电能量远方终端双平面网络接入平台设计

张卫东

积成电子股份有限公司

电能量远方终端双平面网络接入平台设计

张卫东

积成电子股份有限公司

电力调度数据网络主要承载电力系统实时安全监控、电量结算、环境监测和办公自动化等通信业务，实现发电厂和变电站相关信息接入。为了保证网络数据传输的可靠性和稳定性，对于重要的骨干电厂和变电站要配置双平面调度数据网络，接入到调度数据网的重要终端设备也必须支持双平面接入.为了终端设备到双平面调度数据网络的接入，一些厂商的终端设备采用了串口至以太网转换器扩展网络通道，这种方案受限于异步串口的通信速率，网络数据传输的吞吐率较低，而且串口至以太网转换器的可靠性低，降低了信息接入的可靠性。

电能量远方终端；以太网控制器；电力调度数据网络

本文研究的电能量远方终端先前使用的核心板已经停产、电子盘断货，还考虑到升级使用的核心板自带的以太网控制器和应用软件的底层驱动不兼容，整个装置没有可用的以太网接口。课题组决定设立项目开发一块带双网卡的多功能母板，分别接入第一平面网络和第二平面网络，对装置进行升级设计。

1 总体方案设计

电能量远方终端基于现代关口表计量计费系统的需求理念设计，主要用于与全电子式多功能电能表通信，抄读电能表采集生成的电能量、瞬时量、需量、事件和电能表工作状态信息，生成并保存带时标的分钟电量信息、日和月冻结电量信息，并采用IEC60870-5-102协议等协议与计量计费系统主站和站控层后台系统通信，上报采集和生成的各种计量信息.所设计的电能量远方终端的硬件平台以一款采用Vortex86DX 的PC/104的嵌入式计算机模板为核心，在充分利用核心板资源的基础上，扩展了2路以太网接口、8路异步串口、看门狗以及CPU 接口的引出连接电路等，以满足硬件平台支撑的需求。

2 硬件设计

为了提高终端抗电磁干扰的能力，进行装置硬件总体设计时，将通过 PC104总线扩展的硬件电路全部安排在 CPU 基板上，4-SIO板和 DCOM 板仅布置通信接口芯片，确保并行总线信号不出 CPU 基板，降低现场的电磁干扰对终端运行的影响。基于器件布置与硬件加密方面的考虑，总线接口与译码控制电路采用CPLD 设计。

2.1 供电电路设计

电源系统为整个 RTU 提供能量，是整个系统工作的基础，因此设计一个稳定的电源电路是一个系统设计重要的环节。 为了保障终端工作的稳定性，需要设计交直流 220V 双路供电系统，并能自动切换。采用两块 PS-45-5 交直流输入开关电源给装置供电，为了实现对输入电源的无缝切换，两块电源采用止逆二极管并行向终端供电，任何一路输入电源掉电都不影响终端的供电。

2.2 HT2000 e RTU 双网口 CPU 母板硬件设计

随着电力系统技术支持系统技术的快速发展，远动终端、电能量远方终端等厂站端设备都通过电力调度数据网接入系统。考虑到网络数据传输的可靠性和稳定性，确保电力系统安全和经济运行，对于重要的骨干电厂和变电站要配置第二平面数据网络。

3 软件设计

3.1 软件运行环境及开发平台

uIP协议栈是为HT2000eRTU电能量远方终端设计的网络通信模块。HT2000eRTU的硬件本质上是一台以Intel586为核心的嵌入式工业计算机系统。HT2000eRTU电能量远方终端的操作系统为DOS，集成开发环境为TurboC2.0，装置的运行软件eRTU.EXE采用前后台方式工作，本文移植实现的uIP协议栈在现有的eRTU工程框架下进行，即uTCPIP.C为eRTU软件项目中的一个程序模块。

3.2 程序框架设计

本文开发的uIP协议栈模块作为eRTU工程项目的一部分编译连接到HT2000eRTU的运行软件中执行。作为eRTU工程项目的一部分，uIP协议栈模块设计开发必须与已有的设计规范保持严格的一致。本文在弄清楚eRTU工程项目的通信软件模块的层次结构的基础上，设计了uIP协议栈模块与其他软件模块的接口函数，将uTCPIP. C有机地嵌入到了eRTU工程项目之中。

3.3 RTL8019AS 接收数据包

接收数据包的步骤如下：(1)接收缓冲操作。如果一个数据包被网卡芯片接收到了，CURR页将会自动存储这个接收到的数据包。假如单页无法放下，CURR的值会加1；如果CURR= RECEIVESTOPPAGE， 那CURR自 动 转 换 为RECEIVE_START_ PAGE，接收数据将会继续写入。(2)用户读取接收数据包。它先将数据写入接收缓冲区的同时跟着变更改界限，这个过程用户无需参与。中断处理函数的触发发生在这种情况下，即当一个正确的数据接收完毕的时候，紧接其后要做的工作就是把需要的数据包派发到内存当中，读取数据包的个数来自于ReceiveByteCount，这里要处理一种数据包存储有间断的特殊状态：需要先后进行两次操作，这样方可得到一个完整的数据包。

3.4 ARP 协议处理程序设计

通常情况下一台主机是根据以太网地址来确定他所连接的目的接口，确认之后将相应的数据帧传达给处在同一局域网上的其他主机，值得注意的是设备驱动程序自始至终不会检查相关的目的 IP 地址。地址解析协议(ARP)模块由 4 个函数构成，共同完成地址解析的功能。

3.5 TCP 协议处理程序设计

TCP 协议是一种相对复杂的通信协议，TCP 接收函数的关键功能是将所得的 TCP 报进行整理划分，接着以这个接点所处的状态使得状态处理函数有所响应。

本文完成了一款电能量远方终端多功能母板的设计，主要解决了终端接入双平面电力调度数据网络的问题。结合终端上移植实现的 μTCP/IP 协议栈和网络应用，对网卡的功能和性能指标进行的测试，验证了所完成的设计满足项目技术要求。

[1] 金勇. 电能量远方终端双平面网络接入平台设计[D]. 西安工程大学，2016.

[2] 黄国兵，金勇，贾荣兴，蔺元. 某电能量远方终端双平面网络接口设计[J]. 西安工程大学学报，2016，01：102-106.

[3] 艾璐博. 110kV智能变电站的设计研究[D]. 山东大学，2012.