（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850标准的合并单元的研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho fm e r g i n gu n i tb a s e do ni e c 6 1 8 5 0 s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e ma n d a u t o m a t i o n n a m e ：h u a n g c a n y i n g i n s t r u c t o r ：y u n b a o j i f u z h o u x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sh a v em o r ea d v a n t a g e st h e ne l e c t r o m a g n e t i ct r a n s d u c e r ，s u c ha s s m a l li ns i z e ，l a r g ed y n a m i cr a n g e ，w i t h o u tf e r r o r e s o n a n c e ，g o o di n s u l a t i o ne c t i tw i l lb e w i d e l ya d o p t e di nd i g i t a ls u b s t a t i o n b u ti nt h er e a l i z a t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o n s ，o n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e sq u e s t i o ni sh o w t oi n t e r f a c eb e t w e e nt h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n dt h e s e c o n de q u i p m e n t ，a n dt h em e r g i n gu n i ti st h ed e v i c eo fc o n n e c t i n ge l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r a n dt h es e c o n de q u i p m e n t ，s or e s e a r c h i n gt h em e r g i n gu n i tn o to n l yc a ns i m p l i f yt h e s e c o n de q u i p m e n tb u ta l s oc a ni m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo fr e a l i z i n gt h es h a r i n go f i n f o r m a t i o nw i t h i nt h es u b s t a t i o na n de n h a n c es y s t e mi n t e g r a t i o n , i th a v eg r e a tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e b a s e do ni e c 618 5 0s t a n d a r d s ，t h i sp a p e rd e s c r i b e da n dr e s e a r c h e dt h ef e a t u r e sa n d f u n c t i o n so fm e r g i n gu n i t - - t h ed i g i t a li n t e r f a c ec o m p o n e n t so fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ro ft h e r e l e v a n ts t a n d a r d s a tt h es a m et i m ei ti sr e a s o n a b l ed i v i d e dt ot h r e ef u n c t i o nm o d u l e s ：d a t a r e c e i v e rm o d u l e ，d a t a - p r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t ao u t p u tm o d u l e ，w h i c hi sb a s e do nt h e d e s i g no ft h i sp a p e r t h i sp a p e rf i r s td e s i g nt h em o d e lo ft h