基于ARM9智能便攜式延時測試儀硬件的設計

劉建國 劉華杰 王 波

（武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

數字化、智能化是未來變電站的發展趨勢。目前，國內外電子式互感器的研制工作已向實用化階段發展。這樣大規模發展的基礎之一便是非常規互感器的應用，由它發展而來的合并單元也是一種新型電力設備，二次智能電子保護設備通過網絡通信完成信息交換。各智能設備的功能特性、校驗標準等已經成為數字化變電站建設和運行的突出問題。由電子互感器和合并單元帶來的相位誤差和比例誤差也直接影響到電網的安全運行。由于電子式互感器結構的特殊性，難以應用常規電磁式互感器校驗裝置進行校驗，因此電子式互感器及其合并單元的校驗方法和裝置研究一直是國內外的研究熱點[1-3]。

根據 IEC61850[4]關于性能測試部分通訊延時測試的要求，發送的物理設備到接收的物理設備傳輸時間要滿足一定的規程要求。根據電力系統繼電保護的速斷性、安全性的特點，采樣數據應經過盡可能短的網絡傳輸延時送到二次保護測控設備，這對于電力設備的保護和電力系統本身的運行安全有著十分重要的作用。因此，測定采樣數據包的傳輸延時對于鑒定合并單元的性能是一項十分重要的工作[5-8]。

1 合并單元延時測試原理

從電子互感器發出數據經過合并單元的同步、抽取濾波、相位補償等處理之后，合并單元再按IEC61850或者IEC60044規定的數據幀格式將數據打包發送到二次設備中，每次發送的數據包都經過了處理，與電子互感器發送的數據已有本質的區別。所以，測試合并單元的延時，不能按照發送點到接收點之間的延時來計，而只能將電子互感器發出的波形和合并單元發出的波形在同一時間軸上比較來進行測試。這就要求測試裝置既要模擬電子式互感器串行發送FT3數據幀，又要模擬二次設備IED網絡接收合并單元發送的數據幀。

搭建智能手持式延時測試儀（IHT）原理圖如圖1所示。

圖1 測試平臺原理圖

圖1中既包括了模擬電子互感器發送數據的功能，也包括了IED接收采集數據的功能。以測試平臺提供的時間軸為基準，同時將發送和接收的數據打上時標，放在同一坐標系上，計算發送和接受波形的基波相位差，再折算成時間，就可以測試出合并單元的延時了。

2 測試儀硬件搭建目標與原則

本裝置要研制的手持式（便攜式）IHT針對數值化變電站合并單元的網絡化二次設備進行信息交換的測試儀器的研究、設計、搭建以及基本驗證功能軟件的設計開發，具備二次開發的硬件平臺基礎。

系統設計原則遵循以下幾點：

1）主控制器采用 ARM9嵌入式處理器，主頻100MHz以上，能滿足應用對資源及速度性能的要求。

2）配備大容量存儲器，能滿足數據存儲及運行嵌入式操作系統的需要。

3）具備ARM9調試接口（JTAG、UART0對應的RS232）和復位、按鍵等控制接口。

4）配置7in彩色觸摸屏，滿足操作及圖文顯示的需要。

5）配置從USB插槽，支持U盤啟動系統。

6）配置2路以UART數據傳輸的光纖通信ST接口，分別模擬EVT/ECT信號的輸出。

7）配置 4路 10/100M 的以太網接口，兩路電口兩路光口，模擬IED與MU的通信。

8）配備高容量鋰電池（2000mAH），工作2h。

9）系統采用低功耗、工業級手持（便攜）式設計。

10）采用LINUX操作系統。

測試平臺整體框架如圖2所示。

圖2 測試儀整體框架圖

3 硬件平臺介紹

3.1 C8051F340介紹

51系列控制芯片C8051F340可以滿足高達2Mb/s波特率 UART的要求，本裝置采用該芯片作為光口UART的控制器。其內部結構框圖如圖3所示。

圖3 80C51F340內部結構框圖

IHT的模擬測試功能之一是，同時模擬兩臺ECT/EVT設備發送報文到合并單元MU，并接受來自于它們的報文，進行數據與同步性分析。該功能需要本儀器具備的接口是兩路UART輸出接口和兩路以太網接收接口。IHT一方面要實現模擬ECT/EVT的信息組織與發送功能，另一方面還要具備IED的信息接收與處理功能，此外IHT還要實現對發送和接受信息的分析功能。為實現上述功能的要求，我們選擇C8051F340雙路UART高速光纖數據傳輸模擬ECT/EVT、網絡電光/光電接口實驗平臺模擬MU，組成測試儀進行測試。

在兩路UART進行數據傳輸中，一方面要考慮光模塊相位的控制問題，利用異或門輸入控制實現；另一方面要考慮UART1、SPI與曼徹斯特編解碼器（3D3523）復用光模塊，以GPIO來轉換控制，實現同步數據傳輸；裝置中同時還加入了光模塊通信節能控制。其光接口為OCM型專用模塊。

