一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，包括数据采集接口，数据处理模块，外设接口和通讯接口。采集接口包括负责模拟信号采集的模数转换器(ADC)AD7656，负责数字信号采集的GPIO口；所述数据处理模块为内嵌了ARM926的FPGA处理器，负责管理数据在ADC，通讯接口间的传输以及数据的规约转换；所述外设接口包括UART、IIC、SPI，负责与外部设备进行通讯。所述的通讯接口包括表示层的AES高级加密，数据链路层的MAC，和物理层的PHY芯片，支持光纤和以太网通讯。该片上系统具有体积小，功能扩展性强、通讯方式灵活、支持数字变电站规约通讯的特点。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电力通信的
，特别涉及一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统。
技术介绍
电力系统数据采集是系统安全稳定运行的重要环节。继电保护、电能质量监测、扰动分析等等应用都需要有系统运行数据的支撑。随着可再生能源的接入、数字化变电站的普及等情况，系统对数据采集的精度、速度(实时性)都提出了更高的要求。以数字化变电站为例，系统的运行数据(三相电压、电流、开关状态等)数据的需要从电子互感器进行采集，通过站内网络进行传输、接收设备接收或应用设备对数据进行处理，实现监控或发出动作命令，且整个通信过程是建立在IEC61850的通信规范上进行的。通讯的质量影响着变电站多种应用功能的实现，进而影响系统的稳定性。目前的采集装置主要作用为从传感器采集数据，但不支持数据的IEC61850规范转换，需要外接规约转换器；同时由于数据处理能力的制约和数据实时性的要求，一般只进行单一的数据采集和传输，不对数据做进一步的处理(如继电保护、电能质量分析等)。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，通过ADC和GPIO口分别对电力系统中的模拟量(电压信号，电流信号，气压，风速、风向等)和数字量(开关状态)进行采集，由处理器对数据进行处理和传输，最后将处理结果通过串口或以太网的方式进行传输，可实现电力系统运行数据在线监测。该系统具有体积小、功能扩展性强、通讯方式灵活、数据处理效率高、成本低的
特点。本技术的目的通过下述技术方案实现：一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，所述片上系统集成数据采集接口、数据处理模块、通讯接口、外设接口；其中，所述数据采集接口包括模拟量采集口ADC与数字量采集口GPIO，实现对数字量和模拟量的采集；所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA，实现所述片上系统数据流控制以及通讯规约转换；所述通讯接口包括集成在内部的依次连接的表示层的AES高级加密模块、数据链路层的MAC、物理层的PHY芯片以及以太网接口和光纤接口，进行数据的通讯传输；所述外设接口包括UART、IC、SPI，负责与外部设备进行通讯；所述数据处理模块分别与所述数据采集接口、通讯接口以及外设接口连接。进一步地，所述模拟量采集接口采用16位模数转换器AD7656，支持6路模拟信号输入；所述数字采集接口采用32位GPIO口。进一步地，所述模拟量采集接口采集的模拟量为变电站PT、CT二次侧的电压、电流信号，以及通过气压、风速、风向传感器转换的电信号，通过模拟信号输入口进入AD7656芯片，转换为片上系统可处理的数字信号。进一步地，所述数字采集接口采集的数字量为线路开关状态，与GPIO口连接，ARM芯片通过读取GPIO口电平状态即可获得线路开关状态。进一步地，所述模数转换器AD7656的采样频率设置为：5k，32k，64k或96k，转换精度为16位，其数据传输方式设置为MCU传输或DMA方式传输。进一步地，所述数据处理模块为内嵌32位的ARM926的FPGA，负责数据在采集接口、数据处理模块、外设接口及通讯接口之间的传输，以及对所采集信号进行规约转换，将数据打包成符合IEC61850协议，串口103协议、以太网103协议的数据包，支持数字变电站的通讯。进一步地，所述ARM926的FPGA的芯片程序在Keil4开发环境下编写，包括：AD采集转换程序、规约转换程序、以太网发送程序、串口发送程序，其中AD转换支持MCU或DMA方式，规约转换程序按照IEC61850-9-2标准进行开发。进一步地，所述规约转换程序实现将数据转换成符合IEC61850协议标准的数据包，电压、电流量以SV报文形式进行打包，线路开关量以GOOSE报文的形式进行打包；同时根据以太网103协议，串口103协议对数据包进行打包以供以太网、串口通讯。进一步地，所述高级加密解密AES模块用于对传输和接收数据进行加解密，保证通讯安全；所述PHY芯片为DP83849芯片；所述以太网接口为以太网通讯接口RJ45-100，所述光纤接口为10Mbps/100Mbps的光纤通信接口HFBR-5803，所述以太网接口和光纤接口实现与外部的数字化变电站主站的接收、解析设备进行通讯。进一步地，所述UART接口支持RS232物理接口和/或RS485物理接口，所述SPI接口和IIC接口为扩展功能接口，三者均可作为通讯与功能调试接口。本技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：1)本技术支持IEC61850数字化变电站通讯规范，无需外接规约转换器。