基于F28M35X的數(shù)字化電能表的設(shè)計(jì)

龔 丹，祝宇楠，田正其，周 超，劉 建

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，南京 210019; 2.國家電網(wǎng)公司 電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019)

基于F28M35X的數(shù)字化電能表的設(shè)計(jì)

龔 丹1,2，祝宇楠1,2，田正其1,2，周 超1,2，劉 建1,2

(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，南京 210019; 2.國家電網(wǎng)公司 電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210019)

根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一款基于F28M35X雙核CPU為核心，結(jié)合光纖采樣模塊接口、PHY芯片等硬件組成的數(shù)字化電能表；F28M35X芯片將TI的具有同類領(lǐng)先性能的C28x內(nèi)核的DSP及控制外設(shè)與ARMCortex-M3內(nèi)核及連接外設(shè)組合起來，以提供一種分區(qū)明確的架構(gòu)，可在單個(gè)具有成本效益的器件中支持實(shí)時(shí)控制和高級(jí)連接，芯片的DSP內(nèi)核的速度能達(dá)到150MHz，ARM內(nèi)核的速度達(dá)到100MHz,擁有EMAC接口、串口、SPI接口等各種數(shù)字化電表所需的外設(shè)；能夠滿足數(shù)字化電能表需要的各種記錄以及數(shù)字信號(hào)計(jì)算的需求；同時(shí)闡述了主要功能模塊的硬件設(shè)計(jì)以及原理，給出了雙核芯片兩個(gè)軟件設(shè)計(jì)以及計(jì)量算法的主要流程，并對(duì)電能表進(jìn)行基本誤差測(cè)試，結(jié)果表明本設(shè)計(jì)正確可靠，具有一定實(shí)用價(jià)值。

F28M35X；IEC61850；數(shù)字化電表；電子式互感器

0 引言

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是全世界唯一的變電站網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)從根本上解決了變電站設(shè)備間通信速度慢，可靠性低和接口通用性差等一系列詬病，它為數(shù)字化變電站的實(shí)施提供了理論依據(jù)。基于IEC61850的數(shù)字化電能表是一種特殊的數(shù)字化電能表，它將自身的通信接口規(guī)范于數(shù)字化變電站通信協(xié)議(IEC61850)這個(gè)框架之下，使之具有數(shù)字化變電站中智能設(shè)備的一切特性，對(duì)變電站中的一切電氣設(shè)備進(jìn)行功能分層和模型抽象，應(yīng)用面向?qū)ο蟮淖晕颐枋黾夹g(shù)，完全徹底地實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互操作[1]。隨著數(shù)字化變電站通信技術(shù)的全面推廣，基于IEC61850的數(shù)字化多功能電能表將得到全面的應(yīng)用。

本文以一個(gè)DSP+ARM的雙核CPU為核心，結(jié)合光纖采樣接口、PHY芯片等硬件設(shè)計(jì)了一款符合IEC61850的數(shù)字化電能表。

1 F28M35X芯片特點(diǎn)

F28M35X芯片是由TI公司推出的新型 Concerto32位微控制器，該芯片將 TI 的具有同類領(lǐng)先性能的 C28x內(nèi)核的DSP及控制外設(shè)與 ARM Cortex-M3內(nèi)核及連接外設(shè)組合起來，以提供一種分區(qū)明確的架構(gòu)，可在單個(gè)具有成本效益的器件中支持實(shí)時(shí)控制和高級(jí)連接，芯片的DSP內(nèi)核的速度能達(dá)到150 MHz，ARM內(nèi)核的速度達(dá)到100 MHz,擁有EMAC接口、串口、SPI接口等各種數(shù)字化電表所需的外設(shè)[3]。能夠滿足數(shù)字化電能表需要的各種記錄以及數(shù)字信號(hào)計(jì)算的需求，設(shè)計(jì)相對(duì)比較方便。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

數(shù)字化電能表與傳統(tǒng)的多功能智能電表相比，主要的區(qū)別是數(shù)字化電能表的采樣不是傳統(tǒng)的通過AD采樣，而是通過光纖發(fā)過來的IEC61850-9-2結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)幀提取有關(guān)的電壓電流采樣值的數(shù)字信號(hào)，通過DSP自己運(yùn)算得出相關(guān)的電量、功率、電壓、電流等值。由于F28M35X是雙核芯片，因此本電表的整體設(shè)計(jì)是Cortex-M3內(nèi)核部分處理通訊以及數(shù)據(jù)管理的工作，C28x內(nèi)核處理電能計(jì)量部分的工作，在本方案中只需要一個(gè)芯片就能完成數(shù)字化電能表的功能。整個(gè)電表的基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

