適用于電力通信接入網的實驗裝置

王智東， 陳俊威

(華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640)

0 引言

智能電網建立在高度統一的信息系統基礎上，利用先進的通信、信息技術，實現對電網信息的全域共享和綜合利用［1-3］。作為智能電網信息系統的重要技術支撐，網絡通信技術貫穿于輸電、變電、配電、調度等電網環節，不僅是智能電網數字化、信息化、自動化、互動化的基礎和關鍵，而且是實現智能電網電力流、信息流與業務流統一、融合的技術手段，為智能電網信息交換和互操作等提供了平臺支持［4-5］。

目前電力系統存在著電力載波、微波、過程總線、以太網等多種通信類型，而且多樣化的通信類型將長期同時存在［6］。電力通信網絡類型和網絡規約的多樣化與復雜化，導致實現電力系統接入網不同網絡和不同規約的連接與信息轉換成為急待解決的難題。

1 電力通信類型分析

變電站是電力能源傳輸和轉換樞紐，變電站通信主要經歷三個發展階段［7-8］，第一階段是以 RS485/422/232(方便敘述，下文簡稱為RS總線)為主的簡單通信模式［9］;第二階段以控制器局域網絡(ControllerAreaNetwork，CAN)、LonWorks等為代表的過程總線［10-11］;第三階段是采用速率更高的以太網為代表，尤其是光纖以太網技術［12-13］，上述的各種通信類型在不同電壓等級的變電站中還普遍存在。

配電領域的通信方式更加靈活和多樣化，常見的配電通信有以下三種通信方式［14］:一是融合計算機技術和數字信號處理技術采用數字式的電力線載波通信;二是采用微波通信技術的電力無線傳輸信息系統;三是以CAN、LonWorks等為代表的過程總線。在輸電領域，同樣也存在無線微波通信、電力線載波通信和光纖通信等多種通信網絡類型。

由于輸電、配電等電力通信應用場合不同，網絡通信技術發展不平衡等多種原因，電力系統同時存在著多種不同的通信類型，尤其在電力系統通信的接入網層，更趨于復雜。電力系統通信接入網處于整個電力系統的接入位置，可以自身單獨組成網絡，相對于骨干網或核心網，其所用的網絡類型和網絡規約更加多元和豐富，而且在很長的一段時期內將存在多樣化的通信類型［5］。

掌握和應用電力系統通信網絡技術成為智能電網建設的關鍵之一，而開發適用于電力系統的高性能通信實驗裝置是深入了解和熟悉電力系統網絡技術的前提。但是，目前智能電網的通信裝置存在著集成度較低、裝置性能單一、功能分散和不完整等問題，實用性差，難以滿足電力系統各通信類型和模式多樣化的要求。因此，設計通信功能齊全的實驗裝置具有很重要的現實意義。

2 實驗裝置整體方案

針對電力系統通信接入層的多樣化需求，同時考慮到選擇通信功能集成度高的控制芯片有助于降低開發難度和節省成本，通過比較目前主流芯片生產廠家控制器的綜合性能，最終選擇了LM3S9B96控制器作為本實驗裝置的控制器，該芯片內置了 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)、CAN、I2C(Inter-Integrated Circuit)、SPI(Serial Peripheral Interface)、以太網等控制模塊，具有多種通信接口，兼容性能好，可以很好滿足當前電力系統RS總線、CAN總線、以太網等多種通信需求。LM3S9B96控制器主要特點有:

(1)集成度高。LM3S9B96控制器采用 ARMCortex-M3構架;Thumb-2技術可以使16 B和32 B指令并存，帶來了代碼密度和性能的有效平衡;支持SDRAM、SRAM/Flash memory、FPGAs、CPLDs;4個32 B定制器，2個看門狗定時器等功能。

(2)運算速率高。LM3S9B96控制器具有256 KB單周期Flash存儲器，速度可達50 MHz;50 MHz以上采用預取指技術改善性能;同時兼帶96 KB單周期SRAM，較大的內存為處理器的快速運行提供了保障。

