电子式高压互感器数字接口的设计

1、电子式高压互感器数字接口的设计黄智宇,邹积岩,段雄英,张可畏大连理工大学摘 要:介绍了国际电工委员会标准IEC60044-8电子式电流互感器和IEC61850变电站通讯网络和系统中规定的电子式互感器数字输出接口的特性,并设计了一种基于以太网的通讯模块以实现此功能。关键字:电子式互感器 数字输出 通讯技术 以太网 IEC618501引言电子式互感器是基于光电技术和电子技术的新型互感器的总称。与传统互感器相比,电子式互感器具有绝缘结构简单、带宽高、动态范围大、尺寸小、重量轻、安全性好等诸多优点,是未来互感器发展和变电站系统数字化发展的必然趋势。电子式互感器的输出分为数字和模拟两种。模拟接口是为了利

2、用变电站已有模拟接口二次设备的一种过渡措施,数字接口是变电站通讯对电子式互感器的最终要求。国际电工委员会制定了电子式互感器标准1,2,本文遵照其中关于数字输出部分的标准化要求,提出了电子式互感器的数字输出接口的设计方案。2 电子式互感器数字输出接口的要求EC标准和草案标准 1中定义了一个新的物理单元合并单元,其用于对来自二次转换器的电流或电压数据做时间相干的组合,可以是现场变换器中的一个部件,或是独立的单元。合并单元接收到的二次端信号,即7个电流互感器和5个电压互感器的信号,经过综合和同期化处理,按照标准中的测量帧和保护帧的格式把数据分别发送给各个测量仪器、仪表和保护或控制装置(如图1。图中E

3、VTa指电子式电压互感器a相;ECTa指电子式电流互感器a相;SC指二次转换器。电子式互感器 图1 电子式互感器数字接口框图888的数字输出通过合并单元实现。电子式互感器的数字输出必须满足一定的要求,其中测量用电子式互感器数字输出的额定标准均方根值为16进制的2D41H(10进制11585,保护用电子式电流互感器则为16进制的01CFH(10进制463。其中保护用电子式电流互感器能测量电流达50倍额定一次电流(0%偏移或25倍额定一次电流(100%偏移,而无任何溢出。测量用电子式互感器能测量达到2倍额定一次值而无任何溢出。如果互感器的输出是一次电流导数,其动态范围与电流输出的动态范围不同。电流

4、互感器的最大量程与暂态过程的直流分量有关。微分后,此低频分量的幅值减小。例如标度范围为0时,输出为电流导数的保护用电子式电流互感器能测量无直流分量(0%偏移的50倍额定一次电流,或全直流分量(100%偏移的25倍额定一次电流。电子式互感器定义了额定延时,其值为2T s,3T s(T s为数据速率的导数。电子式互感器数据采样频率额定值为:80f r-48f r-20f r ,f r为额定频率。对于较高的准确级(且要满足所有谐波准确级要求,建议使用较高的数据采样频率。对馈送数据速率高于所需值的系统,二次设备应该补充文3所述的稀采样技术。实现电子式互感器数字输出有两种技术方案,一种是采用文2中描述的

5、以太网络;二是采用文1中描述的同步脉冲或插值法,从多个合并单元得到时间相干的一次电流和电压样本。其中文1的方法中,合并单元到二次设备的连接,可用光纤传输系统或铜线型传输系统实现。物理层标准的传输速度为2.5Mbit/s,采用Mamchester编码,先传MSB(最高位。链路层选定为IEC 60870-5-1的FT3格式。其优点是具有良好的数据完整性,其帧结构使它有可能用于高速度的多点网络同步数据链接。此种方法易于实现,且类似的方案也常见于我们的设计当中。我们的设计中采用了文2中所推荐的以太网方案,研制了一种符合IEC标准的电子式互感器的二次数字输出接口。3 基于以太网的互感器数字输出接口的设计

6、IEC61850标准草案推荐的合并单元和二次输出之间的数字通讯方法之一是采用的以太网络,标准中提出了变电站内信息分层的概念,无论从逻辑上还是物理概念上,都将变电站的通讯体系分为了3个层(即变电站层、间隔层和过程层,并定义了层和层之间的通讯接口,如图2所示。过程层主要完成开关量I/O、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用。变电站层的功能主要有两类:一是与过程相关的功能;二是与接口相关的功能。层与层之间,同层之间的通讯方式都可以采用以太网络,其中合并单元与二次设备间采用串行单向多点通讯。 图2 信息分层的变电站自动化系统8898

