一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置

摘要

本发明公开了一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，包括开关状态监测回路、调理电路、第一A/D转换电路、FPGA和DSP/ARM双核操作系统，所述开关状态监测回路依次通过调理电路、第一A/D转换电路与FPGA的输入端相连，所述FPGA的输出端通过数据总线地址总线与DSP/ARM双核操作系统的输入端相连，所述DSP/ARM双核操作系统包括同步动态随机存储器SDARM、FLASH、串行接口、JTAG调试口、光纤以太网口、以太网口、复位看门狗、第二A/D转换电路、晶振和电源。本发明提供的装置，数据传输快速可靠，能够满足报文传输实时性要求，并且降低以太网协议开销，减少报文长度，减少报文传输延时。

权利要求

1.一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，其特征在于：

所述装置包括开关状态监测回路、调理电路、对从开关状态监测回路的检测信号进行A/D转换以实现在FPGA内实现多路信号同步采集的第一A/D转换电路、FPGA和对输入量进行运算处理并进行GOOSE通信的DSP/ARM双核操作系统，所述开关状态监测回路依次通过调理电路、A/D转换电路与FPGA的输入端相连，所述FPGA的输出端通过数据总线地址总线与DSP/ARM双核操作系统的输入端相连，所述DSP/ARM双核操作系统包括SDRAM、FLASH、串行接口、在线调试应用程序的JTAG调试口、与交换机进行通信并收发报文的光纤以太网口、以太网口、复位看门狗、用于对低压断路器信息进行就地采集的第二A/D转换电路、晶振和电源；

所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置中的DSP/ARM双核操作系统自带以太网MAC层控制器，MAC层位于LLC层和PHY层之间，主要由数据封装和媒体访问管理两个模块组成，完成数据的封装、拆封、发送和接收功能，ARM采用DMA或FIFO的工作方式，通过媒体独立接口连接PHY双绞线或光纤收发器；

所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置对GOOSE快速报文采用帧聚合技术，对多个目的地址相同的GOOSE进行聚合，使其公用一个MAC层目的地址。

2.根据权利要求1所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，其特征在于：所述串行接口采用MAX203，所述MAX203其中的两路串口RS232作为发送驱动端口，所述MAX203其中的另两路串口RS232作为接收驱动端口。

3.根据权利要求1所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，其特征在于：所述装置的PHY层采用LXT971A。

4.根据权利要求1所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，其特征在于：所述装置还包括网卡芯片，所述网卡芯片通过以太网控制芯片与所述装置连接，所述以太网控制芯片为LAN9215。

说明书

一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统保护设备，尤其涉及一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置。

背景技术

[0002] 断路器作为电力系统中实现保护与控制功能的重要一次设备，其动作可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定，一旦发生故障将带来严重后果。常规变电站多采用离线例行试验对断路器运行状态进行判断，预防性试验及计划检修存在盲目性大、费用高等缺点，并且频繁的操作及过度的拆卸会降低断路器动作的可靠性。近年来，随着智能电网和数字化变电站技术的发展，一种集检测、控制、通信等功能于一体的智能断路器受到广泛关注与研究。智能断路器要求一次开关设备除了具有智能控制功能外，还应具有实时在线监测功能，代表了电网数字化、网络化和智能化的发展方向。

[0003] IEC 61850《变电站通信网络和系统》是目前世界范围内变电站自动化系统统一国际标准，标准中为断路器状态量的检测定义了通用面向对象的变电站事件(简称GOOSE)模型，通过基于交换式以太网的串行通信网络实现GOOSE报文在保护、测控、计量等智能电子设备间的信息共享。GOOSE报文通信成功的重要指标取决于报文传输的实时性。为改善数据通信的实时性，IEC 61850根据变电站数据需求的紧急程度将报文分为7个优先级(快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文)。GOOSE报文属于快速报文，额定传输延时限定在毫秒级以下。

[0004] 工程中GOOSE报文要负责断路器中机械行程、振动信号、分合闸线圈电流、开断电流、主回路电流、主回路电压、导电接触部位的温度、绝缘状态、GIS气体密度、SF6气体微水、分合闸状态监测等众多数字量和状态量的传输，报文长度长、对报文传输的实时性有一定的影响，目前主要通过提高以太网处理器的数据处理速度、扩大以太网交换机带宽和合理配置虚拟LAN等外围技术减小GOOSE报文的传输延时，都未能从根本上提高报文的传输速度。

