专利名称：电力系统变电站自动化系统中专用通信管理机的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种电力系统变电站自动化系统中专用设备，属于电力系统自动化管理设备制造的技术领域。
二背景技术：
随着计算机技术以及控制技术的不断进步，变电站自动化得到了快速的发展。目前常见的变电站自动化系统分层体系结构如图1所示，变电站内部的后台监控主机、工程师站以及所有的保护装置通过总线方式处于同一层网络中。这种结构下的后台主机需要执行的功能主要有1、负责对变电站内的各个保护单元的循检、遥测、遥信以获取保护装置的信息，通过遥控命令对保护装置进行控制以及运行参数的改变；2、负责主机的界面刷新以及主机数据库的更新；3、负责变电站和远方调度中心的通信；因此，变电站处于这种结构下，后台监控主机的负担太重。
目前，RS485串行总线在大部分变电站自动化系统内被应用，它们使用一个主站(Host)对多个从站(Slave)的通信方式，实现起来硬件电路比较简单，但是在实践应用中存在以下缺陷1、只能有一个主站，无法实现多主站信息互为备份的冗余设计；2、从站无法主动上传重要信息，实时性较差；3、各从站之间无法直接通信，只能通过主站中继才能相互通信；4、对较小规模的系统实时性可以得到保证，但随着系统规模的扩大，系统的实时性能将会急剧降低；5、抗干扰及纠错能力较差，一般只适合在控制室内部使用，不能用于开关场合或开关间隔内，即不太适用于分散安装的变电站自动化系统。
目前也有一些变电站系统配备了以太网通信总线作为变电站内部通信的总线，以太网通信总线具有BTR高的特点，但是由于以太网技术本身采用CSMA/CD技术存在实时性不高的问题，而变电站系统是对实时性要求很高的系统，因此以太网技术在变电站自动化中的应用受到一定的限制。由于目前变电站自动化系统中通信存在的这些问题，导致变电站内部的通信可靠性降低、实时性不高，因此我们有必要在变电站系统内部设置专用的装置负责整个变电站的通信，三、发明内容1、技术问题本实用新型的目的是提供一种同时采用多主方式，可靠性、实时性高的现场总线CAN总线作为变电站系统内部的通信总线的电力系统变电站自动化系统中专用通信管理机2、技术方案本实用新型的电力系统变电站自动化系统中专用通信管理机由通信机装置母板、通信管理机主控板、显示及键盘模块所组成，通信机装置母板通过显示接口和键盘接口分别与通信管理机主控板和显示及键盘模块相连接；其中通信管理机主控板由主控板CPU核心控制模块、备用串口扩展模块、CPLD扩展模块、工业Modem通信控制模块、CAN总线接口控制模块、程序存储器、数据存储器、主控板信号线接口模块所组成，主控板CPU核心控制模块分别接备用串口扩展模块和工业Modem通信控制模块，主控板CPU核心控制模块通过备用串口接口信号线与主控板信号线接口模块相接，工业Modem通信控制模块通过载波通信信号线与主控板信号线接口模块相接，CAN总线接口控制模块通过CAN总线通信信号线与主控板信号线接口模块相接，CPLD扩展模块通过显示及键盘接口控制线与主控板信号线接口模块相接，此外，主控板CPU核心控制模块、CPLD扩展模块、CAN总线接口控制模块、程序存储器、数据存储器、主控板信号线接口模块分别与地址总线、数据总线、读写控制总线相接。
主控板CPU核心控制模块中的中央处理器U1的“RXD1、TXD1”端对应接备用串口扩展模块中扩展电路U9的“RXD1、TXD1”端，扩展电路U9中的“232T、232R”端对应接主控板信号线接口模块中接口JPLCD1的“232T、232R”端，CAN总线接口控制模块中U10的“SELECT BUS、RW BUS”端对应接CPLD扩展模块中U2的“SELECT BUS、RW BUS”端，CAN总线接口控制模块中U11的“CANLU、CANHU”端对应接主控板信号线接口模块中接口电路“JPCOM1”中的“CANLU、CANHU”端，CAN总线接口控制模块中U7的“CANLD、CANHD”端对应接主控板信号线接口模块中接口电路“JPCOM1”中的“CANLD、CANHD”端。
3、有益效果(1)提高了变电站自动化系统监控的实时性。主要原因为在变电站自动化系统中引入通信管理机装置专门负责变电站内部以及外部的通信，减轻了后台监控主机的负担，可以把更多的时间放到后台界面刷新工作、以及数据处理等任务上去。
