基于嵌入式系统的Modbus-GOOSE规约转换器设计
摘要:设计了一种Modbus协议与IEC61850规约转换器,实现了Modbus网络和光纤以太网连接。分析了Modbus协议与IEC61850通讯标准。介绍了转换器的电路设计、嵌入式系统的软件设计。最后实验验证了转换器数据的正确性和实用性。
1 前言
目前,建筑行业的也正在进入智能电网时代。随着IEC61850通讯标准的建立与普及,国内外许多国家的电网和电气生产厂商均采用该标准进行通讯。在建筑领域的电气也将按照IEC61850标准进行通讯[1]。原有设备将逐步淘汰,为了使原有的使用其它通讯协议的电气设备与其兼容,并且能够实现两种协议之间高效、快速、便捷的通讯,需要建立一个规约转换器将IEC61850标准与MODBUS协议规约实现相互转换。本文设计的规约转换器,可将现有的Modbus协议标准的数据转换成遵循IEC61850协议的面向通用对象的变电站事件(GOOSE)的报文数据,这样就能将原来的网络与最新标准的智能电网连接起来,从而提高现有设备的利用率,节约投资,还可以在既有的网络基础上简化布线复杂度。
本文以首先分析了Modbus和GOOSE通讯规约,然后提出了提出了Modbus-GOOSE规约转换器硬件和软件设计方案,最后用沈阳大明电工生产的SDMK1型控制与保护开关进行实验,验证了产品的正确性和可实施性。
2 IEC61850通讯标准以及GOOSE通讯协议
IEC61850是应用在智能电网中,负责变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间的相互通讯。IEC61850规定了若干种报文来传输变电站实时数据,不同的报文传输的侧重点不同。其中,GOOSE 是IEC 61850标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的一种机制,用来保证变电站事件(例如跳闸命令、报警、保护启动、闭锁等公共数据)在系统范围内(例如间隔层之间、间隔层与变电站层、间隔层与过程层)快速传输,用于紧急跳闸、启动故障录波、启动闭锁/解锁等需要快速传递信息的场合[2]。
2.1 GOOSE报文传输过程
根据IEC 61850系列标准,GOOSE报文的传输服务采用快速保文协议。快速报文协议是由应用层到表示层(ASN1 1编码)后,直接映射到底层(数据链路层和物理层),不通过会话层、传输层、网络层,减少了报文封包和拆包的时间。从而保证了GOOSE报文的传输的实时性。
由于GOOSE报文需要支持多节点的快速、直接通讯方式和满足事件驱动类型的通讯本质,GOOSE报文采用发布者/订阅者传输机制。GOOSE报文传输的通信过程由发布者通过控制模块(GoCB)进行控制[3]。而GOOSE报文的订阅者通过解析GoCB获得发布者的命令。
2.2 GOOSE报文编码方案
根据IEC61850,GOOSE报文在采用以太网传输的帧格式(ARP)要包含发布者的介质访问控制层(MAC)地址和订阅者所在的局域网MAC地址。并且在标准的以太网报文头中间插入了一个标签(Tag),Tag中包含了12 bit的虚拟局域网标识码(IEEE802.1q)和3 bit的报文优先级码(IEEE802.1p)。最后是要传输的GOOSE报文数据[2]。GOOSE报文在数据链路层报文格式如图1所示。
IEC61850规定中,APDU包括以下内容:GOOSE控制块引用名、允许生存时间、数据集引用名、GOOSE标识符、状态号计数器改变所需时间、状态号计数器、顺序号计数、检修位、配置版本号、重新配置标识、数据集成员个数以及数据。本文根据GOOSE控制块引用名识别GOOSE的功能,根据状态号计数器的变化判断数据的是采用或者丢弃。如果该状态号计数器比上一状态号计数器大一,那么执行该状态所需命令,如果与上一计数器相同则不处理,否则需检修设备。
3 Modbus通讯协议与转换方案
Modbus通讯协议是应用在电子设备上的一种通用协议,实现控制器之间的的通讯。主要在RS485接口上使用。
Modbus主要是有两种编码模式,一种是采用美国信息互换标准代码(ASCⅡ);另外一种是采用远程数据终端(RTU)传输模式。本文着重讨论RTU模式下的传输。RTU的帧主要包含地址帧、功能码、数据以及校验码[4]。其数据结构如图2所示。
要使Modbus与GOOSE两种通讯协议相互转换,需要将Modbus的数据转换成goCB控制模块。首先要定义一个配置表,为不同地址的设备分配一个MAC地址;然后将Modbus的功能码与IEC61850规定的逻辑节点相对应,将两种协议统一连接起来;最后对传输的数据进行判断,按照功能码和逻辑节点的要求对数据进行转换。
4 实验开发平台
嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序等四个部分组成,是控制、监视或者辅助机械设备运行的装置。根据IEC61850对实行性的要求,本文所述的开发平台采用以MPU为硬件核心,以Linux系统内核为操作系统的嵌入式系统。
4.1 嵌入式系统硬件平台
对于产品的研发而言,最重要的是功能完善性与性能的稳定性。因此,尽量简单的硬件结构对于开发成本和用户使用来说是必不可少的要求。本文选用相对比较简单的MPU为硬件核心,即满足了设计对产品功能实现的要求,又可以节约成本,减少外部器件数量,增加硬件系统的稳定性,而且还能帮助客户缩短产品设计开发时间。因此根据上述原则和要求,其硬件电路设计框图如图3所示。
协议转换器硬件以MPU模块为核心器件,利用RS485收发芯片和RS485接口实现用MODBUS网络的连接;利用以太网接口实现与以太网的连接;其它的模块相互合作,使两种网络通讯畅通。
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