合并单元

第26卷第4期 2006年4月 电 力 自 动 化 议 备 Electric Power Automation Equipment Vo1.26 No.4 Apr.2006由 电子式互感器合并单元(MU)的研究与设计 刘 砚，周有庆，彭红海，吴桂清 (湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410082) 摘要:合并单元是电子式互感器与二次保护控制设备接口的重要组成部分。简要介绍了电子式互 感器合并单元的基本定义及相关国际标准，同时对合并单元的主要功能和实现方法进行了研究，提 出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理(DSP)技术的合并单元实现。方案将 合并单元分成3个功能模块，并对每个模块所需实现的功能进行了详细阐述和具体分析。试验结 果证明该方案能够很好地解决合并单元同时处理任务多、通信信息流量大及通信速度快等一系列问 ，具有较高的可靠性和较强的实时性。 关键词:电子式互感器;Rogowski线圈;合并单元;现场可编程门阵列;曼彻斯特码;中心采样 中图分类号:TM 45 文献标识码:A 文章编号:1006 - 6047 (2006) 04 - 0067 - 05 电流/电压互感器是电力系统中进行电能计量 和继电保护的重要设备，其精度及可靠性与电力系 统的安全可靠运行密切相关。目前，电力系统中使用 的传统互感器存在着一系列的缺点，难以满足新一 代电力系统在线检测、高精度故障诊断、电力数字网 的发展要求[[I]。因此，人们研制了新型的电子式电 流/电压互感器(ECT/EVT)，尤其是基于Rogowski 线圈的电子式电流互感器的研制已经进人了实用化 阶段，它具有无饱和、频带宽、体积小巧等诸多优点[[21 而电子式互感器与保护、测控设备的接口问题，成为 其能否实现产业化的关键。针对这一问题，国际电工 委员会制定了IEC 60044 -7 /8和IEC 61850-9- I 等标准，这些标准均详细定义和描述了接口的 重要组成部分— 合并单元MU (Merging Unit), 1 合并单元的定义 在IEC 60044 - 7 / 8中首次给出了合并单元的 定义(见图1)。合并单元是针对数字化输出的电子 12> 4# -} }r Ik'I 时钟输人 电源 图1合并单元的定义 Fig.l The definition of merging unit 收稿日期:2005-08-29;修回日期:2005-11-28 式互感器而定义的，其主要功能是同步采集多路 ECT /EVT输出的数字信号后按照标准规定的格式 发送给保护、测控设备。合并单元与二次设备的接口 是串行单向多路点对点连接。在图1中，合并单元 所采集的12路电流、电压信号均有明确的定义，合 并单元以曼彻斯特编码格式将这些信息组帧发送给 二次保护、控制设备[3-4]0 2 合并单元的实现 根据IEC 60044 -7 /8对合并单元的定义以及其 所需要实现的功能，将其细化为3个部分:基于现场 可编程门阵列(FPGA)技术的数据还原模块;基于数 字信号处理(DSP)技术的数据处理模块;基于IEC 61850-9-1标准的数据输出模块。 2.1基于FPGA技术的数据还原模块 FPGA是20世纪80年代中期出现的高密度可 编程逻辑器件，它以编程方便、集成度高、速度快、价 格低等特点受到广大电子设计人员的青睐。同以往 的PAL, GAL比较，FPGA的规模比较大，适合于时 序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至 上百块通用IC芯片。因此，FPGA实际上就是一个子 系统部件。 用FPGA设计的电路完全由硬件实现，所以它的 工作速度非常快，可以从容地处理高速采样下的各 个采样数据。另外，FPGA还可以方便、灵活地实现一 些网络数据通信的底层协议，例如本次设计中用到 的IEC 60044-7/8，能够达到很高的数据通信速率， 而且修改协议也很方便，不需要修改硬件电路板。在 本次设计中，采用的是ALTERA公司的FLEX 10 K系 列芯片。 数据还原模块主要由解码校验模块、数据排序 模块以及同步功能模块组成，模块框图如图2所示。 函 电 力 自 动 化 议 备 第26卷 图2数据还原模块框图 Fig.2 Block diagram of data-recovery module 2.1.1 解码校验模块 解码校验模块主要实现曼彻斯特码解码模块和 循环冗余校验CRC (Cyclic Redundancy Check)模块 的设计。 