(3)通信接口豐富。LM3S9B96控制器具有片外設備接口，提供8/16/32 B外部設備專用并行總線，支持USB2.0，三路支持 IrDA 和 ISO 7816的 UART、SPI和以太網等通信功能。這樣，簡化了通信電路，提高硬件的可靠性;同時，方便電路的擴展和裝置的再開發。

(4)芯片價格成本低。芯片開發無需昂貴開發工具。

實驗裝置充分利用LM3S9B96控制器豐富的通信接口，采用模塊化的設計方法，通過自帶的 I2C、UART、SPI、CAN、以太網控制模塊和數據總線，分別與RS模塊、無線模塊、CAN模塊、Profibus模塊等外圍通信模塊進行數據交互，如圖1所示。該裝置具有研發周期短、產品功能擴展方便靈活、成本低廉等模塊化設計的優點［15］。

圖1 電力通信接入網實驗裝置結構框圖

3 關鍵模塊實現

3.1 主控制器模塊和電以太網模塊

主控制器模塊的設計關鍵在于其最小系統，主要包括系統電源、系統時鐘和調試接口JTAG(Joint Test Action Group)等回路。

電源的質量直接決定裝置運行的可靠性，本系統需要3.3和2.5 V等多個電壓，目前微機系統常用的直流提供方式主要有直流轉直流DC-DC方法或線性穩壓器LDR(Low Dropout Regulator)兩種方法，前者效率高但成本高;后者效率較差但具有很大的成本優勢。本設計中綜合考慮所需電源的功耗、設計成本等因素，根據具體情況靈活選擇。電源具體設計如下:因為3.3 V電源是用得較多的系統電源，采用較為節能的DCDC電源芯片PQ1LA333MSPQ，將從電源端子進入裝置的5 V電源轉換為3.3 V的系統電源。由于2.5 V電源的使用率不高，主要考慮成本因素，選用線性穩壓器FAN2558S12X將5 V電源轉變為2.5 V電源供給光以太網等模塊。在電源芯片和LM3S9B96控制器的每個電源管腳，都盡可能并聯上 0.1、0.01 和 2.2 μF容值不等的去耦電容，以過濾不同頻段的電源紋波干擾。

在系統時鐘設計方面，將頻率為16 MHz的晶體接入到LM3S9B96控制器的時鐘輸入管腳，通過LM3S9B96控制器內置的倍頻回路后作為系統時鐘。同時，提供25 MHz的晶體作為LM3S9B96控制器內置的以太網模塊的時間基準，具體設計如圖2所示。

LM3S9B96控制器內置的以太網模塊遵循IEEE 802.3—2002規范，支持10/100 Mb/s半/全雙工以太網通信，包括媒體訪問控制器MAC單元和網絡物理層IEEE1588PTP硬件支持的PHY單元。利用LM3S9B96控制器內置的以太網單元即可方便實現電以太網功能，只需將LM3S9B96控制器以太網單元的收、發兩對具有差動功能的管腳，經過由電阻、電容組成的匹配電路后，連接到集成了隔離變壓器功能的RJ45接口連接器J3011G21DNL如圖2所示。

由于LM3S9B96控制器內置的以太網物理層PHY單元支持 IEEE1588功能，無需另外添加復雜的IEEE1588電路，便可實現IEC61850標準的IEEE1588對時方式［16］。

3.2 RS 總線模塊

RS232、RS422和RS485網絡功能雖然相對簡單，但在目前的電力系統通信領域都有一定程度的應用，本RS總線模塊在LM3S9B96控制器的UART控制模塊的基礎上，通過添加對應的簡單芯片即可實現RS232、RS422和RS485功能。

采用 ISO35芯片實現 RS422或 RS485功能，ISO35芯片是具有TIA/EIA 485/422通信接口的芯片，具有1 Mb/s的數據傳輸速率，而且ISO35具有數據隔離功能，可較好保證數據完整性。具體設計如圖2所示，通過LM3S9B96控制器的UART控制模塊來控制ISO35芯片的RE或DE管腳，從而使該模塊工作在RS485讀或寫的半雙工狀態。當同時使能RE或DE管腳時，該模塊工作在RS422讀寫全雙工狀態。

