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合并单元的一种高效低成本实用设计方案

发布时间:2019-07-22 01:43 来源:未知 编辑:admin

  合并单元是电子式互感器与间隔层设备接口的重要组成部分,本文针对合并单元提出了一种高效率、低成本的实现方法,具有较高的实用价值。文章着重阐述了硬件设计方案,并给出了软件流程图,最后对合并单元传输采样值传输规范IEC61850-9-1和9-2进行了简单的比较,为工程实际应用提供一定的参考。

  IEC61850标准将变电站自动化系统的逻辑结构由上而下分为3个层次,即站控层、间隔层和过程层。IEC61850-9规定了过程层设备(电子式互感器)与间隔层设备(二次侧)接口的重要组成部分——合并单元,其主要任务是对采集的12路电压、电流信息按照规定的格式传输给二次保护、控制设备, 除此之外,合并单元发送的报文中还包括一些标志采样值是否有效的状态信息、同步信息和设备维护信息等。

  本文针对合并单元提出了一种高效率、低成本的实现方法,给出了较详细的硬件设计方案和部分软件流程图,并对合并单元传输采样值传输规范是采用IEC61850-9-1还是9-2的问题进行了初步的探讨,为工程实际应用提供一定的参考。

  其主要任务是根据电站秒脉冲来控制采样时刻, 然后将数据收集组帧。值得注意的是合并单元并不一定要承担A/D的任务,有可能A/D采集在电子式互感器里面完成,再将V/F脉冲信号发送至送到合并单元,也可能是模拟信号直接与合并单元相连。总之连接的物理介质和信号方式是不限定的。

  二次设备需要的电流和电压信息必须是同一时间点上采得的,但这些信息可能来自不同的设备间隔。因此,同步模块的功能包含两个方面:一是使得站内各个合并单元之间实现同步,二是使得连接在同一合并单元的互感器的采样数据之间实现同步。

  合并单元的同步一般可以由GPS按 1 秒钟一次的频率发出时钟信号,同步所有合并单元的数据采集起始点。采样数据的同步可以采用插值法或者同步脉冲法。插值计算是由二次设备完成的,根据互感器提供的若干个时间点上的采样值,通过插值计算得到需要的时间点上的电压或电流值,同步脉冲法则是使用统一的同步脉冲信号,电子式互感器在送出的采样值中打上时标,提供给二次设备。同步脉冲可以通过主时钟获得。实际应用中可将两种方案结合起来。

  同步源丢失是非常危险的事情,这意味着各个合并单元收集到的数据将没有统一时间标准,也就意味着相与相之间,变压器出线与进线之间相差会产生测量错误,保护设备将会发出保护指令跳闸,造成停电事故。因此,当外部时钟丢失时,必须要能够警告二次保护设备,并且自身利用锁相环保持A / D采样时间间隔。

  其功能是采用IEC61850-9描述的以太网接入方式, 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,并将采集到的数据打上时间、逻辑节点名等标签后,按照IEC61850-9-1/2的规定格式进入缓冲区,再按照ISO/IEC 8802.3协议规定的帧格式进行数据封装,实现数据传输。

  合并单元的硬件包括同步模块、模拟信号输入隔离、前置信号处理电路、A/D转换模块、缓冲器、控制器、网络模块、100Base-Fx模块等。在设计的时候,除了实现应有的功能和保障性能参数以外,还着重考虑了成本。合并单元硬件结构如图2所示。

  其中信号输入隔离主要是针对IEC6100-4-4标准中对信号和控制端口施加电快速瞬变脉冲群、IEC6100-4-6中施加的射频传导共模调幅以及TC77中施加工频共模干扰作出的安全保障,同时也能降低本设备对外界的干扰。

  前置信号处理电路包括信号的直流偏置、放大、移相和滤波等环节,将隔离过来的信号处理成适合A/D转换输入的信号。

  同步模块由CPLD构成,其主要功能是接收同步接口的同步脉冲,然后重新确定ADC触发脉冲的起始位置。首先由网络模块将需要分频的系数写至装载区,由计数器进行同步装载,然后重开始计数,达到预设值后发出触发脉冲,然后重新装载初始化数值。接收到同步脉冲时,则强行将计数值调整到能发出触发脉冲的预定数值,再重新开始装载计数。

  由于ADC需要转换时间,所以每一个触发脉冲发出后,需调整触发脉宽,然后将脉冲分配出去,16位计数器将脉冲分配的次数记录在寄存器里供网络模块读取。如果没有同步置数脉冲,计数器根据软件预置数进行循环计数,有同步脉冲则自动清零。

  12通道A/D转换器由6片两路16位的C8051F064型号高速MCU构成,转换速率可达到1Msps。与常见的伪同步采样不同,这里省掉了采样保持,直接将前置电路处理过的信号送入MCU内部的的ADC中,由MCU的 ADC保持连续的跟踪,一旦有触发信号,就在其上升沿开始进行数据转换。触发信号由同步模块发出,12个通道即统一启动转换。

  选择MCU做信号采集,不仅采集精度有保障,而且每一个MCU里面有两个ADC,并带有FLASH、RAM和内部晶振,基本不需要外部器件,且接口及其丰富,完全可以用作两个16位宽度的并口。这样的1片MCU市场价格约120元,12路数据采集通道只需6片,共720元,而同样精度和采样率、带采保的ADC再加上做为缓冲的16位双口RAM,价格在4500元以上。

