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嵌入式多ARM架構(gòu)的配電網(wǎng)自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力用戶(hù)對(duì)電力能源供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性的要求逐步提高。為了滿足電力用戶(hù)的需求，配電自動(dòng)化系統(tǒng)以及配電自動(dòng)化裝置都在不斷進(jìn)行改造和升級(jí)，以提高電力能源供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性[1]。

在配電自動(dòng)化系統(tǒng)不斷發(fā)展的過(guò)程中，配電自動(dòng)化裝置的研究與開(kāi)發(fā)也在持續(xù)進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端裝置的硬件系統(tǒng)不再僅限于ARM+DSP架構(gòu)。為提高DTU設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力及通信的兼容性和穩(wěn)定性，本文將STM32微處理器與由Modbus協(xié)議和IEC 60870-5系列協(xié)議等組成的通信協(xié)議組相結(jié)合，并將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II成功移植到基于ARM-Cortex M3內(nèi)核的STM32處理器上。在μC/OS-II環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了DTU設(shè)備的快速數(shù)據(jù)處理和不同通信網(wǎng)絡(luò)下通信的兼容性和穩(wěn)定性。這使得配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端設(shè)備可以更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行，保證了配電網(wǎng)的電力能源的高效、穩(wěn)定、安全供應(yīng)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用多CPU構(gòu)架，選用的芯片為STM32F103和STM32F107。這兩個(gè)芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F10X系列的32位ARM處理器，最高運(yùn)行時(shí)鐘可達(dá)到72 MHz，具有豐富的片上資源和接口資源。本設(shè)計(jì)使用STM32F103的大容量芯片、小容量芯片和STM32F107芯片。大容量芯片作為測(cè)控模塊的微處理器，擁有144個(gè)管腳，且完全滿足數(shù)據(jù)的高速處理功能；小容量芯片作為人機(jī)交互模塊的微處理器，在功能性上與大容量產(chǎn)品無(wú)差別，只是管腳和容量相對(duì)較少； STM32F107芯片作為通信模塊的微處理器，內(nèi)部集成高性能以太網(wǎng)控制模塊(MAC)，既簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)端口的設(shè)計(jì)，又能滿足通信要求。整個(gè)系統(tǒng)硬件劃分為交流輸入模塊、測(cè)控模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、通信模塊、無(wú)線模塊、人機(jī)交互模塊和電源管理模塊共7個(gè)獨(dú)立模塊，模塊化的設(shè)計(jì)方案便于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)[2]。DTU系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

1.2遙測(cè)量采集部分

遙測(cè)量采集部分包括交流輸入模塊和測(cè)控模塊。交流輸入模塊使用5路PT和4路CT，將電網(wǎng)的電壓和電流轉(zhuǎn)換為可采集的模擬信號(hào)。測(cè)控模塊上的16位高速A/D芯片對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果通過(guò)SPI接口送給ARM1處理器。ARM1處理器使用FFT算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得所需要的遙測(cè)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功角等。

1.3遙信采集和遙控輸出部分

遙信采集和遙控輸出部分包括測(cè)控模塊和開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊。需要采集的遙信量主要包括開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、彈簧儲(chǔ)能信號(hào)、接地開(kāi)關(guān)信號(hào)、工作電源失電信號(hào)等，每條線路需要采集6～8路遙信量[3]。在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)控模塊需按一定的時(shí)間間隔(1～5 ms)對(duì)開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊進(jìn)行掃描，記錄遙信量的變位信息，并保存到相應(yīng)存儲(chǔ)器[3]。

