数字化变电站对时装置的制作方法

专利名称：数字化变电站对时装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实现数字化变电站时钟同步的对时装置，属于电力系统变 电站自动化技术领域。
背景技术：
随着数字化变电站技术的发展，数字化变电站监视控制，故障分析以及运 行管理都需要建立在统一的时间基准之上。数字化变电站广泛釆用电子式电压
电流互感器和基于IEC61850标准的统一的通信协议，实现了现场运行数据在各 个智能电子设备(Intelligent Electronic Device, IED)之间的信息共享。信 息采集的数字化为过程层采样数据共享提供了条件，同时，也带来了各个电子 式电压电流互感器釆样同步的问题。在变电站中， 一般的二次保护设备和监控 设备都需要釆集多个电量。所有的这些量的釆集都需要严格的时钟同步。
现阶段我国广泛应用的变电站时钟同步技术有GPS、 IRIG-B和SNTP对时。 但由于GPS、 IRIG-B对时需要布置独立电缆连接到各个IED，使得全站装置的可 靠性降低。而且，数字化变电站中二次硬接线已被串行通信总线所取代。因此 需要选择一种与变电站通信网络兼容性更高的技术手段。SNTP对时能与变电站 网络兼容，但要实现IEC61850所规定的采样值同步准确度还有很大的困难。
IEEE1588标准作为一种精确时钟协议(Precise Time Protocol ， PTP),釆 用软硬件相结合的方式，可以达到亚微秒级的对时精度，能满足IEC61850对最 高采样精度的要求。并且，IEEE1588标准与以太网通信协议兼容，支持数字化 变电站的通信网络。现阶段对于IEEE1588在数字化变电站中的应用的研究多处 于理论研究阶段，尚缺乏相关的成熟产品。
因此，针对数字化变电站应用要求，有必要设计一种能实现PTP对时功能， 且具有灵活的配置和良好的扩展性的高精度对时装置。该装置既可作为独立的 装置为外围设备提供时钟基准，又能作为对时模块接入已投运的IED中扩展其
5PTP对时功能，节省变电站在升级改造中的成本。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可支持IEEE1588标准、高精度、高 可靠性、低成本的数字化变电站时钟同步装置。
为解决上述技术问题，本发明提供一种数字化变电站对时装置，包括核心 处理模块以及与核心处理模块相通信的PTP事件处理模块、以太网通信接口模 块、串行通信接口模块和开关量输入输出模块,其特征在于:所述核心处理模块 包括中央处理器AT91RM9200,所述中央处理器AT^RM^OO与其相连接的同步动 态随机存取存储器、并行闪存、实时时钟、看门狗定时器及JTAG调试端口构成 一个基本的嵌入式系统；所述中央处理器AT91RM9200的调试串口端USARTO、 串口 1端USART1、串口 2端USART3分别与串行通信接口模块相接，中央处理器 AT91RM9200的以太网控制器端EMAC、数据线端DB : 0与PTP事件处理模块相 接，所述中央处理器AT91RM9200的GPI0 口与开关量输入输出模块相接。
作为优选，所述核心处理模块中的中央处理器AT91RM9200通过地址总线、 数据总线和控制总线与同步动态随机存取存储器、并行闪存相接；通过地址总 线、数据总线和控制总线与实时时钟看门狗定时器相接，通过RESET管脚与看 门狗定时器相接。
作为优选，所述PTP事件处理模块与以太网通信接口模块为同一硬件组成， 包括以太网第一通道和以太网第二通道，所述以太网第一通道包括内置隔离变 压器的端口 RJ45 ,所述内置隔离变压器的端口 RJ45与全双工以太网收发器 DP83640相连，所述中央处理器AT91RM9200内嵌的以太网控制器EMAC的发送 端ETX、接收端ERX、控制端ECON分别接第一全双工以太网收发器DP83640的 发送端ETX、接收端ERX、控制端ECON;所述以太网第二通道包括光纤收发器, 所述光纤收发器与第二全双工以太网收发器DP8364及以太网控制器LAN9215依 次相连接，所述中央处理器AT91RM9200数据总线DB、地址总线AB和控制总线 CON分别接以太网控制器LAN9215的数据总线DB、地址总线AB和控制总线CON。
作为优选，所述串行通信接口模块由中夹处理器AT91RM9200自带的串行通 信控制器SCC1 、 RS485电平转换电路MAX化5 、两脚插座构成一路RS485串行
