区域稳控装置内部数据传输体系的改进与实现

区域稳控装置内部数据传输体系的改进与实现
摘要:介绍了区域穗定控制装置内部数据传输的体系结构,从提高数据传输可靠性的角度介绍了各环节采取的相应措施,主要包括GPS接口板上双口RAM相关程序的改进设计,模拟量数据采集板上FIPO的应用,利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现的数据采集逻辑控制和循环冗余校验(CRC),以及ARCnet网应用层网络通信协议的设计。这些措施原理简单,易于实现,理论分析和针对性试验表明它们可以有效地提高数据传输的可靠性。物联网网关

0引言
区域稳定控制装置通过在电力系统不同节点之间交换信息,根据全网的运行方式和故障倩况在不同地点因地制宜地采取相应控制措施,可以有效地提高系统的稳定极限。该装置于1997年3月在黑龙江东部电网的3个变电站和2个发电厂投运,在网架结构没有大的变动的情况下,保证了东部电网在高稳定极限下长期安全运行,缓解了东部电厂窝电问题。
在装置长期运行期间,由上位机数据记录文件可知,装置内部数据传输可靠性有待进一步提高。这主要表现在:①存在下位机上传的数据报文丢失的情况;②某些数据报文中明显存在坏数据(与实际值偏差过大).数据传输可靠性是稳控装置整体工作可靠性的重要一环。在某些极端情况下,长时间(如连续10多个周期)的数据报文丢失或误传会导致装置对当前电网状态的误判,甚至引发误动作。
本文从区域稳定控制装置内部数据传输的体系结构入手,分析了数据传输中各环节可能存在的问题,针对这些问题提出并实现了一系列相应措施。1数据传输体系
区域稳定控制装置为上下位机分层结构,以便灵活配置,满足各种应用的要求。上下位机间通过ARCnet网卡实现网络通信。下位机为工业STD总线,主从CPU 结构,仅主控处理器V40能控制总线并访问总线资源,从处理器不能直接访问总线资源。可将从处理器看做总线上的智能I/O,它们仅完成


一些特定的功能,不参与系统级决策。
区域稳定控制装置内部数据传输体系见图1。由下位机各插卡采集到的模拟量和开关量数据送至上位机内存的传输环节,主要包括:①主控处理器V40板与GPS接口板通过双口 RAM方式交换状态和时间信息;2V40板通过I/O端口应答方式从A/D变换板和开关量输入板获得采集到的模拟量和数字量数据;③上下位机间通信由工业令牌网ARCnet实现。

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2 GPS 接口板数据传输
主控处理器V40板与GPS接口板上单片机交换的数据主要包括:①从 GPS接收机通信报文中提取的有用的时间及状态信息,这些信息作为时间标签被加在同步采集得到的模拟量和开关量数据报文中;②命令和状态字节,以确保主从CPU 结构的协调运行。
主从CPU间的数据交换频繁,时序复杂多变,选用Dallas公司的DS1609双口RAM作为数据缓冲器和存储器,GPS接口板通过双口 RAM方式可以间接参与下位机系统级决策。DS1609硬件设计

简单易行,但相关软件编程的要求较高,这是因力E允许两端同时访问存储单元,但芯片本身不提供硬件的访问冲突仲裁逻辑,潜在的访问冲突必须通过
软件设计的方法来避免,否则可能中问一础的读/写争用、写/写争用冲燹,造版容活俟读种诺内容不确定等问题。体现在GPS按t磁说同冲突会直接导致主控处理器V40根行到馆优双据,造成数据包“伪丢失"现象,即教活包头你一上位至上位机,但由于包头标志位错误而无状被上位机识别,使得数据无法被有效利用。
改进后的GPS接口板运用“邮和状*思想开p合实际数据流量及流向设计双口RAM 相关程序。
“邮箱法”的设计思想主要是:邮箱自身可确保没有读/写冲突和写/写冲突,这可以理拿E一z箱标志存储器内容实现,特殊情况下也巴思单行储器实现;②邮箱是一个存储区段两侧读写状态的
标志,利用此信息可以避开各种可能的冲突。
运用“邮箱法”设计双口 RAM程序时应注意:①获得某存储单元的写操作权限前,应查询相应邮
箱,完成某存储单元的写操作后应立即释败与璨作权;②默认双口RAM某一侧获得写操作权的优先级更高,优先级低的一侧在获得写操作权的过程中需查询2次标志存储器(2次查询延时根据主从CPU实际速度确定),以确保任何情况下对同一存
储区段同一时刻只有一侧可获得写操作权。

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运用“邮箱法”设计双口RAM程序的优点是:即使不细致地考虑双口RAM两侧相关程序的时序,也可确保不会发生读/写冲突和写/写冲突,尤其适用于通信频繁且时序复杂的系统;②减小双口RAM两侧程序的关联性,便于程序设计的结构化、模块化,提高了程序的可维护性和可继承性。
3 A/D变换板数据传输
原A/D变换板利用单片机和双口 RAM实现数据采集和与下位机系统交换数据的功能。单片机和双口RAM系统涉及芯片数量多,其功耗和发热量均较大,散热不良时会影响电路工作的稳定性。同GPS接口板一样,双口 RAM的相关程序设计要求考虑较多的因素。当工业现场发生某些强烈电磁干扰时,数据传输会受到影响,导致瞬间出现大量坏数据,此时原A/D变换板采用的水平奇偶校验因不能检验出偶数次差错而无法满足要求。
由分析可知,系统对A/D变换板的控制信号为启动采样,此信号由GPS接口板发出的全网同步采样脉冲提供,纯硬件实现。这样,A/D变换板通过总线传输的数据全部为单方向送出,主要包括模拟量


数据及其校验码组和板内状态信息(如FIFO状态、A/D变换板数据准备好状态等)。注意到本板数据传输方向单一和数据输出顺序固定的特点,并考虑需要缓冲的数据量大小,选用IDT公司的 IDT7201异步FIFO代替原来的双口RAM。FIFO的数据读写操作只能顺次进行,读写操作只需/w、/R信号参与控制,与地址信号无关,因此其接口电路简洁;同时,FIFO的硬件特性保证了使用中不可能发生读写冲突,可靠性较高,其相关程序设计也简单易行。
A/D变换板的控制逻辑由一片复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现,选用ALTERA公司的MAX7000系列芯片代替原单片机系统。MAX7000的优点在于:①其编程通过修改具有固定内连电路的逻辑功能模块进行,故其输入输出间最大延时可预测;②其逻辑块互联是集总式的,有较高的工作频率;③集成度高,适于实现较为复杂的状态机和控制电路。
A/D变换板CPLD状态图见图2。CPLD实现的控制逻辑主要包括:①A/D变换,如启动变换、切换通道、等待数据,存储数据等;②板内状态信息显示,如FIFO状态、主干状态机进度、一组数据采样结束标志等,以此确保主控处理器V40板可实时、准确地得到采样数据;③对采集到的一组数据实现循环冗余校验(CRC)。


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