em e r g i n gu n i ta c c o r d i n ga si e c 618 5 0s t a n d a r d s ， s e c o n d l y ，i tu s et h ef p g at e c h n o l o g yd e s i g nt h ed a t ar e c e i v e rm o d u l eo fm e r g i n gu n i t i ta l s o r e s e a r c hn d e p t ht h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo fm e r g i n gu n i t , a n du s et h em e t h o do fc l o c k s y n c h r o n i z a t i o nt os y n ct h es a m p l i n gd a t ao fm e r g i n gu n i t ，t h i sm e t h o dc a ng o o dg u a r a n t e e d a t as y n c h r o n i z a t i o n ；f i n a l l y ，i td e s i g nt h ed a t ao u t p u tm o d u l e ，u s i n ga r ma n de t h e m e t c o n t r o l l e rh a r d w a r e # a t f o r m , i tr e a l i z e st h es a m p l ed a t ar a p i da n da c c u r a c yt r a n s m i s s i o n a c c o r d i n ga si e c 6 1 8 5 0 9 1 s o f t w a r es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h et w ou n i t s f u n c t i o nm o d u l e so ft h em e r g i n gu n i tc a nb e t t e ra c c o m p l i s ht h e i rr e s p e c t i v ef u n c t i o n s ，i ta l s o p r o v i d e dt h e r e a l i z a t i o no fav i a b l em e t h o do fm e r g i n gu n i tt os o l v et h es a m et i m e m u l t i - t a s k i n g ，c o m m u n i c a t i o no fi n f o r m a t i o nf l o w ，h i g hs p e e d o fm e r g i n gu n i t k e y w o r d s ：e c t e v t d i g i t a lo u t p u tm e r g i n gu n i t i e c 6 18 5 0 t h e s i s ：a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h 姿料技太擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名莎n 厶轧日期：肘r 易d 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 舯教师躲铝沁谰署 6 9 年6 月b 日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 电力系统是国民经济的命脉之一，变电站是电力系统的重要环节，随着计算机技术 和通信技术的进步和电网对安全、稳定、可靠运行的提高及运行管理现代化的要求，提 出了实现数字化变电站的概念。实现数字化变电站能有效降低变电站的造价，减少新建 变电站的投资；提高变电站的安全与经济运行水平，减少变电站的运行值班人员【l 】。为 此8 0 年代之后国内外各大电气公司纷纷努力的目标是研究和开发以新型的高压设备、 计算机技术和网络通信技术为基础的、各种电压等级的变电站自动化系统，以取代、更 新和改造传统变电站的二次系统【2 叫。 传统的电力互感器由于其自身结构上的局限性，在线性度、绝缘、负载能力等方面 也越来越不能适应电力系统的要求，电子式互感器能够有效解决传统互感器的缺陷，电 子式互感器以其突出的优点将成为传统电力互感器的理想替代品。电子式互感器的应用 有效促进了对数字化变电站的研究，电子式互感器、数字计量和保护技术以及先进的光 纤通信技术的应用将使变电站自动化技术发生深刻的变革【5 】。 合并单元是随着电子式电流电压互感器的产生而出现的，其主要功能是接收电子 式互感感器输出的数字采样值，并对采样值进行验证、合并，以通信的方式向变电站间 隔层传递数字采样合并值。在一定程度上实现了过程层数据的数字化和共享化。 i e c 6 18 5 0 标准对变电站过程层的访问和操作有数字化的要求。