圖2 RS232/RS422/RS485模塊原理圖

根據ISO35芯片的電源要求，利用電源轉換芯片NKE0503S得到隔離的3.3 V電源和地供給ISO35芯片。

同時選用MAX3250芯片實現RS232功能。所采用的MAX3250芯片是一款具有250 kb/s數據傳輸率的EIA/TIA-232和 V.28/V.24通信接口芯片，允許RS232側與邏輯側存在±50 V的電壓差。MAX3250芯片的FAULT漏極管腳25開路輸出在任何一路RS232輸入出現過高的隔離端電壓時，會產生報警信號，起到保護芯片的作用。

3.3 CAN 模塊

主控制器LM3S9B96已集結了CAN功能模塊，只需添加收發器芯片便可實現完整的CAN通信。為了簡化電路和降低成本，選用具有數據隔離功能的單芯片ISO1050作為CAN收發器芯片，該芯片在滿足CAN高達1 Mb/s的數據傳輸速率的基礎上，還具有信號隔離能力，避免了傳統設計中需另外添加隔離電路以增強可靠性的做法。

具體設計如圖3所示，ISO1050芯片的接收管腳和發送管腳分別與LM3S9B96控制器CAN模塊數據控制器的數據接收管腳和發送管腳相接，進行數據交互。同時，經過隔離的ISO1050芯片的一對具有差動功能的管腳接到與外界CAN總線聯系的端子。

圖3 CAN模塊原理圖

3.4 LonWorks電力載波模塊

LonWorks電力載波模塊由電力智能載波收發芯片PL3120、發送放大電路、耦合電路和接收濾波電路組成。

LonWorks電力載波采用同時集成了神經元功能和電力線收發功能的PL3120載波收發器，PL3120芯片采用單片系統方式、超小型的封裝模式，支持CENELEC-A和CENELEC-C運行，符合多個國家的電力線規則。

具體設計如圖4所示，外部電源的電源端POWER直接連接到耦合電路，發送端TXOUT接到芯片接口的發送放大電路;接收端RXIN連接到芯片的接收濾波電路。具體實現如下:

圖4 LonWorks的電力線載波模塊電路原理圖

LM3S9B96控制器通過I2C接口給PL3120芯片提供時鐘和進行數據交互。PL3120芯片通過由電阻和電容構成的接口電路，連接到由電容和電感配合組成的耦合電路，耦合電路的的電源端POWER連接到外部電源。耦合電路作為PL3120芯片和電源之間的濾波器，在提供電涌和線路瞬變保護之外還可以阻止干擾信號，可通過裝置的端子耦合到AC/DC輸電線，或無動力的雙絞線上。

為了增大傳輸距離，需要配置發送放大電路。發送放大電路由多個BJT(Bipolar Junction Transistor)構成差分放大電路，把信號放大為峰峰值為7 V的信號，并通過發送接口TXOUT與耦合電路部分相接，進行濾波處理，并連接到芯片接口的發送放大部分發送到LonWorks網絡。

接收端RXIN連接到芯片的接收濾波部分。接收電路的RXIN管腳作為電路的輸入端，連接到耦合信號輸入端進行濾波處理，同時接入PL3120芯片的模擬信號輸入端，接收來自LonWorks網絡的數據。

3.5 Profibus模塊

Profibus協議由于太過復雜而龐大，在主控制芯片上編程實現會加重主控制模塊的負擔，而且編程實現會增大研發的難度。為了降低研發難度、縮短開發周期、降低開發成本，本文采用內部封裝了完整的Profibus協議的SPC3芯片來實現，可以保證裝置要求的高可靠性、高效率。

本模塊基于SPC3芯片，該芯片通過總線接口與LM3S9B96控制器相連，LM3S9B96控制器的高8 B地址線與SPC3的AB0～AB7數據線相連，低8 B地址線與SPC3的 DB0～DB7數據線相連，SPC3芯片從Profibus總線接收數據，完成進行基本的Profibus協議處理后，把接收的數據存入相應的緩沖區，并以中斷的形式通知LM3S9B96控制器，最終由主控制器進行處理，具體設計如圖5所示。

