基于一二次深度融合的數字化單元與饋線終端通信系統研究

摘要：針對基于一二次深度融合的數字化單元與饋線終端通信系統展開研究，解決通信過程中的傳輸穩定性和數據精度等問題。基于一次設備（柱上斷路器）與二次設備（數字化單元與饋線終端）搭建實驗平臺，分析二次電壓、電流模擬信號在通信系統傳輸過程中的變化。測試結果表明，模擬信號數字化以及曼徹斯特編碼格式可以有效提高模擬信號的傳輸穩定性，饋線終端單元反饋的采樣系數有效提高了模擬信號的傳輸精度。

關鍵詞：一二次深度融合；數字化單元；饋線終端；通信系統；采樣系數

中圖分類號：TN949.197；TN79+1 文獻標識碼：A

0 引言

智能化開關設備研究是國家智能電網建設的重要組成部分，隨著一二次深度融合力度不斷加大，柱上開關、數字化單元、饋線終端與電壓傳感器及電流傳感器等設備的融合逐漸加深[1]。傳統通信系統中，模擬小信號通過長線傳輸到饋線終端時，由于抗干擾能力較弱，容易受到電磁信號的影響。數字化單元與柱上開關集成為一體，將電流、電壓模擬信號轉化為數字信號來增強數據傳輸穩定性，有效改善模擬小信號傳輸過程中的衰減問題。

1 總體設計方案

基于一二次深度融合的數字化單元與饋線終端通信系統主要由數字化單元、饋線終端和柱上開關組成，數字化單元放置于柱上開關內部，其產生的報文數據通過電纜（26 芯）中的2 芯485 傳輸線傳輸至饋線終端，饋線終端通過電纜（26 芯）向柱上開關發送對應的反饋數據[2]。數字化單元采集的模擬信號來源于柱上開關內部的電壓傳感器和電流傳感器，模擬信號在長距離傳輸過程中會受到噪聲以及其他單元產生電磁的干擾，一二次深度融合后的智能化配電設備能夠有效改善模擬信號在不同環境下的傳輸穩定性，通過反饋采樣系數增強數字化單元、饋線終端與不同配電設備的聯系，有效提高智能化配電設備的工作效率。

首先，數字化單元將采集的電壓、電流模擬量轉化為數字量。其次，將數字量和開關量等信息插入第三代功能測試（function testing for the thirdgeneration，FT3）通信協議中，對單bit 通信協議流進行曼徹斯特編碼。曼徹斯特碼以5 Mbit/s 的通信速率經485 傳輸線到達饋線終端。饋線終端中的解碼器將曼徹斯特碼恢復為原始數據，原始數據通過串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）傳輸到饋線終端進行解析。最后，饋線終端將開關操作和采樣系數通過電纜反饋到柱上開關和數字化單元。

2 電子式互感器理論分析

數字化單元采用曼徹斯特編碼方式來傳輸信號，曼徹斯特碼的電平切換可以有效抑制直流分量，適用于長距離電纜傳輸信號場景。數字化單元負責將電壓、電流模擬信號轉化為數字信號并進行傳輸，從而有效降低傳輸電纜本身衰減特性的影響。

2.1 曼徹斯特碼

曼徹斯特碼是一種用跳變沿來表示0/1 的數字基帶碼型，與其他常見的二進制碼相比，曼徹斯特碼的實現難度低于差分曼徹斯特碼，寬帶利用率高于歸零編碼，同時自同步能力高于不歸零編碼，因此曼徹斯特碼在長距離電纜傳輸信號場景中優勢最大[3]。根據編碼時鐘沿將原始數據“1”編為“10”，將原始數據“0”編為“01”，通過編碼的方式將時鐘信息與數據進行結合，從而為接收端提供參考時鐘，以解決數據同步問題。

2.2 模擬信號數字化

數字化單元模塊中的AD7606 芯片通過抽樣、量化和編碼來實現模擬信號數字化。編碼是按照特定規律將量化后的值用二進制數字來表示，然后轉換為二進制數字信號流。AD7606 芯片有兩種量程，不同量程最低有效位（least significant bit，LSB）數值如表1 所示。AD7606 芯片最大量程通過配置可以選擇±10 V 或者±5 V。結合實際測量電壓選擇±10 V 作為最大量程，該量程下模擬數字轉換器（analog to digital converter，ADC） 的LSB 數值為305 μV。采樣數據通過符號位區分正負，將實際采樣數據與數字值一一對應來實現模擬信號數字化。

3 系統硬件設計

3.1 數字化單元硬件設計

數字化單元中主要包括信號調制電路、開關量檢測電路、采樣以及模數轉換電路、現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，FPGA）主控芯片、數據發送電路等。信號調制電路能夠結合相關需求對采集的電壓、電流信號進行濾波放大，提高采集模擬小信號的質量。開關量檢測電路負責獲取分位、合位、未儲能位和低氣壓閉鎖位等4 種開關狀態信息，便于饋線終端進行開關操作。采樣以及模數轉換電路負責將信號調制電路的模擬電壓、模擬電流信號進行數字化轉換，以實現電壓、電流等數據的數字化[4]。FPGA 主控芯片選用阿爾特拉（ALTERA）公司的MAX Ⅱ EPM 系列芯片，該芯片各項指標均符合實際工程要求。數據發送電路采用差分信號傳輸模式，通過A/B 兩條485 傳輸線將曼徹斯特碼發送至饋線終端。

3.2饋線終端硬件設計

饋線終端主要包括解碼器和微控制單元（microcontroller unit，MCU）。解碼器由數據接收電路和FPGA 芯片構成。數據接收電路由RS485 芯片和周圍電路構成，采用差分信號線可以接收數字化單元傳輸的曼徹斯特碼。MCU 端選用兆易創新科技集團股份有限公司的GD32F4 系列芯片。