在電網(wǎng)運(yùn)行異常時(shí)，DTU將向區(qū)域監(jiān)控主站反饋采集到的遙測(cè)量，區(qū)域監(jiān)控主站根據(jù)DTU反饋的數(shù)據(jù)判斷發(fā)生故障的區(qū)域并下達(dá)遙控命令。DTU接收到遙控信息后，測(cè)控模塊通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊輸出相應(yīng)的遙控量，控制相應(yīng)的功率繼電器分、合現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備，處理電網(wǎng)故障。為保證遙控輸出的正確性，遙控輸出還提供反?；芈?，校驗(yàn)遙控命令是否正確。若遙控命令錯(cuò)誤，立即閉鎖遙控出口，防止事故發(fā)生；若遙控命令正確，則記錄遙控執(zhí)行情況[3]。

1.4通信模塊部分

通信模塊主要負(fù)責(zé)DTU裝置和區(qū)域監(jiān)控主站之間的數(shù)據(jù)交換。本文從數(shù)據(jù)傳送的兼容性和穩(wěn)定性角度出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以STM32F107處理器為核心，并配置有RS-232串口、RS-485串口和10/100 Mbit/s以太網(wǎng)口的通信模塊。以RS-232串行接口為例，STM32F107通過(guò)基于MAX3232的RS-232串行接口與區(qū)域監(jiān)控主站相連，建立串行通信網(wǎng)絡(luò)。DTU設(shè)備將采集的遙測(cè)量、遙信量等信息通過(guò)串行鏈路傳送到區(qū)域監(jiān)控主站，或者接收區(qū)域監(jiān)控主站的遙控命令。

串行鏈路RS-232的接口硬件電路如圖2所示。

圖2　串行鏈路接口電路圖

STM32F107微處理器的USART3_RX和USART3_TX管腳與MAX3232的Rout1和DIN1鏈接，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232處理后，從Dout1和RIN1管腳輸出，這樣RS-232串口就配置好了。同理，用同樣的設(shè)計(jì)方法配置RS-485串行網(wǎng)絡(luò)接口。

針對(duì)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)，STM32F107芯片上集成以太網(wǎng)控制模塊(MAC)，它符合IEE 802.3-2002標(biāo)準(zhǔn)，且同時(shí)支持兩種標(biāo)準(zhǔn)接口。它與物理層(PHY)芯片DM9161連接，即可組成以太網(wǎng)口，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定。物理層(PHY)芯片DM9161在時(shí)鐘信號(hào)提高到50 MHz時(shí)，可支持10/100 Mbit/s的通信速率[4]。本文按照?qǐng)D3設(shè)計(jì)接口連線圖。其中“/2”代表100 Mbit/s,“/20”代表10 Mbit/s。

圖3　STM32F107以太網(wǎng)RMII連接圖

2配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端的軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端裝置,基于32位ARM微處理器和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議組。這使得數(shù)據(jù)處理更加精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)交換更加穩(wěn)定，對(duì)不同通信網(wǎng)絡(luò)的兼容性更強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案，本文構(gòu)建了基于嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II和通信協(xié)議組(Modbus協(xié)議和IEC 60870-5系列協(xié)議組成)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)軟件功能，確保穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和交換[5]。

2.1μC/OS-Ⅱ的移植

μC/OS-II是一個(gè)完整的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核的操作系統(tǒng)，用ANSI C語(yǔ)言描述大多數(shù)代碼，與處理器聯(lián)系較緊密的代碼采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，具有較好的可移植性。針對(duì)不同架構(gòu)的處理器，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)對(duì)工程目錄下的core_cm3.c和相應(yīng)啟動(dòng)文件的修改，實(shí)現(xiàn)μC/OS-II對(duì)不同硬件平臺(tái)的兼容[5]。

2.2系統(tǒng)功能任務(wù)設(shè)計(jì)

本文在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，以μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái)，采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)理念，將應(yīng)用程序劃分為不同的任務(wù)。這使得系統(tǒng)軟件更加簡(jiǎn)潔，便于今后程序的維護(hù)和升級(jí)。由于DTU設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求非常高，因此在對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行任務(wù)劃分時(shí)，要使系統(tǒng)的所有任務(wù)能夠在最壞的情況下滿足實(shí)時(shí)性的要求；任務(wù)數(shù)要合理，避免浪費(fèi)資源[6]。