圖5 Profibus模塊的電路原理圖

3.6 無線模塊

無線模塊采用低成本、低功耗的單片UHF收發器CC1101芯片。CC1101芯片集成了一個高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式，其數據傳輸率可以靈活編程控制;工作頻段靈活;前向誤差校正功能使得差錯控制性能得到提升。

通過LM3S9B96控制器的工作在四線模式的SPI通信模塊與CC1101芯片的四線SPI接口進行信息交換，由此實現無線通信。為了抑制高頻電流的干擾，本模塊增加由 L101、L111、C131、C111、L121、L131、C131構成的平衡轉換器。CC1101芯片的RF_N、RF_P管腳經匹配電路后連接到天線通信模塊。無線模塊的CC1101芯片的外圍電路如圖6所示。

圖6 無線模塊的電路原理圖

LM3S9B96 控制器通過由 SCLK、SO、SI、CSn管腳組成的SPI接口與CC1101連接，靈活地實現通訊參數配置、工作模式選擇、數據通訊功能。

3.7 光以太網模塊

光以太網功能在電力系統中得到了越來越多的應用。但目前單芯片控制器中很少具有光以太網功能，所以在需要光以太網功能的設計中，往往通過主控制器的數據總線擴展，與功能復雜的光以太網芯片相連，來實現光以太網功能。但是該方法需涉及較為復雜的光以太網芯片編程，而且印刷電路板布線較為困難，增加了系統的復雜性。

本光以太網模塊在電以太網模塊的基礎上，通過增加光/電轉換以太網芯片，實現光以太網功能。具體設計如圖7所示，該模塊以光/電轉換以太網芯片IP113M為核心，IP113M提供的光纖接口連接至百兆光纖收發器HFBR-2115TZ和HFBR-1115TZ芯片，與外界的光纖以太網相連;同時，IP113M的電以太網接口經隔離變壓器YL37-1107S后連接到RJ45電以太網網絡接口，該電以太網接口可以通過雙絞線連接到文中3.1節介紹的電以太網RJ45接口，從而實現外界的光纖信號經過光纖收發器后進入IP113M芯片，再通過IP113M芯片的電以太網接口和與之相連的主控制器的電以太網接口，實現光纖信號的處理。

圖7 光以太網模塊的電路原理圖

4 結語

本文針對電力系統通信方式多樣性和復雜性的問題，采用“單核心，模塊化”的方法設計了基于LM3S9B96控制器的電力通信接入網的實驗裝置，可以實現電力系統多種通信規約的處理和轉換功能，克服了傳統通信裝置性能單一、功能分散的缺點，為智能電網提供了高性能、高可靠性的通信平臺支撐。

該實驗裝置具有可擴展性強、成本低廉、集成度高、功能全面等優點，不僅適用于電力系統常見接入網絡性能和網絡規約的測試，或者電力系統異構網絡的互聯和多種網絡規約的轉換等實驗;還可作為簡單的電力系統通信網關，實現不同網絡和不同規約的無縫連接和信息轉換。

［1］張之哲，李興源，程時杰.智能電網統一信息系統的框架、功能和實現［J］.中國電機工程學報，2010，35:1-7.

ZHANG Zhi-zhe，LIXin-yuan， CHENG Shi-jie. Framework，Function and Implementation of Smart Grid Unified Information System［J］.Proceedings of the CSEE，2010，35:1-7.

［2］程時杰，李興源，張之哲.智能電網統一信息系統的電網信息全域共享和綜合應用［J］.中國電機工程學報，2011(1):8-14.

CHENG Shi-jie，LI Xin-yuan，ZHANG Zhi-zhe.Global Sharing And Integrated Application of Smart Grid Unified Information System［J］.Proceedings of the CSEE，2011(1):8-14.

［3］余貽鑫，欒文鵬.智能電網述評［J］.中國電機工程學報，2009，34:1-8.

YU Yi-xin， LUAN Wen-peng.Review ofSmartGrid ［J］.Proceedings of the CSEE，2009，34:1-8.

