智能配電終端遙信單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

廖曉群，秦　靜，馬　莉

（西安科技大學(xué)，西安710054）

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智能配電終端遙信單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

廖曉群，秦靜*，馬莉

（西安科技大學(xué)，西安710054）

摘要：采用STM32F103VE和i.MX287高性能處理芯片，設(shè)計(jì)了基于ARM9與Cortex-M3雙處理器的遙信單元，對(duì)硬件總體的結(jié)構(gòu)和遙信輸入回路進(jìn)行了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)遙信單元和通信單元進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。依照IEC60870-5-104協(xié)議，對(duì)整個(gè)遙信單元實(shí)現(xiàn)了遙信的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上傳、SOE、系統(tǒng)對(duì)時(shí)、通信等功能。測(cè)試證明，遙信單元的設(shè)計(jì)符合需求規(guī)定，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雙處理器；配電終端；IEC60870-5-104電力規(guī)約；遙信單元；SOE

項(xiàng)目來(lái)源：陜西省教育廳科技專項(xiàng)項(xiàng)目（14JK1486）

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)目前對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展部署，我國(guó)將全面推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)［1］。遙信作為配電終端的重要功能，主要為配電監(jiān)控中心提供變電站的開(kāi)關(guān)、繼電器以及斷路器等的狀態(tài)信息，直接反應(yīng)電網(wǎng)、變電站的運(yùn)行狀態(tài)，是調(diào)度人員診斷電網(wǎng)故障的直接依據(jù)。然而配電網(wǎng)絡(luò)在一些干擾情況下會(huì)出現(xiàn)遙信的誤報(bào)，擾亂了調(diào)度人員對(duì)電網(wǎng)故障的判斷，從而引起不必要的損失，甚至出現(xiàn)重大電力事故。加強(qiáng)遙信可靠性的研究，對(duì)提高我國(guó)供電的可靠性具有重要意義。在這樣的背景，本文提出了一整套遙信解決方案，滿足遙信在雪崩情況下能夠正確上報(bào)遙信SOE、遙信SOE的分辨率達(dá)到1 ms的國(guó)家電力行業(yè)DL/T721-2013標(biāo)準(zhǔn)［2］。

本文在對(duì)IEC60870-5-104規(guī)約［3］和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T721-2013進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，選用ARMv7架構(gòu)的32 bit芯片STM32F103VE處理器來(lái)設(shè)計(jì)遙信電路模塊，然后采用基于ARM9內(nèi)核的i.MX287處理器來(lái)設(shè)計(jì)CPU模塊，遙信模塊位于遙信板，CPU模塊位于CPU板，遙信板還可配置不同的數(shù)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)多路遙信的采集，多板卡設(shè)計(jì)可以滿足不同的配電場(chǎng)合，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。然后在基于硬件的基礎(chǔ)上完成遙信模塊和CPU模塊的軟件編程，最后實(shí)現(xiàn)了CPU模塊與遙信模塊的通信、控制、遙信的數(shù)據(jù)采集與處理等任務(wù)。

1　IEC60870-5-104　電力規(guī)約簡(jiǎn)介

IEC60870-5-104電力規(guī)約（簡(jiǎn)稱104規(guī)約），主要用于變電站遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和調(diào)度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［4］。104規(guī)約是將IEC60870-5-101和TCP/IP提供的傳輸功能結(jié)合在一起，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和主站的通信功能［5］。

1.1104規(guī)約結(jié)構(gòu)

104規(guī)約在傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層采用的是TCP協(xié)議，應(yīng)用層傳輸?shù)氖菑?04規(guī)約和101規(guī)約中選取的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元［6］，104規(guī)約結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　104規(guī)約結(jié)構(gòu)

1.2應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU）

應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)

