LONWORK模块等)只有笼统的名词，没有相关的电路图和实现机制，不知道具体结构是什么，本领域技术人员无法依据专利文件进行制作。

3)该装置是分体式固定装置，需要在各输变电站综合自动化系统种布置多台，成本巨大，不便移动和携带。

4)该装置是先记录并存储各报文，等出了故障后再调阅存储的历史报文记录来分析报文故障原因，不能实时在线分析报文，难以快速及时地发现导致事故隐患的网络通信故障并找出故障原因，从而实际上对因隐藏的网络通信存在故障所导致的实时电网故障的排除和避免扩大无所作为。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提出一种真正能对现行电力自动化系统内的所有通信数据进行完整采集和分析的便携式电力通信规约检测仪，该检测仪应当能对电力自动化系统的所有报文进行完整采集并分析确定各报文故障的原因及报文故障的地点，从而方便维护人员及时排除与报文故障相应的电网故障和安全隐患，进而提高电力自动化系统运行的安全稳定性。

本实用新型的技术方案是：一种便携式电力通信规约检测仪，包括安置在一便携机箱内的采集装置和分析装置，所述采集装置含有报文侦听器和并行转串行处理器，所述分析装置含有CPU、分析系统、分别与CPU连接的输入器和显示器；所述报文侦听器的输入端接入电力通信链路，其输出端并行连接于并行转串行处理器的输入端；所述并行转串行处理器的输出端串行连接于CPU，所述报文侦听器和并行转串行处理器的控制端分别连接CPU。

本实用新型的便携式电力通信规约检测仪可以在线实时检测多个待检测的电力通信链路，当发现报文故障后，分析系统可以第一时间发现通信故障原因和地点，为及时排除通信故障提供了可能，从而可以避免事故的进一步扩大，减少通信故障对电网正常运行带来的影响。由于采用并行转串行处理器与各报文侦听器的输出端口并行连接，使得报文输入CPU之前得以缓冲；因此即使侦听的各通信链路报文流量很大，各报文在到达CPU之前也不会存在丢失的可能。同时，由于报文是先经过分析系统进行实时分析后再存储，因此，即使存储速率较慢时丢失部分报文，也不会影响发现和分析报文故障。这样，本实用新型彻底解决了现有通讯规约记录分析装置存在的丢失报文的问题，从而真正实现对电力通信链路报文进行完整有效的分析。

上述技术方案的完善是：所述分析系统含有采集模块、网络分析模块、规约分析模块和调度管理模块。

上述技术方案的进一步完善是：所述并行转串行处理器是FPGA处理器或多个协同工作的单片机。

上述技术方案的更进一步完善之一是：所述报文侦听器是交换机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报文侦听器、串口信号报文侦听器和MODEM载波信号报文侦听器之一，所述报文侦听器的输入端接入串口电力通信链路、交换机通信链路、网络通信链路和载波电力通信链路之一。

上述技术方案的更进一步完善之二是：所述报文侦听器是交换机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报文侦听器、串口信号报文侦听器和MODEM载波信号报文侦听器，该四个报文侦听器的各自输入端分别接入串口电力通信链路、交换机通信链路、网络通信链路和载波电力通信链路。

上述技术方案的再进一步完善是：还包括存储器，所述分析系统还含有记录模块和统计分析模块。这样，在报文经过分析系统分析后对报文进行保存，以便在事故追忆和反演过程中提供宝贵的现场运行信息，可以起到举一反三的作用。这样，可以使分析结果更加直观化，并可以直观地观察到需要在长期监视并形成值序列后才能发现存在问题。

上述技术方案的又进一步完善是：所述FPGA处理器主要含有型号为ALTERA EP3C25Q240的芯片，该芯片通过千兆的以太网口连接CPU；所述串口报文侦听器是分别提供RS485、RS422和RS232三种通信接口的三合一串口报文侦听器；所述MODEM载波信号报文侦听器提供用于侦听一路MODEM通信目标链路的二路MODEM载波接收接口，其二路接收接口分别并接到载波电力通信链路的一对收、发线上；所述CPU是型号为MPC837的嵌入式处理器。

上述技术方案的最后完善是：所述报文侦听器的接口总带宽是400Mbps；所述存储器的写盘速度为640Mbps-800Mbps；所述输入器是键盘、鼠标或触摸屏幕输入器，所述显示器是通用CRT或液晶显示器，所述存储器是通用SSD硬盘。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的便携式电力通信规约检测仪作进一步说明。