首先是測(cè)控模塊的功能實(shí)現(xiàn)。測(cè)控模塊作為DTU數(shù)據(jù)采集的核心，為保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，尤其是遙測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，采樣時(shí)間是跟隨電網(wǎng)頻率實(shí)時(shí)調(diào)整的，因此適合使用裸機(jī)程序作為測(cè)控模塊。測(cè)控模塊使用定時(shí)器來(lái)啟動(dòng)各功能任務(wù)。

其次是通信模塊的功能實(shí)現(xiàn)。其主要負(fù)責(zé)DTU和區(qū)域監(jiān)控主站間的數(shù)據(jù)交換，適合在嵌入式操作系統(tǒng)上運(yùn)行，以保證其穩(wěn)定性。結(jié)合本文需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的功能，通信模塊的功能任務(wù)劃分如表1所示。

表1　通信模塊功能任務(wù)劃分

2.3嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的DTU裝置不僅要實(shí)現(xiàn)串行鏈路通信的功能，還要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的功能。串行鏈路通信使用Modbus RTU協(xié)議或IEC 60870-5-101協(xié)議，即可實(shí)現(xiàn)串行鏈路中互聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。然而在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)比在串行鏈路網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)DTU設(shè)備的通信模塊使用STM32F107芯片和操作系統(tǒng)μC/OS-II，STM32F107芯片內(nèi)置以太網(wǎng)控制器。但由于嵌入式操作系統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，因此需要移植一款嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)Modbus/TCP和IEC 60870-5-104通信協(xié)議。

目前，開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議棧有多種，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文在綜合考慮協(xié)議棧的代碼容量、功能的完整性、移植操作的方便性和靈活性等因素的基礎(chǔ)上，選擇輕型協(xié)議(light weight protocol,LwIP)協(xié)議棧作為系統(tǒng)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。LwIP能夠在嵌入式硬件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，而且它在有操作系統(tǒng)和沒(méi)有操作系統(tǒng)情況下均能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行；同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減小對(duì)內(nèi)存的占用[7]。

LwIP協(xié)議棧的移植非常方便，只需移植其內(nèi)核核心。LwIP協(xié)議棧的重點(diǎn)就是底層函數(shù)的編寫(xiě)，LwIP協(xié)議在源文件的ethernetif.c文件中已經(jīng)為底層的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)提供了一個(gè)總體的框架，用戶(hù)需要根據(jù)自己的硬件編寫(xiě)相應(yīng)的功能函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的初始化、中斷處理、數(shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送和接收等操作。

LwIP以太網(wǎng)底層接口函數(shù)的框架如圖4所示。

圖4　LwIP以太網(wǎng)底層接口函數(shù)框架圖

3DTU裝置通信協(xié)議組的實(shí)現(xiàn)

DTU設(shè)備是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的終端設(shè)備，通過(guò)接入串行鏈路或者以太網(wǎng)與區(qū)域監(jiān)控主站相連接，由通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本文提出了將Modbus協(xié)議和IEC 60870-5系列協(xié)議相結(jié)合的通信協(xié)議組的方案。在基于微處理器STM32F107的DTU設(shè)備的通信模塊上，以μC/OS-II操作系統(tǒng)和通信協(xié)議組為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)DTU裝置在不同通信網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換。

3.1通信協(xié)議組的介紹

配電自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)串行鏈路或以太網(wǎng)組網(wǎng)，DTU設(shè)備作為配電網(wǎng)終端設(shè)備，通過(guò)串行鏈路或者以太網(wǎng)接入通信網(wǎng)絡(luò)。不同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)使用不同的通信協(xié)議，相同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)也會(huì)使用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。串行鏈路可使用Modbus RTU協(xié)議或者IEC 60870-5-101協(xié)議，而以太網(wǎng)則需要使用Modbus/TCP協(xié)議或者IEC 60870-5-104協(xié)議。為了使DTU設(shè)備不需要外接協(xié)議轉(zhuǎn)換器即可兼容不同通信網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議，本文設(shè)計(jì)了包括Modbus協(xié)議和IEC 60870-5系列協(xié)議在內(nèi)的通信協(xié)議組。

