CN202019232U - 变电站综合自动化通信系统装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了变电站综合自动化通信系统装置，装置的CPU主控制外部电路依次分别与系统电源电路、串口通信接口电路、信号驱动电路、硬件看门狗电路、系统硬实时时钟电路、存储器接口电路、以太网接口电路连接，系统电源电路又与串口通信接口电路连接，以太网接口电路又与存储器接口电路连接。具有结构简单，使用方便，通信可靠，高抗干扰，成本低，易于维护，减小了规约的测试时间，效率高的特点，不同的模块之间采用以太网通信，实现了数据的共享，使得单个CPU模块简单并具有高抗干扰能力，同时可以对系统通信的规约进行方便的扩展。在不改动既有的通信系统的情况下做到通信规约的扩展，减少人力，物力浪费，广泛用于电厂和各种变电站。

Description

变电站综合自动化通信系统装置

技术领域

本实用新型涉及当地监控系统或远方调度系统和现场的保护装置、电度表、直流屏和其他智能设置之间的数据交换的一种装置，具体涉及变电站综合自动化通信系统装置。

背景技术

通信规约对变电站综合自动化系统安全且可靠地运行起着极其重要的作用，但由于规约种类繁多，致使众多厂商的产品不能很好的兼容，给通信的双方造成极大困难。为改变这种局势，IEC逐步提出了一系列通信规约技术标准。但由于这些标准的制定周期较长，各方面对该系列标准的理解与应用情况也存在较大差异，导致国内变电站综合自动化系统中不同厂家或同一厂家在不同时期内对同一种通信规约的实现有所不同，从而使变电站综合自动化系统即使接入使用同一通信规约的电力设备存在要修改程序才能实现互操作的缺陷，给现场维护带来极大不便，同时也浪费了大量的人力、物力和财力。

目前国内在通信管理机的开发上主要是采用了在一套硬件上再通过增加软件模块达到更新规约的功能，这样做的缺陷是每一次修改，都要重新编译生成新的下载代码，这样会对整个程序的稳定性和可靠性带来不确定性，原来通过验证过的程序又将面临新的测试和现场检验。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单，使用方便，通信可靠，高抗干扰，成本低，易于维护，减小了规约的测试时间，效率高的变电站综合自动化通信系统装置。

为了克服现有技术的不足，本实用新型的技术方案是这样解决的：一种变电站综合自动化通信系统装置，该装置包括一个CPU主控制外部电路、系统电源电路、串口通信接口电路、信号驱动电路、硬件看门狗电路、系统硬实时时钟电路、以太网接口电路、存储器接口电路，本实用新型的特殊之处在于所述CPU主控制外部电路依次分别与系统电源电路、串口通信接口电路、信号驱动电路、硬件看门狗电路、系统硬实时时钟电路、存储器接口电路、以太网接口电路连接，所述系统电源电路又与串口通信接口电路连接，所述以太网接口电路又与存储器接口电路连接。

所述存储器接口电路包括一个2Mbyte的大容量FLASH存储器。

所述以太网接口电路包括一个ARM芯片和一个RTL8019AS网络驱动芯片与以太网通信。

所述系统硬实时时钟电路包括一个ARM芯片和一个I2C总线及PCF8563实时时钟芯片。

所述硬件看门狗电路包括一个ARM芯片和一个SP706SEN喂狗芯片。

所述包括一个ARM芯片和一个TLP127光电耦合芯片驱动继电器。

所述CPU为32位单片机。

本实用新型与现有技术相比，具有结构简单，使用方便，通信可靠，高抗干扰，成本低，易于维护，减小了规约的测试时间，效率高的特点，本实用新型的技术方案一是采用32位单片机方案，以高性价比的ARM完成通信规约解析、信号输出等功能，不同的模块之间采用以太网通信，实现了数据的共享，使得单个CPU模块简单并具有高抗干扰能力，同时可以对系统通信的规约进行方便的扩展。

二是通过实施本发明方案，可以使变电站综合自动化系统的通信变得更加可靠，在不改动既有的通信系统的情况下做到通信规约的扩展，减少了人力，物力的浪费，广泛用于电厂和各种变电站。

