萬 敏，邱細蝦，熊 剛，曾 潤，伍明銘

（廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

基于嵌入式系統(tǒng)的電力光纖信號測試儀的設計與實現

萬 敏，邱細蝦，熊 剛，曾 潤，伍明銘

（廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東 佛山528000）

基于掌握變電站設備的運行狀態(tài)，對變電站系統(tǒng)實現實時監(jiān)控的目的，本文研究設計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的電力光纖信號分析儀。系統(tǒng)基于IEC61850標準，硬件上結合嵌入式系統(tǒng)特點，完成外圍電路及光信號轉換、FT3解碼等模塊設計，軟件上完成外設接口的驅動設計，實現對變電站系統(tǒng)以太網中傳輸的基于IEC61850標準的采樣值報文及GOOSE報文等的獲取、解析，實時掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)。

IEC61850；嵌入式；電力光釬；故障診斷

為了提高電力系統(tǒng)運行的安全性，需要實現對電力系統(tǒng)中的核心設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和記錄通信，并對偶發(fā)性故障進行排查，實現通信過程的實時預警，這就需要專門的電力光纖信號分析儀來實現。隨著電子技術、自動化技術及網絡技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的變電站逐步被自動化變電站所替代，同時在變電站通信機制上，建立了統(tǒng)一規(guī)范的IEC61850標準，該規(guī)范有利的促進了電力光纖分析儀的研究[1-3]。文中在IEC61850協(xié)議基礎上研究設計了基于嵌入式系統(tǒng)電力光纖信號分析儀，用于捕獲變電站過程層網絡中的采樣值及變電站GOOSE網絡報文，并對報文進行解碼，報文出錯預警及原始報文的儲存[4]，為電力故障診斷和系統(tǒng)維護提供了有效的依據。

1 IEC61850協(xié)議介紹

IEC61850協(xié)議通過對設備進行規(guī)范化，使其形成規(guī)范的輸出，將變電站系統(tǒng)有效的連接，是電力系統(tǒng)公共通信的標準。很好的解決了電力設備的互操作性和互換性，為電力設備的開發(fā)提供穩(wěn)定的研究環(huán)境[5-7]。

相比傳統(tǒng)的通信協(xié)議，IEC61850可以通過面向對象的分層、統(tǒng)一建模，對客戶機的數據結構進行建模，將服務器分為邏輯設備。同時還支持數據的自我描述，因此傳輸到數據方的數據均帶有數據的自我描述，簡化了對數據的操作和管理。在接口方面，采用與網絡獨立的抽象的通信服務接口（ASCI）定義了與具體協(xié)議無關的通信服務、通信對象及參數，能夠很好的解決協(xié)議標準的穩(wěn)定性要求和新技術之間的矛盾。

2 電力光纖信號分析儀系統(tǒng)設計

分析儀主要實現相關網絡信號的獲取、解析及存儲等功能，同時還需實現對光纖信號的接受和發(fā)送。此次系統(tǒng)是以三星公司的ARM11處理器S3C6410為控制中心，完成系統(tǒng)接口部分、AD采樣控制部分及顯示控制部分，并完成相應的驅動設計。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 光纖信號分析儀結構圖

2.1 以太網電路模塊設計

此次設計的分析儀是在100MBaseFX光纖以太網的環(huán)境下來使用的，光纖收發(fā)器設計了兩對不同規(guī)格的多模型光纖收發(fā)器，在接口設計上采用DM9000AE和DM9301芯片相結合的方式，前者主要應用與擴展，后者是100M高速以太網光纖實體層媒體轉換器，用于PECL電平轉換，從而完成光纖信號到雙絞線信號的轉換，轉換完成后進入DM9000AE網絡芯片。以太網接口電路設計如圖2所示，采用帶指示燈的RJ45網絡接口，PM44-11BG為隔離變壓器。

圖2 以太網接口電路圖

2.2 串口通信設計

在系統(tǒng)的調試過程中經常使用串口，目前串口設計方法非常成熟，本次設計采用經典的MAX3232電平轉換器實現。設計電路圖如圖3所示。

2.3 FT3報文解碼器設計

為了緩解ARM處理器資源緊張、處理速度緩慢的問題，在FT3格式報文的解碼通過增加一篇CPLD邏輯編程芯片來解決[8-10]，本次設計采用的CPLD芯片為ALTERA公司MAX系列的EPM240T100C3芯片。通過ARM處理器的CPLD_CTRL1引腳控制FT3報文的解碼校驗等工作。該芯片使用雙路LVTTL/TTL到差分LVPECL/PECL電平轉換。

2.4 網絡驅動設計

系統(tǒng)通過兩片DM900AE以太網芯片對GOOSE及FT3兩種報文進行接收和發(fā)送，該芯片可支持8位、16位及32位數據總線寬度。系統(tǒng)運行時，首先調用檢測程序對網卡進行掃描，驅動運行前設置好網卡參數，發(fā)送數據時，調用驅動程序的發(fā)送例程，數據寫入空間后，再激活物理發(fā)送過程[11]。但由于本系統(tǒng)添加了兩片網絡設備，需要在內核中定義這些設備。

圖3 串口通信電路圖

添加dm9000_cs2到內核文件夾arch/arm/plats3c64xx/devs，c，網絡芯片的變量定義為：

3 GOOSE及FT3報文處理

3.1 FT3報文處理

FT3報文主要用于傳遞變電站電子式電流及電壓互感器感應到的電壓、電流及狀態(tài)字等數據組成的合并單元，采用曼切斯特編碼方式，在IEC60084-7/8中定義。通過CPLD解碼模塊將FT3報文信息進行AD轉換、解碼處理之后，傳送至ARM處理器。