[0005] 基于IEEE 802.11n标准的帧聚合技术是近年来国际上新兴的一种提高WLAN吞吐能力的方法，目前主要应用在无线局域网中。帧聚合技术通过改进报文的物理层和MAC层，降低协议开销，减小报文长度，可有效提高物理层的传输速率。鉴于GOOSE报文在过程总线中采用多播寻址的传播模式，多帧报文存在共同目的地址的特点，利用帧聚合技术可有效减小多帧报文的总长度，减少报文在以太网交换机中的存储转发延时和光线中的传播延时，提高报文传输实时性。

发明内容

[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，采用双核处理器快速处理数据，运用帧聚合技术压缩GOOSE报文，是一种具有超强实时性的高压断路器在线监测装置，其通信模式与互操作性符合IEC 61850标准。

[0007] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0008] 一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，包括开关状态监测回路、调理电路、第一A/D转换电路、FPGA和DSP/ARM双核操作系统，所述开关状态监测回路依次通过调理电路、第一A/D转换电路与FPGA的输入端相连，所述FPGA的输出端通过数据总线地址总线与DSP/ARM双核操作系统的输入端相连，所述DSP/ARM双核操作系统包括同步动态随机存储器SDARM、FLASH、串行接口、JTAG调试口、光纤以太网口(简称光纤口)、以太网口、复位看门狗、第二A/D转换电路、晶振和电源。

[0009] 其中开关状态检测回路包括断路器，以及与断路器相连的各个检测回路，例如触头行程检测回路、振动信号检测回路、分闸线圈电流检测回路、合闸线圈电流检测回路、触头温度检测回路、开断电流检测回路、触头动作次数检测回路、微水含量检测回路、储能状况监测检测回路、控制回路监测检测回路等，各个检测回路分别依次与相应的调理电路和第一A/D转换电路连接；第一A/D转换电路负责对相应检测回路的检测信号进行A/D转换，以实现在FPGA内对多路信号进行同步采集；FPGA通过数据总线地址总线与DSP/ARM双核操作系统相连，相连后形成的系统主要对各输入量进行运算处理、GOOSE通信、扩展CAN通信、串口通信、键盘控制、LCD显示、遥控输出等；串口主要作调试用，通过主机的超级终端显示装置的调试信息和输出信息；JTAG调试口主要功能是在线调试应用程序；光纤以太网口主要是与交换机进行通信，以收发报文，光纤以太网口的个数可以为一个以上，当要求装置通过光纤同时输出一路以上信号的情况下；由于所述装置运行的是嵌入式操作系统，各种映像文件比较大，使用串行接口下载、拷贝的速度会比较慢，增加一个以太网口，能够完成目标板与主机的快速通信；第二A/D转换电路主要用于对低压断路器信息进行就地采集。

[0010] 上述装置在上电后FLASH将自己内部的程序通过总线传给SDRAM，然后SDRAM再启动所得的程序并带动ARM/DSP工作。

[0011] DSP/ARM双核操作系统可以采用TMS320DM64XX处理器，所述TMS320DM64XX处理器具有强大的数据处理能力，DSP操作系统和ARM操作系统分别负责被监测数据的处理与网络通信，能够解决状态监测数据庞杂的问题，具有较强的实时性。

[0012] 所述串行接口采用MAX203，所述MAX203其中的两路串口RS232作为发送驱动端口，所述MAX203其中的另两路串口RS232作为接收驱动端口；所述MAX203可承受的最大电流为15mA，工作电压为+5V。

[0013] 所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置中的DSP/ARM双核操作系统自带以太网媒体访问控制层(简称MAC层)控制器，MAC层位于逻辑链路层(简称LLC)和物理层(简称PHY)之间，主要由数据封装和媒体访问管理两个模块组成，完成数据的封装、拆封、发送和接收功能。ARM采用DMA或FIFO的工作方式，通过媒体独立接口(简称MII)连接PHY双绞线或光纤收发器。

[0014] 所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置的PHY层采用LXT971A，完成IEE802.3标准中规定的物理代码子层和物理代码附加层，以及物理介质独立层的所有功能；LXT971A直接支持10/100Mbit/s双绞线应用，也支持100Mbit/s光纤接口。

