基于IEC61850―9―2标准的通信及测试系统设计
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引言
电子式互感器的发展实现了模拟量采集的数字化，相继IEC61850通信标准代替了传统的通信规约，解决了不同厂家的二次设备互操作问题。目前，智能变电站内的运行状态全部以数字化信息表示，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种设备和功能共享统一的信息平台。
在智能变电站中，间隔层中的二次设备主要接收由过程层合并单元发送的数字式电压电流信息，而合并单元通信采用IEC61850-9-2标准传送电流电压采样值数据给间隔层的保护与控制设备。这样就要求一次设备和二次设备具有以太网通信接口，并且数据通信遵循IEC61850-9-2标准，为了验证数据通信设备的正常连接和数据通信的正确性，还需建立以太网通信接口的上位机测试系统。本文在详细研究IEC61850通信标准的基础上，针对智能变电站相关电子设备的发展和应用现状，介绍了一种基于iec61850-9-2标准的通信及测试系统设计方法。
IEC61850-9-2协议简介
IEC61850不是一个单纯的通信规约，而是一个面向变电站自动化系统性的标准，它指导了变电站自动化的设计、开发、工程和维护等各个领域。IEC61850共分为10个部分，其中第1、2、3、4、5部分为简单概述、术语、总体要求、系统项目管理、通信性能评估方面内容；第6～9部分为通信标准的核心内容；第10部分为IEC61850规约一致性测试内容。其中IEC61850-9-2主要应用于智能变电站中的过程层与间隔层之间的通信，它通过ISO/IE C8802-3的采样值传输，基于混合协议栈的抽象模型定义了由应用层直接映射到ISO/IEC8802-3链路层的协议规范。
通信数据包含在APDU（应用协议数据单元）中，它由APCI（应用协议控制信息）和ASDU（应用服务数据单元）两部分组成，在IEC61850-9-2协议中要求APDU是经过ASN.1编码的，其ASN.1编码的APDU帧结构如图1所示，该图为连接4个ASDU的APDU帧结构示例。
IEC61850-9-2中规定SMV报文帧格式是不固定的，里面的内容可以自定义，且数据组织比较灵活。在应用层中，ASDU是模拟量采样值信息最终的承载者，它由通用数据集ASDU与状态数据集ASDU两部分组成。报头、帧起始、广播地址、源地址以及最后的帧校验为以太网帧结构的标准形式。TPID/TCI存放以太网帧的优先权标记和虚拟局域网标志信息。IEEE为IEC61850-9定义的帧格式分配了以太网类型值为0x88BA，它是IEC61850-9标准定义的SMV报文的标志。帧格式中间的应用协议数据单元（APDU）部分即是以太网帧的内容，存放着模拟量采样值数据。APDU的开头部分为APDU长度标记和数据集的个数，它采用ASN.1编码规则的基本编码规则（BER）进行编码。状态数据集ASDU反映其他IED设备二进制输入的状态，通用数据集ASDU中，开头部分为逻辑设备名、逻辑节点名和数据集等标志ASDU来源的信息，真正用于电能计量的信息是ABC三相电流和ABC三相电压。
以太网通信系统设计
1 系统硬件电路设计
数据传输需要一款支持以太网通信接口的芯片，而且传输速率要求达到近百兆。本设计选用DM9000A以太网控制芯片，该芯片是一款全集成、功能强大、性价比高的快速以太网MAC控制器。它带有通用的处理器接口和EEPROM外扩存储器接口，支持10/100Mb/s的可选择数据传输速率，内部带有16KB的SRAM，其中13KB作为接收数据缓存区，3KB作为发送数据缓存区，该芯片还采用单电源供电，IO接口电平兼容3.3V和5V。DM9000A不只在性能上满足通信系统的设计要求，而且采用数据线与地址线复用的访问模式，极大地简化了硬件电路设计。