4 系統軟件設計

如圖1所示，數字化單元與饋線終端通信過程軟件設計主要包括數字化單元軟件設計和饋線終端軟件設計，設計內容涉及數據采樣、數據編解碼以及FT3協議實現和解析。

4.1 數字化單元軟件設計

數字化單元軟件設計主要包括數據采集、數據編解碼、信號控制、實現通信協議和發送數據。數字化單元將采集的電壓信號、電流信號、開關量信號、校驗碼插入到FT3通信協議，將數據報文以曼徹斯特碼的形式發送到饋線終端[5]。

如表2所示，數字化單元與饋線終端交互數據可以根據FT3通信協議進行數據裝配，通過狀態機切換控制模塊工作，準確獲取電壓、電流數據以及開關狀態。同時，FT3通信協議包含幀頭和3 個校驗碼，以提高數據通信的可靠性。

4.2 饋線終端軟件設計

饋線終端軟件設計主要包括解碼板軟件設計和MCU 設計。解碼板是饋線終端軟件設計的核心。解碼板輸入信號包括曼徹斯特碼信號、時鐘信號、復位信號、SPI 通信信號，輸出信號包括鎖定標志信號、解碼后的數據信號、SPI 通信信號和數據發送信號。解碼板在接收到曼徹斯特碼格式的FT3 報文后需要進行時鐘信息提取，以實現解碼時鐘與數據的同步。利用數字鎖相環（digital phase-lockedloop，DPLL）提取曼徹斯特碼中的時鐘信息，將提取時鐘作為解碼時鐘開展解碼工作。解碼時鐘穩定標志是通過比較提取時鐘邊沿與數據邊沿的差值來實現的，當穩定標志為高電平時，提取的解碼時鐘達到穩定狀態。首先，DPLL 通過比較輸入參考信號與上一時刻時鐘提取輸出信號的相位差來輸出兩種信號間的超前相位或者滯后相位。其次，通過環路濾波器，將相位差信號進行濾波調制后輸出相應的進位脈沖信號與退位脈沖信號。最后，結合進位脈沖信號與退位脈沖信號對解碼時鐘進行調整，進而得到穩定的解碼時鐘。

5 系統仿真以及上板測試結果分析

5.1 系統仿真結果分析

數字化單元結合報文協議實現數據模擬采樣、數據發送功能，通過ModelSim 軟件檢查工程發送時序和數據的正確性。如圖2 所示，工程發送時序和數據正確，數據幀整體占625 bit，其中空閑時段為177 bit，有效數據段為448 bit，符合通信協議對數據速率、空閑間隔、數據格式等方面的要求。圖2 中，發送數據幀頭16’h05_64，將幀頭按照曼徹斯特編碼編成01010101_01100110_01101001_01100101。

饋線終端解碼板通過DPLL 提取輸入信號中的時鐘信息，如圖3 所示，根據解碼時鐘信號與曼徹斯特碼輸入信號的相位差對解碼時鐘頻率進行調整，當相位差穩定后該解碼時鐘作為曼徹斯特編碼的解碼時鐘。圖3 中01010101_01100110_01101001_01100101 中的當前時刻數據與上一時刻數據進入2 位寄存器進行存儲解碼，輸出的最終解碼結果為16’h05_64，該數據與原始數據一致，說明解碼結果正確。

5.2 上板測試結果分析

如圖4 所示，數字化單元板子連接柱上開關引出的采集線，采集對象包括12路電壓、電流數據和4路開關量。數字化單元通過傳輸電纜傳輸曼徹斯特碼，饋線終端接收到數據并對其進行解析。柱上開關進入工作狀態后，數字化單元發送曼徹斯特碼數據流，觀察饋線終端數據接收狀態[6]。

如圖5 所示，第一行數據為原始數據，按照FT3通信協議進行數據發送，數據波形驗證正確。第二行數據為曼徹斯特碼數據，第二行與第一行波形一致，曼徹斯特碼數據波形正確。第三行數據為解碼數據，將第二行數據按照解碼規則進行解碼，結合圖像來看，解碼數據與第一行原始數據一致，解碼數據波形正確。

饋線終端接收曼徹斯特碼數據后進行曼徹斯特解碼，解碼板將解碼數據通過SPI 傳輸給MCU端，MCU端檢測到幀頭后按照順序逐次存儲數據，接收數據1、數據2 和數據3 后進行校驗碼計算與比對。通過對上位機抓取數據分析可知，校驗碼結果比對正確，數據通信正確。

數字化單元負責采集校驗儀輸出的特定電壓，首先將實際采樣數值打包發送到饋線終端進行解析；其次計算實際采樣信號有效值，并基于實際采樣信號有效值與校驗儀額定值計算系數；最后將該系數返回到數字化單元模塊。通過獲取100 個周期即16000 個點的實際采樣數值，比較添加采樣系數前后的誤差[7]。如圖6所示，校驗儀輸出標準1V電壓，經過AD7606 芯片的數字化和歸一化后對應二進制數0010_1101_0100_0001，即十進制11 585。數字化單元通過增加采樣系數來補償外界環境帶來的影響。

6 結論

本文搭建了基于一二次深度融合的數字化單元與饋線終端通信系統，通過數字化單元采集柱上開關提供的相關數據生成FT3報文數據，將報文數據以曼徹斯特碼的格式發送到饋線終端進行解析。實際測試結果顯示，該通信系統穩定性較好，通過計算二次采樣系數大幅提高了數據精度，能夠在存在電力線噪聲以及外圍信號噪聲的環境下穩定工作。綜上，該系統能夠較為真實地模擬一二次深度融合下數字化單元與饋線終端的通信狀態，為開展一二次深度融合設備工程提供應用參考。