合并單元的一種高效低成本實(shí)用設(shè)計(jì)方案

劉 春

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

1 引言

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站自動化系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)由上而下分為3個層次，即站控層、間隔層和過程層。IEC61850-9規(guī)定了過程層設(shè)備（電子式互感器）與間隔層設(shè)備（二次側(cè)）接口的重要組成部分—合并單元，其主要任務(wù)是對采集的12路電壓、電流信息按照規(guī)定的格式傳輸給二次保護(hù)、控制設(shè)備，除此之外，合并單元發(fā)送的報(bào)文中還包括一些標(biāo)志采樣值是否有效的狀態(tài)信息、同步信息和設(shè)備維護(hù)信息等。

本文針對合并單元提出了一種高效率、低成本的實(shí)現(xiàn)方法，給出了較詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)方案和部分軟件流程圖，并對合并單元傳輸采樣值傳輸規(guī)范是采用IEC61850-9-1還是9-2的問題進(jìn)行了初步的探討，為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。

2 合并單元的功能模型

合并單元的功能模型如圖1所示。

各模塊的功能描述如下：

（1）多路數(shù)據(jù)采集處理模塊

其主要任務(wù)是根據(jù)電站秒脈沖來控制采樣時刻， 然后將數(shù)據(jù)收集組幀。值得注意的是合并單元并不一定要承擔(dān)A/D的任務(wù)，有可能A/D采集在電子式互感器里面完成，再將V/F脈沖信號發(fā)送至送到合并單元，也可能是模擬信號直接與合并單元相連。總之連接的物理介質(zhì)和信號方式是不限定的。

圖1 合并單元的功能模型

（2）同步功能模塊

二次設(shè)備需要的電流和電壓信息必須是同一時間點(diǎn)上采得的，但這些信息可能來自不同的設(shè)備間隔。因此，同步模塊的功能包含兩個方面：一是使得站內(nèi)各個合并單元之間實(shí)現(xiàn)同步，二是使得連接在同一合并單元的互感器的采樣數(shù)據(jù)之間實(shí)現(xiàn)同步。合并單元的同步一般可以由 GPS按 1 秒鐘一次的頻率發(fā)出時鐘信號，同步所有合并單元的數(shù)據(jù)采集起始點(diǎn)。采樣數(shù)據(jù)的同步可以采用插值法或者同步脈沖法。插值計(jì)算是由二次設(shè)備完成的，根據(jù)互感器提供的若干個時間點(diǎn)上的采樣值，通過插值計(jì)算得到需要的時間點(diǎn)上的電壓或電流值，同步脈沖法則是使用統(tǒng)一的同步脈沖信號，電子式互感器在送出的采樣值中打上時標(biāo)，提供給二次設(shè)備。同步脈沖可以通過主時鐘獲得。實(shí)際應(yīng)用中可將兩種方案結(jié)合起來。

（3）同步源異常警告

同步源丟失是非常危險(xiǎn)的事情，這意味著各個合并單元收集到的數(shù)據(jù)將沒有統(tǒng)一時間標(biāo)準(zhǔn)，也就意味著相與相之間，變壓器出線與進(jìn)線之間相差會產(chǎn)生測量錯誤，保護(hù)設(shè)備將會發(fā)出保護(hù)指令跳閘，造成停電事故。因此，當(dāng)外部時鐘丟失時，必須要能夠警告二次保護(hù)設(shè)備，并且自身利用鎖相環(huán)保持A/D采樣時間間隔。

（4）串行發(fā)送模塊

其功能是采用 IEC61850-9描述的以太網(wǎng)接入方式， 使用同步脈沖得到時間連續(xù)的一次電流和電壓及抽樣信號，并將采集到的數(shù)據(jù)打上時間、邏輯節(jié)點(diǎn)名等標(biāo)簽后，按照IEC61850-9-1/2的規(guī)定格式進(jìn)入緩沖區(qū)，再按照ISO/IEC 8802.3協(xié)議規(guī)定的幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[1]。

3 硬件設(shè)計(jì)

合并單元的硬件包括同步模塊、模擬信號輸入隔離、前置信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、緩沖器、控制器、網(wǎng)絡(luò)模塊、100Base-Fx模塊等。在設(shè)計(jì)的時候，除了實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能和保障性能參數(shù)以外，還著重考慮了成本。合并單元硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 合并單元硬件結(jié)構(gòu)

其中信號輸入隔離主要是針對 IEC6100-4-4標(biāo)準(zhǔn)中對信號和控制端口施加電快速瞬變脈沖群、IEC6100-4-6中施加的射頻傳導(dǎo)共模調(diào)幅以及TC77中施加工頻共模干擾作出的安全保障，同時也能降低本設(shè)備對外界的干擾。

