基于FT3光纖通信的變壓器即插即用采集單元設計

牧繼清 郭旭 王偉杰 毛麗娜

摘 要：針對變壓器本體監測傳感器輸出信號類型多樣，無法統一對外接口且數據采集通信易受電磁干擾的問題，提出基于FT3光纖通信的變壓器本體監測即插即用采集單元方案，并進行產品實現和試驗。試驗及現場檢驗結果表明，裝置施工便捷，性能可靠，具有較好的應用推廣價值。

關鍵詞：變壓器監測;即插即用;標準接口;通信規約;采集單元;FT3

中圖分類號：TN791 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0048-05

A Design of Transformer Plug and Play Acquisition Unit

Based on FT3 Optical Fiber Communication

MU Jiqing GUO Xu WANG Weijie MAO Lina

（XJ Electric Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： In order to solve the problem that the output signals of transformer body monitoring sensors were various， the external interface could not be unified and the data acquisition communication was vulnerable to electromagnetic interference， a scheme of transformer body monitoring plug and play acquisition unit based on FT3 optical fiber communication was proposed， and the product implementation and test were carried out. The test and field test results showed that the device was convenient to construct， reliable in performance and had good application and popularization value.

Keywords： transformer monitoring;plug and play;standard interface; communication protocol;acquisition unit; FT3

1 研究背景

隨著電網規模迅速擴大，設備存量大和檢修人員少的矛盾日益突出，加上傳統檢修模式過檢修、欠檢修的弊端，電力設備運行風險不斷增加。為實現狀態檢修的目標，電網設備陸續開展高壓設備智能化的實踐。智能高壓設備[1，2]狀態感知是實現狀態檢修、減少故障風險的重要手段，其不但向運維中心提供設備基礎數據、核心指標和檢修依據，實現全壽命周期運維管理，而且提供設備狀態和運行風險評估，為負荷調整等電網優化運行提供依據。然而，在智能高壓設備應用過程中，也存在一些問題，尤其以位于感知層的傳感器最為突出。以變壓器本體參量監測傳感器為例：傳感器輸出信號類型多樣，無法統一對外接口;對外引線以電纜為主，導致后級裝置接線多，且易引入電磁騷擾[3，4]，影響數據可靠性甚至造成傳感器或者裝置損壞;更換傳感器時，需要在裝置側重新配置，增加了運維工作量。

本方案提出一種基于FT3光纖通信[5]的變壓器本體監測即插即用采集單元，通過在采集單元中設置通用電子數據表單[6]，儲存傳感器自身描述信息（傳感器類型、輸入/輸出信號范圍、量綱等），由FPGA為傳感器輸出信號分配合適的通道實現信號即插即用接入;基于成熟且標準開放的FT3通信協議，制定即插即用通信規約，實現采集單元與監測裝置的即插即用;利用光纖作為介質與監測裝置[7]進行數據傳輸，提升系統的抗電磁干擾能力，成功解決了上述問題，提升了系統靈活性，降低了運維復雜度。

2 傳感器即插即用技術構架

在智能傳感器領域，電氣和電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）曾經發布了IEEE l451標準[8，9]。該標準是構建網絡化智能傳感系統的理想方案，按照IEEE 1451標準建立通用的網絡化智能傳感器模型，有助于實現網絡化智能傳感系統快速、標準構建。

IEEE 1451標準將網絡化智能傳感器劃分為網絡適配器（Network Capable Application Processor，NCAP）和智能變送器接口（Smart Transducer Interface Module，STIM），兩者通過IEEE 1451.X接口連接。NCAP主要實現網絡通信、傳感數據計算和校正、STIM的即插即用等功能。STIM是NCAP與傳感器之間實際連接部件，具有信號調理、模擬數字信號轉換（A/D轉換）和變送器[10]電子數據表（Transducer Electronic Data Sheet，TEDS）定義、數據通信等功能。

圖1為傳感器即插即用技術構架。該技術由采集單元實現STIM的功能，監測裝置實現NCAP的功能，采用基于光纖傳輸的FT3點對點擴展幀報文通信協議構建變壓器本體監測傳感器即插即用網絡。采集單元需要具備如下功能：多種類型傳感器信號接入、調理功能;傳感器配置（TEDS配置）、存儲功能;符合即插即用要求的通信功能。

3 硬件設計

目前，變壓器監測常用的信號種類包括模擬量信號、開關量信號和數字量信號。常見監測量信息如表1所示。

采集單元硬件選用Altera公司的Cyclone系列編號為EP2C8T144I8N的現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）。該FPGA成本低廉、功耗低且具有收發器的功能，支持多種串行通信協議。FPGA中嵌入微處理器Nios II，基于軟核內部的片內RAM和DSP資源，可實現高性能的數字信號處理，滿足采集單元的基本設計要求。

系統總體硬件結構如圖2所示。整個硬件結構非常簡單，所有電路在保證性能的同時，力求做到最精簡，以降低系統的尺寸和功耗。

模擬量數據在PFGA片內進行濾波、放大、A/D轉換等;開關量信號光電隔離后，由FPGA做消抖處理;數字量的ModBus查詢報文由FPGA軟核組織，再由軟件完成報文解析和計算，最后統一進行FT3組幀和數據通信。電子數據表（TEDS）通過SPI接口采用Flash進行存儲。采集單元中的光接收口可接收外部配置信息，同時也可用作調試口的接收口;光發送口除了發送FT3等報文外，也可同時作為調試口發送端，通過器件的復用，在降低成本的同時使電路更加高效。