104規(guī)約結(jié)構(gòu)中應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元（APDU）由應(yīng)用規(guī)約控制單元（APCI）和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ASDU）組成［7］。APDU定義了啟動(dòng)字符、應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度規(guī)范，啟動(dòng)字符表示數(shù)據(jù)的開(kāi)始，而應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度可以用來(lái)傳輸一個(gè)完整的應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1遙信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遙信單元主要包括兩大部分，遙信模塊和CPU核心模塊，遙信模塊主要負(fù)責(zé)遙信的采集以及將遙信信息通過(guò)CAN總線傳輸?shù)紺PU模塊，而CPU模塊則完成遙信信息的處理以及將遙信信息通過(guò)104規(guī)約的幀格式上報(bào)到主站。遙信單元總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　遙信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2遙信模塊硬件電路設(shè)計(jì)

遙信模塊設(shè)計(jì)為32路遙信輸入信號(hào)，主要對(duì)所監(jiān)控線路的開(kāi)關(guān)以及通信是否正常和儲(chǔ)能完成情況等重要狀態(tài)信息進(jìn)行采集。遙信輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦PS2501L-1隔離，然后通過(guò)SN74HC245D緩沖芯片送到STM32F103VE處理器的FSMC總線上，F(xiàn)SMC將會(huì)自動(dòng)讀取遙信數(shù)據(jù)，最后送入CPU進(jìn)行遙信的處理。第1路遙信回路如圖4所示。其他31路與第1路相同。

圖4　遙信輸入回路

2.3 CPU核心模塊的硬件設(shè)計(jì)

CPU模塊的主要核心模塊采用Emtronix公司的EM9287工控主板，上面搭載了FreeScale公司基于ARM9內(nèi)核的iMX287處理器，454 MHz主頻，計(jì)算能力強(qiáng)［8］。CPU模塊主要完成遙信的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上傳、SOE、系統(tǒng)對(duì)時(shí)、通信等功能。CPU模塊通過(guò)母板連接插座與遙信模塊進(jìn)行連接。

注：CPU模塊主要采用集成好的核心模塊，所以CPU板的開(kāi)發(fā)主要涉及基于Linux-3.9.3操作系統(tǒng)下的軟件開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的通信，數(shù)據(jù)處理與傳輸，控制等任務(wù)。這將在軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的通信模塊軟件實(shí)現(xiàn)部分做詳細(xì)論述。

3　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件包括了遙信模塊軟件實(shí)現(xiàn)、通信模塊軟件實(shí)現(xiàn)2個(gè)主要部分。下面對(duì)這個(gè)2個(gè)部分的主要功能及它們之間的聯(lián)系進(jìn)行詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。

遙信模塊主要實(shí)現(xiàn)了CAN通信，遙信的采集與處理，向CPU模塊發(fā)送遙信SOE，在遙信模塊設(shè)計(jì)中對(duì)遙信的SOE處理做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。給出了CAN通信的詳細(xì)數(shù)據(jù)格式。

通信模塊主要包括主線程，網(wǎng)口線程和CAN線程3個(gè)部分。主要完成CPU模塊與維護(hù)軟件及遙信模塊的通信、控制、數(shù)據(jù)處理。該設(shè)計(jì)主要采用多線程設(shè)計(jì)，由主線程對(duì)子線程進(jìn)行調(diào)用，從而使各線程去完成各自的任務(wù)。軟件系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5　軟件系統(tǒng)框圖

3.1遙信模塊軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遙信模塊采用CAN總線與CPU核心模塊進(jìn)行通信，在設(shè)計(jì)中對(duì)CAN協(xié)議給出了具體的應(yīng)用格式，基于CAN總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　基于CAN總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAN幀報(bào)文數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)包組成，其長(zhǎng)度固定，為8個(gè)字節(jié)，下面給出具體的遙信SOE數(shù)據(jù)包具體定義如表1所示。

