一種新型合并單元的設(shè)計(jì)與研究

湯曉暉　蘇譯

摘 要：在廣東電網(wǎng)，數(shù)字化變電站技術(shù)已得到了逐步應(yīng)用，數(shù)字化變電站應(yīng)用數(shù)量逐漸增多。考慮到變電站數(shù)據(jù)量大，且需要對(duì)時(shí)準(zhǔn)確等要求，其數(shù)字化接口作用的合并單元十分重要。文章針對(duì)合并單元實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)通信速度快等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型合并單元，該單元由FPGA與ARM組成，具有同時(shí)處理多任務(wù)、通信速率快等特點(diǎn)，適用于新型數(shù)字化變電站。

關(guān)鍵詞：新型數(shù)字變電站；數(shù)據(jù)通信；CT回路

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0109-02

Abstract： In Guangdong Power Grid， digital substation technology has been gradually applied， the number of digital substation applications is gradually increasing. Considering the large amount of data in substation and the requirement of timing and accuracy， it is very important to combine the function of digital interface. In this paper， a new merging unit is designed， which is composed of FPGA and ARM， and has the characteristics of multi-task processing and fast communication rate. It is suitable for new digital substation.

Keywords： new digital substation； data communication； CT loop

1 概述

在中山三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站中，數(shù)字化保護(hù)設(shè)備和智能終端得到了全面應(yīng)用。數(shù)字化變電站優(yōu)勢(shì)明顯，大大提高了供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，但其保護(hù)、測(cè)控信號(hào)均取自于合并器單元輸出數(shù)字信號(hào)，該單元需要及時(shí)處理海量變電站數(shù)據(jù)，且需多進(jìn)程同時(shí)處理，因此對(duì)該單元的設(shè)計(jì)與研究勢(shì)在必行。

2 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站分為3層：變電站層、間隔層、過程層。在基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的數(shù)字化變電站中，減少了大量的常規(guī)電纜使用，啟用了光纖通信介質(zhì)。改變了以往電力電纜連接的工作模式，取而代之使用光纖組網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)。變電站內(nèi)的電流電壓數(shù)據(jù)直接變位數(shù)字量數(shù)據(jù)，在光纖組網(wǎng)的變電站內(nèi)傳播，各個(gè)保護(hù)裝置通過發(fā)布訂閱機(jī)制，完成所需要的電流電壓量數(shù)據(jù)采集，供自身保護(hù)裝置判斷外部故障量，完成了各個(gè)保護(hù)裝置的電流電壓采集。在間隔層，通過智能終端負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)字化保護(hù)裝置傳送出來的命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的保護(hù)和開關(guān)分合閘控制，變電站內(nèi)各個(gè)間隔的互鎖及連鎖都是在間隔層就地實(shí)現(xiàn)的，間隔層設(shè)備通過專用光纖接口，采用簡(jiǎn)易人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)通信功能，并完成信號(hào)上送，出口回路實(shí)施等，是控制一次設(shè)備和完善間隔信息的重要設(shè)備。

合并單元主要作用于過程層和間隔層之間，合并單元能為裝置提供電源，通常合并單元的電源部件分為裝置自身的工作電源，CT回路的激光電源[1]。主要特點(diǎn)如下：

（1）采集從一次CT送過來的激光電源信號(hào)，采集光纖輸送過來的兩路母線電壓數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部進(jìn)行高精度DSP采樣，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，數(shù)字化變電站中直接采用一次值數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算，處理后按照用戶既定的通信規(guī)約以光信號(hào)形式通過光纖OUT口發(fā)布輸出，供其他裝置訂閱使用。

（2）在PT合并器，通過光纖IN接口接收來自PT一次設(shè)備輸送的光纖數(shù)字量，通過IN口進(jìn)入裝置，被高精度采樣，應(yīng)用于裝置運(yùn)算。PT合并器同時(shí)接收兩端母線電壓數(shù)據(jù)，按照用戶組網(wǎng)模式，以網(wǎng)絡(luò)形式或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式進(jìn)行電壓量數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)對(duì)應(yīng)刀閘位置狀態(tài)進(jìn)行PT切換或并列功能。

（3）一次CT的能量供給形式，采用合并器自身工作后，經(jīng)激光電源插件模塊提供CT采集卡工作用能源，實(shí)現(xiàn)光電式電流互感器采集卡正常采集數(shù)據(jù)與正常工作；裝置通過自身CPU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本裝置運(yùn)行情況，發(fā)生異常時(shí)能及時(shí)告警，提供硬接點(diǎn)告警輸出空節(jié)點(diǎn)6對(duì)。

（4）裝置本身具有自檢糾錯(cuò)功能，異常信息告警及人機(jī)界面維護(hù)功能；裝置可通過前置串口進(jìn)行維護(hù)，利用維護(hù)軟件，通過此接口及配套軟件，實(shí)施配置及參數(shù)維護(hù)、數(shù)據(jù)下裝等功能，滿足靈活配置的需求。

（5）IEC 61850協(xié)議GOOSE服務(wù)。

3 合并單元設(shè)計(jì)