3.2DTU設(shè)備通信結(jié)構(gòu)模型

配電自動(dòng)化系統(tǒng)的整個(gè)終端層網(wǎng)絡(luò)包含各種不同類(lèi)型的設(shè)備，如圖5所示。所有的智能終端設(shè)備按照一定的方式接入到通信網(wǎng)絡(luò)中。通信鏈路可選擇串行鏈路RS-232、RS-485、TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)。通信協(xié)議可針對(duì)串行鏈路選擇，Modbus RTU協(xié)議和IEC 60870-5-101協(xié)議；針對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)，選擇Modbus/TCP協(xié)議和IEC 60870-5-104協(xié)議。所有鏈接到網(wǎng)絡(luò)上的智能終端設(shè)備按照相應(yīng)的通信協(xié)議來(lái)收發(fā)報(bào)文，完成終端設(shè)備和區(qū)域監(jiān)控主站間的數(shù)據(jù)交換。

圖5　通信結(jié)構(gòu)模型圖

3.3串行鏈路通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

串行鏈路通信協(xié)議包括：Modbus RTU協(xié)議、IEC 60870-5-101協(xié)議。串行鏈路的通信模型為一主多從結(jié)構(gòu)。一主即是指區(qū)域監(jiān)控主站，多從即是指多個(gè)終端設(shè)備，每個(gè)從站設(shè)備都分配了不同的地址，主站可以通過(guò)地址對(duì)確定的從站進(jìn)行問(wèn)詢(xún)。以IEC 60870-5-101協(xié)議為例，從站對(duì)接收到的主站的報(bào)文進(jìn)行解析，并作相應(yīng)的響應(yīng)。IEC 60870-5-101協(xié)議的處理流程如圖6所示。

IEC 60870-5-101協(xié)議通信程序的思路如下。首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，再通過(guò)接收中斷函數(shù)來(lái)完成IEC 60870-5-101協(xié)議幀數(shù)據(jù)的接收，并將其存入接收緩沖區(qū)中。然后通過(guò)IEC 60870-5-101協(xié)議幀處理函數(shù)比較接收寫(xiě)指針和讀指針的大小，區(qū)分出每一幀；按照每一幀的啟動(dòng)字符來(lái)分辨是可變幀還是固定幀，再按照相應(yīng)的幀格式進(jìn)行校驗(yàn)。在所需要的校驗(yàn)正確完成后，固定幀通過(guò)控制域來(lái)判斷請(qǐng)求的報(bào)文類(lèi)型，可變幀通過(guò)鏈路用戶(hù)數(shù)據(jù)中的類(lèi)型標(biāo)志來(lái)判斷請(qǐng)求的報(bào)文類(lèi)型，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)來(lái)發(fā)送寫(xiě)指針，寫(xiě)指針按照幀的兩種幀格式進(jìn)行打包，打包結(jié)束后發(fā)送中斷。發(fā)送中斷函數(shù)通過(guò)發(fā)送讀指針將打包完成的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，直到全部發(fā)送完畢。至此，完整的收發(fā)數(shù)據(jù)處理過(guò)程結(jié)束[8]。

3.4TCP/IP通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

TCP/IP通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括Modbus/TCP協(xié)議和IEC 60870-5-104協(xié)議。以太網(wǎng)絡(luò)中的通信模型為客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，DTU終端設(shè)備是配電自動(dòng)化系統(tǒng)TCP/IP通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端，區(qū)域監(jiān)控主站是客戶(hù)機(jī)端。建立TCP連接后，服務(wù)器端一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，并不主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求；當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到客戶(hù)端的連接請(qǐng)求后，服務(wù)器端接受此請(qǐng)求并建立TCP連接，服務(wù)器和客戶(hù)端即可通過(guò)這個(gè)虛擬的通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)[9]。

