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

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协议的电力系统数据采集与传输片上系统。

背景技术：

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)。

技术实现要素：

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协议的电力系统数据采集与传输片上系统，通过ADC和GPIO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。

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；

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，转换为片上系统可处理的数字信号。

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协议的电力系统数据采集与传输片上系统整体结构图；

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。

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协议的电力系统数据采集与传输片上系统的正常工作步骤如下：

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(+/-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。

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。

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。

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。

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。