一种支持iec61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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。该片上系统具有体积小，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。
【专利说明】
一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及电力通信的技术领域，特别涉及一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统。
【背景技术】
[0002]电力系统数据采集是系统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系统运行数据的支撑。随着可再生能源的接入、数字化变电站的普及等情况，系统对数据采集的精度、速度(实时性)都提出了更高的要求。以数字化变电站为例，系统的运行数据(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，进而影响系统的稳定性。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)。
【发明内容】
[0003]本发明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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，通过ADC和GP1 口分别对电力系统中的模拟量(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，可实现电力系统运行数据在线监测。该系统具有体积小、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。
[0004]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0005]—种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，所述片上系统集成数据采集接口、数据处理模块、通讯接口、外设接口 ；
[0006]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GP1，实现对数字量和模拟量的采集；
[0007]所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA，实现所述片上系统数据流控制以及通讯规约转换；
[0008]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；
[0009]所述外设接口包括UART、IC、SPI，负责与外部设备进行通讯；
[0010]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。
[0011 ]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GP1 口。
[0012]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，转换为片上系统可处理的数字信号。
[0013]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GP1口连接，ARM芯片通过读取GP1 口电平状态即可获得线路开关状态。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]进一步地，所述ARM926的FPGA的芯片程序在Kei 14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。
[0017]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。
[0018]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；
[0019]所述PHY芯片为DP83849芯片；
[0020]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。
[0021]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。
[0022]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0023]I)本发明支持IEC61850数字化变电站通讯规范，无需外接规约转换器。
[0024]2)本发明支持lOMbps/lOOMbps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。
[0025]3)本发明体积小，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】
[0026]图1是本发明公开的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统整体结构图；
[0027]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；
[0028]图3是PHY芯片DP83849结构图；
[0029]图4为ARM926的数据控制和规约转换流程图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明的目的、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发明进一步详细说明。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。
[0031 ] 实施例
[0032]如图1所示为一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统整体结构图，本实施例公开了一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，所述片上系统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GP10，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，负责所述片上系统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1^1^、1(:、3?1，负责与外部设备进行通讯。
[0033]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GP1 口。
[0034]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，转换为系统可处理的数字信号。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GP1 口连接，ARM芯片通过读取GP1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。
[0035]ADC模块组件AD7656的工作过程如下:M⑶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。
[0036]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。
[0037]上述ARM926的FPGA芯片程序在Kei 14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。
[0038]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，该标准是是电力系统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。
[0039]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lOMbps/lOOMbps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。
[0040]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。
[0041 ]上述公开的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统的正常工作步骤如下:
[0042]S1、在数据来源处安装该片上系统。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(+/-1OV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系统与以太网或者光纤网互相连接。通过电源模块给芯片供电。
[0043]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;开启片上系统，进行采集传输。
[0044]S3、将接收设备(可为同样的片上系统，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。
[0045]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。
[0046]综上所述，本实施例提供的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统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。可实现对系统运行数据，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。
[0047]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述片上系统集成数据采集接口、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 GP1，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，实现所述片上系统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1^奶、1(:、3?1，负责与外部设备进行通讯以及系统功能调试； 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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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GP1 口。3.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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，转换为片上系统可处理的数字信号。4.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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GP1 口连接，ARM芯片通过读取GP1 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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述ARM926的FPGA的芯片程序在Kei 14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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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 RJ45-1OO，所述光纤接口为I OMbps/1 OOMbps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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，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。
【文档编号】G08C23/06GK105869385SQ201610327007
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】李梦诗, 谢昭群, 王颖凯, 夏候凯顺, 吴青华
【申请人】华南理工大学