表1　遙信SOE數(shù)據(jù)包

基于上述CAN的數(shù)據(jù)傳輸格式，下面給出具體的CAN收發(fā)流程如圖7所示。

圖7　CAN收發(fā)流程

遙信的數(shù)據(jù)處理主要是遙信SOE分辨率判別處理，而遙信SOE（事件發(fā)生順序）分辨率是指能正確區(qū)分遙信變位事件發(fā)生順序的最小時(shí)間間隔［9］。在設(shè)計(jì)中將遙信判別處理函數(shù)置于定時(shí)中斷服務(wù)子程序中，每隔1 ms的時(shí)間間隔，對(duì)全部的遙信量進(jìn)行一次掃查，完成對(duì)遙信的變位檢測(cè)［10］。當(dāng)程序檢測(cè)到有遙信變位，首先記錄變位遙信，然后去判斷變位遙信點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間是否大于遙信防抖時(shí)間，如果大于遙信防抖時(shí)間，說(shuō)明是有效的遙信變位，同時(shí)發(fā)送遙信SOE，否則是錯(cuò)誤遙信，放棄當(dāng)前變位遙信點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。

定時(shí)中斷中遙信檢測(cè)時(shí)序如圖8所示。

圖8　遙信檢測(cè)時(shí)序

遙信SOE分辨率處理是通過(guò)SOE的判別處理函數(shù)SOE_HAVEDELAY（void）實(shí)現(xiàn)，函數(shù)在實(shí)現(xiàn)時(shí)首先需置對(duì)時(shí)標(biāo)志，然后循環(huán)讀取板卡遙信狀態(tài)，直到讀到穩(wěn)定的板卡遙信狀態(tài)退出循環(huán)，將上述讀到的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到遙信當(dāng)前狀態(tài)中，接著進(jìn)行當(dāng)前態(tài)與先前態(tài)的比較，有遙信變位則置位遙信變位標(biāo)志位，遙信變位標(biāo)志位的值為1時(shí)，表示發(fā)生了遙信變位，繼續(xù)循環(huán)32點(diǎn)檢測(cè)具體哪一路遙信發(fā)上了變位，并將具體發(fā)生遙信變位的信息儲(chǔ)存到臨時(shí)32點(diǎn)狀態(tài)中，此時(shí)開(kāi)始遙信變位時(shí)間計(jì)時(shí)，接下來(lái)對(duì)32點(diǎn)遙信狀態(tài)循環(huán)檢測(cè)，如果發(fā)生變位的遙信狀態(tài)持續(xù)時(shí)間大于遙信的防抖時(shí)間，則認(rèn)為是有效遙信變位，將當(dāng)前態(tài)覆蓋先前態(tài)，并將此時(shí)的遙信狀態(tài)加時(shí)標(biāo)進(jìn)行CAN組包，將組好的數(shù)據(jù)包寫(xiě)入緩存，這樣就完成了遙信SOE分辨率的判別處理［11］。遙信SOE分辨率處理流程如圖9所示。

圖9　遙信SOE分辨率處理

3.2通信模塊軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通信模塊，采用Linux的多線程編程技術(shù)，多線程程序采用多任務(wù)、并發(fā)的工作方式，提高了應(yīng)用程序響應(yīng)時(shí)間并且程序結(jié)構(gòu)清晰。通信模塊通過(guò)3個(gè)線程來(lái)實(shí)現(xiàn)，通信主線程、CAN子線程和網(wǎng)口子線程，所有線程共享CAN數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，并設(shè)置互斥鎖來(lái)確保一個(gè)時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)線程在訪問(wèn)臨界區(qū)的數(shù)據(jù)，達(dá)到線程間的同步［11］。

通信主線程在上電后，首先完成一些初始化工作以及規(guī)約參數(shù)的配置，然后就打開(kāi)CAN口和網(wǎng)口，并分別創(chuàng)建CAN線程和網(wǎng)口線程，各自的線程創(chuàng)建好之后，各線程就會(huì)跳到自己的接收線程完成自己的功能。而主線程接著進(jìn)入主循環(huán)體，完成CAN的數(shù)據(jù)發(fā)送，規(guī)約組包和定時(shí)監(jiān)測(cè)功能。通信主線程流程圖如圖10所示。

圖10　通信主線程流程圖

CAN線程采用Socket CAN方式，Socket CAN不像基于字符設(shè)備那樣每更換CAN控制器，都需要更換設(shè)備驅(qū)動(dòng)并且調(diào)整應(yīng)用程序來(lái)適應(yīng)新驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序接口。Scoket CAN使用的是socket接口和Linux網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，這種方法使得CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)來(lái)調(diào)用，這樣就可以采用Linux網(wǎng)絡(luò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN通訊［12］。

