CN205751237U - 一种支持iec61850协议的电力***数据采集与传输片上*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,包括数据采集接口,数据处理模块,外设接口和通讯接口。采集接口包括负责模拟信号采集的模数转换器(ADC)AD7656,负责数字信号采集的GPIO口;所述数据处理模块为内嵌了ARM926的FPGA处理器,负责管理数据在ADC,通讯接口间的传输以及数据的规约转换;所述外设接口包括UART、IIC、SPI,负责与外部设备进行通讯。所述的通讯接口包括表示层的AES高级加密,数据链路层的MAC,和物理层的PHY芯片,支持光纤和以太网通讯。该片上***具有体积小,功能扩展性强、通讯方式灵活、支持数字变电站规约通讯的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力通信的技术领域,特别涉及一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***。
背景技术
电力***数据采集是***安全稳定运行的重要环节。继电保护、电能质量监测、扰动分析等等应用都需要有***运行数据的支撑。随着可再生能源的接入、数字化变电站的普及等情况,***对数据采集的精度、速度(实时性)都提出了更高的要求。以数字化变电站为例,***的运行数据(三相电压、电流、开关状态等)数据的需要从电子互感器进行采集,通过站内网络进行传输、接收设备接收或应用设备对数据进行处理,实现监控或发出动作命令,且整个通信过程是建立在IEC61850的通信规范上进行的。通讯的质量影响着变电站多种应用功能的实现,进而影响***的稳定性。目前的采集装置主要作用为从传感器采集数据,但不支持数据的IEC61850规范转换,需要外接规约转换器;同时由于数据处理能力的制约和数据实时性的要求,一般只进行单一的数据采集和传输,不对数据做进一步的处理(如继电保护、电能质量分析等)。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,通过ADC和GPIO口分别对电力***中的模拟量(电压信号,电流信号,气压,风速、风向等)和数字量(开关状态)进行采集,由处理器对数据进行处理和传输,最后将处理结果通过串口或以太网的方式进行传输,可实现电力***运行数据在线监测。该***具有体积小、功能扩展性强、通讯方式灵活、数据处理效率高、成本低的特点。
本实用新型的目的通过下述技术方案实现:
一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,所述片上***集成数据采集接口、数据处理模块、通讯接口、外设接口;
其中,所述数据采集接口包括模拟量采集口ADC与数字量采集口GPIO,实现对数字量和模拟量的采集;
所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA,实现所述片上***数据流控制以及通讯规约转换;
所述通讯接口包括集成在内部的依次连接的表示层的AES高级加密模块、数据链路层的MAC、物理层的PHY芯片以及以太网接口和光纤接口,进行数据的通讯传输;
所述外设接口包括UART、IC、SPI,负责与外部设备进行通讯;
所述数据处理模块分别与所述数据采集接口、通讯接口以及外设接口连接。
进一步地,所述模拟量采集接口采用16位模数转换器AD7656,支持6路模拟信号输入;所述数字采集接口采用32位GPIO口。
进一步地,所述模拟量采集接口采集的模拟量为变电站PT、CT二次侧的电压、电流信号,以及通过气压、风速、风向传感器转换的电信号,通过模拟信号输入口进入AD7656芯片,转换为片上***可处理的数字信号。
进一步地,所述数字采集接口采集的数字量为线路开关状态,与GPIO口连接,ARM芯片通过读取GPIO口电平状态即可获得线路开关状态。
进一步地,所述模数转换器AD7656的采样频率设置为:5k,32k,64k或96k,转换精度为16位,其数据传输方式设置为MCU传输或DMA方式传输。
进一步地,所述数据处理模块为内嵌32位的ARM926的FPGA,负责数据在采集接口、数据处理模块、外设接口及通讯接口之间的传输,以及对所采集信号进行规约转换,将数据打包成符合IEC61850协议,串口103协议、以太网103协议的数据包,支持数字变电站的通讯。
进一步地,所述ARM926的FPGA的芯片程序在Keil4开发环境下编写,包括:AD采集转换程序、规约转换程序、以太网发送程序、串口发送程序,其中AD转换支持MCU或DMA方式,规约转换程序按照IEC61850-9-2标准进行开发。
进一步地,所述规约转换程序实现将数据转换成符合IEC61850协议标准的数据包,电压、电流量以SV报文形式进行打包,线路开关量以GOOSE报文的形式进行打包;同时根据以太网103协议,串口103协议对数据包进行打包以供以太网、串口通讯。
进一步地,所述高级加密解密AES模块用于对传输和接收数据进行加解密,保证通讯安全;
所述PHY芯片为DP83849芯片;
所述以太网接口为以太网通讯接口RJ45-100,所述光纤接口为10Mbps/100Mbps的光纤通信接口HFBR-5803,所述以太网接口和光纤接口实现与外部的数字化变电站主站的接收、解析设备进行通讯。
进一步地,所述UART接口支持RS232物理接口和/或RS485物理接口,所述SPI接口和IIC接口为扩展功能接口,三者均可作为通讯与功能调试接口。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果:
1)本实用新型支持IEC61850数字化变电站通讯规范,无需外接规约转换器。