(2)增加了变电站自动化系统内部通信的可靠性，实时性。在通信管理机内部采用现场总线CAN总线作为通信总线，突出的优点如下由于CAN总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰率低，具有极好的检错效果；采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁的时间；这些CAN总线的特性增加了CAN总线通信的可靠性。
单主方式下通信规约里，规定后台主机作为总线上的主节点，保护装置只有等到后台召唤到该保护装置时，保护装置才上传该相应报文，如此降低了系统的实时性。由于CAN总线具有多主通信工作方式，保护装置可以主动发送报文，当保护装置有动作事件、定值改变、开关量变化等事件时，可立即上传该报文，增加了系统的实时性。同时可以把总线上的各节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求；在大部分变电站自动化系统中，后台主机通过MODEM连接到公用电话网上实现远程通信，这种连接方式存在缺点是由于PC机的实时性、可靠性不高，导致调度中心不能及时的了解无人值守变电站的运行情况；同时增加了后台监控主机的负担。因此，把远程调度功能由通信管理机完成，通过工业MODEM连接到公用电话网中实现载波通信。
(3)具有掉电恢复运行状态的功能，提高了系统的可靠性通信管理机具有掉电记忆功能，由于通信管理机内部把接受的数据、需要发送的数据以及管理机当前运行的状态都保存在非易失数据存储器内，即使管理机掉电，在从新上电之后非易失数据存储器内的数据还在，可以恢复掉电前的状态以及数据，不至于因为掉电丢失数据，增加了系统的可靠性。
四
图1是目前变电站常见的分层结构示意图。
图2是本实用新型的基于CAN总线带通信管理机变电站综合自动化分层结构示意图。
图3是本实用新型的通信管理机装置的总体结构框图。其中有通信机装置母板1、通信管理机主控板2、显示及键盘模块3。
图4是本实用新型的通信管理机主控板结构框图。其中有主控板CPU核心控制模块21、备用串口扩展模块22、CPLD扩展模块23、工业Modem通信控制模块24、CAN总线接口控制模块25、程序存储器26、数据存储器27、主控板信号线接口模块28。
图5是本实用新型的CPLD模块内部结构框图。
图6是本实用新型的通信管理机主控板电原理图。
图7是本实用新型通信机装置母板1及显示及键盘模块3的电原理图。
图8是本实用新型的CPLD内部地址锁存模块的电原理图。
图9是本实用新型的CPLD内部地址移码以及I\O扩展模块的电原理图。
图10是本实用新型的CPLD内部键盘中断脉冲信号的产生模块电原理图。
五具体实施方式
本实用新型的电力系统变电站自动化系统中专用通信管理机由通信机装置母板1、通信管理机主控板2、显示及键盘模块3所组成，通信机装置母板1通过显示接口和键盘接口分别与通信管理机主控板2和显示及键盘模块3相连接；其中通信管理机主控板2由主控板CPU核心控制模块21、备用串口扩展模块22、CPLD扩展模块23、工业Modem通信控制模块24、CAN总线接口控制模块25、程序存储器26、数据存储器27、主控板信号线接口模块28所组成，主控板CPU核心控制模块21分别接备用串口扩展模块22和工业Modem通信控制模块24，主控板CPU核心控制模块21通过备用串口接口信号线与主控板信号线接口模块28相接，工业Modem通信控制模块24通过载波通信信号线与主控板信号线接口模块28相接，CAN总线接口控制模块25通过CAN总线通信信号线与主控板信号线接口模块28相接，CPLD扩展模块23通过显示及键盘接口控制线与主控板信号线接口模块28相接，此外，主控板CPU核心控制模块21、CPLD扩展模块23、CAN总线接口控制模块25、程序存储器26、数据存储器27、主控板信号线接口模块28分别与地址总线、数据总线、读写控制总线相接。
为了克服目前变电站通信系统存在的一些问题，我们设计的变电站系统采用了新的结构(如图2)，在后台主机以及保护装置之间增加了通信管理机用于负责管理整个电站内部的通信；采用现场总线CAN作为变电站内部的通信总线；引人了工业MODEM通过公用或专用电话网实现载波通信。大大的增加了变电站自动化系统的可靠性、实时性、灵活性。