合并單元主要功能在于同時(shí)接收多達(dá)12路信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)送過來的數(shù)字信號(hào)，且高壓側(cè)由于低功耗設(shè)計(jì)采用的是串行傳輸，所以該模塊需要處理的信號(hào)多、信號(hào)量大，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求也高，對(duì)外連接的端口也很多，這種情況下采用通用的單片機(jī)和DSP就難以在較短的時(shí)間內(nèi)完成這些任務(wù)，也難以提供如此多的I/O端口與外部連接。配置足夠數(shù)量的I/O接口，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的強(qiáng)處理模式，利用串行數(shù)據(jù)總線及多任務(wù)工作模式，接收并處理各項(xiàng)進(jìn)程及數(shù)據(jù)流，通過數(shù)據(jù)分發(fā)來實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算與數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，其主要硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

合并單元選用ARM作為合并單元的主控制CPU，完成模塊中全部的控制及人機(jī)接口任務(wù)。FPGA作為模塊單元的數(shù)據(jù)處理芯片，實(shí)現(xiàn)的功能模塊有：數(shù)據(jù)同步接收模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)通信模塊中FT3發(fā)送功能。

在設(shè)備計(jì)算用芯片挑選與選型上面，采用ATMEL公司的32位微控制器AT91RM9200，F(xiàn)PGA芯片選用Altera公司Cyclone II系列的EP2C20F256C8。

存儲(chǔ)器模塊由SDRAM、FLASH和EEPROM組成。本方案中，采用2片高速運(yùn)行的SDRAM芯片，在裝置內(nèi)部總線采用上下疊置結(jié)構(gòu)，組建成32bits的高速的數(shù)據(jù)總線，實(shí)現(xiàn)裝置程序代碼和全部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與進(jìn)入導(dǎo)出運(yùn)算。為了提高程序的運(yùn)行速度和AT91 RM9200流水線的命中率，系統(tǒng)初始化完畢后，所有程序代碼都被拷貝到SDRAM中運(yùn)行；其中一片F(xiàn)LASH，用于存放嵌入式操作代碼，同時(shí)可用于固化應(yīng)用程序；另外一片用于存放各類告警信息和相關(guān)日志文件信息，例如事件動(dòng)作記錄、電流電壓量錄波數(shù)據(jù)[2]。endprint

裝置配置有6路輸入，16路輸出功能接口可選用，其中6路采集器IN接口，其余可配置給各個(gè)合并器采集端口使用。采用目前比較穩(wěn)定的且適用較為多的HBFR-2412型光電接收模塊。數(shù)據(jù)輸出包括3路符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)光纖輸出。

其中同步發(fā)生器模塊主要通過對(duì)高精度時(shí)鐘晶振進(jìn)行分頻變換而得到符合要求的頻率，從而保證時(shí)鐘一致性。

合并單元主要為背插式結(jié)構(gòu)，各插件通過內(nèi)部電源總線匯集同時(shí)使用同一電源系統(tǒng)，模板位置設(shè)計(jì)在裝置前面底部，背部插件數(shù)量和功能插件模型可由用戶自行定置與選用，功能配置靈活。該合并器實(shí)現(xiàn)了所有電流量、電壓量、鋒值、瞬時(shí)值快速打包傳輸，在電流電壓數(shù)據(jù)發(fā)生變化的瞬間，裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)總線通過打包，將所有相關(guān)數(shù)據(jù)值壓縮在同一路光纖中并行傳輸。

4 新型合并單元

為了實(shí)現(xiàn)在數(shù)字化變電站中，完成對(duì)數(shù)字化保護(hù)裝置、合并器、合并單元等智能設(shè)備的定檢工作，有必要研制組合一套新型合并器及校驗(yàn)系統(tǒng)，按照模塊化布局設(shè)計(jì)，通過4套裝置，完成整體系統(tǒng)搭建，4個(gè)模塊分別實(shí)現(xiàn)：模塊一負(fù)責(zé)電流采集與數(shù)字化信號(hào)量轉(zhuǎn)化；模塊二負(fù)責(zé)PT電壓數(shù)字化量轉(zhuǎn)化；模塊三負(fù)責(zé)ABC三相電流光纖輸出；模塊四負(fù)責(zé)裝置系統(tǒng)電源供電等回路；通過四模塊組合的新型合并器系統(tǒng)組件，可模擬各類合并器功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)合并器校驗(yàn)工作和對(duì)數(shù)字化保護(hù)裝置的校驗(yàn)工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章設(shè)計(jì)研究了一種新型的合并單元，具有并行多任務(wù)處理功能和高可靠性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，給出了一種利用ARM、FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)合并單元的新方法，該方法充分利用了FPGA中I/O端口多，具有可編程定義與硬件執(zhí)行速度快等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)效性和科研價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝秋金.電子式互感器合并單元設(shè)計(jì)[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

[2]李家怡.電子式電流互感器合并單元的研究與設(shè)計(jì)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

[3]張樹東.淺析智能變電站合并單元的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（33）：161.

[4]梁威威，農(nóng)艷奎.110kV智能變電站PT合并單元配置情況分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（20）：139.

[5]韓友喜.常規(guī)互感器與合并單元的調(diào)試應(yīng)用技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（33）：1-5.endprint