專利名稱：電力系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)中專用通信管理機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種電力系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)中專用設(shè)備，屬于電力系統(tǒng)自動化管理設(shè)備制造的技術(shù)領(lǐng)域。
目前，RS485串行總線在大部分變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)被應(yīng)用，它們使用一個主站(Host)對多個從站(Slave)的通信方式，實現(xiàn)起來硬件電路比較簡單，但是在實踐應(yīng)用中存在以下缺陷1、只能有一個主站，無法實現(xiàn)多主站信息互為備份的冗余設(shè)計；2、從站無法主動上傳重要信息，實時性較差；3、各從站之間無法直接通信，只能通過主站中繼才能相互通信；4、對較小規(guī)模的系統(tǒng)實時性可以得到保證，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，系統(tǒng)的實時性能將會急劇降低；5、抗干擾及糾錯能力較差，一般只適合在控制室內(nèi)部使用，不能用于開關(guān)場合或開關(guān)間隔內(nèi)，即不太適用于分散安裝的變電站自動化系統(tǒng)。
目前也有一些變電站系統(tǒng)配備了以太網(wǎng)通信總線作為變電站內(nèi)部通信的總線，以太網(wǎng)通信總線具有BTR高的特點，但是由于以太網(wǎng)技術(shù)本身采用CSMA/CD技術(shù)存在實時性不高的問題，而變電站系統(tǒng)是對實時性要求很高的系統(tǒng)，因此以太網(wǎng)技術(shù)在變電站自動化中的應(yīng)用受到一定的限制。由于目前變電站自動化系統(tǒng)中通信存在的這些問題，導(dǎo)致變電站內(nèi)部的通信可靠性降低、實時性不高，因此我們有必要在變電站系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置專用的裝置負責整個變電站的通信，
主控板CPU核心控制模塊中的中央處理器U1的“RXD1、TXD1”端對應(yīng)接備用串口擴展模塊中擴展電路U9的“RXD1、TXD1”端，擴展電路U9中的“232T、232R”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊中接口JPLCD1的“232T、232R”端，CAN總線接口控制模塊中U10的“SELECT BUS、RW BUS”端對應(yīng)接CPLD擴展模塊中U2的“SELECT BUS、RW BUS”端，CAN總線接口控制模塊中U11的“CANLU、CANHU”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊中接口電路“JPCOM1”中的“CANLU、CANHU”端，CAN總線接口控制模塊中U7的“CANLD、CANHD”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊中接口電路“JPCOM1”中的“CANLD、CANHD”端。3、有益效果(1)提高了變電站自動化系統(tǒng)監(jiān)控的實時性。主要原因為在變電站自動化系統(tǒng)中引入通信管理機裝置專門負責變電站內(nèi)部以及外部的通信，減輕了后臺監(jiān)控主機的負擔，可以把更多的時間放到后臺界面刷新工作、以及數(shù)據(jù)處理等任務(wù)上去。(2)增加了變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)部通信的可靠性，實時性。在通信管理機內(nèi)部采用現(xiàn)場總線CAN總線作為通信總線，突出的優(yōu)點如下由于CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾率低，具有極好的檢錯效果；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁的時間；這些CAN總線的特性增加了CAN總線通信的可靠性。