IEC 60044-8标准规定，高压侧数据采集系统 与合并单元之间的数据传输采用曼彻斯特码编码形 式，两者间的通信实际上相当于同步串行通信。曼彻 斯特码解码模块的主要功能是将输人的曼彻斯特码 还原成原始的NRZ码，从而输出正确的采样数据。 对输人码流的采样和解码时刻要尽量远离电平跳变 的时刻，最佳的采样时刻是在码元的中心位置，即常 说的“中心采样”。对于曼彻斯特数据码而言，因 为每个码元的中心都有电平的跳变，按照采样时刻 应该尽量远离电平跳变时刻的原则，采样点应该在 码元的1/4和3/4处。除了“中心采样”外，还需要 从输人的曼彻斯特码流中恢复出时钟信号，从而使 本地时钟和数据码元同步。 在数据采集系统中通常需要加人差错控制码， 使一个不可靠的通信链路变成可靠的链路。IEC 60044-8标准中就是使用CRC进行差错控制的。 CRC校验的基本思想是利用线性编码理论，在发送 端根据要传送的k位二进制序列，以一定的规则产 生一个校验用的监督码(即CRC码):位，并附在信 息后边，构成一个新的二进制码序列数共((k +r)位， 最后发送出去。在接收端，根据信息码与CRC码之 间所遵循的规则进行校验，以确定传送中是否出错。 实现CRC的方法很多，设计中采用长除算法。 长除算法可以表示成由一些异或门和移位器组成的 除法电路，利用FPGA实现比较方便和快速。CRC模 块硬件原理如图3所示。16位CRC校验码采用 IEC 60044-8推荐的多项式生成码[[31:X16+X13+X12+ X l l +X 10+X8+X6+X5+X2+ 1 图3 16位CRC模块原理图 Fig.3 Block diagram of 16-bit CRC module 图3中，DIN表示串行输人的有待CRC的数 据，在数据全部输人时，如果移位寄存器中的内容全 部为0，则认为传输无错码，否则判为有错码。FPGA 可以实现合并单元同时对12路数据进行CRC，当某 路数据CRC不正确时，合并单元仍应保留此路数据 并告知二次设备此数据无效。 2.1.2 数据排序模块 利用FPGA能够实现合并单元同时对12路数 据进行接收和校验，但是实际上由于各路通道数 据相互独立，其数据信息到达合并单元的时间各不 相同，且前后关系也不固定，所以在将12路数据传 输给数据处理模块前，可利用FPGA中的先进先 出(FIFO)队列对此12路数据进行正确排序，即在 第k一1路数据((2_ 3),cea=2rr f二21T / Ta，若 以关= Nf对上述电流信号进行采样，则有 ia(n)=AaCOS(27T f T n+0a) ib(n)=AbCOS(27r fTan+Ob) 则被测电流信号的均方根值为 、=丫N-17- i(n)2/Nn= O (1) 设两相之间的相位差为(p=01-02，取样本点数为 N,=MN。由于N为被测信号1周期内所包含的样 本点数，故M为样本中所包含被测信号的周期数。如 果被测信号频率是已知且是准确的，或者是能够精 确测量出来的，则对信号的整周期采样是能够做到 的。由此，可得出两被测信号相位差的

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为 (p=2“7T一 (2N,A,A2落’i1 (t) i2(t))(，) 本次设计选用了美国TI公司的TMS320LF 2407 芯片，它采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压 降到3.3 V，减小了控制器的功耗，处理性能更好 (30 MIPS)。 2.3 基于IEC 61850-9-1标准的数据输出模块 实现电子式互感器的数字输出有2种技术方 法:第1是IEC 61850-9-1中描述的以太网络[[9]，使 用同步脉冲得到时间连续的一次电流和电压及抽样 信号;第2是IEC 60044-8中描述的通信技术，用同 步脉冲法或插值法得到输出信号。由于以太网具有 良好的开放性、稳定性、易维护性、便于实现互联和 互操作等特点，因此，对于合并单元与二次设备之间 的数据输出模块，采用了基于IEC 61850-9-1的以 太网络通信技术。 2.3.1 IEC 61850标准简介 IEC 61850是关于变电站自动化系统的第一个 完整的通信标准体系，与传统的通信标准体系相比， 在技术上有如下特点〔’。〕: a.使用面向对象建模技术; b.使用MMS技术; c.使用分层、分布体系; d.使用抽象通信服务口(ACSI)、特殊通信服务 映射(SCSM)技术; e.具有互操作性; f.具有面向未来的、开放的体系结构。 IEC 61850标准系列覆盖了变电站的所有接口 通信。