6通道，作为用户保留的扩展端口；串行通信控制器SCC3 、 RS485电平转换电路 MAX485 、两脚插座构成另一路RS485串行通道，也作为用户保留的扩展端口 ； 中央处理器AT91RM9200带有一路UDP控制器、USB器件端口构成USB串行通道， 也作为用户保留端口；中央处理器AT91RM9200具有的一路调试串口 SCCO与 RS232电平转换电路MAX203、标准九针插座DB9配置为三线制RS232串口作为 现场调试通道；所述串行通信控制器SCC3和对应的电平转换电路之间均设置有 高速光隔离器。
作为优选,所述开关量输入输出模块共包括19路开入开出通道；开入开出 信号通过光隔与电路板的排针相连。其中AT91RM9200芯片提供5路开入开出通 道，DP83640芯片提供14路开入开出通道。
另外，在所述中央处理器和并行闪存中具有系统初始化功能模块，用于在 系统启动时，中央处理器执行并行闪存提供的初始化引导程序，实现系统各个 模块初始化的功能。
在所述中央处理器和并行闪存中具有系统配置功能模块，用于在系统初始 化后，中央处理器将并行闪存中存储的配置参数导入，实现各个模块的功能配 置和运行参数设置。
在所述中央处理器中具有GOOSE和SAV报文处理功能模块，用于在接收到 标准的GOOSE和SAV报文后，利用中央处理器进行处理或转发；或者通过中央 处理器11向通信接口发送标准的GOOSE和SAV报文。
在所述中央处理器中具有对时报文处理功能模块，用于发送或接收PTP报 文，处理PTP时间处理模块提供的时标来计算装置间的时间偏差，并通过最佳 主时钟算法确定装置的状态。如果为主时钟，则向网络发送同步报文，如果为 从时钟，则接收同步报文，并修正实时时钟的时间值，达到与主时钟装置的同 步。
所述GOOSE和SAV报文处理功能模块和对时报文处理功能模块中包括中断 和中断所驱动的任务程序。
在所述并行闪存中具有数据库管理功能模块，用于保存和管理整个装置的 运行信息和状态配置信息。本发明所达到的有益效果本发明通过合理规划硬件资源，提供了高性能、 高开放性、高可靠性以及低成本的数字化变电站高精度对时装置，并基于专门 的硬件芯片，采用统一的网络和规约体系，配合相应的程序实现了变电站设备 的时钟同步要求。
(1) 解决了变电站设备时钟同步的问题
该装置可以通过串行通信接口接收精确的同步时钟源信号，并将时钟源信 号通过以太网端口转发给数字化变电站过程总线上的其他设备，将全站时钟统 一到该装置的时钟信号，作为全站主时钟装置为全站提供时钟基准。
(2) 解决了变电站设备精确同步时钟信号源信号的传输问题 能适应变电站现存的各种通信介质(包括RS-232/RS-485串口、 RJ45以及
光纤网络接口等)，能有效、方便的对PTP时钟端口进行管理和操作，实现变电 站设备互联和同步。并能向外围设备和主处理芯片提供PTP时钟信号和PPS信 号。用以扩展外设功能。
(3) 系统开放、配置灵活
硬件结构设计时保留了很多的通信接口 ，可以根据用户需求灵活配置硬件 资源。对于用户来讲，开放的系统、灵活的配置将有利于利用已有的软硬件资 源，节省投资和长期使用系统的方便。再者，由于变电站对时系统非常庞大， 在满足可靠性的基础形成最合理的配置，可以进一步降低造价。
(4) 广泛的适用性
精确时钟同步装置虽然最初是针对变电站时钟同步系统的需求而研制开发 的，但由于其结构的灵活性、自身强大的数据处理能力和通信能力，亦可以作 为分布式控制、网络测控等系统的硬件平台，具有广泛的适用性。


图i是本发明的硬件电路原理框图； 图2是本发明的以太网第一通道的电路原理框图； 图3是本发明的以太网第二通道的电路原理框图； 图4是本发明的串行通信接口模块的电路原理框图； 图5是本发明的开关量输入输出模块的电路原理框图；图6是本发明的软件功能模块划分示意图7是本发明的软件系统数据流图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。 本发明提供的一种数字化变电站对时装置,包括核心处理模块l以及与核心