4 軟件設計

軟件開發基于Nios II軟件開發環境完成。Nios II IDE是基于GNU C/C++編譯器和Eclipse IDE的。Nios II IDE支持三種目標連接，可通過JTAG將應用程序下載到SOPC硬件系統中進行調試，可在指令集仿真器中對應用程序進行仿真調試。

采集單元軟件主要實現以下功能。①通過CPU與上位機通信，實現人機交互功能。可通過調試工具軟件對采集單元參數進行設置，如異步串口發送波特率、周期采樣點數和通信報文組幀等。②采集單元系數調整。每次采樣都觸發一次CPU中斷，CPU讀取數據寄存器的采樣數據，完成對采集數據的存儲。通過調試工具完成對各個采集通道幅值、零漂等參數的自動調整。同時，還可完成其他一些實時性要求不高的數據處理。③實現程序在線升級。Nios II處理器的程序和系統參數分別保存在Flash不同的存儲空間中。程序升級時，將FPGA程序和CPU程序保存到相應的Flash存儲空間中。

4.1 電子數據表設計

電子數據表（TEDS）用來描述不同類型傳感器，包括傳感器測量范圍、物理單位，輸出信號類型、范圍和傳感器ID等信息（數字信號還需要具備數據起始位置、數據長度和波特率等信息），存儲在采集單元中，可使用專門的配置工具進行配置，是實現傳感器即插即用的必要條件。采集單元需要對接入的傳感器信號進行調理和報文解析，其FPGA程序必須在“理解”傳感器輸出信號特征參數的基礎上才能夠實現傳感器的自動處理。因此，電子數據表又起到了連接傳感器與采集單元FPGA程序的橋梁作用。電子數據表由總體TEDS和通道TEDS組成。總體TEDS是每個STIM必備的，且只能有1個，包含這個STIM的總體信息，如被監測設備ID、采集單元類型和通道個數等。總體TEDS描述如表2所示。

通道TEDS也是每個STIM必備的。一般情況下STIM含有多個通道TEDS，每個通道TEDS均包含對應傳感器具體信息，如傳感器類型、輸出信號類型、測量范圍和輸出范圍等。通道TEDS描述如表3所示。

4.2 即插即用通信協議設計

IEC 60044–8（FT3）是由IEC/TC 38互感器技術委員會制定，采用Manchester編碼，通信速率最高可達2.5 Mbits/s。FT3規約最初應用于多個電子式電流互感器接入一個合并單元的通信場景，其鏈路層服務級別為S1：SEND/NO REPLY（發送/不應答）。基于光纖FT3擴展幀格式制定即插即用通信協議，多個采集單元與一個監測裝置進行通信。采集單元連續地、周期地向監測裝置發送數據，監測裝置解讀數據，將數據靶向地寫入模型中，同時也能掌握接入采集單元的傳感器工作狀態。

通信協議應用層分為以下幾個方面：第一，前導字段，包括幀頭、報文長度、被監測設備信息和通信鏈路信息等;第二，模擬量信息，包括傳感器類型、測量范圍和測量結果（AD值）;第三，開關量信息，包括開關量類型、開關量狀態;第四，數字量信息，包括傳感器類型、測量結果、數據轉換方式及系數和數據有效性狀態字;第五，自檢信息，主要反映數字量傳感器的通信狀態和運行情況等。

根據實際設計的采集單元硬件電路（4路模擬量，2路開關量，2路數字量），制定出通信規約應用層內容，如表4所示。

4.3 即插即用功能實現

即插即用功能體現在兩個層面。第一個層面：傳感器接入采集單元的即插即用。對于模擬量，無需對應固定端子，不必考慮信號類型（電流或電壓），采集單元會根據讀取到的傳感器相關信息，為信號選擇合適的處理通道;對于開關量，采集單元僅需要將開關量類型、狀態寫入通信規約中;對于數字量，采集單元讀取數據起始地址和數據長度，組織傳感器信息查詢報文，與傳感器進行交互并解析應答報文獲得測量數據信息。第二個層面：采集單元接入監測裝置的即插即用。監測裝置解析FT3報文，根據傳感器類型將各數據映射到建模模型中。對于模擬量，按照公式（1）計算出模擬量值。

[V=AmeasureAmax-Amin×Smax-Smin] ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Ameasure]表示測量結果;[Amax]表示AD上限;[Amin]表示AD下限;[Smax]表示測量范圍上限;[Smin]表示測量范圍下限。

對于開關量，可直接讀取其狀態值。對于數字量信息，進行相應的數據轉換，如16進制轉10進制或者4字節轉浮點數后，再乘以系數即可。即插即用功能示意圖如圖3所示。

5 試驗驗證

本方案設計開發的變壓器即插即用采集單元通過了國家繼電保護及自動化設備檢驗中心的型式檢驗，檢驗報告中對即插即用功能檢驗結論描述如下：采集單元物理接口標準化，監測裝置可對監測參量進行自動識別;采集單元更換時，監測裝置免配置;測量數據量程自動校準。從表5、表6的數據可以看出，各參量測量精度和開關量性能指標滿足要求。

6 結論

本文提出了一種基于FT3光纖通信的變壓器即插即用采集單元方案。相較于現有方案，其優勢在于：①傳感器接入即插即用，信號處理自適應，施工便捷;②采集單元接入監測裝置即插即用，自動映射建模模型、數值計算、零漂調整，大大縮短了裝置調試周期;③就地化信息采集和光纖傳輸提高數據精度，增強通信抗干擾能力。采集單元和裝置作為國家電網公司科技項目的研究成果，通過了國家繼電保護及自動化設備檢驗中心的型式檢驗，并配合山東某500kV智能變壓器成功通過廠內檢驗。

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