它将变电站通信体系分为3层:变电站层、间 隔层、过程层['13o IEC 61850-9-1阐述了间隔层和 过程层的通信及合并单元与二次设备之间的串行单 向多点通信，且定义了相应的通信栈和数据层数据 单元结构[9,1210 a.物理层。合并单元与二次设备之间的连接选 用光纤传输系统IEEE 802.3 100 base一FX或 10 base -FL，假若连接选用铜线传输系统IEEE 802.310 base -T，仅用于试验。 b.链路层。基于ISO/ IEC 802.3协议，以太网 络的物理传输帧由11个单元组成。PR:前导码， 用于收发双方的同步时钟，是56位的二进制数 1010101010---. SD:帧首界定符，是8位的10101011, 与前导码不同的是最后2位是11而不是10，表示 跟随的是真正的数据。DA:目的地址，标准建议默认 值为广播地址，即16进制的FFFFFFFFFFFF,48位。 SA:源地址，可自己定义，但在局域网内应为唯一的 标志，48位。TPID:协议检验标志，16位。TCI:控制 信息标志，16位。TYPE:帧的数据类型,16位。PDU ; 协议数据单元，64位。APDU:应用协议数据单元， 584位，它由应用协议控制信息((32位)和应用服务 数据单元(ASDU)组成，应用服务数据单元分为通用 数据段(46字节)和状态标志数据段((23字节)。SI: 状态标志数据段。PCS:32位数据校验位。 c.传输层。发送方的通信系统，在缓冲区刷新 后，立即通过链路层发送采样缓冲区内的数据。缓 冲区的刷新频率取决于采样频率和每个APDU连接 的ASDU个数。 d.应用层。IEC 61850-9-1中描述的信息交换 是通过ASDU实现的，它是基于严格规定的标准化 报文传输应用，其类型标识和特定的应用条目联系 在一起，应用服务数据单元的通用数据帧与IEC 60044-8定义的通用帧帧内容是一致的。 2.3.2 数据输出模块的实现 数据输出模块中的主要器件是美国TI公司的 TMS320LF 2407芯片和台湾Realtek公司的以太网 控制器RTL 8019AS ['3] o RTL8019AS支持Ethernet II 与IEEE 802.3标准，支持8/16数据总线，8个中断 申请线以及16个I/0基地址选择。 由 电 力 自 动 化 极 备 第26卷 RTL8019AS与主机有3种接口模式:跳线模式、 即插即用(PhP)模式和RT模式。为了简化DSP网络 接口的软、硬件设计，选用了跳线接口模式。图5是 数据输出模块的结构原理框图。 TMS320LF 2407 RTL9019AS 图5数据输出模块结构原理框图 Fig.5 The structure of data-output module 由于在链路层，电子式互感器的数据传输的服 务类别是S1方式:SEND/NO REPLY，即互感器连续 周期性地传输数据，而不需要考虑是否收到二次设 备的应答。因此，DSP对RTL8019AS的编程主要包 括初始化和发送控制。 RTL 8019AS的振荡电路稳定后，保持RSTDRV 引脚高电平至少20个周期，然后保持低电平，RTL 8019AS便能可靠复位。复位初始化后，还要对 RTL8019AS内部的部分寄存器进一步初始化，然后 才能发送数据或接收数据。 下面的程序将完成RTL 8019AS的初始化: SPLK # 0021 H, 60 H ;选择页0寄存器，NIC处于 离线状态 OUT 60H，CR SPLK #OOC9H,60H ;选择16位输出方式 OUT 60H，DCR SPLK # OOOOH , 60H ;远程DMA字节寄存器清零 OUT 60H,RBCRO OUT 60H,RBCR1 SPLK #OOCCH,60H ;初始化接收状态配置寄存器 OUT 60H，RCR SPLK #OOEOH,60H ;初始化发送状态配置寄存器 OUT 60H , TCR SPLK #004CH,60H ;设置接收缓冲环起始页面地 址寄存器 OUT 60H , PSTART SPLK #0080H,60H ;设置接收缓冲环终止页面地址 寄存器 OUT 60H, PSTOP SPLK # 004CH , 60H ;设置边界指针寄存器 OUT 60H，BNRY SPLK # OOFFH , 60H ;清网卡中断状态 OUT 60H, ISR SPLK # OOFFH , 60H ;设置中断屏蔽寄存器 OUT 60H, IMR SPLK # 0061 H, 60H ;选择页1寄存器 OUT 60H,CR 设置网卡地址PARO-PAR5 设置多点地址寄存器MARO-MAR7 SPLK #004CH,60H ;初始化当前页面寄存器 OUT 60H,CURR SPLK #OOEIH,60H ;选择页3寄存器 OUT 60H，CR SPLK # 0080H , 60H ;开中断 OUT 60H,CONFIGI SPLK # 0021 H , 60H ;选择页0寄存器 OUT 60H，CR SPLK # 0022H , 60H ;启动网卡 OUT 60H，CR RTL8019AS内置的16 k SRAM可作为接收缓冲 区和发送缓冲区。