通信管理机的主控板的结构框图如图3所示，通信管理机配备的通信接口有1、接到变电站内部站级CAN网络上的总线接口，该CAN总线接口实现通信管理机和后台监控主机之间的通信；2、接到变电站内部现场级CAN网络上的总线接口，该CAN总线接口实现通信管理机和保护装置之间的通信；3、备用RS232/RS485串行通信接口，该串口可以作为外部调试串口，也可以作为电度表读串口；4、远程载波通信接口，通过该通信接口把变电站连接到公用电话网上，实现变电站自动化系统的调度功能；通信管理机配备的其他资源有；5、大屏幕液晶显示，显示通信管理机的运行状态；6、键盘输入可以设置通信管理机的运行参数；7、GPS时钟脉冲信号接到通信管理机用于对管理机的精确校时；整个装置主要分三个模块装置母板、液晶显示以及键盘、通信管理机主控板(装置的总结构框图如图4所示)，下面我们分别介绍这三个模块的硬件组成。
(一)、装置母板模块母板是装置各子模块的信号的连接电路板，其他的模块板都是插在母板上的，这种结构下装置的抗干扰的能力比较强，结构比较稳固，装卸比较方便。详细的电路图在附图5中给出。
(二)、人机接口板模块人机接口板的电路图如附图5所示。它提供了和液晶显示模块T6963C的接口端子JP1，主控制板提供给该端子的信号有8位数据总线D0~D7；复位信号LCDRST；读写控制信号WR、RD；指令数据通道选择信号A0；液晶控制的片选信号LCD；供电电压+5和GND；以及用于液晶背光控制的负压Vo。该电路板还提供和母板的控制信号联系的接口端子JP CPU1。其提供的信号除了上述之外还有控制LED灯亮灭的信号L1~L7，串口通信信号232R、232T。装置的运行标志灯LED1~7用以显示装置正常，报警，动作，供电情况等状态，同时在显示面板上提供了对通信管理机的调试串口。
(三)、通信管理机主控制板通信管理机的主控制板是整个通信管理机的核心和灵魂。其硬件结构构成框图如图3所示，主要由以下几个模块构成。
(1)CPU模块80C320；(2)程序存储器以及非易失性数据存储和实时时钟模块；(3)CPLD信号综合处理模块；(4)变电站层级CAN网络的通信接口以及现场级网络CAN网络的通信接口；(5)备用串口单元；(6)液晶接口、通信接口以及工业MODEM接口；下面按功能分别介绍主控板上的各个模块。
1、CPU核心控制模块CPU核心控制模块的电路图如附图6所示，据变电站自动化数据通信的要求，这里选用了DALLAS公司的8位高性能嵌入式微处理器DS80C320作为通信管理机的CPU。DS80c320的执行速度快，允许的最大晶振频率是33MHz，采用了单循环周期指令，相同的晶振下，执行速度一般为MCS51的2.5倍，DS80C320提供了14个中断，其中6个外部中断，能够满足中断的需求，同时提高了通信管理机的实时性；DS80C320提供了2个串口。
装置采用了有源晶振，通过CPU_CLK给CPU提供时钟脉冲。因为所用的工业MODEM波特率为2400Kbps，因此选用晶振频率为11.0592MHZ。
CPU提供的2个串口，我们把一个串口的信号线RXD1、TRD1通过Max232芯片提供备用的RS232串行通讯口，另一个串口的信号线RXD、TRD以及2个IO口DTR、DCD和工业MODEM相连实现载波通信。
X5043是硬件看门狗电路，当装置软件故障时可保证软件可靠复位，其控制信号WDT、SO、SI、SCK通过CPU控制。
同时CPU可以有4个外部中断信号线SDINT、SUINT、KINT、S_INT。SDINT作为通信管理机连接到现场级CAN网络上的CAN总线控制器的中断信号线；SUINT作为通信管理机连接到变电站级CAN网络上的CAN总线控制器的中断信号线；一KINT作为面板上8个按键中有一个按键按下去产生的中断信号，这根中断信号线是有CPLD提供的；S_INT是作为GPS精确校时的中断信号，该中断信号线要求通信管理机立即进行精确校时，这种时方法可以精确到ms级。
2、CPLD扩展模块CPLD芯片内部以可编程的宏逻辑单元为基础，可编程的连线集中在一个全局布线区。它可以允许使用大规模可编程逻辑芯片替代传统的74LS系列和小规模GAL逻辑，从而在系统的接口有特殊要求的情况下，只要更改逻辑文件即可满足用户要求，使系统灵活方便，而且缩短了开发周期。本系统中采用XILINX公司生产的型号为XC9572的CPLD，CLPD模块的主要功能有如下3个方面(CPLD模块内部结构框图如7所示)①地址的锁存，由于80c320的低8位地址线和高8位地址线的公用，通过地址锁存信号线ALE把8位地址线锁存起来(如图8所示)。