[0015] 所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置对GOOSE快速报文采用帧聚合技术，对多个目的地址相同的GOOSE进行聚合，使其公用一个MAC层目的地址，以减少报文长度。

[0016] 所述基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置还包括网卡芯片，在系统需要多路以太网通信时，需要外扩以太网控制芯片，将网卡芯片通过以太网控制芯片与所述装置连接，使得系统中的GOOSE报文通过光纤传输，而不是通过电缆传输。以太网控制芯片可以为LAN9215，LAN9215是16位10/100Mbit/s以太网控制芯片，外部MII接口，其主要特点是：集成的以太网MAC层和PHY层；完全符合IEEE802.3/802.3u标准；10BASE-T和100BASE-TX的支持；支持全双工和半双工模式；自动32为CRC生成和校验；全双工流量控制；环回模式。

[0017] 有益效果：本发明提供的基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置，其通信系统基于IE61850标准通信，被监测数据以GOOSE报文的形式传输，并通过光纤取代电缆进线数据传输，快速可靠；并且GOOSE报文属于快速报文，传输延时固定在毫秒级，数据传输在特殊时刻，即跳合闸命令及状态位发生变化时，该装置能很好满足报文传输实时性的要求。所述装置采用帧聚合技术，在GOOSE报文多播寻址的传播过程中，将目的地址相同的多帧报文聚合为一帧，降低以太网协议开销，减少报文长度，从根本上缩短了GOOSE报文在以太网中的传输延时。同时，所述装置内部集成了A/D模块，不仅监测数字量信息，还可以监测模拟量信息，实现断路器状态量的就地采集、监测和控制，兼容常规变电站和数字化变电站的采集模式，工程适用性强。

附图说明

[0018] 图1为本发明装置的结构示意图；

[0019] 图2为帧聚合的数据原理图；

[0020] 图3为看门狗复位电路原理图；

[0021] 图4为串行接口的电路原理图；

[0022] 图5为物理层电路原理图；

[0023] 图6为以太网控制芯片连接电路原理图；

[0024] 图7为通信电路原理图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0026] 如图1所示为一种基于GOOSE报文帧聚合技术的断路器在线监测装置的结构示意图，包括开关状态监测回路、调理电路、第一A/D转换电路、FPGA和DSP/ARM双核操作系统，所述开关状态监测回路依次通过调理电路、第一A/D转换电路与FPGA的输入端相连，所述FPGA的输出端通过数据总线地址总线与DSP/ARM双核操作系统的输入端相连，所述DSP/ARM双核操作系统包括同步动态随机存储器SDARM、FLASH、串行接口、JTAG调试口、光纤以太网口、以太网口、复位看门狗、第二A/D转换电路、晶振和电源。

[0027] 开关状态检测回路包括断路器，以及与断路器相连的各个检测回路，例如触头行程检测回路、振动信号检测回路、分闸线圈电流检测回路、合闸线圈电流检测回路、触头温度检测回路、开断电流检测回路、触头动作次数检测回路、微水含量检测回路、储能状况监测检测回路、控制回路监测检测回路等，各个检测回路分别依次与相应的调理电路和第一A/D转换电路连接。

[0028] FPGA通过数据总线地址总线与DSP/ARM双核操作系统相连，相连后形成的系统主要对各输入量进行运算处理、GOOSE通信、扩展CAN通信、串口通信、键盘控制、LCD显示、遥控输出等。

[0029] 为保证GOOSE报文快速传输，GOOSE报文传输只采用TCP/IP协议中的应用层、表示层和数据链路层。GOOSE报文在应用层通过抽象语法标记ASN.1把应用程序生成协议数据单元PDU，表示层遵循ASN.1的基本编码规则BER(Basic Encoding Rules)对PDU编码以适合在以太网上进行传输。GOOSE报文帧格式中的MAC报头包含帧的源地址、目的地址和他们的长度。当多个PDU向同一个接收端传送时，目的地址相同，多个PDU可共用一个MAC头，简化了帧的结构，去除了以往协议帧之间的帧间间隔和竞争时间，从而提高了MAC层的吞吐量，帧聚合的数据原理图如附图2所示。这些服务映射单元SDU子帧聚合后只需要发送一次MAC帧头信息,大大减少了多个MAC帧头重复带来的额外负载.真个过程在ARM中实现。