处理模块相通信的PTP事件处理模块2、以太网通信接口模块3、串行通信接口 模块4和开关量输入输出模块5，其特征在于:所述核心处理模块1包括中央处理 器AT91RM9200 11,所述中央处理器AT91RM9200 11与其相连接的同步动态随机 存取存储器12、并行闪存13、实时时钟、看门狗定时器14及JTAG调试端口 15 构成一个基本的嵌入式系统；所述中央处理器AT91RM9200 11的调试串口端 USARTO、串口1端USART1、串口 2端USART3分别与串行通信接口模块4相接， 中央处理器AT91RM9200的以太网控制器端EMAC、数据线端DB 31: 0与PTP事 件处理模块2相接，所述中央处理器AT91RM920011的GPIO 口与开关量输入输 出模块5相接。
作为优选,所述核心处理模块l中的中央处理器AT91RM9200 11通过地址总 线、数据总线和控制总线与同步动态随机存取存储器12、并行闪存13相接；通 过地址总线、数据总线和控制总线与实时时钟看门狗定时器14相接，通过RESET 管脚与看门狗定时器15相接。
'作为优选,所述PTP事件处理模块2与以太网通信接口模块3为同一硬件组 成,包括以太网第一通道和以太网第二通道，所述以太网第一通道包括内置隔离 变压器的端口 RJ45 23，所述内置隔离变压器的端口 RJ45 23与全双工以太网收 发器DP83640 22相连，所述中央处理器ATWRMMOO 11内嵌的10/100Mbps以 太网控制器EMAC 21的发送端ETX、接收端ERX、控制端ECON分别接第一全双 工以太网收发器DP83640 22的发送端ETX、接收端ERX、控制端ECON;所述以 太网第二通道包括光纤收发器26，所述光纤收发器26与第二全双工以太网收发 器DP83640 25及以太网控制器LAN9215 24依次相连接，所述中央处理器 AT91RM9200 11数据总线DB、地址总线AB和控制总线CON分别接以太网控制 器LAN9215 24的数据总线DB、地址总线AB和控制总线CON。
9作为优选，所述串行通信接口模块4由中央处理器AT91RM9200 11自带的 串行通信控制器SCC1 43、 RS485电平转换电路MAX485 430、两脚插座431构 成一路RS485串行通道，作为用户保留的扩展端口；串行通信控制器SCC3 44、 RS485电平转换电路MAX485 440、两脚插座441构成另 一路RS485串行通道， 也作为用户保留的扩展端口；中央处理器AT91RM9200 11带有一路UDP控制器 42、 USB器件端口 420构成USB串行通道，也作为用户保留端口；中央处理器 AT91RM9200 11具有的一路调试串口 SCCO 41,加之RS232电平转换电路 MAX203 410、标准九针插座DB9 411配置为简单的三线制RS232串口作为现 场调试通道；所述串行通信控制器SCC3和对应的电平转换电路之间均设置有高 速光隔离器50。
图1是本发明的硬件电路原理框图。本实施例中包括以下模块核心处理 模块l、以太网通信接口模块2、 PTP事件处理模块3、串行通信接口模块4和 开关量输入输出模块5。
1.中央处理器AT91RM9200
嵌入式变电站信息集成服务器的核心处理模块1包括中央处理器 AT91RM9200、同步动态随机存取存储器、并行闪存、实时时钟和看门狗定时器 等外围辅助电路，它们共同构成一个基本的嵌入式系统。
2. PTP事件处理模块
图2是本发明的以太网第一通道的电路原理框图；图3是本发明的以太网 第二通道的电路原理框图。PTP事件处理模块以太网第一通道由第 一全双工以太 网收发器DP83640芯片、集成隔离变压器的RJ45端口和AT91RM9200内嵌的 10/100Mbps以太网控制器EMAC组成。以太网第二通道由第二全双工以太网收发 器DP83640芯片、LAN9215芯片和HFBR5803光纤接口组成。
DP8364芯片是工业级的10/100Mbps以太网收发器,釆用3. 3V供电，可以 直接与AT91RM9200连接而无须电平转换，但需釆用25MHz有源晶振为其提供时 基信号。AT91RM9200内嵌的EMAC模块可以很方便地与DP83640连接，只要将 EMAC模块中的ETX (发送)引脚、ERX (接收)引脚和ECON (控制引脚)分别对 应地与DP83640的ETX (发送)引脚、ERX (接收)引脚和ECON (控制引脚)连接即可。全双工以太网收发器DP83640直接和RJ45相连，通过RJ45连接各类 屏蔽或非屏蔽双绞线。DP83640芯片提供3个信号灯引脚，本装置将其配置为 SPEED、 LIM、 ACTIVE信号，分别表示速度、连接、接收信号。DP83640芯片也 可接入光纤线路，以太网第二通道中，DP83640芯片直接连接光纤收发器，只需 将接收/发送信号和光纤收发器连接即可。
