基于EPON的變電站間隔用智能采集控制終端

隨著我國電力建設事業的快速發展，智能變電站在我國得到了快速發展?，F階段，國內智能變電站主要采用工業以太網電交換機或光纖交換機的網絡方案進行過程層通信系統的網絡體系設計。采用工業以太網電交換機時報文傳輸的時延及時延抖動較大，系統的實時性能一般，而且采用光纖交換機的光網絡方案時，必須使用大量的光器件，在實際應用中帶來了很高的成本要求。本文主要針對以上問題，設計研究基于EPON的變電站間隔用的智能采集控制終端，實現智能變電站更靈活和開放的擴展性需求，滿足同步采樣和低延時傳輸的要求。

【關鍵詞】智能變電站 EPON過程層

智能變電站是智能電網的重要支撐，是智能電網實現數字化、自動化、智能化的基礎。而網絡通信技術又是智能變電站的核心技術之一，目前智能變電站多采用工業以太網交換機或光纖交換機進行過程層通信系統的網絡體系設計。采用工業以太網交換機主要問題是時延及時延抖動比較大，實時性能一般，采用光纖交換機網絡除了時延的問題外，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智能變電站的穩定性和可靠性。

本文在分析智能變電站過程層通信系統的基礎上，結合EPON技術的原理，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造價的同時，實現同步采樣和傳輸，以此滿足采樣值報文傳輸的實時性、可靠性和準確性要求。

EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太網無源光網絡），是基于以太網的PON技術。它采用點到多點結構、無源光纖傳輸，在以太網之上提供多種業務。一個典型的EPON系統由OLT、ONU、POS組成。OLT（Optical Line Terminal，光線路終端）放在中心機房，ONU（Optical Network Unit，光網絡單元）放在用戶設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，是一個連接OLT和ONU的無源設備，它的功能是分發下行數據，并集中上行數據。EPON中使用單芯光纖，在一根芯上傳送上下行兩個波（上行波長：1310nm，下行波長：1490nm）。

OLT周期性的廣播允許接入的注冊信息。ONU根據OLT廣播的允許接入的信息，發起注冊請求，OLT通過對ONU的認證，允許ONU接入，并給請求注冊的ONU分配一個唯一的邏輯鏈路標識（LLID）。數據從OLT到多個ONU以廣播方式下行，對于上行，采用時分復用（TDM）技術分時隙給ONU傳輸上行流量，ONU根據OLT分配的傳輸帶寬上傳數據。

1 智能采集控制終端方案設計

本文設計研究一種基于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、數字采集板、顯示板和操作控制板。其中變送器板、數字采集板、顯示板和操作控制板均與核心CPU板通過總線進行互聯。考慮系統結構的兼容性，采用4U標準19機箱。

系統硬件框圖如圖1所示。

1.1 CPU板

CPU板包括主控制器（PowerPC8313）、從控制器（FPGA）、40路ADC轉換單元、并行輸入接口、串行數據接口、CAN總線收發器、CAN總線控制器、以太網物理層收發器、RJ45接口、串口總線收發模塊和無源光網絡PON接口。并行輸入接口、串行數據接口和無源光網絡PON口均與FPGA連接，CAN總線收發器連接CAN總線控制器，CAN總線控制器連接MPC8313，調試以太網收發器連接MPC8313，FPGA通過PCI總線與MPC8313進行配置信息和數據通信。

40路ADC轉換單元包括五個AD轉換模塊和40個模擬量輸入接口，所有AD轉換模塊均連接FPGA，每8個模擬量輸入接口連接一個AD轉換模塊。

FPGA主要實現以太網數據報文的收發和解析，同時完成模擬量、開入量采集，實現數據的組包，是完成過程層通信的基礎。

MPC8313主要實現就地邏輯保護和對從控制器（FPGA）的配置，是保證通信正常、實現智能變電站就地保護的核心。

1.2 變送器板

變送器板包括數個電壓電流互感器，所有電壓電流互感器均與40路ADC轉換單元連接。

1.3 采集板

采集板包括數個8路數據總線驅動器和數個光電耦合器，每一個8路數據總線驅動器均設有8個數字輸入端，每一個所述數字輸入端均連接一個光電耦合器，所有8路數據總線驅動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）進行數據交互。

2 智能采集控制終端軟件設計

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模塊設計

FPGA軟件由verilog 語言實現，其主要特點是并行實現各主要功能，包括數字量采集、模擬量采集和通信數據報文的收發，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刻進行模擬電氣量采集，從而確保傳輸的電壓/電流在時序上保持一致。在不同終端之間，基于EPON通信，實現不依賴外部同步時鐘的時間同步技術，利用EPON系統中各個ONU終端基于統一的全局時鐘實現全網對時同步，時間精度優于100ns。

時間同步流程如圖2所示。

2.2 MPC8313模塊設計

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

（2）接收由FPGA傳遞的采樣值數據并進行計算；

（3）由計算結果進行故障判別；

（4）根據故障類型，通過CAN總線輸出操作控制數據，同時記錄SOE。

具體程序流程和邏輯如圖3、圖4。

3 結語

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計方案，詳述了FPGA模塊和MPC8313模塊的的設計原理，并給出了原理框圖和流程圖。該方案已應用于繼電保護裝置中，現場運行情況良好。

參考文獻

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作者簡介

胡凡君（1983-），男。現為云南電網麗江供電局工程師。主要研究方向為輸變電設備運行技術、配電技術。

章祥（1987-），男?，F為云南電網麗江供電局工程師。主要研究方向為變電站自動化運維與管理。

黃新（1984-），男。現為云南電網麗江供電局工程師。主要研究方向為繼電保護。

劉柱揆（1974-），男。現為云南電網有限責任公司電力科學研究院高級工程師。主要研究方向為繼電保護、電能質量。

曹敏（1961-），男?，F為云南電網有限責任公司電力科學研究院教授級高級工程師，云南省云嶺產業領軍人才。主要研究方向為電能計量和物聯網技術研究。

作者單位

1.云南電網麗江供電局 云南省麗江市 674100

2.云南電網有限責任公司電力科學研究院 云南省昆明市 650217