在主程序中打開(kāi)CAN口，然后就進(jìn)入CAN的接收線程。CAN接收線程如圖11所示。在CAN的接收線程中進(jìn)行CAN的數(shù)據(jù)處理［13］。

圖11　CAN接收線程流程圖

CAN設(shè)備在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，CAN總線與標(biāo)準(zhǔn)套接字通信有所不同，每一次通信都采用can_frame結(jié)構(gòu)體將數(shù)據(jù)封裝成幀用來(lái)接收數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct can_frame {

canid_tcan_id；//CAN標(biāo)識(shí)符

__u8 can_dlc；//數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

__u8 data［8］__attribute__（（aligned（8）））；//數(shù)據(jù)

}；

定義CAN發(fā)送結(jié)構(gòu)體如下：

typedef struct{

struct can_frame CanTx；//發(fā)送數(shù)據(jù)幀

PACKET CanSend［CANSNUM］；//發(fā)送報(bào)文數(shù)組

PACKET *wr；//發(fā)送寫(xiě)指針

PACKET *rd；//發(fā)送讀指針

pthread_mutex_t Lock；//定義互斥鎖，防止多線程同時(shí)寫(xiě)入

}CANSEND

網(wǎng)口線程主要是用來(lái)傳輸基于104規(guī)約的幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在主線程中打開(kāi)網(wǎng)口，等待網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，當(dāng)連接以后就會(huì)創(chuàng)建網(wǎng)口的線程，創(chuàng)建網(wǎng)口線程的流程圖如圖12所示。

圖12　創(chuàng)建網(wǎng)口線程的流程圖

在104規(guī)約解析中，將會(huì)調(diào)用固定幀解包函數(shù)sFRAME（void*pcomm）和數(shù)據(jù)幀解包函數(shù)dFRAME （void*pcomm）來(lái)分別處理U幀、S幀、I幀的數(shù)據(jù)。104規(guī)約公用數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct IEC101_104_ASDU{Uchar Type；//類型標(biāo)識(shí)

union VOS_REG Vos；//可變幀結(jié)構(gòu)協(xié)定詞

union COT_REG Cot；//傳輸原因低字節(jié)

UcharCotH；//傳輸原因高字節(jié)

UcharCaddrL；//公共地址低地址

UcharCaddrH；//公共地址高地址

UcharRa［256］；//信息對(duì)象可變數(shù)組

}

新遙信SOE的產(chǎn)生在設(shè)計(jì)中采用信號(hào)量機(jī)制，因?yàn)檫b信SOE的產(chǎn)生有時(shí)會(huì)很大，但通常情況下遙信又不是時(shí)刻會(huì)發(fā)生變位，為了去判斷新遙信SOE的產(chǎn)生，調(diào)用遙信板狀態(tài)獲取函數(shù)CheckIO（），只要有新的遙信SOE就置遙信事件，釋放遙信信號(hào)量，對(duì)遙信信號(hào)量作加1操作，而在網(wǎng)口線程中去申請(qǐng)遙信信號(hào)量，一旦申請(qǐng)到遙信信號(hào)量就去發(fā)送遙信SOE，這樣就實(shí)現(xiàn)了遙信有變位發(fā)送無(wú)變位不發(fā)送，很好地完成了遙信的上報(bào)任務(wù)。

4　測(cè)試結(jié)果及分析

遙信單元主要對(duì)遙信雪崩和遙信SOE分辨率進(jìn)行測(cè)試。最終測(cè)試要達(dá)到遙信在雪崩之后，全部遙信點(diǎn)能夠正確上報(bào)，遙信SOE分辨率能達(dá)到1 ms的標(biāo)準(zhǔn)，下面給出兩項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果和分析。

（1）遙信雪崩測(cè)試

遙信雪崩測(cè)試為極限情況下，所有的遙信點(diǎn)發(fā)生變位后都能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地上報(bào)。測(cè)試通過(guò)對(duì)全部的32個(gè)遙信點(diǎn)進(jìn)行一次分合操作，在維護(hù)軟件的遙信SOE界面觀察遙信雪崩情況如圖13所示。