單主方式下通信規(guī)約里，規(guī)定后臺主機作為總線上的主節(jié)點，保護裝置只有等到后臺召喚到該保護裝置時，保護裝置才上傳該相應(yīng)報文，如此降低了系統(tǒng)的實時性。由于CAN總線具有多主通信工作方式，保護裝置可以主動發(fā)送報文，當保護裝置有動作事件、定值改變、開關(guān)量變化等事件時，可立即上傳該報文，增加了系統(tǒng)的實時性。同時可以把總線上的各節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時性要求；在大部分變電站自動化系統(tǒng)中，后臺主機通過MODEM連接到公用電話網(wǎng)上實現(xiàn)遠程通信，這種連接方式存在缺點是由于PC機的實時性、可靠性不高，導(dǎo)致調(diào)度中心不能及時的了解無人值守變電站的運行情況；同時增加了后臺監(jiān)控主機的負擔。因此，把遠程調(diào)度功能由通信管理機完成，通過工業(yè)MODEM連接到公用電話網(wǎng)中實現(xiàn)載波通信。(3)具有掉電恢復(fù)運行狀態(tài)的功能，提高了系統(tǒng)的可靠性通信管理機具有掉電記憶功能，由于通信管理機內(nèi)部把接受的數(shù)據(jù)、需要發(fā)送的數(shù)據(jù)以及管理機當前運行的狀態(tài)都保存在非易失數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)，即使管理機掉電，在從新上電之后非易失數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)還在，可以恢復(fù)掉電前的狀態(tài)以及數(shù)據(jù)，不至于因為掉電丟失數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)的可靠性。
圖2是本發(fā)明的基于CAN總線帶通信管理機變電站綜合自動化分層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的通信管理機裝置的總體結(jié)構(gòu)框圖。其中有通信機裝置母板1、通信管理機主控板2、顯示及鍵盤模塊3。
圖4是本發(fā)明的通信管理機主控板結(jié)構(gòu)框圖。其中有主控板CPU核心控制模塊21、備用串口擴展模塊22、CPLD擴展模塊23、工業(yè)Modem通信控制模塊24、CAN總線接口控制模塊25、程序存儲器26、數(shù)據(jù)存儲器27、主控板信號線接口模塊28。
圖5是本發(fā)明的CPLD模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。
圖6是本發(fā)明的通信管理機主控板電原理圖。
圖7是本發(fā)明通信機裝置母板1及顯示及鍵盤模塊3的電原理圖。
圖8是本發(fā)明的CPLD內(nèi)部地址鎖存模塊的電原理圖。
圖9是本發(fā)明的CPLD內(nèi)部地址移碼以及I\O擴展模塊的電原理圖。


圖10是本發(fā)明的CPLD內(nèi)部鍵盤中斷脈沖信號的產(chǎn)生模塊電原理圖。
為了克服目前變電站通信系統(tǒng)存在的一些問題，我們設(shè)計的變電站系統(tǒng)采用了新的結(jié)構(gòu)(如圖2)，在后臺主機以及保護裝置之間增加了通信管理機用于負責管理整個電站內(nèi)部的通信；采用現(xiàn)場總線CAN作為變電站內(nèi)部的通信總線；引人了工業(yè)MODEM通過公用或?qū)Ｓ秒娫捑W(wǎng)實現(xiàn)載波通信。大大的增加了變電站自動化系統(tǒng)的可靠性、實時性、靈活性。
通信管理機的主控板的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，通信管理機配備的通信接口有1、接到變電站內(nèi)部站級CAN網(wǎng)絡(luò)上的總線接口，該CAN總線接口實現(xiàn)通信管理機和后臺監(jiān)控主機之間的通信；2、接到變電站內(nèi)部現(xiàn)場級CAN網(wǎng)絡(luò)上的總線接口，該CAN總線接口實現(xiàn)通信管理機和保護裝置之間的通信；3、備用RS232/RS485串行通信接口，該串口可以作為外部調(diào)試串口，也可以作為電度表讀串口；4、遠程載波通信接口，通過該通信接口把變電站連接到公用電話網(wǎng)上，實現(xiàn)變電站自動化系統(tǒng)的調(diào)度功能；通信管理機配備的其他資源有5、大屏幕液晶顯示，顯示通信管理機的運行狀態(tài)；6、鍵盤輸入可以設(shè)置通信管理機的運行參數(shù)；7、GPS時鐘脈沖信號接到通信管理機用于對管理機的精確校時；整個裝置主要分三個模塊裝置母板、液晶顯示以及鍵盤、通信管理機主控板(裝置的總結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示)，下面我們分別介紹這三個模塊的硬件組成。
(一)、裝置母板模塊母板是裝置各子模塊的信號的連接電路板，其他的模塊板都是插在母板上的，這種結(jié)構(gòu)下裝置的抗干擾的能力比較強，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)固，裝卸比較方便。詳細的電路圖在附圖5中給出。