2)本实用新型支持10Mbps/100Mbps的光纤通信,提高了传输效率,为继电保护等对实时性要求高的应用提供了硬件基础。
3)本实用新型体积小,成本低,功耗小,易于安装,有丰富的外设接口,易于调试与维护。
附图说明
图1是本实用新型公开的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***整体结构图;
图2是模数转换芯片AD7656以及其中的模拟信号电压输入范围设置示意图;
图3是PHY芯片DP83849结构图;
图4为ARM926的数据控制和规约转换流程图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
实施例
如图1所示为一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***整体结构图,本实施例公开了一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,所述片上***集成了数据采集接口,数据处理模块,通讯接口。所述数据采集接口包括模拟量采集口ADC与数字量采集口GPIO,负责对数字量和模拟量的采集;所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA,负责所述片上***数据流控制以及通讯规约转换;所述通讯接口包括集成在内部的表示层的AES高级加密模块、数据链路层的MAC、物理层的PHY芯片以及以太网接口和光纤接口,进行数据的通讯传输。所述外设接口包括UART、IC、SPI,负责与外部设备进行通讯。
上述模拟量采集接口采用了16位模数转换器AD7656,支持6路模拟信号输入;数字采集接口采用了32位GPIO口。
所述模拟量采集接口采集的模拟量主要为变电站PT、CT二次侧的电压、电流信号,以及通过气压、风速、风向等各类传感器转换的电信号。通过模拟信号输入口进入AD7656芯片,转换为***可处理的数字信号。具体模数转换芯片AD7656的结构框图如附图2所示。所述数字采集接口采集的数字量主要为线路开关状态,与GPIO口连接,ARM芯片通过读取GPIO口电平状态即可获得线路开关状态。其中,AD转换芯片AD7656的采样频率可设置为:5k,32k,64k,96k,转换精度为16位。对于继电保护等实时性要求较高的应用场景,ADC的数据传输方式设置为MCU传输,对于电能质量检测等实时性要求不高的应用场景,为节省硬件资源,ADC的传输方式设置为DMA方式传输,可设置阈值为16、32、64、128字节。
ADC模块组件AD7656的工作过程如下:MCU传输方式下,将ADC模块进行初始化,包括将工作模式设置为MCU控制模式,对储存数据的区域进行清零操作,ADC开始读取及转换模拟量时,ARM芯片直接将ADC数据接收寄存器(Received Data Register,RDR)读取到的16位数据写入储存区域;DMA传输方式下,将ADC模块进行初始化,包括将工作模式设置为DMA控制模式(同时设置FIFO储存器的触发值),再对DMA进行初始化,包括设置DMA的读取数据的源地址为RDR,和传输目标地址(SRAM中的0x0005000)等,ADC开始读取及转换模拟量时,DMA控制器便开始将RDR中的数据传输到FIFO中,当数据量达到阈值时便将FIFO中的数据写入目标地址。
上述数据处理模块采用了XILINX公司的XCKU040-FFVA1156ACY1509型号的FPGA,内嵌32位的ARM926处理器,负责数据在采集口,处理模块,外设接口及通讯接口之间的传输,具体过程如附图4所示,以及对所采集信号进行规约转换,将数据打包成符合IEC61850协议,串口103协议、以太网103协议的数据包,支持数字变电站的通讯。
上述ARM926的FPGA芯片程序在Keil4开发环境下编写,包括:AD采集转换程序,规约转换程序,以太网发送程序,串口发送程序。其中AD转换支持MCU,DMA方式,规约转换程序按照IEC61850-9-2标准进行开发。
上述规约转换程序可将数据转换成符合IEC61850协议标准的数据包,该标准是是电力***自动化领域唯一的全球通用标准,电压、电流量以SV报文形式进行打包,线路开关量以GOOSE报文的形式进行打包。同时根据以太网103协议,串口103协议对数据包进行打包以供以太网、串口通讯。
上述通讯接口包括:表示层的高级加密解密AES模块,负责对传输和接收数据进行加解密,保证通讯安全;数据链路层的MAC;物理层的PHY芯片DP83849;以太网通讯接口RJ45-100和10Mbps/100Mbps的光纤通信接口HFBR-5803。与外部设备(如数字化变电站主站的接收、解析设备)进行通讯。具体PHY芯片DP83849结构图如附图3所示。
上述外设接口包括UART接口、SPI接口、以及IIC接口;上述UART接口支持RS232物理接口和/或RS485物理接口,用于接收发送IEC103规约数据;上述SPI接口和IIC接口为扩展功能接口,用于连接外部的设备。
上述公开的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***的正常工作步骤如下:
S1、在数据来源处安装该片上***。将变电站电压互感器二次侧的电压信号,电流互感器二次侧电流,风速(向)传感器的电压信号,气压传感器的电压信号转换到模拟电压输入范围(+/-10V或+/-5V)内,接到模拟量采集接口的6路通道(图2中的AD_V1~AD_V6)。通过以太网接口和/或光纤接口将所述片上***与以太网或者光纤网互相连接。通过电源模块给芯片供电。
S2、给数据处理模块的ARM926处理器下载相应的程序,以进行AD采集、芯片内数据流控制,和数据的IEC61850协议打包和以太网发送,具体过程如图4中的程序框图所示;开启片上***,进行采集传输。