②地址译码电路以及IO口的扩展。产生的片选信号有(如图9所示)实时时钟芯片1644片选信号1644、连接到现场级网络中CAN控制器的片选信号SJAD、连接到站级网络中CAN控制器的片选信号SJAU、液晶的片选信号LCD。扩展的I/O有对液晶显示屏的复位信号LCDRST、控制人机界面的上的灯信号LIGHT1、LIGHT2、LIGHT3等。
③电平信号的转变(如图10所示)，由于80C320的外部中断信号是电平中断，为了防止键盘中断(为电平信号)重复产生，必须设计成如果有一个按键按下后，必须在S_INT中断信号线上产生中断电平，而中断程序退出时，S_INT中断信号线上的电平无效。
3、存储器模块由于采用的CPU(80c320)内部没有程序存储器，因此主控板上设计有外置程序存储器电路图如图6所示)，通过电路图中的跳线S2，S3选择是选用EPROM27C256还是EEPROM28C256；如果采用内部带有FLASH(闪烁存储器)的CPU，那么可以通过跳线S1来选择。管理机选择了非易失性数据存储和实时时钟芯片1644，该芯片内有32K的掉电保持RAM以及精确到秒的实时时钟，通过对非易失RAM的使用，增加了系统的可靠性。
4、CAN总线接口控制模块变电站内部的通信网络可以分为两层，后台监控主机和通信管理机属于站级通信网络；通信管理机以及保护装置属于现场级通信网络，通信管理机通过CAN控制器以及CAN收发器连接到CAN网络上。管理机选用的CAN控制器为SJA1000以及CAN收发器82C250(电路图如图6所示)。
CAN控制器SJA1000芯片主要由实现CAN总线协议部分和与微处理器接口部分电路组成，可完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的功能，支持CAN2.0A协议及CAN2.OB协议，具有BasicCan以及PeliCan两种工作模式；SJA1000内部提供了128个寄存器，CPU通过8位地址线访问SJA1000内部的寄存器；接受缓冲区提供了64字节的FIFO，CAN总线上通过接受过滤器的数据首先被放到接受缓冲区中，接受寄存器作为接受缓冲区的映射寄存器，当接受寄存器中为空时，接受缓冲区中的数据会填充到接受寄存器中；为了增强错误处理功能，内部提供了特殊功能寄存器，仲裁丢失捕捉寄存器存有关于丢失仲裁位的位置信息，出错码捕捉寄存器存储总线上出现错误的类型和位置信息。
CAN收发器82C50是CAN协议控制器和物理总线的接口，提供了对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。
5、备用串口扩展模块通信管理机提供了RS232备用串口，该串口通过面板连接出去可以作为调试串口。通过MAX232芯片把TTL电平转换为RS232电平信号，TTL电平的信号为来自CPU的RX1，TX1，经过转换之后的信号线为232T，232R，详见电路原理图6。
6、液晶显示接口、通信接口以及工业MODEM接口通信管理机通过三个端口分别连接到面板上、工业MODEM、通信接口(如图6所示)。
通过JP_LCD1端子连接到面板上，其中包括和面板上液晶显示相关的信号线、面板上键盘相关的信号线、面板上显示灯相关的信号线、以及面板上自带备用调试串口相关的信号线。
通过JP_COM1插座连接到通信接口，包括站级CAN网络的通信通道出口CANHU信号线、CANLU信号线；现场级CAN网络的通信通道出口CANHD信号线、CANLD信号线；备用RS232串口通信通道232T，232R；公用电话网载波通信线INLINE1、INLINE2、ONLINE1、ONLINE2；
通过JP_MOD1插座把工业MODEM连接到主控板上实现远程通信，管理机选用了南京先创电子有限公司生产的XCM-2400bps智能工业MODEM。该工业MODEM的主要特点如下功耗低、提供信号指示、自动应答或手动应答。工业MODEM和主控板之间的接口信号线主要有5V电源；数据传输线(TxD、RxD)；控制信号线(载波侦测信号线DCD、数据终端准备信号线DTR)，数据终端准备信号DTR作为工业MODEM的控制开关，DTR置高电平禁止MODEM工作、初始化MODEM时，首先必须把DTR置低电平。通过检测载波侦测信号线DCD作为判断工业MODEM是否处已经建立载波链接。
