数字化变电站单向数据传输设备设计

0 引 言

IEC 61850协议是基于网络通信平台的变电站自动化系统的国际标准,IEC 61850协议将整站分为3层:站控层、间隔层和过程层[1]。间隔层和过程层之间的信息通过以太网由单点对多点传输,即合并单元向保护装置、测控装置等发送信息[2-3],数据传输格式符合IEC 61850-9-1(或IEC 61850-9-2)标准。传统模式下,过程层与间隔层设备之间通过特定交换机连接[4],由于合并单元传递保护、测量的基础数据,所以要求交换机支持VLAN(Virtual Local Area Network)、优先级、无阻塞、流量控制、链路快速恢复、广播风暴限制等功能[5]。众多要求不仅使交换机的成本增高,而且延时可能变大且不固定。

为了提高信息传输的可靠性,降低建设成本,本文研究设计一种符合使用要求,一入多出的单向以太网传输设备(Single-Input Multiple-Output U-nidirectional Ethernet Equipment,SIMOOED),实现数字化变电站自动化系统中一个合并单元向多个间隔层装置发送采样数据的功能,取代传统的交换机。

1 SIMOOED方案

SIMOOED设备在变电站自动化系统中的接入方案如图1所示,箭头表示信息流向。在SIMOOED接入方案中,合并单元发送的采样值信息与其它信息物理上隔离。

图1 SIMOOED接入方案

传统模式下交换机接入方案如图2所示。为保证信息的正确传输,交换机所采用的技术相对较复杂,如防止数据冲突的检测技术、数据路由交换技术、生成树技术等,不仅增加开发难度、延长开发周期,而且会增加开发成本。SIMOOED开发难度小、隔离了其它信息对采样数据的影响、硬件实时转发、无数据冲突、延时短且固定。在硬件方面,交换机需要高速的CPU(带有MAC或单独使用MAC芯片)转发数据,相比之下本系统中使用的MCU价格要低得多。因此,无论是实现难度还是成本控制,SIMOOED都有更多优势。

图2 传统模式下交换机接入方案

2 设备总体结构

SIMOOED设备主要使用美国半导体公司的以太网PHY(Physical Layer)芯片DP83849IF、CYPRESS公司的零延时缓存芯片CY2309,设备原理如图3所示。双口PHY芯片DP83849IF内部具有丰富的数据路由功能,通过外部布线及芯片内部的数据路由把多个DP83849IF关联起来,实现数据的传输。25MHz的晶振通过 CY2309为每片DP83849IF提供时钟。LED显示SIMOOED的工作状态。系统电压为3.3V,MCU的主要任务是在达到要求电压时,通过I/O对DP83849IF进行有效设置。

图3 SIMOOED原理

3 SIMOOED设计

SIMOOED设备主要由两个硬件模块(数据转发模块与时钟模块)和一个软件模块组成。数据转发模块为设备核心,时钟模块为数据转发模块服务。

3.1 数据转发模块

数据转发模块使用芯片DP83849IF,该芯片为双口10/100MPHY芯片,支持MII(Media Independent Interface)、RMII(Reduced Media Independant Interface)及 SCMII(Single Clock MII)模式,支持电口和光口两种物理接口。SIMOOED采用SCMII模式,光接口(速率为100Mbit/s),使用6块DP83849IF,共12个端口,实现 “一入十一出”(一个)、“一入五出”(两个)两种工作状态。通过设置DP83849IF内部寄存器RBR(第 9～12位)改变两个端口的数据路由方式,实现工作状态的切换。工作状态的选择取决于现场间隔层装置的个数,如果一个合并单元需要传递数据的间隔层装置多于5个,可选择 “一入十一出”的工作状态;若少于5个,则用 “一入五出”的工作状态较合适。根据需要可对本设备进行级联扩展,但同时需考虑多级级联造成的延时影响。

3.1.1 一入十一出

在 “一入十一出”的工作状态下,SIMOOED内部数据流向如图4所示。

图4 一入十一出数据流向

U1～U6为6块DP83849IF芯片,只有U1的Port A为数据流入口,其余端口为数据流出口,图4中连接TX、RX的线代表了外部数据线的连接情况及其数据流向,DP8849IF内的箭头表示芯片内部数据流向。在图4中每个端口所对应的物理接口都为标准光接口。