附图说明

图4.1为本实用新型系统结构原理示意框图；

图4.2为电源电路结构原理示意图；

图4.3为主CUP外部电路结构原理示意图；

图4.4为存储器接口电路结构原理示意图；

图4.5为硬件看门狗电路结构原理示意图；

图4.6为以太网接口电路结构原理示意图；

图4.7为系统硬实时时钟电路结构原理示意图；

图4.8为串口通信接口电路结构原理示意图；

图4.9为信号驱动电路结构原理示意图。

具体实施方式

附图为本实用新型的实施例。

下面结合附图对发明内容作进一步说明：

参照图4.1所示，一种变电站综合自动化通信系统装置，该装置包括一个CPU主控制外部电路、系统电源电路、串口通信接口电路、信号驱动电路、硬件看门狗电路、系统硬实时时钟电路、以太网接口电路、存储器接口电路，所述CPU主控制外部电路依次分别与系统电源电路、串口通信接口电路、信号驱动电路、硬件看门狗电路、系统硬实时时钟电路、存储器接口电路、以太网接口电路连接，所述系统电源电路又与串口通信接口电路连接，所述以太网接口电路又与存储器接口电路连接。

所述存储器接口电路包括一个2Mbyte的大容量FLASH存储器。

所述以太网接口电路包括一个ARM芯片和一个RTL8019AS网络驱动芯片与以太网通信。

所述系统硬实时时钟路包括一个ARM芯片和一个I2C总线及PCF8563实时时钟芯片。

所述硬件看门狗电路包括一个ARM芯片和一个SP706SEN喂狗芯片。

所述包括一个ARM芯片和一个TLP127光电耦合芯片驱动继电器。

所述CPU为32位单片机。

图4.2所示为系统电源电路，输入电压是+24V，由外部的开关电源提供，D1为输入电源的反向保护二极管，L1是共轭滤波器，C3和C4为滤波电容。DC/DC是电压转换芯片，输入是+24V，输出是+5V，在+5V电源的输出脚就地放置了滤波电容C8和C9。输出的+5V主要给网络芯片和下面提到的+1.8V和+3.3V电压转换芯片供电。

LD01及LD02分别为NCV1117-1.8、NCV1117-3.3，分别用于将+5V转换为+1.8V和+3.3V电源，驱动功率1W以上，提供ARM的工作电源，其中C2和C10为滤波电容。

图4.3所示为主CPU即ARM部分的原理图，ARM型号为LPC2214，外部晶体CY1为10MHz，在内部6倍频后工作频率为60MHz。ARM外总线16位，数据线D0～D15，地址线A1～A20，通过片选信号/CS0～/CS3分别选择RAM芯片ISL61LV25616(12816)、FLASH芯片SST39VF1601(3201)、预留第二个以太网芯片、以太网驱动芯片RTL8019AS。ARM片内有16Kbyte的RAM及256Kbyte的FLASH存储空间，因此程序存于片内FLASH，可以通过加密手段保护软件知识产权。ARM的异步串口UART0用于装置与外部通信，电气连线为TxD0、RxD0、DE0_485，分别为数据发送、接收、收发控制等；异步串口UART1同样用于与外部通信，电平连线为TxD1、RxD1，DE1_485。这两个串口可以通过跳线选择工作在RS485方式或RS232方式。工作在RS485方式时，控制端Dex_485才是有效地。LED3和LED4是双色发光二极管，分别指示串口1和串口2的通信状态。JTAG1为双20针连接器接口，用于ATM软件调试。

短接跳线J9可以下载程序到ARM内部的FLASH中。正常运行应断开。

图4.4所示为存储器接口电路图，主要是静态RAM芯片ISL61LV25616(12816)和FLASH芯片SST39VF1601(3201)，都是16位数据总线，分别为512Kword及2Mbyte存储空间。其中SST39VF1601具有低32Kbyte数据保护功能，由ARM输出一根保护控制线WP#，在该信号线为低电平时不能写入数据。跳线J10也提供了一种同样的功能，短接J10，FLASH的保护输入管脚为高电平，这是可以对FLASH进行操作，当断开J10时，FLASH的保护输入管脚为低电平，不能对FLASH进行操作，这样就起到了保护数据的功能。因此在正常运行是要断开J10，修改FLASH的数据时短接J10。