在本文中，考慮到與傳統(tǒng)電能表的不同，硬件部分的設(shè)計(jì)分成光纖以太網(wǎng)收發(fā)器電路，PHY芯片的選型設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

3.1 光纖以太網(wǎng)收發(fā)器電路

在數(shù)字化電能表的實(shí)際應(yīng)用過程中，光纖的接口有兩種，分別是ST口和SC口。在本設(shè)計(jì)中，硬件設(shè)計(jì)為兩種接口通用，可以根據(jù)客戶的實(shí)際需要進(jìn)行配置，光纖以太網(wǎng)收發(fā)器電路中收發(fā)器芯片ST口選用的是Agilent公司的AFBR-5803ATZ，SC口選用的是E-TR-3L01310SCA4，由該芯片組成的光纖以太網(wǎng)收發(fā)電路如圖3所示。它完成了將光信號(hào)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能以及轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)接口電路中去。

在光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)設(shè)計(jì)中，為了確保光纖通信的速率及抗干擾能力，線路的阻抗以及合適的線寬是兩個(gè)非常重要的參數(shù)，在本設(shè)計(jì)中選用的是100 M光纖，在光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，線路的匹配阻抗要求為100Ω(±1Ω)，線路的匹配阻抗和PCB基板的材料、厚度、銅箔的厚度、線寬、線間距相關(guān)，PCB板電氣線路設(shè)計(jì)如圖2所示，阻抗和上述參數(shù)的關(guān)系如式(1)：

(1)

式中,H1為采用的PCB基板的厚度；Er1為采用的PCB；基板的介電常數(shù)； W1、W2為設(shè)計(jì)的差分線的線寬；S1為設(shè)計(jì)兩個(gè)差分線間距(m)；T1差分線在PCB基板上銅箔的厚度。

圖2 PCB板電氣線路設(shè)計(jì)圖

根據(jù)我們PCB設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，我們選用PCB板基板的厚度為 1.6 mm，介電常數(shù)為 4.2，線寬0.22 mm，線間距 0.18 mm，銅厚 0.05 mm，計(jì)算結(jié)果R=100.72 Ω。

由計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)滿足匹配電阻的要求，在最后的產(chǎn)品測(cè)試中，光纖收發(fā)的抗干擾能力及速率全部滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 以太網(wǎng)接口電路選型設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)接口電路采用的芯片是TI公司支持IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的DP83640物理層芯片。DP83640通過串行控制接口與上層介質(zhì)訪問控制層(MAC)進(jìn)行通信。串行控制接口由管理數(shù)據(jù)時(shí)鐘(MDC，management data clock)與管理數(shù)據(jù)輸入輸出(MDIO)組成。通過簡化媒體獨(dú)立接口(RMII)得到的輸出數(shù)據(jù)TX RMII經(jīng)DP83640的物理層發(fā)送模塊輸出為TD+/-，而輸入數(shù)據(jù)RD+/-經(jīng)DP83640的物理層接收模塊后發(fā)送到RMII接口上成為RX RMII數(shù)據(jù)[2]。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)數(shù)字化電能表所含的信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路已移至電子式互感器中，基于IEC61850的數(shù)字化電能表測(cè)量誤差的主要來源為測(cè)量計(jì)量算法的精度[4]。

系統(tǒng)的軟件由DSP和ARM兩個(gè)部分組成，兩部軟件需要互相協(xié)調(diào)，兩部分軟件通過IPC函數(shù)以及共享RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。ARM部分作為主處理器主要負(fù)責(zé)通訊，顯示，存儲(chǔ)等功能，而DSP部分的主要任務(wù)是對(duì)RAM部分傳過來的采樣值進(jìn)行計(jì)算，在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候開辟兩個(gè)共享RAM區(qū)域，一個(gè)是只能ARM內(nèi)核進(jìn)行寫操作，另一個(gè)是只能DSP內(nèi)核進(jìn)行寫操作。