“一入十一出”工作状态下,寄存器 RBR[12:9]的设置情况如表1所示。

表1 寄存器设置

寄存器的设置需要端口地址,端口地址由两部分组成:芯片地址(4位:可通过外部引脚PHYAD4、PHYAD3、PHYAD2、PH YAD1来设置),端口片内地址(1位且不能更改,PortA为0,PortB为1)。端口地址由芯片地址确定,完成芯片地址设置,则端口地址固定。U1～U6的芯片地址分别为0000、0001、0010、0011、0100和0101。

3.1.2 一入五出

在 “一入五出”的工作状态下,SIMOOED内部数据流向如图5所示。

图5 一入五出数据流向

从设计上分析,“一入五出”与 “一入十一出”的不同之处在于:

①“一入五出”状态下U 1端口PortA对应的外部RX不再有信号输出,U4的PortA为数据流入口,U5、U6的数据源不再是U1,而是U4。

②两个状态下芯片U 4～U 6外部的连线有所不同,但是并不相冲突,在PCB布线时可以并存。

③“一入五出”状态下芯片U 1、U4、U 5、U 6内部数据路由方式有所改变,而这个改变通过软件即可实现,无需变更布线。

“一入五出”工作状态下,寄存器 RBR[12:9]的设置情况如表2所示。芯片地址设置与 “一入十一出”相同。

表2 寄存器设置

3.2 时钟模块

在SCMII模式下,DP83849IF所需的时钟频率为25MHz,设备中时钟线、数据线延时一致是设计的关键之一,布线时要求每个DP83849IF芯片的4根数据线距数据源的长度一致,且每个芯片的时钟线要与该芯片的数据线平行。

SIMOOED通过芯片CY2309的引脚 REF输入频率为25MHz的时钟,CY2309可同时输出9个同频率的时钟信号,其中输出引脚CLKOUT具有PLL(Phase Locked Loop)功能,本设备使用包括CLKOUT在内的6个输出。CY2309的输出与输入之间的典型延时为5ns,最大延时为8.7ns,在相同负载下,同一个芯片输出之间的典型延时约为60ps[6],这些指标均能满足系统要求。

3.3 软件模块

软件主要作用是修改寄存器RBR的值,并通过LED指示灯(灯亮为 “一入十一出”,灯灭为“一入五出”)显示设备的工作状态。设备通过一个跳线来选择运行状态:ON(连接)表示运行在状态“一入十一出”,OFF(断开)表示运行在状态 “一入五出”,程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图

串行总线由MDIO(Management Data I/O)和MDC(Management Data Clock)组成,通过读写指令对该总线进行操作,指令格式如表3[7]。

表3 指令格式

指令中的A、R、x均表示1位二进制数。读、写指令中的 “〈开始〉 〈操作码〉〈端口地址〉 〈寄存器地址〉”位均需设置到MDIO。读指令中的 “〈转变码〉〈数据〉”位需从MDIO读取,其中转变码中的Z表示MDIO输出为高阻状态;写指令中的“〈转变码〉〈数据〉”位需设置到MDIO。需要注意的是,位的读取与设置要与MDC时钟配合,即在MDC下降沿从MDIO读取1位二进制数,在MDC上升沿设置1位二进制数到MDIO。

4 测 试

模拟使用环境下,设备测试方案如图7所示。GPS(Global Position System)时钟对所有测量装置、保护装置进行校时,由合并单元采用IEC 61850-9-1格式发送最高采样速率为10kHz的测试数据[8-9],通过测量装置、保护装置进行对比分析,经过48h连续测试,测得SIMOOED数据延时约为4.5μs,误码率为零,满足数字化变电站的应用要求。

图7 设备测试方案

5 结束语

数据传输可靠性是数字化变电站的基础,本文基于IEC61850协议,设计一种数据传输设备SIMOOED,相对于传统模式下交换机,SIMOOED具有设计简单、成本低、延时固定等优点。测试证明SIMOOED能够满足数字化变电站建设的要求。