RAM地址总线的设计既可用ISL61LV25616，也可用ISL61LV12816；同样FLASH芯片既可用SST39VF1601，也可用SST39VF3201。

图4.5所示为硬件看门狗电路。U2芯片SP706SEN为外部硬件电源监视芯片，具有硬件看门狗的功能。ARM需间隔200ms以内不断地向WDI写入逻辑1和0，即“喂狗”，否则U2芯片SP706SEN延时到后将输出/RESET0的低电平信号，通过/RESET、/TRST1分别去复位ARM和仿真器硬件。J2为屏蔽硬件狗功能跳线块，在ARM下载程序或其它调试时短接J2，通过电阻R49使U2-1脚恒为高电平，使U2-8输出硬件狗复位信号无效。该电路也能够检测+3.3V电压的状态，如果电源电压异常，也能够及时产生复位信号。

图4.6所示为以太网驱动芯片RTL8019AS及相关部分原理图，该芯片工作电源为+5V，由于RTL8019AS工作电源是5V而ARM的I/O电压是3.3V，所以要串接470欧姆的保护电阻和ARM的16位数据总线连接，地址译码线为A1～A5、A22共计6根地址线。该芯片主频晶体CY3为20MHz，可完成10M以太网数据通信，T1型号为HR901170A，内置通信隔离变压器，并自带含RJ45接头。双色发光二极管LED6和LED7为以太网收发数据指示灯，有大的数据流时该信号灯会长期点亮。

图4.7所示为系统硬实时时钟电路的原理图，U4为PCF8563，是一款低成本的实时时钟芯片，CY2为其工作晶体，主频为32.768KHz，该芯片为保证装置掉电后时钟计时不停止，设计了BT1电池部分，采用片式锂电池，装置失电情况下可确保连续工作10年。在装置有电时通过D5(11N4148)使BT1自动退出工作。U4输出中断信号RTC_INT#方便ARM及时读取定时信号。U4通过I2C总线和ARM进行通信，其中SCL和SDA是分别是I2C的同步信号和数据线。

图4.8所示为串口通信接口电路原理图。其中OPT5、OPT7和OPT8是光电耦合器件，两侧的供电电压隔离的，他们之间没有电气的连接，信号通过光进行耦合，这样可以把外部的干扰信号隔离开来，不会对弱点系统产生干扰。U3是MAX232E芯片，它的作用时完成TTL电平和RS232电平的转换，通过DZ1的RXD0和TXD0与外部的设备进行RS232通信。U6是SP485E芯片，完成TTL和RS485电平的转换，通过DZ1的A和B与外部的设备组网进行RS485通信。上面的两种通信方式每次只能选择其中之一，这个可以通过跳线块J6、J7和J8进行选择。当选择RS232通信模式是短接J6、J7和J8的1管脚和2管脚，当选择RS485通信模式是短接J6、J7和J8的3管脚和2管脚。图中DC/DC1是电压转换模块，输入是+5V，输出是隔离后的+5VG，用于给通信芯片提供电源。C1、C6、C11、C15和C31都是滤波电容。

图4.9是信号驱动电路的部分原理图。实际的输出信号分为电笛和电铃。ARM要驱动电铃时，输出信号DO3为低电平，光电耦合器OPT6导通，继电器DLA线圈得电吸合，它的常开接点闭合，驱动外部的电铃继电器动作，电铃发出音响报警。电铃音响的时间可以设置，设置的值保持在FLASH芯片中。

