電能量遠(yuǎn)方終端雙平面網(wǎng)絡(luò)接入平臺(tái)設(shè)計(jì)

張衛(wèi)東

積成電子股份有限公司

電能量遠(yuǎn)方終端雙平面網(wǎng)絡(luò)接入平臺(tái)設(shè)計(jì)

張衛(wèi)東

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電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要承載電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全監(jiān)控、電量結(jié)算、環(huán)境監(jiān)測(cè)和辦公自動(dòng)化等通信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠和變電站相關(guān)信息接入。為了保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，對(duì)于重要的骨干電廠和變電站要配置雙平面調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，接入到調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的重要終端設(shè)備也必須支持雙平面接入.為了終端設(shè)備到雙平面調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的接入，一些廠商的終端設(shè)備采用了串口至以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通道，這種方案受限于異步串口的通信速率，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣瘦^低，而且串口至以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的可靠性低，降低了信息接入的可靠性。

電能量遠(yuǎn)方終端；以太網(wǎng)控制器；電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

本文研究的電能量遠(yuǎn)方終端先前使用的核心板已經(jīng)停產(chǎn)、電子盤斷貨，還考慮到升級(jí)使用的核心板自帶的以太網(wǎng)控制器和應(yīng)用軟件的底層驅(qū)動(dòng)不兼容，整個(gè)裝置沒(méi)有可用的以太網(wǎng)接口。課題組決定設(shè)立項(xiàng)目開(kāi)發(fā)一塊帶雙網(wǎng)卡的多功能母板，分別接入第一平面網(wǎng)絡(luò)和第二平面網(wǎng)絡(luò)，對(duì)裝置進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

電能量遠(yuǎn)方終端基于現(xiàn)代關(guān)口表計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的需求理念設(shè)計(jì)，主要用于與全電子式多功能電能表通信，抄讀電能表采集生成的電能量、瞬時(shí)量、需量、事件和電能表工作狀態(tài)信息，生成并保存帶時(shí)標(biāo)的分鐘電量信息、日和月凍結(jié)電量信息，并采用IEC60870-5-102協(xié)議等協(xié)議與計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)主站和站控層后臺(tái)系統(tǒng)通信，上報(bào)采集和生成的各種計(jì)量信息.所設(shè)計(jì)的電能量遠(yuǎn)方終端的硬件平臺(tái)以一款采用Vortex86DX 的PC/104的嵌入式計(jì)算機(jī)模板為核心，在充分利用核心板資源的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了2路以太網(wǎng)接口、8路異步串口、看門狗以及CPU 接口的引出連接電路等，以滿足硬件平臺(tái)支撐的需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了提高終端抗電磁干擾的能力，進(jìn)行裝置硬件總體設(shè)計(jì)時(shí)，將通過(guò) PC104總線擴(kuò)展的硬件電路全部安排在 CPU 基板上，4-SIO板和 DCOM 板僅布置通信接口芯片，確保并行總線信號(hào)不出 CPU 基板，降低現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾對(duì)終端運(yùn)行的影響。基于器件布置與硬件加密方面的考慮，總線接口與譯碼控制電路采用CPLD 設(shè)計(jì)。

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)為整個(gè) RTU 提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的電源電路是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要的環(huán)節(jié)。 為了保障終端工作的穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)交直流 220V 雙路供電系統(tǒng)，并能自動(dòng)切換。采用兩塊 PS-45-5 交直流輸入開(kāi)關(guān)電源給裝置供電，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電源的無(wú)縫切換，兩塊電源采用止逆二極管并行向終端供電，任何一路輸入電源掉電都不影響終端的供電。

2.2 HT2000 e RTU 雙網(wǎng)口 CPU 母板硬件設(shè)計(jì)

隨著電力系統(tǒng)技術(shù)支持系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)動(dòng)終端、電能量遠(yuǎn)方終端等廠站端設(shè)備都通過(guò)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入系統(tǒng)。考慮到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，確保電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)于重要的骨干電廠和變電站要配置第二平面數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件運(yùn)行環(huán)境及開(kāi)發(fā)平臺(tái)

uIP協(xié)議棧是為HT2000eRTU電能量遠(yuǎn)方終端設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊。HT2000eRTU的硬件本質(zhì)上是一臺(tái)以Intel586為核心的嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。HT2000eRTU電能量遠(yuǎn)方終端的操作系統(tǒng)為DOS，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為TurboC2.0，裝置的運(yùn)行軟件eRTU.EXE采用前后臺(tái)方式工作，本文移植實(shí)現(xiàn)的uIP協(xié)議棧在現(xiàn)有的eRTU工程框架下進(jìn)行，即uTCPIP.C為eRTU軟件項(xiàng)目中的一個(gè)程序模塊。