3.2 Micro2440 ARM9核心板

本儀器選用含 ARM9芯片 S3C2440的Micro2440核心板作為主CPU。

S3C2440支持兩種啟動模式：一種是從 Nand Flash啟動；另外一種是從Nor Flash啟動。在此兩種啟動模式下，各個片選的存儲空間分配如圖4所示。

圖4 Flash存儲分配圖

在圖4中，左邊是nGCS0片選的Nor Flash啟動模式下的地址分配圖；右邊是Nand Flash啟動模式下的地址分配圖。

由圖4可知，在NAND Flash啟動模式下，內部的4K Bytes Boot SRAM被映射到nGCS0片選的空間；在Nor Flash啟動模式下，與nGCS0相連的外部存儲器Nor Flash就被映射到nGCS0片選的空間。

3.3 S3C2440部分功能模塊

根據設計原則，測試儀需要配備大容量 SD卡和從USB插槽。

1）SD卡存儲器接口部分

SD卡可以配置為2/4G的容量，利用S3C2440的內部功能模塊實現。電路中接入了 EMC保護芯片，利用GPF2作為SD卡的工作電源控制，EINT16作為是否插卡的檢測，GPH8作為SD卡是否寫保護的檢測，如圖 5所示。GPF2為低電平時，SI2323導通，給SD卡供電；GPF2為高電平時，SI2323關斷，SD卡關閉。后面的SI2323的操作方法相同。

圖5 SD卡接口電路

2）USB接口

本裝置擴展了 USB-Host和 USB-Slave接口。其中USB-Slave用于軟件調試及下載，USB-Host供U盤使用。這兩個端口對應圖 6中的“調試”和“USB”端口。

4 IED報文接收驗證試驗

接收采樣值報文，首先要建立一個原始套接字，然后將所有經過網口的網絡報文都采集下來，最后逐個查找出需要的網絡類型報文，丟棄其它不需要的報文，以免網卡緩沖溢出。

舉一抓取報文的應用例程實現步驟如下：

第一步：建立原始套接字d = socket(PF_PACKET，SOCK_RAW，htons(0x8100))。

第二步：打開網卡設備，并使它工作在混雜（promisc）模式。

圖6 擴展USB接口

ioctl(fd，SIOCGIFFLAGS，&req)，

ioctl(fd，SIOCSIFFLAGS，&req)；

第三步：利用網絡接口函數recvfrom接收數據報文。

n=recvfrom(sock,buffer,2048,0,NULL,NULL)

第四步：將接收到的數據報過濾，留下符合采樣標準的網絡報文。

模擬實驗原理如圖7所示。

圖7 報文接收實驗原理

A模擬MU作為發送端發送IEC61850 Sample Value報文，B模擬IED作為接收端接收報文，用兩臺PC作為A、B的控制終端（也稱為調試終端），記錄發送報文和接收報文過程如下圖8、圖 9所示。

圖8 發包程序終端顯示圖

圖9 收包程序終端顯示圖

首先運行測試儀B上的接收程序，再運行測試儀A上的發送程序?？梢钥吹?，A發送的報文B都接收到，并沒有丟失。由于調試窗口大小的限制，這里只顯示了部分內容。發包終端顯示的數據只包含發送數據包的前32個字節；收包程序也只包含了前幾個字節。但總數215個字節已經顯示出來。收包數據幀幾個重要標志與發送的數據包均相同，如網絡幀標志識別0×8100、網絡類型0×88ba。以上實驗驗證此測試儀可以發送符合 IEC61850 Sample Value類型的數據，并可抓取這種類型的數據。

5 結論

本文基于ARM9的智能便攜式測試儀有一大特點，那就是在 Linux系統下實現了多網卡應用，因而可以在數字變電站中廣泛應用。由于數字變電站中的IED都是網絡化設備，這給校驗裝置功能的拓展提供了基礎。裝置功能可以拓展為測試智能開關、網絡交換機等設備的延時，也可以安放在數字變電站中實時觀察各個IED的運行狀況等。

[1]余春雨,葉國雄,王曉琪,李曉林,李偉.電子式互感器的校準方法與技術[J].高電壓技術,2004,30(4):20-21.

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[3]馬亮.智能電網關鍵設備研制首戰告捷.電力系統裝備[J].2010,11(12): 54-55.

[4]IEC.IEC61850-2004,Communication networks and systems in substations[S].

[5]楊永標.基于IEC61850標準的合并單元性能測試[J].電網技術,2006(30):442-445.

[6]高翔.數字化變電站應用技術[M].北京:中國電力出版社,2008:22-23.

[7]王飛.電子式互感器合并單元的研究與實現[D].南京:東南大學,2009.

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