董会然¹  董锁英²  顼军娜³  朱东涛⁴

（河北旭辉电气股份有限公司河北省配电设备智能化技术创新中心 河北050035）

摘要：本文介绍了一种基于AM335X设计的IEC61850规约转换器。该装置硬件核心CPU采用ARM Cortex-A8 AM335X，主RAM选用DDR3 SDRAM，电源管理电路采用分立元件实现，设计了千兆网口；软件基于Linux操作系统设计了通信协议栈，对IEC61850逻辑模型和传统设备逻辑模型的构建和解析方法进行统一设计；集高性能和经济性为一体。

关键词：IEC61850；AM335X；规约转换器

ABSTRACT: This paper introduces an IEC61850 protocol converter based on AM335X. The hardware core CPU of the device is ARM Cortex-A8 AM335X, the main RAM is DDR3 SDRAM, the power management circuit is realized by discrete components, and the Gigabit network interface is designed; the software designs the communication protocol stack based on the Linux operating system, and unifies the construction and analysis methods of IEC61850 logic model and traditional equipment logic model; it integrates high performance and economy.

KEY WORDS: IEC61850; am335x; protocol converter

1、前言

目前， IEC61850标准已在变电站技术中得到广泛应用，传统电力设备多不支持IEC61850规约，需要借助IEC61850规约转换器进行规约转换。本文介绍了一种基于ARM+Linux高性能软件平台开发的IEC61850规约转换器的设计与实现，可以进行传统设备通信规约（IEC60870-5-103、Modbus等）和IEC61850通信规约间的转换。

2、硬件设计

IEC61850规约转换器硬件整体框架设计如图1所示。CPU选用TI的 ARM Cortex-A8框架 AM335x芯片，主频达800MHz，主RAM存储器选用16位4Gbit的DDR3 SDRAM，非易失性存储器选用8位4Gbit的NAND FLASH。通信接口设计网口、串口、光口。

2.1电源管理电路设计

AM335X和DDR3电源有多个电源域，上电时序复杂。本设计对电源域进行了有效的合并精减，将VDDS_PLL_MPU、VDDS_SRAM_MPU_BB、VDDS_SRAM_CORE_BG、VDDA1P8V_USB0、VDDA1P8V_USB1、VDDS_PLL_DDR、VDDA_ADC、VDDS_PLL_CORE_LCD和VDDS_OSC合并为1.8V，将VDDSHV1、VDDSHV2、VDDSHV3、VDDSHV4、VDDSHV5和VDDSHV6合并为3.3V，保留RTC电源、CORE电源、MPU电源、DDR电源、1.8V和3.3V共六个电源域。专用电源管理芯片价格高、控制复杂，采用分立元件实现上电时序，既用RC延时加带使能控制端电源芯片RT8059的方式实现各个电源域上电时序。

  图2：DDR、1.8V和3.3V电源设计

     图3 CORE和MPU电源原理图

2.2 千兆网口设计

AM335X中集成两路千兆以太网MAC，选用两片千兆PHY芯片AR8031实现两路BAST 10/100/1000M自适应网口，PHY核电源采用1.1V，VDDIO采用2.5V。一路PHY地址4，另一路通过将RGM_RXD0上拉设置地址5。采用集成隔离变换器的千兆RJ45接口HY911130AE。

                                                            图4 AR8031电原理图

3、软件设计

软件整体框架设计如图2所示。设计难点主要为IEC61850通信协议栈的实现、IEC61850逻辑模型的构造和解析及传统设备逻辑模型的构造。

                                                                  图5 软件整体架构

3.1 IEC61850通信协议栈设计

IEC61850对IEC9506制造报文规范（MMS）应用于变电站自动化系统时采用的通信栈使用MMS+TCP/IP+以太网的方式，使用MS、OSI的表示层和会话层以及运行在TCP/IP协议之上的抽象通信服务元素（ACSE）。IEC61850协议栈的映射图及服务器和客户端的对等通信关系如图6所示。