3.2 程序框架設(shè)計(jì)

本文開(kāi)發(fā)的uIP協(xié)議棧模塊作為eRTU工程項(xiàng)目的一部分編譯連接到HT2000eRTU的運(yùn)行軟件中執(zhí)行。作為eRTU工程項(xiàng)目的一部分，uIP協(xié)議棧模塊設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)必須與已有的設(shè)計(jì)規(guī)范保持嚴(yán)格的一致。本文在弄清楚eRTU工程項(xiàng)目的通信軟件模塊的層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了uIP協(xié)議棧模塊與其他軟件模塊的接口函數(shù)，將uTCPIP. C有機(jī)地嵌入到了eRTU工程項(xiàng)目之中。

3.3 RTL8019AS 接收數(shù)據(jù)包

接收數(shù)據(jù)包的步驟如下：(1)接收緩沖操作。如果一個(gè)數(shù)據(jù)包被網(wǎng)卡芯片接收到了，CURR頁(yè)將會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)這個(gè)接收到的數(shù)據(jù)包。假如單頁(yè)無(wú)法放下，CURR的值會(huì)加1；如果CURR= RECEIVESTOPPAGE， 那CURR自 動(dòng) 轉(zhuǎn) 換 為RECEIVE_START_ PAGE，接收數(shù)據(jù)將會(huì)繼續(xù)寫入。(2)用戶讀取接收數(shù)據(jù)包。它先將數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)的同時(shí)跟著變更改界限，這個(gè)過(guò)程用戶無(wú)需參與。中斷處理函數(shù)的觸發(fā)發(fā)生在這種情況下，即當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)接收完畢的時(shí)候，緊接其后要做的工作就是把需要的數(shù)據(jù)包派發(fā)到內(nèi)存當(dāng)中，讀取數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)來(lái)自于ReceiveByteCount，這里要處理一種數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)有間斷的特殊狀態(tài)：需要先后進(jìn)行兩次操作，這樣方可得到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。

3.4 ARP 協(xié)議處理程序設(shè)計(jì)

通常情況下一臺(tái)主機(jī)是根據(jù)以太網(wǎng)地址來(lái)確定他所連接的目的接口，確認(rèn)之后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀傳達(dá)給處在同一局域網(wǎng)上的其他主機(jī)，值得注意的是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序自始至終不會(huì)檢查相關(guān)的目的 IP 地址。地址解析協(xié)議(ARP)模塊由 4 個(gè)函數(shù)構(gòu)成，共同完成地址解析的功能。

3.5 TCP 協(xié)議處理程序設(shè)計(jì)

TCP 協(xié)議是一種相對(duì)復(fù)雜的通信協(xié)議，TCP 接收函數(shù)的關(guān)鍵功能是將所得的 TCP 報(bào)進(jìn)行整理劃分，接著以這個(gè)接點(diǎn)所處的狀態(tài)使得狀態(tài)處理函數(shù)有所響應(yīng)。

本文完成了一款電能量遠(yuǎn)方終端多功能母板的設(shè)計(jì)，主要解決了終端接入雙平面電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。結(jié)合終端上移植實(shí)現(xiàn)的 μTCP/IP 協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，對(duì)網(wǎng)卡的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行的測(cè)試，驗(yàn)證了所完成的設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目技術(shù)要求。

[1] 金勇. 電能量遠(yuǎn)方終端雙平面網(wǎng)絡(luò)接入平臺(tái)設(shè)計(jì)[D]. 西安工程大學(xué)，2016.

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[3] 艾璐博. 110kV智能變電站的設(shè)計(jì)研究[D]. 山東大學(xué)，2012.