［4］馬韜韜，李 珂，朱少華，等.智能電網信息和通信技術關鍵問題探討［J］.電力自動化設備，2010(5):87-91.

MA Tao-tao，LI Ke，ZHU Shao-hua，et al.Key Issues Discusseion of Smart Grid Information and Communication Technologies［J］.Electric Power Automation Equipment，2010(5):87-91.

［5］苗 新，張 愷，田世明，等.支撐智能電網的信息通信體系［J］.電網技術，2009(17):8-13.

MIAO Xin，ZHANG Kai，TIAN Shi-ming，etc.Information and Communication System Supporting Smart Grid［J］.Power System Technology，2009(17):8-13.

［6］孫軍平，盛萬興，王孫安.新一代變電站自動化網絡通信系統研究［J］.中國電機工程學報，2003(3):16-19.

SUN Jun-ping， SHENG Wan-xin，WANG Sun-an. Substation Automation Network Communication System Research［J］.Proceedings of the CSEE，2003(3):16-19.

［7］田國政.變電站自動化系統的通信網絡及傳輸規約選擇［J］.電網技術，2003(9):66-68.

TIAN Guo-zheng.Communication Network and Transport Protocol Selection of Substation Automation System［J］.Power System Technology，2003(9):66-68.

［8］任雁銘，秦立軍，楊奇遜，等.變電站自動化系統中內部通信網的研究［J］.電網技術，2000，24(5):42-44.

REN Yan-ming，QIN Li-jun，YANG Qi-xun，et al.Reserachof Internal Communication Networkin Substation Automation System［J］.Power System Technology，2000，24(5):42-44.

［9］尹繼春，宋鑫峰.變電站綜合自動化系統通信功能的研究［J］.電力系統通信，2011(4):55-58.

YIN Ji-chun， SONG Xin-feng. Communication Research of Substation Automation System ［J］.Power System Communication，2011(4):55-58.

［10］韓玉雄.PROFIBUS在變電站自動化系統中的應用［J］.電力自動化設備，2002(6):62-63.

HAN Yu-xiong.Application of PROFIBUS in Substation Automation System［J］.Electric Power Automation Equipment，2002(6):62-63.

［11］錢 美，韓江桂，吳正國，等.電力系統過程網絡CAN總線實時性仿真與分析［J］.電力自動化設備，2011(11):103-107.

QIAN Mei，HAN Jiang-gui，WU Guo-zheng，etc.Real-time Process Simulation and Analysis of Power System Network CAN-bus［J］.Electric Power Automation Equipment，2011(11):103-107.

［12］廖國棟，王曉茹，王利平，等.嵌入式以太網在變電站自動化系統中的實現［J］.電力系統自動化，2006(6):79-83.

LIAO Kuo，WANG Xiao-ru，WANG Li-ping，et al.Implementation of Embedded Ethernet in Substation Automation System［J］.Power System，2006(6):79-83.

［13］楊 剛，楊仁剛，郭喜慶.嵌入式以太網在變電站自動化系統智能化電氣設備上的實現［J］.電力系統自動化，2004(3):74-76.

YANG Gang，YANG Ren-gang，GUO Xi-qing.Implementation of Embedded Ethernetin IntelligentElectricalDevicesofSubstation Automation System［J］.Automation of Power Systems，2004(3):74-76.

［14］Nordell D E.Communication Systems for Distribution Automation［J］.Transmission and Distribution Conference and Exposition，2008:1-14.

［15］周建民，鮑春暉，佟延春.繼電保護產品中的模塊化設計［J］.繼電器，2001(8):39-41.

ZHOU Jian-min，BAO Chun-hui，TONG Yan-chun.Modular Design of Protection Relay Products［J］.Relay，2001(8):39-41.

［16］陳炯聰，崔全勝，魏 勇，等.適用于數字化變電站的IEEE1588測試儀的研制［J］.電力系統保護與控制，2012，40:137-142.

CHEN Jiong-cong，CUI Quan-sheng，WEI Yong，etc.IEEE1588 Test Instrument Applicable for Digital Substation［J］.Power System Protection and Control，2012，40:137-142.