(二)、人機接口板模塊人機接口板的電路圖如附圖5所示。它提供了和液晶顯示模塊T6963C的接口端子JP1，主控制板提供給該端子的信號有8位數(shù)據(jù)總線D0~D7；復(fù)位信號LCDRST；讀寫控制信號WR、RD；指令數(shù)據(jù)通道選擇信號A0；液晶控制的片選信號LCD；供電電壓+5和GND；以及用于液晶背光控制的負壓Vo。該電路板還提供和母板的控制信號聯(lián)系的接口端子JP_CPU1。其提供的信號除了上述之外還有控制LED燈亮滅的信號L1~L7，串口通信信號232R、232T。裝置的運行標志燈LED1~7用以顯示裝置正常，報警，動作，供電情況等狀態(tài)，同時在顯示面板上提供了對通信管理機的調(diào)試串口。
(三)、通信管理機主控制板通信管理機的主控制板是整個通信管理機的核心和靈魂。其硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成框圖如圖3所示，主要由以下幾個模塊構(gòu)成。
(1)CPU模塊80C320；(2)程序存儲器以及非易失性數(shù)據(jù)存儲和實時時鐘模塊；(3)CPLD信號綜合處理模塊；(4)變電站層級CAN網(wǎng)絡(luò)的通信接口以及現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)CAN網(wǎng)絡(luò)的通信接口；(5)備用串口單元；(6)液晶接口、通信接口以及工業(yè)MODEM接口；下面按功能分別介紹主控板上的各個模塊。
1、CPU核心控制模塊CPU核心控制模塊的電路圖如附圖6所示，據(jù)變電站自動化數(shù)據(jù)通信的要求，這里選用了DALLAS公司的8位高性能嵌入式微處理器DS80C320作為通信管理機的CPU。DS80c320的執(zhí)行速度快，允許的最大晶振頻率是33MHz，采用了單循環(huán)周期指令，相同的晶振下，執(zhí)行速度一般為MCS51的2.5倍，DS80C320提供了14個中斷，其中6個外部中斷，能夠滿足中斷的需求，同時提高了通信管理機的實時性；DS80C320提供了2個串口。
裝置采用了有源晶振，通過CPU_CLK給CPU提供時鐘脈沖。因為所用的工業(yè)MODEM波特率為2400Kbps，因此選用晶振頻率為11.0592MHZ。
CPU提供的2個串口，我們把一個串口的信號線RXD1、TRD1通過Max232芯片提供備用的RS232串行通訊口，另一個串口的信號線RXD、TRD以及2個IO口DTR、DCD和工業(yè)MODEM相連實現(xiàn)載波通信。
X5043是硬件看門狗電路，當裝置軟件故障時可保證軟件可靠復(fù)位，其控制信號WDT、SO、SI、SCK通過CPU控制。
同時CPU可以有4個外部中斷信號線SDINT、SUINT、KINT、S_INT。SDINT作為通信管理機連接到現(xiàn)場級CAN網(wǎng)絡(luò)上的CAN總線控制器的中斷信號線；SUINT作為通信管理機連接到變電站級CAN網(wǎng)絡(luò)上的CAN總線控制器的中斷信號線；一KINT作為面板上8個按鍵中有一個按鍵按下去產(chǎn)生的中斷信號，這根中斷信號線是有CPLD提供的；S_INT是作為GPS精確校時的中斷信號，該中斷信號線要求通信管理機立即進行精確校時，這種時方法可以精確到ms級。
2、CPLD擴展模塊CPLD芯片內(nèi)部以可編程的宏邏輯單元為基礎(chǔ)，可編程的連線集中在一個全局布線區(qū)。它可以允許使用大規(guī)?？删幊踢壿嬓酒娲鷤鹘y(tǒng)的74LS系列和小規(guī)模GAL邏輯，從而在系統(tǒng)的接口有特殊要求的情況下，只要更改邏輯文件即可滿足用戶要求，使系統(tǒng)靈活方便，而且縮短了開發(fā)周期。本系統(tǒng)中采用XILINX公司生產(chǎn)的型號為XC9572的CPLD，CLPD模塊的主要功能有如下3個方面(CPLD模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如7所示)①地址的鎖存，由于80c320的低8位地址線和高8位地址線的公用，通過地址鎖存信號線ALE把8位地址線鎖存起來(如圖8所示)。
②地址譯碼電路以及IO口的擴展。產(chǎn)生的片選信號有(如圖9所示)實時時鐘芯片1644片選信號1644、連接到現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)中CAN控制器的片選信號SJAD、連接到站級網(wǎng)絡(luò)中CAN控制器的片選信號SJAU、液晶的片選信號LCD。擴展的I/O有對液晶顯示屏的復(fù)位信號LCDRST、控制人機界面的上的燈信號LIGHT1、LIGHT2、LIGHT3等。
③電平信號的轉(zhuǎn)變(如圖10所示)，由于80C320的外部中斷信號是電平中斷，為了防止鍵盤中斷(為電平信號)重復(fù)產(chǎn)生，必須設(shè)計成如果有一個按鍵按下后，必須在S_INT中斷信號線上產(chǎn)生中斷電平，而中斷程序退出時，S_INT中斷信號線上的電平無效。