图1是本实用新型实施例便携式电力通信规约检测仪的结构框图。

图2是图1中控制系统的结构框图。

图3是图1中FPGA处理器的电路原理图之一。

图4是图1中FPGA处理器的电路原理图之二。

图5是图1中交换机端口镜像信号报文侦听器的电路原理图。

图6是图1中网络信号报文侦听器的电路原理图。

图7是图1中串口信号报文侦听器的电路原理图。

图8是图1中MODEM载波信号报文侦听器的电路原理图之一。

图9是图1中MODEM载波信号报文侦听器的电路原理图之二。

具体实施方式

实施例

本实施例的便携式电力通信规约检测仪如图1和图2所示，包括安置于一手持机箱内的采集装置1和分析装置2。采集装置1含有报文侦听器和并行转串行处理器；其中，报文侦听器由交换机端口镜像信号报文侦听器4、网络信号报文侦听器5、串口信号报文侦听器6和MODEM载波信号报文侦听器7四个报文侦听器构成，并行转串行处理器由FPGA处理器3构成。分析装置含有CPU8、分析系统11、分别与CPU8连接的输入器9和显示器10；其中，CPU8采用嵌入式处理器(型号是MPC8377)，输入器9采用键盘、鼠标或触摸屏幕输入器等，显示器10采用通用CRT或液晶显示器。上述四个报文侦听器的各自输入端分别接入交换机通信链路13、网络通信链路14、串口电力通信链路15和载波电力通信链路16，该四个报文侦听器的各自输出端并行连接于FPGA处理器3的输入端。FPGA处理器3的输出端通过千兆网口串行连接于CPU8，上述四个报文侦听器和FPGA处理器3的各自控制端分别连接CPU8。

由于上述四个报文侦听器的输出端分别并行连接于FPGA处理器3的输入端，四个报文侦听器的输出速率一般是十兆或百兆，FPGA处理器3的千兆网口输出端速率远高于从四个报文侦听器输入的速率，加之四个报文侦听器传输的报文在FPGA处理器经过缓存后输出，因此可以保证四个报文侦听器所采集的所有报文能够完整地传输给CPU8而不会丢失。

如图2所示，分析系统11含有：采集模块17、网络分析模块18、规约分析模块19和调度管理模块20。采集模块17用于从FPGA处理器3读取电力通信链路的报文，网络分析模块18用于对采集的报文进行网络分析，用于对经网络分析后的报文的应用层进行规约分析，用于负责各模块间的调度和管理。

本实施例的便携式电力通信规约检测仪还包括连接CPU8的存储器21，存储器21采用SSD硬盘(solid state disk固态硬盘)。分析系统11还含有记录模块22和统计分析模块23。记录模块22用于将采集模块17读取的报文经过分析系统分析后传送至存储器存储，统计分析模块23用于对网络分析模块18和规约分析模块19的分析结果进行统计分析。

如图3和图4所示，FPGA处理器3主要含有型号为ALTERA EP3C25Q240的芯片U1，该芯片U1内将交换机端口镜像信号报文侦听器4、网络信号报文侦听器5、串口信号报文侦听器6和MODEM载波信号报文侦听器7四个报文侦听器采集到的数据在其内部进行处理后，通过千兆的以太网口传输给CPU8，其中芯片U1的千兆网口是其在内部形成了一个千兆MAC软核。该千兆MAC软核再通过其RGMII接口(93脚到120脚)先连接到芯片U6(型号是VSC8601)的千兆PHY上，在PHY上实现以太网物理层的转换，然后通过第一隔离网络变压器T1和第一双连RJ45接口J1的A端口(如图5所示)与CPU8相连实现物理链路上的连接。

交换机端口镜像信号报文侦听器4如图5所示，外部交换机的镜像端口通过第一双连RJ45插座J1的B端口经第二网络隔离变压器T2连接到芯片U5(型号KS8721BL)的100MPHY上，在芯片U5上实现以太网物理层转换后将接收到的数据以标准的RMI I口传送给FPGA处理器3进行处理。FPGA处理器3在其内部的BANK3上实现一个100M MAC，然后通过RMII口(芯片U1的63-80脚)与芯片U5(如图5所示)的PHY对接。

网络报文侦听器如图6示，第二双连RJ45插座J2的A、B端口分别作为外部网络信号的输入、输出口，A、B两端口在内部实现了物理上的直连，可以保证侦听时不对外部网络的正常通讯造成破坏。外部网络的收发两路信号分别通过第三、第四网络隔离变压器T3、T4分别传送到两个芯片U3和U4(型号KS8721BL)的100M PHY上，在两个芯片U3和U4实现以太网物理层转换后，再通过RMII口传输给FPGA处理器3进行处理。FPGA处理器3在其内部的BANK1和BANK2上实现两个100M MAC，并分别通过RMI I口(芯片U1得4-22脚和38-57脚)与两个PHY芯片U3和U4(如图6示)实现对接。