由于技术和投资的 限制，变电站过程层完全“总线化一将是一个较长的过程，在这一过程中，合并单元为 变电站过程层数据的数字化、共享化提供了解决方案。 作为变电站乃至整个电网保护测控数据的源，合并单元具有十分重要的作用，因此， 对电子式互感器的数字化接口合并单元的研究具有重要意义。 1 2 电子式互感器 传统的电流互感器c t ( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 、电压互感器p t ( p o t e n t i a lt r a n s f o r m c e r ) 基于电磁感应原理，在过去一个多世纪里适应了电力建设的发展需求。然而，随着电力 传输容量的不断增长和电网电压的提高，传统的电磁感应式互感器已逐渐暴露出与之不 相适应的弱点。传统电磁式互感器的缺点主要有：体积大、制造工艺复杂、造价高、绝 缘困难、动态范围小、易产生铁磁谐振、互感器的输出信号不能直接与微机化计量与保 护设备接口等。为了适应电力系统的发展，迫切需要一种新型的电力互感器来代替传统 的c t 、p t 。 西安科技大学硕士学位论文 由于光的测量方法与电的测量方法相比具有抗电磁干扰、绝缘性能好等优点，人们 开始尝试将现代光学传感技术、半导体技术和计算机技术应用于电气测量，这就是电子 式电流互感器( e l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r ，简称e c t ) 和电子式电压互感器 ( e l e c t r o n i c v o l t a g et r a n s f o r m e r ， 简称e v t ) 怕。 电子式互感器根据高压侧是否需要供电，可以分为有源型和无源型两种【7 ，8 l ，按照测 量对象的不同可以分为电子式电压互感器和电子式电流互感器。有源型电子式电流互感 器是在传感头部分用r o g o w s k i 线圈或低功率的电磁感应式c t 获取被测电流信息，并 将被测电流转换成与之有一定关系的电压信号，高压侧调制电路将电压信号转换成数字 信号驱动发光二极管，以光脉冲的形式通过光纤传输至低压侧进行后续处理；无源型电 子式电流互感器o c t ( o p t i c a lc u r r e n tt r a n s f o r m e r ) , 贝l j 利用f a r a d a y 磁光效应，将一束线偏 振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面将会发生旋转，旋转角与被测电 流大小成比例，通过测量偏振光的旋转角即可测得电流值。有源型电子式电压互感器测 量经阻容分压后的电压值，以获得被测高电压的大小。无源型电子式电压互感器 o p t ( o p t i c a lp o t e m i a lt r a n s f o r m e r ) 贝l j 是利用p o e k e l s 效应，一束线偏振光通过有电场作用 的p o c k e l s 晶体时，其折射率发生变化，使得入射光产生双折射，而且从晶体中出射的 两束线偏振光的相位差与被测电压成正比例关系，通过间接测量方法就可以得出被测电 压的大小e 9 。 与传统的电磁感应式互感器相比，电子式互感器具有如下优点【l 2 】： ( 1 ) 绝缘结构简单，体积小、重量轻，便于运输和安装； ( 2 ) 采用光纤或其它加强绝缘方式实现高电压回路与二次低压回路在电气上的完全 隔离，消除这些回路不希望有的相互影响，保证了二次设备和工作人员的安全； ( 3 ) 带负载能力强。对于接入任意输入阻抗，以模拟或数字形式输入信息的负载可具 有任意需要的独立输出； ( 4 ) 由于传感和信号处理部分外形小和重量轻，可以装入成套电器或成套配电装置 中，适应电力设备向集成化方向发展的趋势； ( 5 ) 不存在磁饱和与铁磁振荡问题，能在很大的电流与电压变化范围内，以高速、准 确、抗干扰的宽频带性能来测量电流、电压； ( 6 ) 电子式互感器具备数字输出方式，适应了电力系统数字化、智能化和网络化的需 要。电子式互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，可直接用于微机保护和电子 式计量设备中，而且能实现在线检测和故障诊断，在变电站自动化中具有明显的优势。 电子式互感器有着传统电磁式互感器无法比拟的优点，随着现代光学技术、微电子 技术和数字信号处理技术的发展，必将取代传统电磁式互感器，成为未来数字化变电站 的主要信号传变设备。 2 1 绪论 1 3i e c 6 1 8 5 0 标准简介 为适应变电站自动化技术的快速发展，从1 9 9 5 年开始，i e ct c 5 7 ( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o nt e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 成立了三个工作组1o 、11 、12 ( w g l 0 1 1 1 2 ) 负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准【1 3 】。