以IEC 60870-5-104協(xié)議為例，DTU終端一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等待連接請(qǐng)求。當(dāng)客戶(hù)端發(fā)出連接請(qǐng)求后，建立TCP連接。當(dāng)DTU收到U格式的報(bào)文STARTDT后，回應(yīng)確認(rèn)報(bào)文，然后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于來(lái)自客戶(hù)端的各種命令報(bào)文，包括總召喚、時(shí)鐘同步、遙測(cè)、遙信、遙控等功能，進(jìn)行輸入有效性檢查，并回應(yīng)客戶(hù)端。當(dāng)有故障時(shí)，主動(dòng)上送遙信變位信息和事件順序記功能(sequence of event,SOE)報(bào)文。

3.5通信功能測(cè)試

由于協(xié)議組包含多個(gè)協(xié)議，在實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)測(cè)試時(shí)，選擇使用104協(xié)議測(cè)試，利用通信協(xié)議分析及測(cè)試軟件(protocols measurement and analysis software，PMA)來(lái)模擬主站，下位機(jī)使用DTU設(shè)備的通信模塊。為了保證IEC 60870-5-104協(xié)議的可靠性和準(zhǔn)確性，需對(duì)其報(bào)文進(jìn)行分析，而PMA協(xié)議測(cè)試軟件提供了設(shè)備測(cè)試和報(bào)文輸出功能。IEC 60870-5-104協(xié)議通信的測(cè)試步驟為：首先選擇IEC 60870-5-104協(xié)議，然后設(shè)置主站IP地址192.168.1.10，從站地址192.168.1.11，公共地址為0x01；子站的端口號(hào)為2404，在運(yùn)行模式上選擇模擬主站，與DTU設(shè)備的通信板連接后，開(kāi)始 TCP 連接。

圖6　IEC 60870-5-101協(xié)議處理流程圖

報(bào)文測(cè)試如下所示。

Mtx：10 49 01 4a 16

主站發(fā)送：PRM=1 FCB=0 FCV=0 LA=1 FUN=9

召喚鏈路狀態(tài)

Stx：10 0b 01 0c 16

從站發(fā)送：PRM=0 ACD=0 DFC=0 LA=1 FUN=11 以鏈路狀態(tài)或訪問(wèn)請(qǐng)求回答請(qǐng)求幀

Mtx：10 40 01 41 16

主站發(fā)送：PRM=1 FCB=0 FCV=0 LA=1 FUN=0

復(fù)位遠(yuǎn)方鏈路

Stx：10 00 01 01 16

從站發(fā)送：PRM=0 ACD=0 DFC=0 LA=1 FUN=0 確認(rèn)

Mtx：68 09 09 68 73 01 2d 01 06 01 01 00 81 2b 16

主站發(fā)送：PRM=1 FCB=1 FCV=1 LA=1 FUN= 3 召喚鏈路狀態(tài)

傳送數(shù)據(jù)TI=45 VSQ=01 INFONUM=1 COT= 06

T=0 PN=0 CAUSE=6 COA=1 C_SC_NA_1

單點(diǎn)遙控命令肯定確認(rèn)激活QU=0默認(rèn)值選擇點(diǎn)號(hào)=1合

Stx：10 20 01 21 16

從站發(fā)送：PRM=0 ACD=1 DFC=0 LA=1 FUN=0 確認(rèn)

IEC 60870-5-104協(xié)議程序流程圖如圖7所示[10]。

圖7　IEC 60870-5-104協(xié)議處理流程圖

上文所示報(bào)文信息包括鏈路狀態(tài)召喚報(bào)文和單點(diǎn)遙控報(bào)文等，選取單點(diǎn)遙控預(yù)指令進(jìn)行分析，指令如下。