缓冲区地址为0x4000-0x8000，分 为64页，每页256 Byte，页地址范围为0x40-0x80. 接收和发送的数据包是按照页进行存取的。在16位 模式下，发送存储空间可从Ox 4000一Ox 4B00。在进 行发送数据之前必须设置页0中的2个寄存器: RBCR和RSAR。这2个寄存器是16位的。RBCR寄 存器的值指明传送数据长度，RSAR寄存器的值指 明数据在RTL 8019AS的数据RAM中的起始位置。 当DSP要向网络发送数据时，先将一帧数据通过远 程DMA通道送到RTL 8019AS的发送缓冲区，然后 发出传送命令。RTL 8019AS完成了上一帧的发送 后，再完成此帧的发送。 图6是发送控制的流程图。 图6发送程序流程图 Fig.6 The flowchart of transmission 3 结语 本文所提出的一种基于FPGA和DSP技术的合 并单元实现方案，利用FPGA中I/0端口多，端口功 能可编程、自定义，硬件执行速度快和DSP具有高 速信息处理功能的特点，配以VHDL和汇编编写的 系统内部执行软件，能够实时、快速地处理合并单元 中的各路数据信息，为二次保护、测控设备的准确工 作提供了可靠的保证。 第4期 刘 馄，等:电子式互感器合并单元(MU)的研究与设计 . 参考文献: [1]申烛，罗承沐.电子式电流互感器的新进展【J].电力系 统自动化，2001,25(22):59-63. 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(责任编辑:柏英武) 作者简介 刘 OL(1982-)，男，湖南击阳人，硕士研究生，研究 方向为电力系统微机保护及变电站自动化(E-mail: liu kun 3344@126.com); 周有庆(1944-)，男，河AL故城人，教授，博士研究生 导师，从事电力系统微机保护及变电站自动化方面的研究; 彭红海(1972-)，男，湖南怀化人，讲师，博士研究生， 从事电力系统徽机保护及变电站自动化方面的研究; 吴桂清(1967-)，男，湖南常德人，副教授，博士研究 生，从事电力系统微机保护及变电站自动化方面的研究。 Research and design electronic transducer merging unit LIU Kun, ZHOU You-ging, PENG Hong-hai，WU Gui-ging (Hunan University, Changsha 410082 ,China ) Abstract: MU (Merging Unit) is the important component of the interface between electronic trans- ducer and protective device. The definition of MU and its international standards are introduced,and the main functions of MU and its implementation are researched. A scheme using FPGA and DSP is proposed. It divides MU into three different functional modules,which are analyzed in detail. The test results prove that MU can deal with several tasks in parallel with large information flow and high communication speed. It proves the reliability and real-time performance of MU. Key words Manchester :electronic merging unit; field programmable gate array; code;center transducer; Rogowski coil; sampling