LAN9215也是3. 3V供电，其数据线/地址线可以与AT91RM9200直接连接。 LAN9215的读、写、中断控制引脚直接连接AT91RM9200的相应管脚，AT91RM9200 通过一个I/O引脚连接LAN9215的复位引脚(在对LAN9215进行操作前必须先 复位)。LAN9215的命令和数据通过相同的数据线发送出去，通过不同的地址和 格式信息加以区分。
3. 以太网通信接口模块
PTP事件处理模块和以太网通信接口模块的硬件电路完全一致。PTP报文和 变电站数据报文通过同一以太网通信通道复用处理。只在软件上做不同的功能 划分。
4. 串行通信接口模块
图4是本发明的串行通信接口模块的电路原理框图，嵌入式变电站信息集 成服务器的串行通信接口模块4由AT91RM9200自带的串行通信控制器UDP、 USB 端口构成一路USB串行通道；标准串行通信控制器SCCO、 RS232电平转换电路 MAX203、标准九针插座DB9构成一路RS232标准串行通道；串行通信控制器SCC1 和SCC3、 RS485电平转换电路MAX485、两脚插座构成两路RS485串行通道；为 了增强抗干扰能力，在串行通信控制器和对应的电平转换电路之间均设计高速 光隔。
5. 开关量输入输出模块
图5是本发明的开关量输入输出模块的电路原理框图；AT91RM9200芯片提 供5路开入开出通道，DP83640芯片提供14路开入开出通道。可供外围设备和 装置、装置核心处理模块和PTP事件处理模块用于信息交互，事件触发和时钟 信号输入输出。
图6是本发明的软件功能模块划分示意图；软件功能上，精确时钟对时装置主要完成IEEE1588标准报文的接收和发送，将装置的PTP时钟端口设置为普 通时钟，实现装置的时钟同步功能。同时，装置亦支持IEC61850通信规约，能 对完成对GOOSE报文和SAV报文的传输、接收和简单的处理。
按"功能独立"的模块化设计基本原则，时钟同步装置软件体系包括下列 模块系统初始化模块、系统配置模块、PTP事件请求和处理模块、数据处理模 块、数据库管理模块等。其中PTP事件请求和处理模块与数据处理模块内封装 了中断和中断所驱动的任务。
图7是本发明的软件系统数据流图。"功能独立"的模块可以降低开发、测 试、维护等阶段的代价。但是"功能独立"并不意味着模块之间保持绝对的孤 立。系统要完成某项任务，需要各个模块相互配合才能实现，此时模块之间就 要进行信息交流。在系统初始化之后，各个模块的配置参数可以根据开关量输 入输出模块5的状态来进行配置。在系统运行过程中，PTP事件处理模块2、以 太网通信模块3中的信息和数据通过核心处理模块1进行处理。核心处理模块1 通过串行通信模块4将实时信息和数据发送到上位机。用户可以通过串行通信 模块4将控制指令下发给核心处理模块1，核心处理模块1通过控制指令改变开 关量输入输出模块5的状态和PTP事件处理模块2、以太网通信模块3的工作状 态。
以上已以较佳实施例公布本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或 等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
1权利要求
1.一种数字化变电站对时装置，包括核心处理模块以及与核心处理模块相通信的PTP事件处理模块、以太网通信接口模块、串行通信接口模块和开关量输入输出模块，其特征在于所述核心处理模块包括中央处理器AT91RM9200，所述中央处理器AT91RM9200与其相连接的同步动态随机存取存储器、并行闪存、实时时钟、看门狗定时器及JTAG调试端口构成一个基本的嵌入式系统；所述中央处理器AT91RM9200的调试串口端USART0、串口1端USART1、串口2端USART3分别与串行通信接口模块相接，中央处理器AT91RM9200的以太网控制器端EMAC、数据线端DB:0与PTP事件处理模块相接，所述中央处理器AT91RM9200的GPIO口与开关量输入输出模块相接。
2. 根据权利要求1所述的数字化变电站对时装置，其特征在于:所述核心处 理模块中的中央处理器AT91RM9200通过地址总线、数据总线和控制总线与同步 动态随机存取存储器、并行闪存相接；通过地址总线、数据总线和控制总线与 实时时钟、看门狗定时器相接，通过RESET管脚与看门狗定时器相接。