單點(diǎn)遙控預(yù)指令：68 09 09 68 73 01 2d 01 06 01 01 00 81 2b16

其中：68代表啟動(dòng)字符；09代表數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；09 68代表發(fā)送序號(hào)；73 01代表接收序號(hào)；2d代表類(lèi)型標(biāo)志符(單點(diǎn)遙控)；01代表可變結(jié)構(gòu)限定詞；06代表傳輸原因；01代表公共地址，即DTU設(shè)備的地址；01 00代表遙控開(kāi)關(guān)號(hào)；81代表遙控合操作；2b代表幀校驗(yàn)和；16代表停止字符。

IEC 60870-5-104協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)總召喚、分組召喚、遙測(cè)、遙信和遙控等，這些均在主站請(qǐng)求時(shí)才上傳。

由于IEC60870-5-104協(xié)議是依靠全雙工的以太網(wǎng)進(jìn)行通信，所以當(dāng)發(fā)故障時(shí)，DTU 可主動(dòng)上傳遙信變位幀和 SOE事件。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前電力用戶(hù)對(duì)電力能源供應(yīng)穩(wěn)定性的要求和配電自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，本文提出將STM32微處理器與通信協(xié)議組(包括Modbus協(xié)議和IEC 60870-5系列協(xié)議)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案；并且在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II上實(shí)現(xiàn)了多通信協(xié)議，使得DTU設(shè)備可以穩(wěn)定、安全、高效地運(yùn)行。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文所介紹的通信協(xié)議組可以很好地兼容各種通信網(wǎng)絡(luò)，配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端裝置和區(qū)域監(jiān)控主站之間的數(shù)據(jù)傳輸更加可靠且傳輸速率快，因此在不斷發(fā)展的配電自動(dòng)化系統(tǒng)中將具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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Data Transfer Unit Based on Embedded More ARM Framework for Power Distribution System

彭道剛1趙斌斌1宋磊1黃義超2朱灝1胡迅1

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院上海發(fā)電過(guò)程智能管控工程技術(shù)研究中心1，上海200090；

上海翔騁電氣設(shè)備有限公司2，上海201900)

摘要：配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)裝置作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，其穩(wěn)定性尤為重要。通過(guò)對(duì)DTU裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和兼容性的研究，提出了將通信協(xié)議組(包括Modbus協(xié)議和IEC 60870-5系列協(xié)議)和STM32處理器相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟硬件的總體架構(gòu)，并在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II上實(shí)現(xiàn)了兼容多種通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該配電自動(dòng)化遠(yuǎn)方終端可靠地實(shí)現(xiàn)了DTU設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定傳輸。

關(guān)鍵詞：電力能源供能電系統(tǒng)電網(wǎng)自動(dòng)化通信協(xié)議數(shù)據(jù)處理信號(hào)采集TCP/IPModbus安全

Abstract：DTU,as the basic equipment of power distribution automation system,its stability is particularly important.Through the study of both the stability of the DTU device and the stability and compatibility of data communication,this paper presents a design which combined communication protocol group(include Modbus protocol and IEC60870-5 protocols) and STM32 microprocessor.In this paper, the overall architecture of the system hardware and software is designed.In addition,it has achieved the communication protocol group which compatible with a variety of communication network under the embedded operating system μC/OS-II.The experiment shows that this power distribution automation remote terminal system can achieve the stability operation of DTU device and of data transmission.

Keywords:Electric energyPower supply and distribution systemGridAutomationCommunication protocolData processingSignal acquisitionTCP/IPModbusSafety

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23;HT89

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604017

上海市科委"科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃"高新技術(shù)領(lǐng)域科研基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：15111106800)；

上海市科委發(fā)電過(guò)程智能管控工程技術(shù)研究中心基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：14DZ2251100)；

上海市科委電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13DZ2273800)。

修改稿收到日期： 2015-06-29。

第一作者彭道剛(1977-)，男，2009年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事發(fā)電過(guò)程自動(dòng)化、電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與嵌入式測(cè)控技術(shù)等方向的研究。