三个工作组分工明确：w g l 0 负责变电站 数据通信协议的整体描述和总体功能要求的定义，w g l l 负责变电站层与间隔层之间数 据通信的定义，w g l 2 负责过程层与间隔层之间数据通信的定义【1 4 1 。1 9 9 9 年3 月，三个 工作组提出了i e c 6 1 8 5 0 委员会草案( c d ，c o m m i t t e ed r a f t ) ，时至今日，i e c 6 1 8 5 0 标准的十大部分均已出版发行。 i e c 6 1 8 5 0 标准是一个庞大的协议体系，具体组成如图1 1 所示【1 5 】： 图1 1i e c 6 1 8 5 0 标准的结构 标准主要围绕以下几个方面展刃1 1 6 - 1 9 ： ( 1 ) 功能模型。从逻辑节点( l o g i c a ln o d e ) 通信信息片p i c o m ( p i e c eo f i n f o r m a t i o n f o rc o m m u n i c a t i o n ) 概念出发，定义了系统的功能模型和通信要求( p a r t5 ) 。 ( 2 ) 系统工程。基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 定义了系统和配置参数交 换文件格式、一次系统单线图和l e d ( i n t e l l i g e n ge l e c t r o nd e v i c e ) 能力等( p a r t6 ) 。 ( 3 ) 信息模型及服务。采用面向对象的方法，定义了逻辑节点类、数据类和数据属性 西安科技大学硕士学位论文 等，并定义了相应的抽象通信服务接口a c s i ( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e i n t e r f a c e ) 来实现数据交换( p a r t7 x ) 。 ( 4 ) 特定通信服务映射s c s m ( s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o n s e r v i c em a p p i n g ) 。定义 了由a c s i 向通信协议栈的映射( p a r t8 1 和p a r t9 - x ) 。 ( 5 ) 一致性测试。定义了一致性测试规则、抽象测试集和测试设备要求等( p a r t1 0 ) 。 与传统通信协议体系相比，i e c 6 18 5 0 在技术上有如下特点： ( 1 ) 面向对象的分层、统一建模 定义了基于客户机服务器结构的数据模型。每个i e d 由服务器和应用组成，将服 务器分为逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性。 ( 2 ) 数据自描述 提供了整套面向对象的数据自描述方法：定义完整的数据对象、逻辑节点和逻辑设 备的代码；定义用这些代码组成的完整地描述数据对象的方法；定义一套面向对象的服 务。 ( 3 ) a c s i 和s c s m 技术 总结了变电站内信息传输所必需的服务，定义了独立于网络和应用协议的a c s i ， 包括通信服务、通信对象及参数，这些抽象信息模型通过s c s m 映射到常用的通信协议 栈。通过使用a c s i 和s c s m 技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛 盾，即当网络技术发展时只要改动s c s m ，而不需要修改a c s i 。 1 4 合并单元的研究现状 2 0 世纪7 0 年代起，大部分国家就已集中精力进行无源式电子电流互感器的研制工 作，著名公司有美国西屋、a b b 、t r e n c h 等。近年来，各国也非常重视有源式电子电流 互感器研究，特别是r i t z 、a b b 等公司。其中，t r e n c h 公司开发出了适用于中压开关 设备的低功率电子式互感器。其产品符合i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器标准，能满足 所有测量和保护的要求，具有体积小、重量轻、环保、高可靠性等特点 2 0 - - 2 2 1 。 2 0 世纪8 0 年代，发达国家的电气公司就已投入大量人力和物力从事电子式电压互 感器的研发，美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出实用型的电子式互感器样机， 并挂网运行取得成功。其中t r e n c h 公司研制出的低功率电子式电压互感器，基于补偿 式电阻型分压器，能满足测量和保护的要求，并符合i e c 6 0 0 4 4 7 规定1 2 3 2 6 1 。 我国电子式电流电压互感器的研究始于七十年代，1 9 8 2 年在上海召开的“激光工 业应用座谈会”起到了重要的推动作用，目前主要研究单位有清华大学、华中科技大学、 华北电力大学四方研究所、西安同维公司、西安华伟公司、南自新宁公司、南京南瑞继 保电气有限公司等，研制生产了不同类别的电子式电流电压互感器。 近几年国内外研究光电互感器的公司及机构都将电子式互感器的数字接口作为其 4 1 绪论 主要的研究方向。