S3、将接收设备(可为同样的片上***,PC机等)接入以太网中,下载相应的解析程序,实现对所接受数据包的解析。
S4、将接收设备与显示设备连接,可将采集到的电流、电压、风向(速)、气压、等数据实时显示出来。
综上所述,本实施例提供的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***集成了丰富的模拟信号、数字信号采集接口,有线外设接口和数据通讯接口,以及高效的数据处理器。可实现对***运行数据,如数字化变电站的智能化一次设备的信号采集,并且将数据打包为支持IEC61850、以太网103、串口103通讯协议的格式,通过以太网、光纤通信进行通信。集成度高,体积小,易于安装调试,支持数字化变电站通讯规范,无需外接规约转换器,降低成本。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,所述片上***集成数据采集接口、数据处理模块、通讯接口、外设接口;
其中,所述数据采集接口包括模拟量采集口ADC与数字量采集口GPIO,实现对数字量和模拟量的采集;
所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA,实现所述片上***数据流控制以及通讯规约转换;
所述通讯接口包括集成在内部的依次连接的表示层的AES高级加密模块、数据链路层的MAC、物理层的PHY芯片以及以太网接口和光纤接口,进行数据的通讯传输;
所述外设接口包括UART、IC、SPI,负责与外部设备进行通讯以及***功能调试;
所述数据处理模块分别与所述数据采集接口、通讯接口以及外设接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,所述模拟量采集接口采用16位模数转换器AD7656,支持6路模拟信号输入;所述数字采集接口采用32位GPIO口。
3.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,所述模拟量采集接口采集的模拟量为变电站PT、CT二次侧的电压、电流信号,以及通过气压、风速、风向传感器转换的电信号,通过模拟信号输入口进入AD7656芯片,转换为片上***可处理的数字信号。
4.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,所述数字采集接口采集的数字量为线路开关状态,与GPIO口连接,ARM芯片通过读取GPIO口电平状态即可获得线路开关状态。
5.根据权利要求2所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,所述模数转换器AD7656的采样频率设置为:5k,32k,64k或96k,转换精度为16位,其数据传输方式设置为MCU传输或DMA方式传输。
6.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,所述数据处理模块为内嵌32位的ARM926的FPGA,负责数据在采集接口、数据处理模块、外设接口及通讯接口之间的传输,以及对所采集信号进行规约转换,将数据打包成符合IEC61850协议,串口103协议、以太网103协议的数据包,支持数字变电站的通讯。
7.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,所述ARM926的FPGA的芯片程序在Keil4开发环境下编写,包括:AD采集转换程序、规约转换程序、以太网发送程序、串口发送程序,其中AD转换支持MCU或DMA方式,规约转换程序按照IEC61850-9-2标准进行开发。
8.根据权利要求7所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,
所述规约转换程序实现将数据转换成符合IEC61850协议标准的数据包,电压、电流量以SV报文形式进行打包,线路开关量以GOOSE报文的形式进行打包;同时根据以太网103协议,串口103协议对数据包进行打包以供以太网、串口通讯。
9.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,
所述高级加密解密AES模块用于对传输和接收数据进行加解密,保证通讯安全;
所述PHY芯片为DP83849芯片;
所述以太网接口为以太网通讯接口RJ45-100,所述光纤接口为10Mbps/100Mbps的光纤通信接口HFBR-5803,所述以太网接口和光纤接口实现与外部的数字化变电站主站的接收、解析设备进行通讯。
10.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力***数据采集与传输片上***,其特征在于,
所述UART接口支持RS232物理接口和/或RS485物理接口,所述SPI接口和IIC接口为扩展功能接口,三者均可作为通讯与功能调试接口。
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CN105869385A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-08-17 | 华南理工大学 | 一种支持iec61850协议的电力***数据采集与传输片上*** |
CN106617280A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-05-10 | 浙江中烟工业有限责任公司 | 一种win2***的卷烟机组的数据信息获取方法 |
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