综上所述，印刷电路板工艺采用双层电路板，主要芯片表贴在电路板的顶层元器件面，其它元器件表贴在电路板的底层。为了提高整个系统的可靠性，在印刷路板路的设计过程中，遵循了一些高频电路的设计基本原则。首先要给各个子模块提供高质量的电源，这对整个系统能够稳定可靠的工作至关主要，为了消除低频噪音对系统的影响，在电源进入印刷电路板的位置和靠近各器件的电源的引脚处加上几十到几百微法的电容，以消除电源的噪音。同时为了消除元器件工作时产生的高频噪音，在器件的电源和地之间加上0.1uF左右地电容，可以很好地滤出高频噪声的影响。其次把CPU的输入输出信号中相同类型的，例如数据线、地址线的信号线成组、平行分布，同时注意它们之间的长短差异不要太大，采用这种布线方式，不但可以减少干扰，增加系统的稳定性，还可以使布线变得简单，印刷电路板的外观更美观。同时考虑到实际的运行中电磁环境比较恶劣，对输入输出信号产生比较大的干扰，为了抑制这种干扰，设计时在输入输出电路中增加了光电隔离器件。

ARM芯片外扩了512K字的RAM和2Mbyte的FLASH存储器，可保存事实数据，事故报文、参数配置，网页数据等。ARM外配静态RAM为IS61LV25616，FLASH存储芯片为SST39VF1601等系列芯片。其中SST39VF1601具有低32Kbyte数据保护功能，由ARM输出一根保护控制线/WP；SST39VF 1601存储容量为2Mbyte，同时还设计了高位1Mbyte的保护电路，可跳线选择写保护功能，读不受影响。

系统的通信接口包括了一个以太网接口和两个RS485通信接口，以太网采用成熟的驱动芯片RTL8019AS，集隔离变压器与RJ45接口为一体的HR901170A连接器。串口通信可以通过跳线选择是工作在RS232模式或者RS485模式。增加了系统的通用性。

系统的硬实时时钟采用的是实时时钟芯片PCF8563，它和ARM的通信基于I2C串行总线，最高通信速率可达400KHz，具有速度快，响应及时的特点。系统中设计了一块锂电池，这样可以保证外部失电时正常计时。

在实际的运行中，系统可能会遭到各种各样的干扰，为了保证在干扰的环境中，系统软件可靠运行，设计了单独的外部看门狗电路。主要芯片为SP706SEN。正常工作时ARM会定时喂狗，即输出电平脉冲信号给SP706SEN，如果在规定的时间内看门狗芯片没有收到喂狗信号，则强迫复位ARM芯片，程序自动重新运行，看门狗芯片同时还具有系统电源监视和异常复位功能。

Claims (7)

1.一种变电站综合自动化通信系统装置，该装置包括一个CPU主控制外部电路、系统电源电路、串口通信接口电路、信号驱动电路、硬件看门狗电路、系统硬实时时钟电路、以太网接口电路、存储器接口电路，其特征在于所述CPU主控制外部电路依次分别与系统电源电路、串口通信接口电路、信号驱动电路、硬件看门狗电路、系统硬实时时钟电路、存储器接口电路、以太网接口电路连接，所述系统电源电路又与串口通信接口电路连接，所述以太网接口电路又与存储器接口电路连接。

2.根据权利要求1所述的变电站综合自动化通信系统装置，其特征在于所述存储器接口电路包括一个2Mbyte的大容量FLASH存储器。

3.根据权利要求1所述的变电站综合自动化通信系统装置，其特征在于所述以太网接口电路包括一个ARM芯片和一个RTL8019AS网络驱动芯片与以太网通信。

4.根据权利要求1所述的变电站综合自动化通信系统装置，其特征在于所述系统硬实时时钟电路包括一个ARM芯片和一个I2C总线及PCF8563实时时钟芯片。

5.根据权利要求1所述的变电站综合自动化通信系统装置，其特征在于所述硬件看门狗电路连接有一个ARM芯片和一个SP706SEN喂狗芯片。

6.根据权利要求1所述的变电站综合自动化通信系统装置，其特征在于所述包括一个ARM芯片和一个TLP127光电耦合芯片驱动继电器。

7.根据权利要求1所述的变电站综合自动化通信系统装置，其特征在于所述CPU为32位单片机。

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