3、存儲器模塊由于采用的CPU(80c320)內(nèi)部沒有程序存儲器，因此主控板上設(shè)計有外置程序存儲器電路圖如圖6所示)，通過電路圖中的跳線S2，S3選擇是選用EPROM27C256還是EEPROM28C256；如果采用內(nèi)部帶有FLASH(閃爍存儲器)的CPU，那么可以通過跳線S1來選擇。管理機選擇了非易失性數(shù)據(jù)存儲和實時時鐘芯片1644，該芯片內(nèi)有32K的掉電保持RAM以及精確到秒的實時時鐘，通過對非易失RAM的使用，增加了系統(tǒng)的可靠性。
4、CAN總線接口控制模塊變電站內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)可以分為兩層，后臺監(jiān)控主機和通信管理機屬于站級通信網(wǎng)絡(luò)；通信管理機以及保護裝置屬于現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)，通信管理機通過CAN控制器以及CAN收發(fā)器連接到CAN網(wǎng)絡(luò)上。管理機選用的CAN控制器為SJA1000以及CAN收發(fā)器82C250(電路圖如圖6所示)。
CAN控制器SJA1000芯片主要由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和與微處理器接口部分電路組成，可完成CAN總線協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，支持CAN2.0A協(xié)議及CAN2.0B協(xié)議，具有BasicCan以及PeliCan兩種工作模式；SJA1000內(nèi)部提供了128個寄存器，CPU通過8位地址線訪問SJA1000內(nèi)部的寄存器；接受緩沖區(qū)提供了64字節(jié)的FIFO，CAN總線上通過接受過濾器的數(shù)據(jù)首先被放到接受緩沖區(qū)中，接受寄存器作為接受緩沖區(qū)的映射寄存器，當接受寄存器中為空時，接受緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)會填充到接受寄存器中；為了增強錯誤處理功能，內(nèi)部提供了特殊功能寄存器，仲裁丟失捕捉寄存器存有關(guān)于丟失仲裁位的位置信息，出錯碼捕捉寄存器存儲總線上出現(xiàn)錯誤的類型和位置信息。
CAN收發(fā)器82C50是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，提供了對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。
5、備用串口擴展模塊通信管理機提供了RS232備用串口，該串口通過面板連接出去可以作為調(diào)試串口。通過MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平信號，TTL電平的信號為來自CPU的RX1，TX1，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后的信號線為232T，232R，詳見電路原理圖6。
6、液晶顯示接口、通信接口以及工業(yè)MODEM接口通信管理機通過三個端口分別連接到面板上、工業(yè)MODEM、通信接口(如圖6所示)。
通過JP_LCD1端子連接到面板上，其中包括和面板上液晶顯示相關(guān)的信號線、面板上鍵盤相關(guān)的信號線、面板上顯示燈相關(guān)的信號線、以及面板上自帶備用調(diào)試串口相關(guān)的信號線。
通過JP_COM1插座連接到通信接口，包括站級CAN網(wǎng)絡(luò)的通信通道出口CANHU信號線、CANLU信號線；現(xiàn)場級CAN網(wǎng)絡(luò)的通信通道出口CANHD信號線、CANLD信號線；備用RS232串口通信通道232T，232R；公用電話網(wǎng)載波通信線INLINE1、INLINE2、ONLINE1、ONLINE2
通過JP_MOD1插座把工業(yè)MODEM連接到主控板上實現(xiàn)遠程通信，管理機選用了南京先創(chuàng)電子有限公司生產(chǎn)的XCM-2400bps智能工業(yè)MODEM。該工業(yè)MODEM的主要特點如下功耗低、提供信號指示、自動應(yīng)答或手動應(yīng)答。工業(yè)MODEM和主控板之間的接口信號線主要有5V電源；數(shù)據(jù)傳輸線(TxD、RxD)；控制信號線(載波偵測信號線DCD、數(shù)據(jù)終端準備信號線DTR)，數(shù)據(jù)終端準備信號DTR作為工業(yè)MODEM的控制開關(guān)，DTR置高電平禁止MODEM工作、初始化MODEM時，首先必須把DTR置低電平。通過檢測載波偵測信號線DCD作為判斷工業(yè)MODEM是否處已經(jīng)建立載波鏈接。