圖13　遙信雪崩測(cè)試結(jié)果

對(duì)于遙信雪崩測(cè)試，由于開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行了分合操作，點(diǎn)號(hào)33-64的32個(gè)遙信點(diǎn)分和狀態(tài)之和恰好為64條遙信SOE。測(cè)試結(jié)果表明，64條遙信SOE在雪崩情況下準(zhǔn)確無(wú)誤上報(bào)。

（2）遙信SOE分辨率測(cè)試

圖14　遙信SOE分辨率測(cè)試結(jié)果

遙信SOE分辨率的測(cè)試主要是測(cè)試開(kāi)關(guān)在相間隔一個(gè)固定的時(shí)間間隔，遙信SOE是否能準(zhǔn)確上報(bào)，其中這個(gè)固定時(shí)間就是遙信SOE的分辨率。在測(cè)試中，使用繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出3路開(kāi)關(guān)量，分別代表開(kāi)關(guān)1、開(kāi)關(guān)2、開(kāi)關(guān)3，它們之間合閘的時(shí)間相差1 ms，然后同時(shí)斷開(kāi)，它們之間合的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間分別為102 ms、101 ms、100 ms，這就表明遙信SOE的分辨率達(dá)到了1 ms的標(biāo)準(zhǔn)。在維護(hù)軟件中觀察遙信SOE界面結(jié)果如下圖14所示。

由維護(hù)軟件顯示結(jié)果可知，測(cè)試中選擇了3路遙信，對(duì)應(yīng)的遙信點(diǎn)號(hào)9、10、11，點(diǎn)號(hào)9、10、11它們的時(shí)分秒時(shí)間都相同，只需分析ms即可。分的時(shí)間均為108 ms，然后對(duì)應(yīng)的合時(shí)間分別為008 ms、007 ms、006 ms，分合狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間之差則為開(kāi)關(guān)合的持續(xù)時(shí)間，它們對(duì)應(yīng)的合閘持續(xù)時(shí)間為100 ms，101 ms、102 ms。3個(gè)開(kāi)關(guān)合閘時(shí)間相差1 ms，合閘持續(xù)時(shí)間相差1 ms，測(cè)試結(jié)果表明遙信SOE分辨率為1 ms。

5　結(jié)論

本文在分析研究IEC60870-5-104規(guī)約幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了上述配電終端遙信單元的軟硬件。最后，利用所研發(fā)的遙信單元，通過(guò)以太網(wǎng)在維護(hù)軟件下進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證遙信在雪崩情況下能夠正確上報(bào)，并且遙信SOE分辨率滿足1 ms的技術(shù)指標(biāo)。

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廖曉群（1968-），男，陜西籍，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾袠I(yè)信息化；

秦靜（1985-），男，山西籍，在讀碩士，研究方向?yàn)榛谇度胧降腄TU智能電網(wǎng)監(jiān)控終端，175986039@qq.com。

Research on Digital FPGA-Based Control Method of Brushless DC Motor

JING Guanghong*

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Chengdu Vocational College of Agricultural Science and Technology，Chengdu 611130，China）

Abstract：In order to achieve a simple and efficient brushless DC（BLDC）motor drive system of the brushless DC motor，a simple model of FPGA is presented based on the digital pulse width modulation（PWM）controller，model and control algorithm. The controller will take BLDC motor flux distribution of the ladder as a digital system，low power and the alternate use of high-powered speed adjustment，it is easy to realize the design and implement. In ad?dition，a current sensor design is proposed only by using the DC link to reduce the cost and the complexity of hard?ware. And through the simulation experiment of the proposed control method was verified，the results show that the maximum error of the proposed method is decreased below 5%. Therefore，the control technology is very suitable for applications that don't require high accuracy.

Key words：BLDC；field programmable gate array；motion control；pulse width modulation

doi：EEACC：832010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.023

收稿日期：2015-04-02修改日期：2015-05-06

中圖分類號(hào)：TN710

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490(2016)01-0104-07