i e c 6 1 8 5 0 9 1 协议制订以后，更加速了电子式互感器数字接1 3 的重要 组成部分合并单元的研发进度。a b b ，西门子等行业巨头已有相应产品问世，但并 未公开任何相关资料。目前国内包括华中科技大学在内，有数家企业、单位完成含合并 单元的电子式互感器的全部型式试验【2 7 1 。国网南瑞科技股份有限公司在2 0 0 7 年四月份 就已生产出样机，通过延时测试其最大网络延迟时间为到0 6 m s ，平均延迟时间为0 5 m s ， 可以满足二次保护控制单元对采样数据传输延迟时间的技术要求网。南自新宁公司研制 的与o e t 7 0 0 系列电子式互感器配合使用的合并单元除了可接收并处理来自多个电子式 互感器的数字信号外，还可以同时接收并处理传统电磁式互感器提供的模拟信号【2 9 】。南 京南瑞继保电气有限责任公司已生产出p c s 一2 2 1 系列合并单元，其是与电子式互感器配 合使用的数据采集发送单元，并具备计算及录波等功能p o l 。 1 5 合并单元的研究意义 为了将电子式互感器应用于变电站自动化系统，待解决的关键问题之一就是互感器 与变电站二次设备之间的接口问题，而合并单元是数字接口的主要组成部分。 合并单元是将现场电子式互感器输出的电流、电压信号合并并处理，然后按规定的 帧格式传送给变电站的二次设备，是整个自动化系统的关键设备，它具有处理多任务、 高可靠性和强实时性、通信信息流量大、通信速度高等特点。因此对合并单元的研究意 义有以下几点： ( 1 ) 简化了二次设备的结构。现代变电站内的装置大多是数字装置，传统的电磁式互 感器的模拟输出信号到这些数字装置需要经过采样保持、多路转换开关、a d 变换。而 合并单元送出的就是数字信号，可以直接为数字装置所用，从而省去了数字装置的这些 信号变换电路，简化了数字装置的硬件结构。 ( 2 ) 消除了测量数据传输过程中的系统误差，提高了整个系统的准确度和稳定性。 电子式互感器的模拟接口传送的模拟信号在保护设备中需再次进行模数转换。而随着微 机保护和控制设备的广泛采用，合并单元传送的数字信号在规定了相应的通讯协议下， 可直接与保护设备的有关总线相接，如此可去掉传统保护、计量、测控设备的隔离变压 器和模数转换部分，可以简化保护、计量、测控设备的系统结构，避免信号在传输、储 存和处理中的附加误差，有利于提高整个系统得准确度和稳定性。 ( 3 ) 有利于构建光纤网络和促进电力系统综合自动化发展。数据共享是电网自动化的 一个主要特点，而将保护和控制功能集成到同一个装置中则是实现数据共享的主要手 段。这种结构可提供大量的保护功能和更多的监控及数据采集s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 功能，从而使性能价格比更优。合并单元的通信方式特别 是i e c6 1 8 5 0 9 1 标准规定的基于以太网通信的接1 3 方式有利于保护和s c a d a 功能的 集成，实现保护和测量数据共享，改进数据的可利用性，减少互感器的使用量，构建全 5 西安科技大学硕士学位论文 分布式的综合自动化系统。 因此，电子式互感器与计量保护装置接口的合理接口设计，不仅能简化二次设备， 而且能提高整个系统的准确度和可靠性。接口的标准化还可促使变电站自动化通信控制 系统的优化，并最终实现变电站内的信息共享和系统集成。因此，针对电子式互感器与 计量、保护系统的接口技术的研究，即合并单元的研究具有重要的应用意义。 1 6 课题来源及论文的主要工作 数字化变电站是未来的发展方向，西安西瑞保护控制有限责任公司是一家专业从事 继电保护产品的开发、研制、生产的公司，公司在2 0 0 6 年底成立了数字化变电站组， 我有幸成为其中的一员，并负责电子式互感器的数字接口啥并单元的研究，主要完 成的的工作有： ( 1 ) 参与了合并单元的总体方案的设计； ( 2 ) 研究了i e c 6 0 0 4 4 8 与i e c 6 1 8 5 0 标准中规定的关于电子式互感器合并单元的定义 及对传输帧格式的定义； ( 3 ) 根据i e c 6 1 8 5 0 标准对合并单元进行了建模； ( 4 ) 利用f p g a 设计了合并单元的数据接收模块，并对数据的同步问题作了深入的研 究； ( 5 ) 对合并单元的数据输出模块进了硬件及软件设计，利用a r m 处理器与以太网控 制器实现了采样值的正确传输。 结合本人的实际工作与研究情况，论文的具体章节安排如下： 第一章：综述了研究电子式互器合并单元的重要意义、i e c 6 1 8 5 0 标准简介、国内 外电子式互感器及合并单元的研发情况、课题来源和本人的工作。 第二章：根据i e c 6 0 0 4 4 8 及i e c 6 18 5 0 两个标准对合并单元进行了具体的分析，并 研究了两个标准对合并单元的具体规定及简要的介绍了合并单元的功能及结构模块。 第三章：根据i e c 6 1 8 5 0 标准的要求，对合并单元进行了信息模型的构建。 第四章：介绍了f p g a 的发展及设计流程，利用f p g a 设计了合并单元的数据接收 模块，并对合并单元的数据同步模块进行了详细设计及分析。 第五章：设计了合并单元的数据输出模块，利用a r m 处理器和以太网控制器对采 样值进行了传输。 