2)本技术支持10Mbps/100Mbps的光纤通信，提高了传输效率，为继电保护等对实时性要求高的应用提供了硬件基础。3)本技术体积小，成本低，功耗小，易于安装，有丰富的外设接口，易于调试与维护。附图说明图1是本技术公开的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统整体结构图；图2是模数转换芯片AD7656以及其中的模拟信号电压输入范围设置示意图；图3是PHY芯片DP83849结构图；图4为ARM926的数据控制和规约转换流程图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。实施例如图1所示为一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统整体结构图，本实施例公开了一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，所述片上系统集成了数据采集接口，数据处理模块，通讯接口。所述数据采集接口包括模拟量采集口ADC与数字量采集口GPIO，负责对数字量和模拟量的采集；所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA，负责所述片上系统数据流控制以及通讯规约转换；所述通讯接口包括集成在内部的表示层的AES高级加密模块、数据链路层的MAC、物理层的PHY芯片以及以太网接口和光纤接口，进行数据的通讯传输。所述外设接口包括UART、IC、SPI，负责与外部设备进行通讯。上述模拟量采集接口采用了16位模数转换器AD7656，支持6路模拟信号输入；数字采集接口采用了32位GPIO口。所述模拟量采集接口采集的模拟量主要为变电站PT、CT二次侧的电压、电流信号，以及通过气压、风速、风向等各类传感器转换的电信号。通过模拟信号输入口进入AD7656芯片，转换为系统可处理的数字信号。具体模数转换芯片AD7656的结构框图如附图2所示。所述数字采集接口采集的数字量主要为线路开关状态，与GPIO口连接，ARM芯片通过读取GPIO口电平状态即可获得线路开关状态。其中，AD转换芯片AD7656的采样频率可设置为：5k,32k,64k,96k,转换精度为16位。对于继电保护等实时性要求较高的应用场景，ADC的数据传输方式设置为MCU传输，对于电能质量检测等实时性要求不高的应用场景，为节省硬件资源，ADC的传输方式设置为DMA方式传输，可设置阈值为16、32、64、128字节。ADC模块组件AD7656的工作过程如下：MCU传输方式下，将ADC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述片上系统集成数据采集接口、数据处理模块、通讯接口、外设接口；其中，所述数据采集接口包括模拟量采集口ADC与数字量采集口GPIO，实现对数字量和模拟量的采集；所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA，实现所述片上系统数据流控制以及通讯规约转换；所述通讯接口包括集成在内部的依次连接的表示层的AES高级加密模块、数据链路层的MAC、物理层的PHY芯片以及以太网接口和光纤接口，进行数据的通讯传输；所述外设接口包括UART、IC、SPI，负责与外部设备进行通讯以及系统功能调试；所述数据处理模块分别与所述数据采集接口、通讯接口以及外设接口连接。

【技术特征摘要】
1.一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述片上系统集成数据采集接口、数据处理模块、通讯接口、外设接口；其中，所述数据采集接口包括模拟量采集口ADC与数字量采集口GPIO，实现对数字量和模拟量的采集；所述数据处理模块是内嵌ARM926的FPGA，实现所述片上系统数据流控制以及通讯规约转换；所述通讯接口包括集成在内部的依次连接的表示层的AES高级加密模块、数据链路层的MAC、物理层的PHY芯片以及以太网接口和光纤接口，进行数据的通讯传输；所述外设接口包括UART、IC、SPI，负责与外部设备进行通讯以及系统功能调试；所述数据处理模块分别与所述数据采集接口、通讯接口以及外设接口连接。2.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述模拟量采集接口采用16位模数转换器AD7656，支持6路模拟信号输入；所述数字采集接口采用32位GPIO口。3.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述模拟量采集接口采集的模拟量为变电站PT、CT二次侧的电压、电流信号，以及通过气压、风速、风向传感器转换的电信号，通过模拟信号输入口进入AD7656芯片，转换为片上系统可处理的数字信号。4.根据权利要求1所述的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述数字采集接口采集的数字量为线路开关状态，与GPIO口连接，ARM芯片通过读取GPIO口电平状态即可获得线路开关状态。5.根据权利要求2所述的一种支持IEC61850协议的电力系统数据采集与传输片上系统，其特征在于，所述模数转换器AD7656的采样频率设置为：5k，32k，64k或96k，转换精度为16位，其数据传输方式设置为MCU传输或DMA方式传输。6.根据权利要求1所述的一种支持IEC...

【专利技术属性】
技术研发人员：李梦诗，谢昭群，王颖凯，夏候凯顺，吴青华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44