圖3 光纖以太網(wǎng)收發(fā)器電路

4.1 ARM部分軟件設(shè)計(jì)

ARM部分的軟件功能設(shè)計(jì)是：通過EMAC接口接收光纖發(fā)送過來的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，按照61850-9-2格式進(jìn)行解析，解析完成后把符合要求的電壓、電流的采樣值放入共享RAM中，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)丟幀時(shí)，通過正弦曲線的的修正方法進(jìn)行修正[5]，通過發(fā)送IPC中斷命令通知C28核來取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)需要通信以及顯示的時(shí)候，把DSP計(jì)算好的那些放在DSP寫操作的共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)取出，發(fā)送給顯示、通信、存儲(chǔ)模塊，ARM部分軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 ARM軟件設(shè)計(jì)流程

4.2 DSP部分軟件設(shè)計(jì)

DSP部分的軟件設(shè)計(jì)主要是接收ARM部分發(fā)送過來的IPC中斷函數(shù)，當(dāng)有IPC中斷的時(shí)候，去從共享RAM中把數(shù)據(jù)取出，對(duì)電壓、電流的采樣值進(jìn)行判斷，是否符合要求，并且進(jìn)行數(shù)字濾波。接下來對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括電壓值的累計(jì)，電流值的累加，有功功率的累加，無功功率的累加，其中無功功率的累加采樣的是IIR型希爾伯特?cái)?shù)字濾波器對(duì)電壓、電流進(jìn)行90°的移相，能滿足在整個(gè)頻率帶上電壓、電流都移相了90°。當(dāng)判讀到前后兩次電壓采樣數(shù)據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)過零的時(shí)候，置過零標(biāo)志，對(duì)有效值進(jìn)行計(jì)算。另外需要處理的是能量累加，累加完以后對(duì)電量進(jìn)行處理，當(dāng)有功能量累計(jì)滿一個(gè)脈沖的時(shí)候，有功脈沖IO口發(fā)出信號(hào)，同時(shí)累計(jì)的電量減去一個(gè)脈沖的能量，同樣的方法處理無功電能的計(jì)算，軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 DSP軟件設(shè)計(jì)流程

5 測(cè)試結(jié)果

通過專業(yè)的數(shù)字電表的校表臺(tái)體，電壓規(guī)格為3*57.7/100 V,電流1.5～6 A，常數(shù)20000，本方案設(shè)計(jì)的數(shù)字化電能表的有無功誤差測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 有功誤差

表2 無功誤差

根據(jù)上表的測(cè)試結(jié)果，本方案設(shè)計(jì)的數(shù)字化電能表精度滿足0.2 s級(jí)的要求

6 結(jié)語

本方案所設(shè)計(jì)的數(shù)字化電能表，滿足一個(gè)芯片能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電能表的要求，設(shè)計(jì)比較簡單，經(jīng)過各種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種測(cè)試，功能滿足61850數(shù)字化電能表要求，性能安全可靠，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求。

[1] 胡小波. 基于IEC61850的數(shù)字化多功能電能表的研究[D].東營：中國石油大學(xué)，2010.

[2] 王 康，胡永輝，何在民.基于DP83640硬件輔助的lEEE1588研究及實(shí)現(xiàn)[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，2011，34(1)：1-8．

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[4] 章堅(jiān)民,蔣世挺，金乃正,等.基于 IEC61850的變電站電能量采集終端的建模與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010,31(11):67-71．

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Design of Digital Input Electricity Meter Based on F28M35X

Gong Dan1,2, Zhu Yunan1,2, Tian Zhengqi1,2, Zhou Chao1,2, Liu Jian1,2

(1.State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 210019,China;2.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering, Nanjing 210019,China )

According to IEC61850 standard, a digital input electricity meter using the dual-core CPU F28M35X as the core, the optical sampling module interface, and PHY chip is designed. F28M35X puts together the DSP with industry-leading core with its control peripheral circuit, as well as the ARM Cortex-M3 core with its peripheral circuit, to provide an explicit frame, which can support real time control and advanced connection with cost-effective devices. The speed of the DSP core of the chip can reach 150MHz, and the one of the ARM core can be up to 100 MHz. It has EMAC interface, serial port, SPI interface and the other peripheral devices that digital input electricity meter needs. It can provide all kinds of records that digital input electricity meter needs and can satisfy the needs of the calculation of digital signals. The hardware design of the main functional modules and their principles are also introduced. The two software designs of the dual-core chip and the main procedure of the algorithm of measurement are also provided in this paper. A test of basic errors of the meter is given, which demonstrate that this design is correct, reliable, and practical.

F28M35X；IEC61850；digital input electricity meter；electronic instrument transformer

2016-07-04；

2016-08-10。

龔 丹(1979-)，男，江蘇南通人，高工，主要從事電力電子計(jì)量檢測(cè)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0228-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TM

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