基于FPGA的電子式互感器合并單元研制

徐宇寶，張曉東

（皖西學院 機電學院，安徽 六安 237012）

近年來，隨著電力設備電壓級別越來越高，電力系統(tǒng)的容量在不斷的加大，從而對電力運行的安全性和可靠性要求在不斷的提高.在電力事業(yè)的發(fā)展過程中，電流和電壓互感器主要是用來測量電氣量的設備和儀器，對電力系統(tǒng)的繼電保護和計量以及控制等具有較強的影響，能夠有效的促進電力系統(tǒng)的安全、可靠的運行.在以往的電流和電壓的測定方式上，主要是根據(jù)電磁感應式的電流互感器和電壓互感器進行測量的，其應用范圍比較廣.但是隨著電力事業(yè)的飛速發(fā)展，科學技術的不斷進步，傳統(tǒng)的電磁感應式互感器無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需求.相關人員對電子互感器進行深入的研究，直到基于FPGA的電子式互感器合并單元的產(chǎn)生，其具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、頻率響應寬、絕緣可靠等優(yōu)點[1].

1 電子式互感器的相關概念

隨著社會的不斷進步，在各個領域中均加大了對電量的需求，從而使得電力系統(tǒng)不斷朝著大容量和高級別的方向發(fā)展.現(xiàn)代的電力系統(tǒng)中大多數(shù)使用以往老式的電子互感器，這種互感器有較大的缺陷，例如絕緣性能不夠好、電磁干擾強、攻耗高等，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的要求.圖1中表示的是電子式互感器的結構，其中P1和P2指的是高壓側的信號輸入端，S1和S2表示低壓側的電壓模擬信號輸出端，數(shù)字輸出信號發(fā)送給電子式互感器的合并單元.

圖1 電子式互感器通用結構

1.1 電子式互感器的分類

根據(jù)傳感頭有無電源供電可以分為有源型和無源型電子式互感器兩大類.按照測量數(shù)據(jù)類型可以分為電子式電壓互感器和電子式電流互感器.

其一，有源型電子式電流互感器.這種電子式的互感器主要是在一次側運用羅氏線圈或者低功率的電磁式電流互感器技能型測量的，可以將測量得出的結果轉變成電壓信號，并通過相關設備將結果轉變成為數(shù)字信號，再次將數(shù)字信號轉變成為光信號，并將其傳送到相關設備中進行處理.

其二，無源型電子式電流互感器.這種的互感器主要是通過法拉第磁感效應的原理，在線偏振光經(jīng)過磁場中的磁光物質的時候，線偏振光的偏振面將會有所改變.另外，可以通過改變后的偏轉角測量得出被測電流量[2].

其三，有源型電子式電壓互感器.這種互感器主要是通過阻容分壓的相關知識，將阻容可以進行分壓處理，并將測量得出的結果通過計算得出高測壓的大小.

其四，無源型電子式電壓互感器.這種電子互感器主要是通過普克爾斯效應的原理，將線偏振光在磁場的作用下經(jīng)過普克爾斯晶體，從而導致線偏振光的折射率發(fā)生改變，入射光就會產(chǎn)生雙折射，晶體中的出射光就會變成兩條，就可以簡單的計算出被測電壓的大小.

1.2 電子式互感器的特征

電子式互感器的特征主要有：（1）體積小，重量輕.相同電壓等級的電子式互感器與電磁式互感器相比，在體積和重量方面要小的多.電子式電流互感器同時和同樣級別的電磁式互感器相比較，前者要比后者輕.因此，說明電子式互感器比較比較方便輸送，在實際施工或者安裝的過程中比較輕松.（2）其具有抵抗磁場干擾的效果和絕緣特性.之前的互感器在低壓側輸出口的地方不能斷開或者直接連接，會產(chǎn)生較大的電壓和電流，從而導致設備損害.然而電子式的互感器在高壓側和低壓側之間可以通過光纖就可以連接，其中光纖是比較好的絕緣體，因此，其抗干擾的性能較強[3].

