基于嵌入式系统的电力光纤信号测试仪的设计与实现

万 敏，邱细虾，熊 刚，曾 润，伍明铭

（广东电网有限责任公司佛山供电局 广东 佛山528000）

基于嵌入式系统的电力光纤信号测试仪的设计与实现

万 敏，邱细虾，熊 刚，曾 润，伍明铭

（广东电网有限责任公司佛山供电局 广东 佛山528000）

基于掌握变电站设备的运行状态，对变电站系统实现实时监控的目的，本文研究设计了一种基于嵌入式系统的电力光纤信号分析仪。系统基于IEC61850标准，硬件上结合嵌入式系统特点，完成外围电路及光信号转换、FT3解码等模块设计，软件上完成外设接口的驱动设计，实现对变电站系统以太网中传输的基于IEC61850标准的采样值报文及GOOSE报文等的获取、解析，实时掌握系统运行状态。

IEC61850；嵌入式；电力光钎；故障诊断

为了提高电力系统运行的安全性，需要实现对电力系统中的核心设备的运行状态进行实时监控和记录通信，并对偶发性故障进行排查，实现通信过程的实时预警，这就需要专门的电力光纤信号分析仪来实现。随着电子技术、自动化技术及网络技术的不断发展，传统的变电站逐步被自动化变电站所替代，同时在变电站通信机制上，建立了统一规范的IEC61850标准，该规范有利的促进了电力光纤分析仪的研究[1-3]。文中在IEC61850协议基础上研究设计了基于嵌入式系统电力光纤信号分析仪，用于捕获变电站过程层网络中的采样值及变电站GOOSE网络报文，并对报文进行解码，报文出错预警及原始报文的储存[4]，为电力故障诊断和系统维护提供了有效的依据。

1 IEC61850协议介绍

IEC61850协议通过对设备进行规范化，使其形成规范的输出，将变电站系统有效的连接，是电力系统公共通信的标准。很好的解决了电力设备的互操作性和互换性，为电力设备的开发提供稳定的研究环境[5-7]。

相比传统的通信协议，IEC61850可以通过面向对象的分层、统一建模，对客户机的数据结构进行建模，将服务器分为逻辑设备。同时还支持数据的自我描述，因此传输到数据方的数据均带有数据的自我描述，简化了对数据的操作和管理。在接口方面，采用与网络独立的抽象的通信服务接口（ASCI）定义了与具体协议无关的通信服务、通信对象及参数，能够很好的解决协议标准的稳定性要求和新技术之间的矛盾。

2 电力光纤信号分析仪系统设计

分析仪主要实现相关网络信号的获取、解析及存储等功能，同时还需实现对光纤信号的接受和发送。此次系统是以三星公司的ARM11处理器S3C6410为控制中心，完成系统接口部分、AD采样控制部分及显示控制部分，并完成相应的驱动设计。系统的总体框架如图1所示。

图1 光纤信号分析仪结构图

2.1 以太网电路模块设计

此次设计的分析仪是在100MBaseFX光纤以太网的环境下来使用的，光纤收发器设计了两对不同规格的多模型光纤收发器，在接口设计上采用DM9000AE和DM9301芯片相结合的方式，前者主要应用与扩展，后者是100M高速以太网光纤实体层媒体转换器，用于PECL电平转换，从而完成光纤信号到双绞线信号的转换，转换完成后进入DM9000AE网络芯片。以太网接口电路设计如图2所示，采用带指示灯的RJ45网络接口，PM44-11BG为隔离变压器。

图2 以太网接口电路图

2.2 串口通信设计

在系统的调试过程中经常使用串口，目前串口设计方法非常成熟，本次设计采用经典的MAX3232电平转换器实现。设计电路图如图3所示。

2.3 FT3报文解码器设计

为了缓解ARM处理器资源紧张、处理速度缓慢的问题，在FT3格式报文的解码通过增加一篇CPLD逻辑编程芯片来解决[8-10]，本次设计采用的CPLD芯片为ALTERA公司MAX系列的EPM240T100C3芯片。通过ARM处理器的CPLD_CTRL1引脚控制FT3报文的解码校验等工作。该芯片使用双路LVTTL/TTL到差分LVPECL/PECL电平转换。

2.4 网络驱动设计

系统通过两片DM900AE以太网芯片对GOOSE及FT3两种报文进行接收和发送，该芯片可支持8位、16位及32位数据总线宽度。系统运行时，首先调用检测程序对网卡进行扫描，驱动运行前设置好网卡参数，发送数据时，调用驱动程序的发送例程，数据写入空间后，再激活物理发送过程[11]。但由于本系统添加了两片网络设备，需要在内核中定义这些设备。