FT3采用的編碼，位于位之間都有一個跳變，上升沿跳變?yōu)椤?”，下降沿跳變?yōu)椤?”，然后通過計時器和計數器來捕捉脈沖的上升沿和下降沿的時間和次數，為了判斷上升沿發(fā)生在數據中間還是結尾，需要對測量的脈寬進行判斷[12-13]。當測量的脈寬為1BIT時（如圖 4（a）），同時確定兩個位的解碼值為 10，上升沿發(fā)生在數據傳輸中中間。當測量脈寬為0.5BIT則分為3種情況：

1）上升沿距離上個下降沿發(fā)生延時1個BIT位（如圖 4（b）），當前解碼職為“1”，則上升沿在數據中間。

2）上升沿距離上個下降沿發(fā)生延時0.5個BIT位（如圖 4（c）），前一個數據的解碼職為“1”，當前解碼職為“1”，則上升沿在數據中間。

3）上升沿距離上個下降沿發(fā)生延時0.5個BIT位（如圖 4（d）），前一個數據的解碼職為“0”，當前解碼職為“0”，則上升沿在數據結尾。

對照上述4種情況，對FT3報文信息進行解碼，然后對應FT3幀信息內容，即可完成報文的解析，最后通過波形顯示出來，使用戶直觀、快捷的獲取信息。

3.2 GOOSE及9-2報文處理

GOOSE報文的發(fā)送端往往會發(fā)送多個報文，每個報文反應不同的數據，在報頭利用不同的目標地址進行區(qū)分，根據報文接收方的實際需求可以對報文進行篩選過濾[14-15]，即對GOOSE報文信息的接收，進行源地址對比，獲取有效報文的流程如圖5所示。

圖4 FT3曼切斯特解碼4種可能

圖5 GOOSE報文獲取流程

系統(tǒng)的GOOSE報文格式采用ASN.1編碼的規(guī)則中的BRE編碼結構進行編制，相關的數據結構定義為：

網絡控制器獲取到報文之后存儲在換成去內，等待CPU對其進行讀取和解析，解析后存儲在信息存儲區(qū)內，并顯示在顯示器上。工作流程如圖6所示。

圖6 GOOSE報文解析流程

4 結 論

基于嵌入式的光纖信號分析儀，完成嵌入式系統(tǒng)外圍電路、光信號轉換及FT3解碼等模塊設計，對GOOSE報文和FT3報文的編碼規(guī)則及解析進行研究并編碼實現，對電力行業(yè)中報文的應用及實現IEC61850在工控方面的應用研究具有一定的參考意義。

[1]張勁松，俞建育.網絡分析儀在智能化變電站中的應用[J].華東電力,2011（4）：65-69.

[2]鄭新才，施魯寧，楊光，等.IEC61850標準下采樣值傳輸規(guī)范9-1、9-2的對比和分析 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2008（18）：47-51.

[3]丁力，王曉茹，王林.IEC 61850標準中MMS映射分析及其編碼/解碼模塊的設計 [J].電力系統(tǒng)保護與控制，2008（12）：69-74.

[4]柯善文，劉曙光，何能，等.關于變電站GOOSE報文傳輸的研究[J].繼電器，2007（S1）：35-38.

[5]徐成斌，孫一民.數字化變電站過程層GOOSE通信方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2007（19）：51-54.

[6]李小濱，韓明峰.GOOSE實時通信的分析與實現[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009（10）：41-43.

[7]宋麗君，王若醒，狄軍峰，等.GOOSE機制分析、實現及其在數字化變電站中的應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009（14）：31-36.

[8]楊波.基于IEC61850的保護測控智能終端建模研究及通信實現[D].廣州：華南理工大學，2012.

[9]張利.IEC61850標準GOOSE技術在配電自動化中的應用和實現研究 [D].合肥：合肥工業(yè)大學，2013.

[10]陳健，陳俊良.Linux實戰(zhàn)教程[M].南京：南京大學出版社，2007.

[11]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[12]尹金花.基于IEC61850的變電站采集器設計[D].南京：南京理工大學，2012.

[13]王瑞濤.電力光纖數字信號分析儀中GOOSE模塊的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012.

[14]李兆廠.嵌入式振動信號分析儀研制[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[15]劉穎杰.動態(tài)信號分析儀的硬件設計[D].成都：電子科技大學，2014.

Design and implementation of electric power optical fiber signal analyzer based on embedded system

WAN Min，QIU Xi-xia，XIONG Gang，ZENG Run，WU Ming-ming
（Guangdong Power Grid Corporation Foshan Power Supply Bureau，Foshan 528000，China）

In order to realize the real-time monitoring and testing of the substation system，quickly grasp the operating status of the substation equipment.This paper designed a kind of electric power optical fiber signal analyzer based on embedded system.The equipment based on the IEC61850 standard，combined with the embedded system hardware features，complete peripheral circuit and optical signal conversion，FT3 decoding module design，drive the design of peripheral interface software，realization of substation system Ethernet transmission standard IEC61850 sampling value message and GOOSE message access，etc.based on the analysis，real-time control system running state

IEC61850；embedded；power optical fiber；fault diagnosis

TN06

：A

：1674－6236（2017）13-0147-04

2016-04-18稿件編號：201604183

國家自然科學基金（41371406）

萬 敏（1987—），男，湖北武漢人，工程師。研究方向：通信技術、電力系統(tǒng)通信、智能通信。