2 合并單元的相關概念

合并單元的含義是對同一個變電站之間的電流和電壓，通過相關協(xié)議的要求進行輸送，在其中被視為電流和電壓的物理單元就是合并單元.其主要是數(shù)字化電子式互感器中的相關概念進行規(guī)定的.合并單元的結構功能如圖2所示.合并單元主要使用的是多路徑電流、電壓信息.相關標準要求并沒有規(guī)定合并單元必須要連接電流和電壓.

圖2 合并單元功能結構圖

另外，合并單元的功能主要有同步功能模塊、串行發(fā)送模塊和采集處理模塊三種.其中同步功能模塊首先需要接受GPS時鐘同時，還會發(fā)出相關的信息，對這種信息進行判斷和確認，確認后，合并單元需要向各個類型的互感器發(fā)送這種信息.其中串行發(fā)送模塊需要將何種采集到的數(shù)據(jù)進行組幀處理，之后再將其輸送到測控當中.其通信接口是以太網(wǎng)進行連接的，速度在一百兆每秒以上，其應用范圍比較廣[4].數(shù)據(jù)采集和處理模塊主要功能是和電子式互感器相連接，當合并單元在給各路電子式互感器發(fā)送同步轉換信號的時候，電子互感器可以將改變之后的信息傳送到合并單元當中，并通過數(shù)據(jù)采集和處理的設備對這些信息進行檢測，數(shù)據(jù)正確后通過排序傳輸給串行發(fā)送模塊.

3 基于FPGA的電子式互感器合并單元軟件設計

3.1 基于FPGA的電子式互感器合并單元的系統(tǒng)初始化

基于FPGA的電子式互感器合并單元正常工作的前提條件是具備系統(tǒng)初始化的程序，也是應用程序正常運行的基礎.在系統(tǒng)的初始化程序當中需要進行定時器、時鐘等相關項目進行初始化工作，在進行這些工作的時候，還需要對液晶信號進行初始化，在必要的時候也需要對網(wǎng)卡進行初始化，從而有效的完成整個系統(tǒng)中的初始化工作[5].

3.2 同步脈沖

基于FPGA的電子式互感器合并單元需要具備檢測同步信號1合理性的特點，當相鄰脈沖上升到實踐間隔為1s的時候，就可以判斷同步信號1輸入的時候發(fā)生異常的現(xiàn)象；當脈沖寬度超過了10μs的時候，脈沖間隔隨之就會加大，甚至超過500ms.當測量的脈沖在10μs以下，脈沖間隔就會隨之變小，其范圍會在500m以內.這時就可以認為同步信號1輸入異常.當合并單元在準確接收到同步信號1的時候發(fā)生中斷現(xiàn)象，就需要向高壓側數(shù)據(jù)采集器的各路A/D發(fā)送同步信號2，高壓側的各種數(shù)據(jù)采集器在確認收到同步信號2的時候，才可以向河中轉換器發(fā)送采樣的指令，這樣一來，可以有效的避免干擾脈沖對同步采樣的負面影響.如果在確認1號信息的時候，1號信息通常由于受到各種因素的影響，而導致信號的失蹤或者信號受到干擾等，這時候合并單元就會向其他設備中的數(shù)據(jù)采集器發(fā)送1號信息丟失或者干擾的指令，對同步信號1進行實時跟蹤.當信號1恢復正常就應及時發(fā)送信號標志.

3.3 數(shù)據(jù)幀發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)幀發(fā)送模塊是合并單元軟件設計中的重要組成部分，其主要分為兩個子模塊，分別為采樣數(shù)據(jù)控制模塊和網(wǎng)絡驅動模塊.其中前者主要是針對上一模塊處理之后的采樣數(shù)據(jù)進行相關的處理后，通過各種方式使得多種應用服務數(shù)據(jù)單元合并成為一個系統(tǒng)的、有效的整體，并通過基本的編碼程序進行編碼，并將各種數(shù)據(jù)的做好標識，并將其中的長度和數(shù)值的格式進行編碼.當編碼完成后就需要將數(shù)據(jù)單元按照相應的數(shù)據(jù)幀進行打包處理，從而將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上.另外，網(wǎng)絡驅動模塊主要功能是驅動以太網(wǎng)通訊控制芯片，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送到以太網(wǎng)上.驅動操作主要是通過verilogHDL語言的有限元狀態(tài)機對LAN92巧進行寄存器操作[6].