主控板CPU核心控制模块(21)中的中央处理器(U1)的“RXD1、TXD1”端对应接备用串口扩展模块(22)中扩展电路(U9)的“RXD1、TXD1”端，扩展电路(U9)中的“232T、232R”端对应接主控板信号线接口模块(28)中接口(JPLCD1)的“232T、232R”端，CAN总线接口控制模块(25)中(U10)的“SELECT BUS、RW BUS”端对应接CPLD扩展模块(23)中(U2)的“SELECT BUS、RW BUS”端，CAN总线接口控制模块(25)中(U11)的“CANLU、CANHU”端对应接主控板信号线接口模块(28)中接口电路“JPCOM1”中的“CANLU、CANHU”端。根据以上所述，便可实现本实用新型。
权利要求1.一种电力系统变电站自动化系统中专用通信管理机，其特征在于该管理机由通信机装置母板(1)、通信管理机主控板(2)、显示及键盘模块(3)所组成，通信机装置母板(1)通过显示接口和键盘接口分别与通信管理机主控板(2)和显示及键盘模块(3)相连接；其中通信管理机主控板(2)由主控板CPU核心控制模块(21)、备用串口扩展模块(22)、CPLD扩展模块(23)、工业Modem通信控制模块(24)、CAN总线接口控制模块(25)、程序存储器(26)、数据存储器(27)、主控板信号线接口模块(28)所组成，主控板CPU核心控制模块(21)分别接备用串口扩展模块(22)和工业Modem通信控制模块(24)，主控板CPU核心控制模块(21)通过备用串口接口信号线与主控板信号线接口模块(28)相接，工业Modem通信控制模块(24)通过载波通信信号线与主控板信号线接口模块(28)相接，CAN总线接口控制模块(25)通过CAN总线通信信号线与主控板信号线接口模块(28)相接，CPLD扩展模块(23)通过显示及键盘接口控制线与主控板信号线接口模块(28)相接，此外，主控板CPU核心控制模块(21)、CPLD扩展模块(23)、CAN总线接口控制模块(25)、程序存储器(26)、数据存储器(27)、主控板信号线接口模块(28)分别与地址总线、数据总线、读写控制总线相接。
2.根据权利要求1所述的电力系统变电站自动化系统中专用通信管理机，其特征在于主控板CPU核心控制模块(21)中的中央处理器(U1)的“RXD1、TXD1”端对应接备用串口扩展模块(22)中扩展电路(U9)的“RXD1、TXD1”端，扩展电路(U9)中的“232T、232R”端对应接主控板信号线接口模块(28)中接口(JPLCD1)的“232T、232R”端，CAN总线接口控制模块(25)中(U10)的“SELECT BUS、RW BUS”端对应接CPLD扩展模块(23)中(U2)的“SELECT BUS、RW BUS”端，CAN总线接口控制模块(25)中(U11)的“CANLU、CANHU”端对应接主控板信号线接口模块(28)中接口电路“JPCOM1”中的“CANLU、CANHU”端，CAN总线接口控制模块(25)中(U7)的“CANLD、CANHD”端对应接主控板信号线接口模块(28)中接口电路“JPCOM1”中的“CANLD、CANHD”端。
专利摘要电力系统变电站自动化系统中专用通信管理机是一种电力系统变电站自动化系统中专用设备，该管理机的通信机装置母板1通过显示接口和键盘接口分别与通信管理机主控板2和显示及键盘模块3相连接；其中通信管理机主控板2中主控板CPU核心控制模块21分别接备用串口扩展模块22和工业Modem通信控制模块24，主控板CPU核心控制模块通过备用串口接口信号线与主控板信号线接口模块28相接，CAN总线接口控制模块25通过CAN总线通信信号线与主控板信号线接口模块相接，此外，主控板CPU核心控制模块、CPLD扩展模块、CAN总线接口控制模块、程序存储器、数据存储器、主控板信号线接口模块分别与地址总线、数据总线、读写控制总线相接。
文档编号G06F9/06GK2629320SQ0322243
公开日2004年7月28日 申请日期2003年6月3日 优先权日2003年6月3日
发明者郑建勇, 秦申蓓, 曹海鸥, 杜炎森 申请人:东南大学