第六章：结论：对全文工作进行了总结，并提出了对未来工作的设想。 6 2 合并单元的分析与研究 2 合并单元的分析与研究 2 1 引言 为了有效利用电子式互感器的优点，各数据信息必须统一处理，在时间不确定性小 于几微秒的同一瞬间，所取电流和电压瞬时值应传输到测量和保护装置，因此，对同一 个变电站间隔的各电流、电压信号，即三相的电流、电压应按一个协议规程传输，而作 为此电流电压综合的物理单元被称为合并单元。合并单元用于对来自电子式互感器二次 转换器的电流或电压数据做时间相干的组合，可以是现场变换器的一个部件，或是独立 的单元。合并单元与二次设备的通信方式有两种技术方法，一是i e c 6 0 0 4 4 8 中描述的 通信技术，采用点对点链接方式，并按照i e c 6 0 8 7 0 5 1 规定的f t 3 数据格式封装，实 现数据传输【3 l 】；二是i e c 6 1 8 5 0 9 1 变电站通信网络和系统协议中描述的以太网络， 按照i s o i e c s 0 2 3 协议规定的帧格式进行数据封装，实现数据传输。 2 2 合并单元的定义 在i e c 6 0 0 4 4 8 里给出了合并单元( m e r g i n gu n i t ，简称m u ) 的明确定义：合并单 元是用以对来f l - 次转换器的电流和或电压数据进行时间相关的组的物理单元。合并单 元可以是互感器的一个组成件，也可以是一个分立单元。 合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，连接了电子式互感器二次转 换器与变电站二次设备。采用一台合并单元( m u ) 汇集多达1 2 个二次转换器数据通 道。一个数据通道承载一台电子式互感器或一台电子式互感器采样测量值的单一数据 流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换器传输到合 并单元。合并单元对二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转换器也可从 常规电压互感器或电流互感器获取信号，并可汇集到合并单元。合并单元的主要功能是 同步采集三相电流、电压互感哭输出的数字信息，汇总后按照一定的格式传输给二次保 护控制设备。合并单元与二次设备的接1 ：3 是串行单向多路点对点连接，它将7 个( 3 个 测量，3 个保护，1 个备用) 以上的电流互感器和5 个( 3 个测量、保护，1 个母线， 1 个备用) 以上的电压互感器合并为一个单元组，并将输出的瞬时数字信号填入到同一 个数据帧中，如图2 1 所示。图中e v t a 是a 相电子式电压互感器；e c t a 是a 相电 子式电流互感器；s c ( s e c o n dc o n v e r t e 0 是二次转换器。合并单元可以以曼彻斯特编码 格式或按照i e c 6 1 8 5 0 9 规定的以太网帧格式将这些信息组帧发送给二次保护、控制设 备，报文内主要包括了各路电流、电压量及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关 状态的二进制输入信息和时间标签信息。 7 西安科技大学硕士学位论文 e c t a ( 测量) 的s c 图2 1 合并单元的数字接口示意图 2 3 合并单元的通信特点 合并单元既需要与电子式互感器接口，也需要与间隔层i e d 通信，其通信特点如下 【3 2 】： ( 1 ) 任务处理的并发性。合并单元需同时接收各自独立的多路数据，并对各路数据在 传输过程中是否发生畸变进行检验，以防止提供错误数据给保护、测控设备； ( 2 ) 高可靠性和强实时性。合并单元所接收的电流、电压信息是保护动作判据需要的 信息，接口通信处理时间的快慢将直接影响到保护的动作时间。此数据通信位于开关附 近，故对其抗干扰性要求很高，需保证数据安全可靠地传输给保护测控等设备； ( 3 ) 通信信息流量大。合并单元需要采集三相电流、电压信息，电流信息又分保护和 测量两种，这些信息均是周期性( 非突发性) 的，接口通信流量较大。在对采样率要求 较高的线路差动保护和计量等应用中，通信流量会更大； ( 4 ) 通信速度较高。由于接1 ：3 的通信环境恶劣，故合并单元与各路数据通信一般采用 光纤通信，选择串行通信的方式更为合理，这就对通信速度提出了较高的要求。 2 4 合并单元的功能及结构 合并单元可分为三个功能模块： 同步功能模块。在正确识别外部输入的同步秒脉冲时钟信号( 一般来自于 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 接收机的输出) 后，合并单元给各路电子式互感器发送同步 2 合并单元的分析与研究 转换信号。同步转换信号的频率应符合二次保护、测控设备的采样率要求。 多路数据采集和处理模块。这是与e c t e v t 接1 ：3 的主要功能。在合并单元给多 路e c t e v t 发送同步转换信号后，将同时接收多路( 最多1 2 路) 通道的输出数据并对 其有效性进行校验。此外，合并单元还需对这些数据进行正确排序并输出给串行发送模 块。如图2 2 所示。 串行发送模块。将各路采样值数据进行组帧并发送给保护测控设备。