3. 根据权利要求1所述的数字化变电站对时装置，其特征在于:所述PTP事 件处理模块与以太网通信接口模块为同一硬件组成，包括以太网第一通道和以 太网第二通道，所述以太网第一通道包括内置隔离变压器的端口 RJ45，所述内置 隔离变压器的端口RJ45与全双工以太网收发器DP83640相连，所述中央处理器 AT91RM9200内嵌的以太网控制器EMAC的发送端ETX、接收端ERX、控制端ECON 分别接第一全双工以太网收发器DP83640的发送端ETX、接收端ERX、控制端 ECON;所述以太网第二通道包括光纤收发器，所述光纤收发器与第二全双工以太 网收发器DP8364及以太网控制器LAN9215依次相连接，所述中央处理器 AT91RM9200数据总线DB、地址总线AB和控制总线CON分别接以太网控制器 LAN9215的数据总线DB、地址总线AB和控制总线CON。
4. 根据权利要求l或2或3所述的数字化变电站对时装置，其特征在于:所 述串行通信接口模块由中央处理器AT91RM9200自带的串行通信控制器SCC1 、 RS485电平转换电路MAX485 、两脚插座构成一路RS485串行通道，作为用户保留的扩展端口；串行通信控制器SCC3 、 RS485电平转换电路MAX485 、两脚插 座构成另一路RS485串行通道，也作为用户保留的扩展端口；中央处理器 AT91RM9200带有一路UDP控制器、USB器件端口构成USB串行通道，也作为用 户保留端口；中央处理器AT91RM9200具有的一路调试串口 SCCO与RS232电平 转换电路MAX203、标准九针插座DB9配置为三线制RS232串口作为现场调试通 道；所述串行通信控制器SCC3和对应的电平转换电路之间均设置有高速光隔离 器。
5. 根据权利要求1或2或3所述的数字化变电站对时装置，其特征在于:所 述开关量输入输出模块共包括19路开入开出通道；其中AT91RM9200芯片提供5 路开入开出通道，DP83640芯片提供14路开入开出通道，开入开出信号通过光 隔与电路板的排针相连。
6. 根据权利要求1或2或3所述的数字化变电站对时装置，其特征在于:在 所述中央处理器和并行闪存中具有系统初始化功能模块，用于在系统启动时， 中央处理器执行并行闪存提供的初始化引导程序，实现系统各个模块初始化的 功能；在所述中央处理器和并行闪存中具有系统配置功能模块，用于在系统初始 化后，中央处理器将并行闪存中存储的配置参数导入，实现各个模块的功能配 置和运行参数设置；在所述中央处理器中具有GOOSE和SAV报文处理功能模块，用于在接收到 标准的GOOSE和SAV报文后，利用AT91RM"00芯片进行处理或转发；或者通过 AT91RM9200芯片向通信接口发送标准的GOOSE和SAV报文；在所述中央处理器中具有对时报文处理功能模块，用于发送或接收PTP报 文，处理PTP时间处理模块提供的时标来计算装置间的时间偏差，并通过最佳 主时钟算法确定装置的状态，如果为主时钟，则向网络发送同步报文，如果为 从时钟，则接收同步报文，并修正实时时钟的时间值，达到与主时钟装置的同 步；所述GOOSE和SAV报文处理功能模块和对时报文处理功能模块中包括中断 和中断所驱动的任务程序；在所述并行闪存中具有数据库管理功能模块，用于保存和管理整个装置的 运行信息和状态配置信息。
全文摘要
本发明公开了一种数字化变电站对时装置，包括核心处理模块以及与核心处理模块相通信的PTP事件处理模块、以太网通信接口模块、串行通信接口模块和开关量输入输出模块，其特征在于所述核心处理模块包括中央处理器AT91RM9200，所述中央处理器AT91RM9200与其相连接的同步动态随机存取存储器、并行闪存、实时时钟看门狗定时器及JTAG调试端口构成一个基本的嵌入式系统；PTP事件处理模块，所述以太网收发器DP83640与支持IEEE1588标准的协议栈软硬件相结合构成实现变电站装置高精度对时功能。本发明实现了支持IEEE1588标准的高精度时钟对时，实现了数字化变电站设备的时钟同步要求。
文档编号G04G5/00GK101650548SQ20091003466
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者吴在军, 澄 李, 杜炎森, 汪祺航, 王伏亮, 窦晓波, 胡敏强, 伟 黄 申请人:江苏方天电力技术有限公司;东南大学