基于EPON的變電站間隔用智能采集控制終端

隨著我國電力建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，智能變電站在我國得到了快速發(fā)展。現(xiàn)階段，國內(nèi)智能變電站主要采用工業(yè)以太網(wǎng)電交換機(jī)或光纖交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行過程層通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)。采用工業(yè)以太網(wǎng)電交換機(jī)時(shí)報(bào)文傳輸?shù)臅r(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)較大，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能一般，而且采用光纖交換機(jī)的光網(wǎng)絡(luò)方案時(shí)，必須使用大量的光器件，在實(shí)際應(yīng)用中帶來了很高的成本要求。本文主要針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)研究基于EPON的變電站間隔用的智能采集控制終端，實(shí)現(xiàn)智能變電站更靈活和開放的擴(kuò)展性需求，滿足同步采樣和低延時(shí)傳輸?shù)囊蟆?/p>

【關(guān)鍵詞】智能變電站 EPON過程層

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要支撐，是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的基礎(chǔ)。而網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)又是智能變電站的核心技術(shù)之一，目前智能變電站多采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)或光纖交換機(jī)進(jìn)行過程層通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)。采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)主要問題是時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)比較大，實(shí)時(shí)性能一般，采用光纖交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)除了時(shí)延的問題外，還有需要大量的光器件，造成很高的成本需求。另外，采樣同步性能也直接影響著整個(gè)智能變電站的穩(wěn)定性和可靠性。

本文在分析智能變電站過程層通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合EPON技術(shù)的原理，提出基于EPON的智能變電站間隔用的智能采集控制終端，在減少智能變電站通信系統(tǒng)造價(jià)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)同步采樣和傳輸，以此滿足采樣值報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和準(zhǔn)確性要求。

EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)），是基于以太網(wǎng)的PON技術(shù)。它采用點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)、無源光纖傳輸，在以太網(wǎng)之上提供多種業(yè)務(wù)。一個(gè)典型的EPON系統(tǒng)由OLT、ONU、POS組成。OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）放在中心機(jī)房，ONU（Optical Network Unit，光網(wǎng)絡(luò)單元）放在用戶設(shè)備端附近或與其合為一體。POS（Passive Optical Splitter，無源分光器）是無源光纖分路器，是一個(gè)連接OLT和ONU的無源設(shè)備，它的功能是分發(fā)下行數(shù)據(jù)，并集中上行數(shù)據(jù)。EPON中使用單芯光纖，在一根芯上傳送上下行兩個(gè)波（上行波長：1310nm，下行波長：1490nm）。

OLT周期性的廣播允許接入的注冊(cè)信息。ONU根據(jù)OLT廣播的允許接入的信息，發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求，OLT通過對(duì)ONU的認(rèn)證，允許ONU接入，并給請(qǐng)求注冊(cè)的ONU分配一個(gè)唯一的邏輯鏈路標(biāo)識(shí)（LLID）。數(shù)據(jù)從OLT到多個(gè)ONU以廣播方式下行，對(duì)于上行，采用時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)分時(shí)隙給ONU傳輸上行流量，ONU根據(jù)OLT分配的傳輸帶寬上傳數(shù)據(jù)。

1 智能采集控制終端方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)研究一種基于EPON的變電站間隔用的智能采集控制終端，包括核心CPU板、變送器板、數(shù)字采集板、顯示板和操作控制板。其中變送器板、數(shù)字采集板、顯示板和操作控制板均與核心CPU板通過總線進(jìn)行互聯(lián)?？紤]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兼容性，采用4U標(biāo)準(zhǔn)19機(jī)箱。

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.1 CPU板

CPU板包括主控制器（PowerPC8313）、從控制器（FPGA）、40路ADC轉(zhuǎn)換單元、并行輸入接口、串行數(shù)據(jù)接口、CAN總線收發(fā)器、CAN總線控制器、以太網(wǎng)物理層收發(fā)器、RJ45接口、串口總線收發(fā)模塊和無源光網(wǎng)絡(luò)PON接口。并行輸入接口、串行數(shù)據(jù)接口和無源光網(wǎng)絡(luò)PON口均與FPGA連接，CAN總線收發(fā)器連接CAN總線控制器，CAN總線控制器連接MPC8313，調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器連接MPC8313，F(xiàn)PGA通過PCI總線與MPC8313進(jìn)行配置信息和數(shù)據(jù)通信。

40路ADC轉(zhuǎn)換單元包括五個(gè)AD轉(zhuǎn)換模塊和40個(gè)模擬量輸入接口，所有AD轉(zhuǎn)換模塊均連接FPGA，每8個(gè)模擬量輸入接口連接一個(gè)AD轉(zhuǎn)換模塊。

FPGA主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文的收發(fā)和解析，同時(shí)完成模擬量、開入量采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的組包，是完成過程層通信的基礎(chǔ)。