图3 串口通信电路图

添加dm9000_cs2到内核文件夹arch/arm/plats3c64xx/devs，c，网络芯片的变量定义为：

3 GOOSE及FT3报文处理

3.1 FT3报文处理

FT3报文主要用于传递变电站电子式电流及电压互感器感应到的电压、电流及状态字等数据组成的合并单元，采用曼切斯特编码方式，在IEC60084-7/8中定义。通过CPLD解码模块将FT3报文信息进行AD转换、解码处理之后，传送至ARM处理器。

FT3采用的编码，位于位之间都有一个跳变，上升沿跳变为“1”，下降沿跳变为“0”，然后通过计时器和计数器来捕捉脉冲的上升沿和下降沿的时间和次数，为了判断上升沿发生在数据中间还是结尾，需要对测量的脉宽进行判断[12-13]。当测量的脉宽为1BIT时（如图 4（a）），同时确定两个位的解码值为 10，上升沿发生在数据传输中中间。当测量脉宽为0.5BIT则分为3种情况：

1）上升沿距离上个下降沿发生延时1个BIT位（如图 4（b）），当前解码职为“1”，则上升沿在数据中间。

2）上升沿距离上个下降沿发生延时0.5个BIT位（如图 4（c）），前一个数据的解码职为“1”，当前解码职为“1”，则上升沿在数据中间。

3）上升沿距离上个下降沿发生延时0.5个BIT位（如图 4（d）），前一个数据的解码职为“0”，当前解码职为“0”，则上升沿在数据结尾。

对照上述4种情况，对FT3报文信息进行解码，然后对应FT3帧信息内容，即可完成报文的解析，最后通过波形显示出来，使用户直观、快捷的获取信息。

3.2 GOOSE及9-2报文处理

GOOSE报文的发送端往往会发送多个报文，每个报文反应不同的数据，在报头利用不同的目标地址进行区分，根据报文接收方的实际需求可以对报文进行筛选过滤[14-15]，即对GOOSE报文信息的接收，进行源地址对比，获取有效报文的流程如图5所示。

图4 FT3曼切斯特解码4种可能

图5 GOOSE报文获取流程

系统的GOOSE报文格式采用ASN.1编码的规则中的BRE编码结构进行编制，相关的数据结构定义为：

网络控制器获取到报文之后存储在换成去内，等待CPU对其进行读取和解析，解析后存储在信息存储区内，并显示在显示器上。工作流程如图6所示。

图6 GOOSE报文解析流程

4 结 论

基于嵌入式的光纤信号分析仪，完成嵌入式系统外围电路、光信号转换及FT3解码等模块设计，对GOOSE报文和FT3报文的编码规则及解析进行研究并编码实现，对电力行业中报文的应用及实现IEC61850在工控方面的应用研究具有一定的参考意义。

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[2]郑新才，施鲁宁，杨光，等.IEC61850标准下采样值传输规范9-1、9-2的对比和分析 [J].电力系统保护与控制，2008（18）：47-51.

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[6]李小滨，韩明峰.GOOSE实时通信的分析与实现[J].电力系统保护与控制，2009（10）：41-43.

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[15]刘颖杰.动态信号分析仪的硬件设计[D].成都：电子科技大学，2014.

Design and implementation of electric power optical fiber signal analyzer based on embedded system

WAN Min，QIU Xi-xia，XIONG Gang，ZENG Run，WU Ming-ming
（Guangdong Power Grid Corporation Foshan Power Supply Bureau，Foshan 528000，China）

In order to realize the real-time monitoring and testing of the substation system，quickly grasp the operating status of the substation equipment.This paper designed a kind of electric power optical fiber signal analyzer based on embedded system.The equipment based on the IEC61850 standard，combined with the embedded system hardware features，complete peripheral circuit and optical signal conversion，FT3 decoding module design，drive the design of peripheral interface software，realization of substation system Ethernet transmission standard IEC61850 sampling value message and GOOSE message access，etc.based on the analysis，real-time control system running state

IEC61850；embedded；power optical fiber；fault diagnosis

TN06

：A

：1674－6236（2017）13-0147-04

2016-04-18稿件编号：201604183

国家自然科学基金（41371406）

万 敏（1987—），男，湖北武汉人，工程师。研究方向：通信技术、电力系统通信、智能通信。