前置信號處理電路包括信號的直流偏置、放大、移相和濾波等環(huán)節(jié)，將隔離過來的信號處理成適合A/D轉(zhuǎn)換輸入的信號。

同步模塊由CPLD構(gòu)成，其主要功能是接收同步接口的同步脈沖，然后重新確定ADC觸發(fā)脈沖的起始位置。首先由網(wǎng)絡(luò)模塊將需要分頻的系數(shù)寫至裝載區(qū)，由計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步裝載，然后重開始計(jì)數(shù)，達(dá)到預(yù)設(shè)值后發(fā)出觸發(fā)脈沖，然后重新裝載初始化數(shù)值。接收到同步脈沖時，則強(qiáng)行將計(jì)數(shù)值調(diào)整到能發(fā)出觸發(fā)脈沖的預(yù)定數(shù)值，再重新開始裝載計(jì)數(shù)。由于ADC需要轉(zhuǎn)換時間，所以每一個觸發(fā)脈沖發(fā)出后，需調(diào)整觸發(fā)脈寬，然后將脈沖分配出去，16位計(jì)數(shù)器將脈沖分配的次數(shù)記錄在寄存器里供網(wǎng)絡(luò)模塊讀取。如果沒有同步置數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器根據(jù)軟件預(yù)置數(shù)進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，有同步脈沖則自動清零。

為了降低硬件的成本，這里采取了兩方面的措施：

一是對A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了特別的設(shè)計(jì)。12通道A/D轉(zhuǎn)換器由6片兩路16位的C8051F064型號高速 MCU構(gòu)成，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到 1Msps。與常見的偽同步采樣不同，這里省掉了采樣保持，直接將前置電路處理過的信號送入 MCU內(nèi)部的的 ADC中，由 MCU的 ADC保持連續(xù)的跟蹤，一旦有觸發(fā)信號，就在其上升沿開始進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。觸發(fā)信號由同步模塊發(fā)出，12個通道即統(tǒng)一啟動轉(zhuǎn)換。選擇 MCU做信號采集，不僅采集精度有保障，而且每一個 MCU里面有兩個 ADC，并帶有 FLASH、RAM和內(nèi)部晶振，基本不需要外部器件，且接口及其豐富，完全可以用作兩個16位寬度的并口。這樣的1片MCU市場價(jià)格約120元，12路數(shù)據(jù)采集通道只需6片，共720元，而同樣精度和采樣率、帶采保的ADC再加上做為緩沖的16位雙口RAM，價(jià)格在4500元以上。

二是采用了緩沖器。系統(tǒng)中存在3.3V和5V兩種電平，這兩種電平之間的連接采用緩沖器來代替支持雙電壓系統(tǒng)的16位雙口RAM，也能有效地節(jié)約成本。緩沖器的另一作用是避免數(shù)據(jù)總線沖突擁擠。準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)被排列在公用總線之后，沒有控制器的命令不得放閘到總線。當(dāng)所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后，控制器向網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)出中斷申請，這時，網(wǎng)絡(luò)模塊通過PC104總線可以將16位12個通道的數(shù)據(jù)連續(xù)讀出。

網(wǎng)絡(luò)模塊由嵌入式 0x86兼容機(jī)構(gòu)成，主頻300MHz，帶10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)口和PC104總線接口，擁有 16Mbytes/s的數(shù)據(jù)吞吐量，可滿足此合并單元支持最高10K的采樣率的要求。網(wǎng)絡(luò)模塊的主要功能是發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng) PC104總線傳遞來之后，按照 IEC61850-9-1規(guī)定的幀格式組幀，然后經(jīng) PCI總線送入RTL8139C網(wǎng)卡的發(fā)送區(qū)。此外，由于A/D轉(zhuǎn)換中采用了多片MCU，就必須要有看門狗來監(jiān)視各MCU的CPU，以便在遇到強(qiáng)干擾，程序指針出現(xiàn)異常時能夠讓它們重新開始同步工作。每一個MCU都有自己的看門狗，但是不能做到協(xié)調(diào)一致，在此將每一個MCU的復(fù)位線引到網(wǎng)絡(luò)模塊的并口，作為看門狗復(fù)位接口。在正常情況下，每一個MCU都同步發(fā)出中斷請求信號，所有信號相與，然后送給網(wǎng)絡(luò)模塊。當(dāng)1個MCU出現(xiàn)問題時，在均勻間隔時間上的中斷請求信號就會消失，只要檢測到中斷請求消失，就啟動看門狗，由并口發(fā)送復(fù)位信號給所有的MCU，讓其重新開始運(yùn)行程序[1]。

4 軟件設(shè)計(jì)

合并單元的軟件包括配置軟件、嵌入式工控機(jī)軟件和MCU軟件。

配置軟件位于合并單元外部，用于配置采樣頻率和IEC61850-9-1幀結(jié)構(gòu)中的一些字節(jié)等。

嵌入式工控機(jī)與采集板嵌合在一起，其功能包括：

（1）接收數(shù)據(jù)采集板緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，按照IEC61850-9-1規(guī)定的格式組幀后送入RTL8139C的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，按照IEEE802.3的協(xié)議將數(shù)據(jù)通過100M以太網(wǎng)發(fā)送出去。