[0030] 附图3所示为所述装置中看门狗复位电路原理图，包括手动复位电路S700SWITCH、看门狗芯片MAX6369、复位芯片MAX6390。为了防止系统死机或因电源电压下降而出现的不可预测的后果。看门狗芯片MAX6369和手动复位电路并联，接入复位芯片，以提高系统的稳定性。本电路的作用包括：手动复位按钮；上电复位脉冲，使系统运行于一个可知的状态；电源故障时，即当+3.3V主电源电压跌至+1.58V及以下时，产生复位脉冲，使CPU处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常；看门狗定时器溢出时复位；软件复位。

[0031] 根据所述装置的具体要求，可以将MAX6369芯片的看门狗定时器时间调节在3s，即SET2、SET0接高电平，SET1接地。刷新时间可以通过引脚接法不同进行设定，即在设定时间内，如果没有刷新Watch Dog，则产生复位脉冲，可以有效防止程序死循环或死机。

[0032] 附图4所示为所述装置中串行接口的电路原理图，其采用的是串口通信芯片MAX203，芯片MAX203中的两路串口RS232发送驱动，另两路串口RS232接收驱动，其工作电压为+5V，可承受的最大电流为15Ma。所述装置在做调试使用时，可以只用一路发送、接收驱动，另一路备做功能扩展，其使用的是主芯片调试专用管脚。

[0033] 主芯片内带以太网媒体访问MAC层控制器，MAC层位于LLC层和HPY层之间，主要由数据封装和媒体访问管理两个模块组成，完成数据的封装、拆封、发送和接收功能；其采用DMA或FIFO的工作方式，通过MII连接PHY层双绞线或光纤收发器。

[0034] 附图5所示为所述装置选用LXT971A作为物理层使用的结构示意图，LXT971A是Intel公司的网络通讯接口芯片，能够完成IEE802.3标准中规定的物理代码子层和物理代码附加层，还可完成物理介质独立层所有的功能。直接支持10/100Mbit/s双绞线应用，也支持100Mbit/s光纤接口。

[0035] 上述LXT971A可设置成双绞通信和光纤通信两种方式。双绞和光纤线接入方式可由模式转换开关进行选择，当模式开关打到电源上(即SD/TP接高)时选择的是光纤通信模式，当模式开关接地(即SD/TP接地)时选择的是双绞线通信方式。由于网络信号在电平和编码方面与MAC层和HPY层发出信号的不同，所以需在物理插座和控制层间增加隔离变压器和物理接口电路物理层，物理层对发送的数据进行编码，变压器对以太网络上的信号进行双极性的合成和电平变换。在本装置中，芯片接口MDDIS接地，表示可以对MDIO进行读写操作。在正常工作时，可以通过MDIO将控制字写入控制寄存器内，改变LXT971A的工作状态，数据传输与MDC同步。MDC时钟由ARM输出提供。

[0036] 所述装置在系统需要多路以太网通信的时候，需要使用以太网控制芯片，附图6所示为以太网控制芯片LAN9215的电路连接示意图，所述装置的主芯片通过LAN9215与网卡芯片相连接，使系统中的GOOSE报文通过光纤进行传输。LAN9215是16位10/100Mbit/s以太网控制器，外部MII接口。其主要特点：集成的以太网MAC和PHY；完全符合IEEE802.3/802.3u标准；10BASE-T和100BASE-TX的支持；支持全双工和半双工模式；自动32位CRC生成和校验；全双工流量控制；环回模式。

[0037] 如附图7所示，FPGA与DSP/ARM的通信方式有两种，并行通信与串行通信，考虑到断路器信号对于实时性的要求较高，并行通信的速率约为串行通信的8倍，而且DSP与FPGA之间状态量的信息通信量较大，所以本装置采用DSP与FPGA之间的并行通信，并且DSP与FPGA的通道配置控制信号也通过并行通信，依靠若干握手信号以及片选和中断信号来控制：当FPGA中数据按序存放完成之后，向DSP发送快速中断信号，DSP接到中断后，立即从其他任务跳转到读取FPGA中数据的任务。握手信号主要实现DSP与FPGA初始化，写配置信息等操作时的状态量通信。

[0038] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。