此功能体 现了i e c 6 0 0 4 4 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 中合并单元设计的主要区别。前者基于f t 3 帧格式进 行曼彻斯特编码发送，由于传输速率较慢( 编码前为2 5 m b p s ) ，限制了采样率，不适用 于对采样率要求较高的计量和差动保护应用等，后者通过以太网进行发送，速度可达 1 0 0 m b p s 甚至更高，应用更为广泛。 给多路e c t ，e 、仃发送 同步数据采集命 令，格式自定义 接收多路e c t e v t 输出的电 流、电压信息， 格式自定义 ”。 7 。带时标的外部 同步输入信号 同步模块 同步源异常警告 多路数据采集 和处理模块 审 行 发 送 模 块 图2 2 遵循i e c 6 1 8 5 0 9 的合并单元功能模型 1 0 m 或1 0 0 m 以太网 一+ 一i 从结构上来分，合并单元又可分为以下三个模块：数据接收模块、数据处理模块、 数据输出模块。 2 4 1 数据接收模块 数据接收模块主要由解码校验模块、同步功能模块以及数据排序模块组成，如图2 3 所示，将在第四章详细分析讨论。 9 西安科技大学硕士学位论文 同 图2 3 合并单元数据接收模块 由于合并单元需要完成很多并行数据的采集及进行实时处理，且要求有较多的输入 输出端口，单个单片机很难完成此任务，而多个单片机进行联机处理虽然能够解决这个 问题，但是系统的集成度不好，且性能也会降低。因此，一般选择用现场可编程门阵列 c p l d ( c o m p l e sp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 或f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 来完 成合并单元的数据接收模块。 2 4 2 数据处理模块 合并单元接收的数据流经基于f p g a c p l d 的数据接收模块完成高速数据的接收 还原之后，将送入d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 中完成一系列复杂协议的处理。其结 构框图如图2 4 所示。 d s p a r m + i u l 数 数 均方根 相 数据 数据 卜据字 位 入 输出 接收 、 - - -值及相 缓滤 补 y 角计算 模块模块 波 偿 存 图2 4 数据处理模块结构框图 1 9 a s 数据处理模块利用d s p 处理器对接收的数据信号进行相应的数字滤波，然后对接 收到的数据进行均方根值、相角的有关计算，同时由于输出的数字量和真实的电流值之 l o 2 合并单元的分析与研究 间存在相位和幅值两个方面的误差。有效频段内的幅值误差，在设计滤波器和确定变比 系数等参数时能够考虑到，所以相位误差相对幅值误差而言影响较大，因此必须对信号 进行相位补偿，从而给数据包打上正确的时标。 对于数据处理模块的具体实现，本文这里不做详细研究，可作为后续工作的内容。 2 4 3 数据输出模块 数据输出模块的作用是将各路采样数据进行组帧并发送给保护测控设备，即完成与 间隔层设备的通信。合并单元与间隔层设备的通信上有两种技术方案，一种是采用 i e c 6 0 0 4 4 7 8 标准，基于f t 3 链路层进行曼彻斯特编码发送，传输速度慢；另一种是 依据i e c 6 1 8 5 0 9 1 2 ，采用目前占主流地位的以太网，这就要求合并单元基于i s o i e c 8 8 0 2 3 发送以太网数据帧。由于以太网具有良好的开放性，稳定性，易维护性，传输速 度快，价格低廉，易于实现与上层管理信息网络的无缝连接，而且为不同厂商的产品提 供了一个统一的接口，便于实现互联和互操作，这些特点符合变电站通信系统开放化、 数字化、透明化的发展要求，应用更加广泛，所以本设计采用第二种方案。 在基于交换式以太网技术实现的过程层总线上，除合并单元发送的采样值信息外， 还有保护测控设备以g o o s e ( g e n e r i co b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o ne v e m s ) 报文形式发送 给智能开关设备的跳闸信息等。i e c 6 1 8 5 0 9 1 2 中引入数据传输优先级和虚拟局域网的 概念，保证过程总线通信的实时性和可靠性。i e e e 8 0 2 1 p & q 协议，可以将过程总线上传 输的数据分为四类：具有最高优先级的跳闸闭锁信息，用户优先级为7 ；合并单元发送 的周期采样信息，用户优先级为6 ；设备运行信息( 如合并单元和智能开关设备的自诊 断信息) ，用户优先级为5 ；查询信息( 如在收到保护设备查询通信配置命令后，合并单 元向上发送的通信配置信息) ，用户优先级别为4 。实现基于优先级的数据传输，保证了 在网络重载情况下，重要信息仍可以准确，实时的传输。 合并单元数据输出模块按发送信息的类型，在标签控制信息字段中标记该信息的优 先级，其帧格式如图2 5 所示。 