主控板CPU核心控制模塊(21)中的中央處理器(U1)的“RXD1、TXD1”端對應(yīng)接備用串口擴展模塊(22)中擴展電路(U9)的“RXD1、TXD1”端，擴展電路(U9)中的“232T、232R”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊(28)中接口(JPLCD1)的“232T、232R”端，CAN總線接口控制模塊(25)中(U10)的“SELECT BUS、RW BUS”端對應(yīng)接CPLD擴展模塊(23)中(U2)的“SELECT BUS、RW BUS”端，CAN總線接口控制模塊(25)中(U11)的“CANLU、CANHU”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊(28)中接口電路“JPCOM1”中的“CANLU、CANHU”端。根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)中專用通信管理機，其特征在于該管理機由通信機裝置母板(1)、通信管理機主控板(2)、顯示及鍵盤模塊(3)所組成，通信機裝置母板(1)通過顯示接口和鍵盤接口分別與通信管理機主控板(2)和顯示及鍵盤模塊(3)相連接；其中通信管理機主控板(2)由主控板CPU核心控制模塊(21)、備用串口擴展模塊(22)、CPLD擴展模塊(23)、工業(yè)Modem通信控制模塊(24)、CAN總線接口控制模塊(25)、程序存儲器(26)、數(shù)據(jù)存儲器(27)、主控板信號線接口模塊(28)所組成，主控板CPU核心控制模塊(21)分別接備用串口擴展模塊(22)和工業(yè)Modem通信控制模塊(24)，主控板CPU核心控制模塊(21)通過備用串口接口信號線與主控板信號線接口模塊(28)相接，工業(yè)Modem通信控制模塊(24)通過載波通信信號線與主控板信號線接口模塊(28)相接，CAN總線接口控制模塊(25)通過CAN總線通信信號線與主控板信號線接口模塊(28)相接，CPLD擴展模塊(23)通過顯示及鍵盤接口控制線與主控板信號線接口模塊(28)相接，此外，主控板CPU核心控制模塊(21)、CPLD擴展模塊(23)、CAN總線接口控制模塊(25)、程序存儲器(26)、數(shù)據(jù)存儲器(27)、主控板信號線接口模塊(28)分別與地址總線、數(shù)據(jù)總線、讀寫控制總線相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)中專用通信管理機，其特征在于主控板CPU核心控制模塊(21)中的中央處理器(U1)的“RXD1、TXD1”端對應(yīng)接備用串口擴展模塊(22)中擴展電路(U9)的“RXD1、TXD1”端，擴展電路(U9)中的“232T、232R”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊(28)中接口(JPLCD1)的“232T、232R”端，CAN總線接口控制模塊(25)中(U10)的“SELECT BUS、RW BUS”端對應(yīng)接CPLD擴展模塊(23)中(U2)的“SELECT BUS、RW BUS”端，CAN總線接口控制模塊(25)中(U11)的“CANLU、CANHU”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊(28)中接口電路“JPCOM1”中的“CANLU、CANHU”端，CAN總線接口控制模塊(25)中(U7)的“CANLD、CANHD”端對應(yīng)接主控板信號線接口模塊(28)中接口電路“JPCOM1”中的“CANLD、CANHD”端。
全文摘要
電力系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)中專用通信管理機是一種電力系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)中專用設(shè)備，該管理機的通信機裝置母板1通過顯示接口和鍵盤接口分別與通信管理機主控板2和顯示及鍵盤模塊3相連接；其中通信管理機主控板2中主控板CPU核心控制模塊21分別接備用串口擴展模塊22和工業(yè)Modem通信控制模塊24，主控板CPU核心控制模塊通過備用串口接口信號線與主控板信號線接口模塊28相接，CAN總線接口控制模塊25通過CAN總線通信信號線與主控板信號線接口模塊相接，此外，主控板CPU核心控制模塊、CPLD擴展模塊、CAN總線接口控制模塊、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、主控板信號線接口模塊分別與地址總線、數(shù)據(jù)總線、讀寫控制總線相接。
文檔編號H02J13/00GK1455490SQ03131668
公開日2003年11月12日 申請日期2003年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月3日
發(fā)明者鄭建勇, 秦申蓓, 曹海鷗, 杜炎森 申請人:東南大學