一種新型合并單元的設計與研究

湯曉暉　蘇譯

摘 要：在廣東電網，數字化變電站技術已得到了逐步應用，數字化變電站應用數量逐漸增多?？紤]到變電站數據量大，且需要對時準確等要求，其數字化接口作用的合并單元十分重要。文章針對合并單元實時性強、數據通信速度快等特點，設計了一種新型合并單元，該單元由FPGA與ARM組成，具有同時處理多任務、通信速率快等特點，適用于新型數字化變電站。

關鍵詞：新型數字變電站；數據通信；CT回路

中圖分類號：TM76 文獻標志碼：A 文章編號：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

在中山三鄉數字化變電站中，數字化保護設備和智能終端得到了全面應用。數字化變電站優勢明顯，大大提高了供電可靠性和經濟性，但其保護、測控信號均取自于合并器單元輸出數字信號，該單元需要及時處理海量變電站數據，且需多進程同時處理，因此對該單元的設計與研究勢在必行。

2 數字化變電站結構

數字化變電站分為3層：變電站層、間隔層、過程層。在基于IEC61850標準設計的數字化變電站中，減少了大量的常規電纜使用，啟用了光纖通信介質。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進行互聯。變電站內的電流電壓數據直接變位數字量數據，在光纖組網的變電站內傳播，各個保護裝置通過發布訂閱機制，完成所需要的電流電壓量數據采集，供自身保護裝置判斷外部故障量，完成了各個保護裝置的電流電壓采集。在間隔層，通過智能終端負責執行數字化保護裝置傳送出來的命令，從而實現對設備的保護和開關分合閘控制，變電站內各個間隔的互鎖及連鎖都是在間隔層就地實現的，間隔層設備通過專用光纖接口，采用簡易人機界面實現通信功能，并完成信號上送，出口回路實施等，是控制一次設備和完善間隔信息的重要設備。

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]。主要特點如下：

（1）采集從一次CT送過來的激光電源信號，采集光纖輸送過來的兩路母線電壓數字信號，內部進行高精度DSP采樣，對原始數據進行計算處理，數字化變電站中直接采用一次值數字量進行計算，處理后按照用戶既定的通信規約以光信號形式通過光纖OUT口發布輸出，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一次設備輸送的光纖數字量，通過IN口進入裝置，被高精度采樣，應用于裝置運算。PT合并器同時接收兩端母線電壓數據，按照用戶組網模式，以網絡形式或點對點形式進行電壓量數據傳輸，并根據對應刀閘位置狀態進行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，經激光電源插件模塊提供CT采集卡工作用能源，實現光電式電流互感器采集卡正常采集數據與正常工作；裝置通過自身CPU實時監測本裝置運行情況，發生異常時能及時告警，提供硬接點告警輸出空節點6對。

（4）裝置本身具有自檢糾錯功能，異常信息告警及人機界面維護功能；裝置可通過前置串口進行維護，利用維護軟件，通過此接口及配套軟件，實施配置及參數維護、數據下裝等功能，滿足靈活配置的需求。

（5）IEC 61850協議GOOSE服務。

3 合并單元設計

合并單元主要功能在于同時接收多達12路信號發生模塊發送過來的數字信號，且高壓側由于低功耗設計采用的是串行傳輸，所以該模塊需要處理的信號多、信號量大，整個系統的實時性要求也高，對外連接的端口也很多，這種情況下采用通用的單片機和DSP就難以在較短的時間內完成這些任務，也難以提供如此多的I/O端口與外部連接。配置足夠數量的I/O接口，實現多任務的強處理模式，利用串行數據總線及多任務工作模式，接收并處理各項進程及數據流，通過數據分發來實現高速運算與數據采集，從而實現較強的數據處理能力，其主要硬件結構如圖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接口任務。FPGA作為模塊單元的數據處理芯片，實現的功能模塊有：數據同步接收模塊，數據處理模塊，數據通信模塊中FT3發送功能。

在設備計算用芯片挑選與選型上面，采用ATMEL公司的32位微控制器AT91RM9200，FPGA芯片選用Altera公司Cyclone II系列的EP2C20F256C8。

存儲器模塊由SDRAM、FLASH和EEPROM組成。本方案中，采用2片高速運行的SDRAM芯片，在裝置內部總線采用上下疊置結構，組建成32bits的高速的數據總線，實現裝置程序代碼和全部數據的存儲與進入導出運算。為了提高程序的運行速度和AT91 RM9200流水線的命中率，系統初始化完畢后，所有程序代碼都被拷貝到SDRAM中運行；其中一片FLASH，用于存放嵌入式操作代碼，同時可用于固化應用程序；另外一片用于存放各類告警信息和相關日志文件信息，例如事件動作記錄、電流電壓量錄波數據[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，其余可配置給各個合并器采集端口使用。采用目前比較穩定的且適用較為多的HBFR-2412型光電接收模塊。數據輸出包括3路符合IEC61850標準的100M以太網數據光纖輸出。

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

合并單元主要為背插式結構，各插件通過內部電源總線匯集同時使用同一電源系統，模板位置設計在裝置前面底部，背部插件數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。該合并器實現了所有電流量、電壓量、鋒值、瞬時值快速打包傳輸，在電流電壓數據發生變化的瞬間，裝置內部數據總線通過打包，將所有相關數據值壓縮在同一路光纖中并行傳輸。

4 新型合并單元

為了實現在數字化變電站中，完成對數字化保護裝置、合并器、合并單元等智能設備的定檢工作，有必要研制組合一套新型合并器及校驗系統，按照模塊化布局設計，通過4套裝置，完成整體系統搭建，4個模塊分別實現：模塊一負責電流采集與數字化信號量轉化；模塊二負責PT電壓數字化量轉化；模塊三負責ABC三相電流光纖輸出；模塊四負責裝置系統電源供電等回路；通過四模塊組合的新型合并器系統組件，可模擬各類合并器功能，實現對合并器校驗工作和對數字化保護裝置的校驗工作。

5 結束語

綜上所述，文章設計研究了一種新型的合并單元，具有并行多任務處理功能和高可靠性、實時性等特點，給出了一種利用ARM、FPGA技術實現合并單元的新方法，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行速度快等特點，具有一定的實效性和科研價值。

參考文獻：

[1]謝秋金.電子式互感器合并單元設計[D].北京：華北電力大學，2013.

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

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

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

[5]韓友喜.常規互感器與合并單元的調試應用技術研究[J].科技創新與應用，2015（33）：1-5.endprint