MPC8313主要實(shí)現(xiàn)就地邏輯保護(hù)和對(duì)從控制器（FPGA）的配置，是保證通信正常、實(shí)現(xiàn)智能變電站就地保護(hù)的核心。

1.2 變送器板

變送器板包括數(shù)個(gè)電壓電流互感器，所有電壓電流互感器均與40路ADC轉(zhuǎn)換單元連接。

1.3 采集板

采集板包括數(shù)個(gè)8路數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器和數(shù)個(gè)光電耦合器，每一個(gè)8路數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器均設(shè)有8個(gè)數(shù)字輸入端，每一個(gè)所述數(shù)字輸入端均連接一個(gè)光電耦合器，所有8路數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器的輸出端均連接所述并行輸入接口。

1.4 操作控制板

操作控制板包括開關(guān)量輸出板、操作回路板、壓力閉鎖板等控制模塊，通過CAN總線與CPU板的主控制器（MPC8313）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2 智能采集控制終端軟件設(shè)計(jì)

智能采集控制終端軟件包括主控制器（MPC8313）軟件和從控制器（FPGA）軟件。

2.1 FPGA模塊設(shè)計(jì)

FPGA軟件由verilog 語言實(shí)現(xiàn)，其主要特點(diǎn)是并行實(shí)現(xiàn)各主要功能，包括數(shù)字量采集、模擬量采集和通信數(shù)據(jù)報(bào)文的收發(fā)，以及同步處理。

同步處理的目的是將不同終端在相同的采樣時(shí)刻進(jìn)行模擬電氣量采集，從而確保傳輸?shù)碾妷?電流在時(shí)序上保持一致。在不同終端之間，基于EPON通信，實(shí)現(xiàn)不依賴外部同步時(shí)鐘的時(shí)間同步技術(shù)，利用EPON系統(tǒng)中各個(gè)ONU終端基于統(tǒng)一的全局時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)對(duì)時(shí)同步，時(shí)間精度優(yōu)于100ns。

時(shí)間同步流程如圖2所示。

2.2 MPC8313模塊設(shè)計(jì)

（1）初始化各部分組件，包括硬件、內(nèi)存、中斷，以及配置FPGA和初始化信號(hào)采樣；

（2）接收由FPGA傳遞的采樣值數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算；

（3）由計(jì)算結(jié)果進(jìn)行故障判別；

（4）根據(jù)故障類型，通過CAN總線輸出操作控制數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄SOE。

具體程序流程和邏輯如圖3、圖4。

3 結(jié)語

本文介紹了基于EPON變電站間隔用智能采集控制終端的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，詳述了FPGA模塊和MPC8313模塊的的設(shè)計(jì)原理，并給出了原理框圖和流程圖。該方案已應(yīng)用于繼電保護(hù)裝置中，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況良好。

參考文獻(xiàn)

[1]Communication Networks and Systems in Substations Part 9-1：Specific Communication Service Mapping （SCSM）–Serial Unidirectional Multidrop Point to Point Link.

[2]Communication Networks and Systems in Substations For Part 9-2：Specific Communication Service Mapping （SCSM）–Process Bus.

[3]閻德升等編著.EPON-新一代寬帶光接入技術(shù)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.1.

[4]丁偉，何奔騰，王慧芳等.廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（01）：145-155.

[5]柯善文，劉曙光，何能等.關(guān)于變電站GOOSE報(bào)文傳輸?shù)难芯縖C].中國繼電保護(hù)應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)，2007.

[6]高翔，張沛超.數(shù)字化變電站的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（23）：67-71

[7]沈羽綸，何巖，楊柳.EPON中的多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）的研究[J].光通信研究2003（06）：5-8.

[8]田云杰，程良倫，羅晟.基于IEC61850 的嵌入式合并單元的研究[J].繼電器，2007，35（10）：52-55.

作者簡(jiǎn)介

胡凡君（1983-），男。現(xiàn)為云南電網(wǎng)麗江供電局工程師。主要研究方向?yàn)檩斪冸娫O(shè)備運(yùn)行技術(shù)、配電技術(shù)。

章祥（1987-），男。現(xiàn)為云南電網(wǎng)麗江供電局工程師。主要研究方向?yàn)樽冸娬咀詣?dòng)化運(yùn)維與管理。

黃新（1984-），男?，F(xiàn)為云南電網(wǎng)麗江供電局工程師。主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)。

劉柱揆（1974-），男?，F(xiàn)為云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)、電能質(zhì)量。

曹敏（1961-），男?，F(xiàn)為云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師，云南省云嶺產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才。主要研究方向?yàn)殡娔苡?jì)量和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究。

作者單位

1.云南電網(wǎng)麗江供電局 云南省麗江市 674100

2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 云南省昆明市 650217