866 424 6 - 1 5 0 04 标签协议i di 标签控制信息 0 x 8 1 0 0 i 用户优先级l 规范格式指示符i 虚拟局域网m 图2 5 带i e e e 8 0 2 1 q 标记的以太网数据帧格式 西安科技大学硕士学位论文 j 1 1 i i i i 在单一总线模式下，合并单元发送的采样数据一般只提供给相关的几个保护测控设 备，数据输出模块通过设置标签控制信息字段中的虚拟局域网m 可以将相关的合并单 元，保护测控设备划分为一个逻辑组，将合并单元发送的采样值信息限制在每个逻辑组 内部，大大减少了网络中的广播数据，抑制了“广播风暴 ，使宽带得到有效利用。 数据处理模块在完成标记优先级和设置虚拟局域网i d 后，将数据帧通过以太网发 送到目的地址。 合并单元的数字输出和间隔层i e d 通信，不仅能简化二次设备，而且由于数字信号 在传输过程中不易受到干扰，提高了系统的准确性和可靠性。为实现变电站监控、计量、 控制和保护装置的信息共享与系统集成提供了技术基础。因此，合并单元的数据输出模 块的主要任务是负责将瞬时电流电压数字信号以指定的帧格式封装，并传送到变电站的 二次计量和保护设备。 本文设计的数据输出模块由a r m 嵌入式处理器和以太网控制器组成，将在第5 章 详细论述。 2 5i e c6 0 0 4 4 8 与i e c 6 1 8 5 0 9 对合并单元的规定 两种标准都是适用于点对点，点对多点的标准。这两种方案在物理层和链路层有一 定的差别，但在应用层的规定都是一致的，很容易在两种方案之间转换【3 引。 合并单元是连接高速数据采样装置与间隔层保护监控设备的桥梁，它的主要任务是 搜集各路采样数据，将其合并并经过处理、重新组帧、编码后由一路串行数字通道将现 场一次设备的采样值送到间隔层设备。 2 5 1i e c 6 0 0 4 4 8 对合并单元的要求 ( 1 ) i e c 6 0 0 4 4 8 标准中对数字输出物理层的规定： 数字信号是电子式互感器的主要输出形式，包括数字电信号和数字光信号两种。数 字电输出是以铜线为基础的传输系统，系统必须与e i ar s 4 8 5 标准兼容。标准中建议 使用d 型9 针连接器，屏蔽双绞线电缆，长度为2 5 0 m 。也可以使用带屏蔽的r j - 4 5 连 接器代替。对于数字光输出只需将数字输出按一定要求进行电光转换。数字光输出和 数字电输出在链路层和应用层的规定上是完全一致的，不同的只是物理层的传输介质。 光纤连接器可采用b f o c 2 5 ( b a y o n e t f i b e r o p t i cc o n n e c t o r ) ，近距离的传输要采 用塑料光纤，远距离的传输可使用玻璃光纤。标准中规定无论是电输出还是光输出都要 采用曼彻斯特码进行编码：高位先传送，传输数据帧的速率为2 5 m b i t s ，即调制后的传 输速率为5m b i t s 。 对于数字输出的铜导线传输系统接收器性能在规约中有以下三点要求： 接收器输入阻抗：最小输入阻抗为1 2 l q ； 1 2 2 合并单元的分析与研究 最大输入信号值：当接收器直接连到驱动器上，而且是工作在峰值得极端情况下， 输入信号应该能使接收器正确传译信号； 最小输入信号：要求在1 个随机输入信号产生长达半个周期的时间，且幅值大于 2 0 0 m y 的干扰情况下，接收器仍然能正确传译信号。 如果采用光纤进行远距离通信，必须注意光驱动器和光接收器的性能指标。 对光驱动器的特性有两点要求： 上升和下降时间：信号幅值从1 0 0 6 0 变化到9 0 的时间必须要小于2 0 n s ； 光脉冲的特性：超调量要小于光脉冲额定输出的3 0 ，而且在第2 个半波周期内， 纹波必须小于额定的1 0 。 对光接收的特性有以下要求： 上升和下降时间：接收信号幅值从1 0 变化到9 0 的时间必须要小于2 0 n s ： 脉冲宽度失真应该小于2 5 n s ： 光传输的时钟精度：在电压一半的时候测量，数据传送应该在额定时钟周期的 1 0 n s 。 ( 2 ) i e c 6 0 0 4 4 8 标准中对数字输出链路层帧格式的规定： 标准中的链路层帧格式采用的是f t 3 帧格式，此帧格式在i e c 6 0 8 7 0 5 1 中有所规 定。这种帧格式的优点是：数据具有完整性，而且在高速数据处理中能进行多点同步数 据的链接。所使用的链路层服务用语为发送无应答，这意味着传感器可以连续不停的 向二次设备发送采样的测量值和保护值，而不需要二次设备的任何应答信号。这时如何 保证一、二次设备间的数字化通信系统的实时性、可靠性就成为要解决的首要的问题， 所以标准中对传输的链路层传输规则进行了以下的规定： 两帧之间的空闲线使用曼彻斯特码传输二进制数1 ，这使得接收站方便的恢复时 钟同步信号，增加了通信链路的可靠性。 每帧的前两个8 位字节代表起始字符，在此规约中所规定的起始字符为0 5 6 4 h 。 1 6 个字节的数据码之后必须跟随着一个1 6 位的校验序列。如果所分的字节数有 空余，必须用填充字节在相应的位置将帧填满，填充字节应为0 0 0 0 0 0 0 0 校验序列的代码由x 埔+ x 1 3 + x 1 2 + x u + x m + x s + x 6 + x 5 + x 2 + l 多项式构成，然后由这个生成 多项式所产生的1 6 位的校验码进行转置形成。 接收端检验起始字符、校验序列和帧长度。如果其中一项有误，该帧将被拒收， 否则传给用户。 其表述的