（2）控制看門狗喂狗時間，保證軟件在運(yùn)行出錯時恢復(fù)時間不超過兩個中斷時間。

（3）將配置軟件中準(zhǔn)備調(diào)整ADC精度的值通過重構(gòu)的SPI總線傳送到數(shù)采板上的每個CPU。

（4）對數(shù)采板線路進(jìn)行故障智能診斷，發(fā)生故障時報(bào)警。

MCU軟件主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、FIFO數(shù)據(jù)移位、測試線路和接受配置數(shù)據(jù)等功能。

限于篇幅，這里只給出 MCU軟件的流程圖，如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集處理單元通過緩沖器與串口發(fā)送模塊交換數(shù)據(jù)。串口發(fā)送模塊響應(yīng) 1kHz的外部中斷信號，從外存儲器中讀取實(shí)時數(shù)據(jù)，封裝成IEEE802.3幀，通過100BASE-Fx以太網(wǎng)端口發(fā)送。以太網(wǎng)控制器的初始化由底層函數(shù)完成[1]。

圖3 MCU軟件流程圖

5 IEC61850-9-1與9-2的比較

對于合并單元的采樣值傳輸服務(wù)功能，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)劃分了 2種不同的映射方法，即IEC61850-9-1和IEC61850-9-2部分[2]。二者在通信方式、對 ACSI模型的支持、SCSM映射方式等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇IEC61850-9-1還是IEC61850-9-2來實(shí)現(xiàn)合并單元的采樣值傳輸服務(wù)是一個值得探討的問題。

IEC61850-9-1規(guī)定了通過單向多路點(diǎn)對點(diǎn)串行通信鏈路的采樣值傳輸方式，只需考慮傳送介質(zhì)的帶寬和接受方CPU處理數(shù)據(jù)的能力，而不用擔(dān)心數(shù)據(jù)流量對于其他間隔設(shè)備傳輸?shù)挠绊懀驗(yàn)樗]有通過網(wǎng)絡(luò)與其他間隔共享網(wǎng)絡(luò)帶寬。在這種傳輸方式下，地址域以全部由“1”組成的以太網(wǎng)廣播地址作為目標(biāo)地址的缺省值，因此發(fā)送側(cè)沒有必要進(jìn)行地址配置。IEC61850-9-2則采用了過程層網(wǎng)絡(luò)總線傳輸介質(zhì)，直接訪問 ISO/IEC802.3鏈路，傳輸時需要考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸流量的控制。與9-1相比，9-2能更加徹底地實(shí)施變電站過程總線的數(shù)字化，它要求將 MU裝置及數(shù)字化測控、保護(hù)裝置包含于同一個交換式以太網(wǎng)上，這就對網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及 MU裝置及數(shù)字化測控、保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)性能提出了很高的要求。

IEC61850-9-1規(guī)定合并單元輸入通道為 12路，采用專用數(shù)據(jù)集；幀格式固定，不允許改變，采用廣播或組播的方法；自定義數(shù)據(jù)默認(rèn)方式，僅有采樣值報(bào)文；9-1 僅支持報(bào)文傳輸服務(wù)（SendMSVMessage），而不支持 MSVCB 控制塊屬性的讀和設(shè)置服務(wù)。因此9-1的映射方法相對固定、簡單，相對容易實(shí)現(xiàn)，但對ASCI模型的支持不夠完備。

IEC61850-9-2部分除了支持直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層的“SendMSVMessage”服務(wù)外，還支持向MMS的映射，通過“GetMSVCBValues/SetMSVCBVlaues”等控制服務(wù)可重新設(shè)定輸入通道數(shù)、采樣頻率等參數(shù)，支持對數(shù)據(jù)集的更改和對數(shù)據(jù)對象的直接訪問，幀格式可靈活定義，并支持單播方式和采樣值報(bào)文。因此IEC61850-9-2的映射方法更為靈活，對ASCI模型的支持也更加完備[3]。但由于MMS協(xié)議的復(fù)雜性，9-2實(shí)現(xiàn)起來有一定的難度。

目前國內(nèi)的已投運(yùn)的數(shù)字化變電站基本都采用的是 9-1標(biāo)準(zhǔn)，9-2標(biāo)準(zhǔn)工程實(shí)際應(yīng)用還較少。鑒于本文中合并單元項(xiàng)目的實(shí)際情況，采用了相對簡單的9-1標(biāo)準(zhǔn)。但筆者認(rèn)為，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，9-2標(biāo)準(zhǔn)將成為大勢所趨。

6 結(jié)論

合并單元是數(shù)字化變電站中過程層設(shè)備（電子式互感器）和間隔層設(shè)備接口的重要組成部分。本文對合并單元的設(shè)計(jì)方案選擇 MCU來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，省掉了昂貴的采保，又采用緩沖器來代替了支持雙電壓系統(tǒng)的RAM，既保證了性能又大大降低了成本，具有較高的實(shí)用價(jià)值。作為合并單元采樣值傳輸規(guī)范，IEC61850-9-1具有映射方法相對固定，較易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，但對ASCI模型的支持不夠完備，而IEC61850-9-2的映射方法更為靈活，對ASCI模型的支持也更加完備。

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