  系统中存在3.3V和5V两种电平,这两种电平之间的连接采用缓冲器来代替支持双电压系统的16位双口RAM,也能有效地节约成本。缓冲器的另一作用是避免数据总线冲突拥挤。准备好的数据被排列在公用总线之后,没有控制器的命令不得放闸到总线。

  当所有数据准备好之后,控制器向网络模块发出中断申请,这时,网络模块通过PC104总线个通道的数据连续读出。

  网络模块由嵌入式0x86兼容机构成,主频300MHz,带10M/100M自适应网口和PC104总线Mbytes/s的数据吞吐量,可满足此合并单元支持最高10K的采样率的要求。网络模块的主要功能是发送数据,当采集的数据经PC104总线传递来之后,按照IEC61850-9-1规定的帧格式组帧,然后经PCI总线C网卡的发送区。

  此外,由于A/D转换中采用了多片MCU,就必须要有看门狗来监视各MCU的CPU,以便在遇到强干扰,程序指针出现异常时能够让它们重新开始同步工作。每一个MCU都有自己的看门狗,但是不能做到协调一致,在此将每一个MCU的复位线引到网络模块的并口,作为看门狗复位接口。

  在正常情况下,每一个MCU都同步发出中断请求信号,所有信号相与,然后送给网络模块。当1个MCU出现问题时,在均匀间隔时间上的中断请求信号就会消失,只要检测到中断请求消失,就启动看门狗,由并口发送复位信号给所有的MCU,让其重新开始运行程序。

  合并单元的软件包括配置软件、嵌入式工控机软件和MCU软件。配置软件位于合并单元外部,用于配置采样频率和IEC61850-9-1帧结构中的一些字节等。

  MCU软件主要是实现数据采集、FIFO数据移位、测试线路和接受配置数据等功能。限于篇幅,这里只给出MCU软件的流程图,如图3所示。

  数据采集处理单元通过缓冲器与串口发送模块交换数据。串口发送模块响应1kHz的外部中断信号,从外存储器中读取实时数据,封装成IEEE802.3帧,通过100BASE-Fx以太网端口发送。以太网控制器的初始化由底层函数完成。

  对于合并单元的采样值传输服务功能,IEC61850标准划分了2种不同的映射方法,即 IEC61850-9-1和IEC61850-9-2部分。

  二者在通信方式、对ACSI模型的支持、SCSM映射方式等方面各有优缺点。在实际工程应用中,选择IEC61850-9-1还是IEC61850-9-2来实现合并单元的采样值传输服务是一个值得探讨的问题。

  IEC61850-9-1规定了通过单向多路点对点串行通信链路的采样值传输方式,只需考虑传送介质的带宽和接受方CPU处理数据的能力,而不用担心数据流量对于其他间隔设备传输的影响,因为它并没有通过网络与其他间隔共享网络带宽。

  在这种传输方式下,地址域以全部由“1”组成的以太网广播地址作为目标地址的缺省值,因此发送侧没有必要进行地址配置。IEC61850-9-2则采用了过程层网络总线传输介质,直接访问ISO/IEC802.3链路,传输时需要考虑网络传输流量的控制。

  与9-1相比,9-2能更加彻底地实施变电站过程总线的数字化,它要求将MU装置及数字化测控、保护装置包含于同一个交换式以太网上,这就对网络交换机及MU装置及数字化测控、保护装置的网络性能提出了很高的要求。

  IEC61850-9-1规定合并单元输入通道为12路,采用专用数据集;帧格式固定,不允许改变,采用广播或组播的方法;自定义数据默认方式,仅有采样值报文; 9-1 仅支持报文传输服务(SendMSVMessage),而不支持 MSVCB 控制块属性的读和设置服务。因此9-1的映射方法相对固定、简单,相对容易实现,但对ASCI模型的支持不够完备。

  IEC61850-9-2部分除了支持直接映射到数据链路层的“SendMSVMessage”服务外,还支持向MMS的映射,通过 “GetMSVCBValues/SetMSVCBVlaues”等控制服务可重新设定输入通道数、采样频率等参数,支持对数据集的更改和对数据对象的直接访问,帧格式可灵活定义,并支持单播方式和采样值报文。

  因此IEC61850-9-2的映射方法更为灵活,对ASCI模型的支持也更加完备。但由于MMS协议的复杂性,9-2实现起来有一定的难度。

  目前国内的已投运的数字化变电站基本都采用的是 9-1标准,9-2标准工程实际应用还较少。鉴于本文中合并单元项目的实际情况,采用了相对简单的9-1标准。但笔者认为,随着网络技术的发展,9-2标准将成为大势所趋。

  合并单元是数字化变电站中过程层设备(电子式互感器)和间隔层设备接口的重要组成部分。本文对合并单元的设计方案选择MCU来进行数据采集,省掉了昂贵的采保,又采用缓冲器来代替了支持双电压系统的RAM,既保证了性能又大大降低了成本,具有较高的实用价值。

  作为合并单元采样值传输规范,IEC61850-9-1具有映射方法相对固定,较易实现等特点,但对ASCI模型的支持不够完备,而IEC61850-9-2的映射方法更为灵活,对ASCI模型的支持也更加完备。

  (摘编自《电气技术》,原文标题为“合并单元的一种高效低成本实用设计方案”,作者为刘春。)返回搜狐,查看更多

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