如图7示，串口报文侦听器6是三合一串口报文侦听器，分别提供RS485、RS422和RS232三种通信接口，其主要功能是实现几种串行数字接口之间电平转化与驱动，并将接收到信号转化成统一TTL电平的UART信号送给FPGA处理器3进行处理。当需要侦听的串口电力通信链路13是RS485通信方式时，外部串口设备的RS485接口的A(RX+)、B(RX-)分别并到芯片U8、U9、U10或U14(型号ADM485AR)的6、7两个引脚上。芯片U8、U9、U10或U14完成RS485电平到TTL电平转换后通过其上引脚1把接收到的数据输出到FPGA处理器3的串口数据接收端(芯片U1的145、139、214、226引脚上)；在RS485侦听模式下，串口报文侦听器6能同时侦听4路RS485串口。当需要侦听的串口电力通信链路13是RS422通信方式时，用两路RS485口去侦听一路外部目标RS422链路。一路RS485连接到外部目标RS422发送链路的Y(TX+)、Z(TX-)两根线上，另一路RS485的连接到RS422接收链路的A(RX+)、B(RX-)两根线上。当需要侦听的串口电力通信链路13是RS232通信方式时，串口报文侦听器6则用两路RS232接收来侦听一路外部目标RS232链路的收发两根线。外部目标RS232链路的接收端或者发送端并接到芯片U11或U12、U13、U15(型号SP3223EEY)的16引脚上，芯片U11或U12、U13、U15完成RS232电平到TTL电平转换后，通过其上15引脚把接收到的数据输出到FPGA处理器3的串口数据接收端(芯片U1的144、142、216、230引脚上)。

MODEM载波信号报文侦听器7如图8和图9所示，MODEM载波信号报文侦听器7提供2路MODEM载波接收接口，可用来侦听一路MODEM通讯的目标链路(载波电力通信链路16)。MODEM载波信号报文侦听器7的两路接收接口分别并接到该目标链路的一对收、发线上。载波模拟信号通过第五、第六隔离变压器T5、BT5耦合输出到调制解调芯片U16、U17(型号MC145503)上进行解调，然后通过芯片U18、U19(型号74HC299)进行串并转换后，并行数据再送到单片机U20、U21(型号STC89c51Rc)上进行解码，解码后的数据通过单片机U20、U21上的各自11脚以TTL电平串行信号方式再传送给FPGA处理器3进行数据处理。

显然，上述本实施例的便携式电力通信规约检测仪可以精简和变化的方案有：1)交换机端口镜像信号报文侦听器4、网络信号报文侦听器5、串口信号报文侦听器6和MODEM载波信号报文侦听器7四个报文侦听器也可以只保留其中之一、之二或之三，或者再增加其他通信方式的报文侦听器；2)FPGA处理器3以及四个报文侦听器的具体电路构成不局限本实施例的电路结构；3)FPGA处理器3的输出端也可以通过PCI总线或其他连接方式与CPU8串行连接；4)存储器21以及记录模块22也可以省去，本实施例的检测仪只进行实时检测分析而不记录；5)FPGA处理器3也可以由多个协同工作的单片机或其他并行转串行处理器代替。

本实用新型的不局限于上述各实施例，凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：包括安置在一便携机箱内的采集装置和分析装置，所述采集装置含有报文侦听器和并行转串行处理器，所述分析装置含有CPU、分析系统、分别与CPU连接的输入器和显示器；所述报文侦听器的输入端接入电力通信链路，其输出端并行连接于并行转串行处理器的输入端；所述并行转串行处理器的输出端串行连接于CPU，所述报文侦听器和并行转串行处理器的控制端分别连接CPU。

2.根据权利要求1所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：所述分析系统含有采集模块、网络分析模块、规约分析模块和调度管理模块。

3.根据权利要求2所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：所述并行转串行处理器是FPGA处理器或多个协同工作的单片机。

4.根据权利要求3所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：所述报文侦听器是交换机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报文侦听器、串口信号报文侦听器和MODEM载波信号报文侦听器之一，所述报文侦听器的输入端接入串口电力通信链路、交换机通信链路、网络通信链路和载波电力通信链路之一。

5.根据权利要求3所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：所述报文侦听器是交换机端口镜像信号报文侦听器、网络信号报文侦听器、串口信号报文侦听器和MODEM载波信号报文侦听器，该四个报文侦听器的各自输入端分别接入串口电力通信链路、交换机通信链路、网络通信链路和载波电力通信链路。

6.根据权利要求5所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：还包括存储器，所述分析系统还含有记录模块和统计分析模块。

7.根据权利要求6所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：所述FPGA处理器主要含有型号为ALTERA EP3C25Q240的芯片，该芯片通过千兆的以太网口连接CPU；所述串口报文侦听器是分别提供RS485、RS422和RS232三种通信接口的三合一串口报文侦听器；所述MODEM载波信号报文侦听器提供用于侦听一路MODEM通信目标链路的二路MODEM载波接收接口，其二路接收接口分别并接到载波电力通信链路的一对收、发线上；所述CPU是型号为MPC837的嵌入式处理器。

8.根据权利要求7所述便携式电力通信规约检测仪，其特征在于：所述报文侦听器的接口总带宽是400Mbps；所述存储器的写盘速度为640Mbps-800Mbps；所述输入器是键盘、鼠标或触摸屏幕输入器，所述显示器是通用CRT或液晶显示器，所述存储器是通用SSD硬盘。

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