4 基于FPGA的電子式互感器合并單元的硬件設計

4.1 基于FPGA的電子式互感器合并單元的整體硬件設計

本文主要是以SOPC類型可編程片上系統(tǒng)的思想為前提基礎，通過使用某種開發(fā)工具完成硬件系統(tǒng)的設計.其中硬件的設計需要符合相關的硬件描述語言開發(fā)流程和相關規(guī)則，同時還需要按照硬件系統(tǒng)中需求的性能和作用適當?shù)氖褂肐P，在嵌入NIOS II核的EP2C8Q208C8中必須要成功的實現(xiàn)合并單元中的各種功能要求，并根據(jù)系統(tǒng)中的各種要求和規(guī)定，將現(xiàn)代的先進技術引進到接口中，從而使得硬件的設計可以進行相關的分類研究，可以將其分為信息的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的傳送、SPI數(shù)據(jù)結構接受等幾個方面的內容.合并單元的硬件整體結構如圖3所示.

圖3 合并單元的硬件整體結構圖

4.2 數(shù)據(jù)輸出接口的硬件設計

本文主要是基于IEC61850的通訊要求，對數(shù)據(jù)的輸出接口進行相關的設計研究，在設計的號死后選擇使用網(wǎng)卡接口芯片來完成數(shù)據(jù)傳輸和以太網(wǎng)的連接工作.首先，CS8900A的特點和工作原理.CS8900A是一種高集成度的以太網(wǎng)控制器，其主要特點有：（1）符合以太網(wǎng)的標準，并帶有ISA接口.（2）比較適合運用在I/O操作模式中，主要有存儲器和DMA這兩中操作模式.（3）支持各種接口，可以自行進行檢驗和相關的處理工作.（4）其最大的電流消耗為55mA.在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的過程中需要添加以太網(wǎng)幀頭，自動生成CRC的校驗碼后，將這個數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上，并進行解碼，消除幀頭和地址后將其緩存在片內.其次，數(shù)據(jù)輸出的電路設計.CS8900A系統(tǒng)的默認模式為I/O模式，在嵌入式的系統(tǒng)中應用范圍比較大[7].CS8900A系統(tǒng)通過了八位和十六位的數(shù)據(jù)寬度，本文采用的是十六位的數(shù)據(jù)寬度，具有十六根數(shù)據(jù)線，三根地質總線.

5 總結

通過對電子式互感器和合并單元的相關概念進行分析研究，電子式互感器具有較高的安全性，在未來的互感器發(fā)展中將會發(fā)揮出更大的優(yōu)勢.本文從基于FPGA的電子式互感器合并單元的軟件設計和硬件設計兩個方面進行探討，闡述了實現(xiàn)合并單元功能的措施和方法.電子式互感器是一種高科技產(chǎn)品，目前電子式互感器還處于初步發(fā)展階段，還需要通過相關研究者的不斷研究和改進，使得電子式互感器合并單元更加適應現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的發(fā)展.

〔1〕賀元康，姜山軍，鄭州琪，等.淺談高阻抗變壓器相間短路后備保護靈敏度的提高方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(03)：1617-1711.

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〔4〕董建樹，黃曉水，楊歡娥.基于DSP和光纖通訊的電流采樣和處理系統(tǒng)研究分析[J].華中科技大學學報，2011，28（05）：1157-1158.

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〔6〕徐雁霞，葉妙元，張慶國，等.分析研究光電互感器的應用和接口問題 [J].電力系統(tǒng)自動化，2011，25（24）：145-148.

〔7〕錢政學，丁慶生，顧黃霞，等.淺析有源電子式電流互感器中高壓側電路的供能方法[J].高壓電器科學，2012，40（02）：1235-1238.