该系统由DSP5409处理器和以太网控制芯片DM9000A两部分来实现，以DSP按照给定的算法运算处理数据，通过以太网控制芯片DM9000A有序的将基于IEC61850-9-2协议的数据帧发送出去。DM9000A这款以太网控制芯片不仅性价比很高，而且封装引脚较少，有利于PCB信号走线设计，其电路原理图如图2所示。由于以太网传输速率比较快，所以要求PCB合理走线以提高其工作稳定性。信号线“RX-”和“RX+”、“TX-”和“TX+”最好分别采用差分等长走线，并且16条数据线尽量成带状等长走线。
2 系统软件设计
对于系统软件设计，首先要编写DM9000A底层驱动，在编写驱动时首先读取其VID和PID寄存器以测试能否建立基本的读写操作，在实现对寄存器的读写操作的基础上，初始化DM9000A芯片及其数据发送操作。如若无法读取到DM9000A的VID和PID，可考虑通过示波器检查各控制信号（CS、IOW、IOR和CMD等）的电平建立和保持时间是否符合DM9000A数据手册要求。
通信系统的数据输出流程如图3所示，当上电/复位，或者当上电/复位，或者DSP5409处理器更新了数据时，以太网控制芯片DM9000A将被初始化，并且重新组建IEC61850-9-2数据帧，当对接收到的各路数据处理完成之后，将调用数据发送函数，否则等待采样数据处理完成。为提高工作效率，数据发送函数并非每次调用都重新写入整个数据帧到以太网发送缓存，而是只将变化的数据更新到数据帧的相应位置上，其他没发生变化的数据将不必重复操作，当更新完整个数据帧的数据后则启动DM9000A发送数据。
LABVIEW测试系统设计
本测试软件是通过使用NI公司官网上提供的以太网数据抓取模块实现对以太网通信数据的抓取。因获取到的数据均为瞬时采样值，不能直接作为校验数据，校验所需的有效值和初始相角在测试软件中使用傅里叶算法得到，下面给出算法思路。
被采样的信号是一个周期性的时间函数，可表示为：
式1中n=0，1，2，…；an和bn表示各次谐波的正弦项和余弦项的振幅。因为各次谐波的相位可能是任意的，故将其分解为任意振幅的正弦项和余弦项之和。根据傅里叶级数的原理，a1和b2分别可表示为：
在用计算机处理时，式2，3的积分可以用梯形法求得：
由于x（t）是周期函数，则求a1和b1的积分区间可以是x（t）的任意一段，只要满足一个周期的长度即可。测试软件中傅氏算法的周期采样点数根据合并单元周波采样点数设为80，即是N=80，而xk（k=0，1，2，…，79）则为获取到的一个周波的瞬时采样值。其部分LABVIEW测试程序如图4所示。
系统测试结果
合并单元的输出IEC61850-9-2数据帧格式是已知的，测试的目的在于检验以太网数据发送、传输与接收是否正确无误，其测试结果如图5所示。通过测试软件抓取并解析出来的数据经过软件匹配处理后，将数据依次还原到IEC61850-9-2协议规定的帧位上，图5中帧位“Ethertype”对应的数据为88BA（十六进制），帧位“APPID”对应的数据为4001（十六进制）。测试表明各个帧位上的数据跟发送的IEC61850-9-2数据完成吻合。测试软件界面显示的是还原得到的IEC61850-9-2采样波形，信号源给出的是频率50Hz，峰峰值1V的正弦波形，从还原出来的波形可以看出各个通道的波形连续、完整和平滑，满足测试要求。
结束语
基于IEC61850-9-2标准的数字接口通信在现代化的变电站智能系统中起着重要的作用，对其进行研究设计与测试验证具有重要的理论意义和实用价值。本文以DSP按照给定的算法运算处理数据，通过以太网控制芯片DM9000A有序的将基于IEC61850-9-2协议的数据帧发送出去。并在PC上利用LABNIEW软件开发平台设计开发了通信测试软件，通过该软件对其功能及其性能进行了测试与分析。最后测试结果表明，本文所设计的基于IEC61850-9-2标准的通信及测试系统满足各项功能的设计及测试要求。