                              图6 IEC61850协议栈的映射图及服务器和客户端的对等通信关系

表1整理了基于TCP/IP的IEC68150 MMS通信协议映射关系，按照IEC68150自上而下通信协议的层次关系，在软件设计中实现的协议内容包括：制造报文规范（ISO/IEC9506.1 9506.2）；关联控制服务元素（ISO/IEC 8649/8650）；面向连接的表示层协议（ISO/IEC8822/8823）；抽象语法表示（ISO/IEC8824/8825）；面向连接的会话层协议（ISO/IEC8326/8327）；在TCP之上进行ISO传输协议（RFC1006含面向连接的传输协议：ISO8073/8072）；TCP/IP协议族（由Linux操作系统提供支持）。

                                   表1 基于TCP/IP的IEC68150 MMS通信协议映射关系

3.2 IEC61850逻辑模型的构造和解析

IEC61850逻辑模型的数据结构具有明显层次嵌套的特征，具有Server、LD、LN、DO、DA多个层次，DA的类型可以是各种基本数据类型，如整型、字符串等，还可以是结构类的复杂类型，能嵌套包含多层的DA。分析各数据结构层次及连接关系在程序中构成多个多向数据链表，构成以Server为入口的网状数据结构（图7）。

用 DOM 方式在内存里生成树形结构实现IEC61850逻辑模型解析。读取装置能力描述（ICD）文件，根据路径/SCL/IED/AccessPoint/Server/LDevice遍历DOM树的节点，先查找出所有的逻辑设备，再查找出各逻辑设备下的所有逻辑节点及其数据、数据属性。通过解析DOM树最后生成逻辑模型结构。

                                                   图7 IEC61850逻辑模型数据结构图

3.3传统设备逻辑模型的构造

对比传统设备通信数据特征，参考IEC61850逻辑模型的数据结构层次关系对传统设备逻辑模型进行层次划分，将传统设备端口映射到Server，设备号映射到LD，遥测、遥信、遥调、遥控等功能映射到LN，各功能下的数据节点映射到DO，生成多向动态数据链表，传统设备逻辑模型的构造上与IEC61850逻辑模型的构造进行了统一，此种逻辑模型构造方式在简化设计的同时能保证用最小的改动实现不同传统设备逻辑模型的重构。

4、测试

选取自动跟踪消弧补偿及选线装置进行规约转换功能测试，消弧控制器串口接规约转换器RS485串口，上位机网口接规约转换器网口，上位机打开IEC61850客户端软件，输入规约转换器IP能建立关联、读取逻辑模型、读取缓存和非缓存报告、实现遥控功能。图8为客户端解析出的IEC61850逻辑模型。

                                                      图8 客户端IEC61850逻辑模型解析

5、总结

本文介绍了一种基于AM335X的IEC61850规约转换器设计与实现，详细介绍了硬件软件关键部分的设计方法，电源管理电路采用分立元件设计，简洁经济；统一的逻辑模型构建及解析方法实用、清晰；经测试结果验证，实现规约转换功能；此高性能的经济实用型IEC61850规约转换器具备较高的推广价值。

【参考文献】

[1]Communication networks and systems in substations:IEC 61850[S].

[2]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]弓雷.ARM嵌入式Linux系统开发详解[M].北京:清华大学出版社,2014.

[4]林知明,扬丰萍,余瑛.IEC61850到MMS映射分析及实现[J].继电器,2007(2):64-67.

作者简介：

董会然（1986-），女，硕士，工程师，从事电力电子及配电网智能装置开发工作。

董锁英（1975-），男，从事配电网智能装置研究开发工作。

顼军娜（1980-），女，工程师，从事配电网智能装置开发工作。

朱东涛（1984-），男，工程师，从事配电网智能装置开发工作。

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编辑：中国电源产业网