7、90 3.1 基于TCP/IP 模型的以太网通讯协议用于以太网的通讯协议主要有TCP/IP ,SNA ,XNS 等,其中TCP/IP 已经成为不可争议的业界标准。基于TCP/IP 协议族的设备技术成熟、成本低廉,通讯软件也易于实现,更为重要的是若采用TCP/IP 协议族,变电站中的IED 设备甚至可以连接到Internet ,从而可以实现真正意义上的远程监控。以太网通讯协议通常分为几个不同的层次进行开发。如图3所示,基于TCP/IP 的以太网模型大致可以分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层4。通过使用不同层的协议完成不同的网络通讯服务功能。物理层为设备的物理实现(合并单元与二次设备之间的

8、连接,可采用IEEE 802.3 100Base-FX 、10Base-FL 或10Base-T ,具体选用哪一种可根据原有设备和具体情况决定;链路层完成以太网设备驱动和接口;网络层用于处理分组在网络中的活动;传输层主要为两个主机的应用程序提供端到端的通讯;应用层则负责处理特定的应用程序细节。 图3 基于TCP/IP 的以太网模型3.2 基于以太网的数字输出接口设计以太网接口电路的核心芯片采用Realtek 公司生产的RTL8029AS ,它能实现物理层的所有功能和链路层的大部分功能,比如Mamchester 编码/解码、CRC 校验、串/并转换、数据的发送和接收等。控制芯片采用华邦公司生产的

9、77E58单片机,在合并单元的电路中,它还要完成数据同步、打包、转换等功能。RTL8029AS 是基于PCI 总线接口的芯片,我们的设计中还使用了一块Altera 公司的CPLD 芯片EMP7128SLC84进行PCI 接口逻辑的编码和简化,从而方便灵活的控制RTL8029AS 。数据采集单元传送过来的数据通过一个双端口RAM 和单片机进行数据交换,这样可以保证数据高速稳定的从采集单元传送到数字输出单元。由于我们前期设计的组合型电子式高压互感器设计的数字接口为RS-2325,6,7,所以特别留有一个RS-232到以太网转换的接口,并用跳线的方式决定工作状态。图4为我们研发的电子式互感器数字输出

10、接口的电路框图。考虑到RTL8029AS 只能作为target 设备,所以我们对其引脚进行了简化,最后保留了AD31.0、 图4 数字输出接口电路框图C/BE3.0、FRAME#、IRDY#、IDSEL#、CLK、RST#、INTA#等42条信号接口引脚。经过简化之后单片机通过6条地址线和8条数据线就可以对网络控制芯片RTL8029AS进行读、写、中断等操作。其时序仿真结果如图5所示。从图中我们可以看到,通过对接口逻辑的简化,可以利用有限的单片机资源实现对PCI接口的控制,并提高编码和解码的速度。 图5 PCI接口时序仿真结果基于IEEE802.3的以太网物理传输帧4包括PR、SD、DA、SA

11、、TYPE、DATA、PAD、FCS等几个部分。其中PR为同步位,用于收发双方的时钟同步,同时也指明了传输的速度。SD为分隔位,表示下面跟着的是真正的数据。DA为目的地址。SA为源地址,表明发送方的身份。TYPE为类型字段,表明该帧的数据的类型。不同的协议的类型字段不同,如0800H为IP包,0806H为ARP包。DATA为数据段,该数据不能超过1500字节。PAD为填充位,当以太网帧传输的数据包小于最小限制(46字节的时候,在其后面补0。DCS为32位的CRC数据校验位,此数据段由RTL8029AS自动计算生成并添加。单片机程序主要的功能是通过控制RTL8029AS的寄存器,对DA、SA、T

12、YPE、DATA等字段的进行填充,利用TCP或者UDP协议进行数据传输。为此我们定义了四个读写RTL8029AS寄存器的函数:unsigned char read_register(unsigned char advoid write_register(unsigned char address_off, unsigned char datavoid write_dma_port(unsigned char dataunsigned char read_register(unsigned char ad另外还定义两个PCI配置空间读写的函数:unsigned long read_con(uns

13、igned char advoid write_con(unsigned char ad, unsigned char data3, unsigned char data2,nsigned char data1, unsigned char data0通过以上的六个函数,单片机就方便的进行对RTL8029AS的读写操作。单片机程序中使用结构体,由其中的变量识别其以太网协议类型,而采取不同的处理方法。union netstruct unsigned char databuf1536;bytes;struct unsigned int wordbuf768;words;struct etherne

14、t etherframe;struct retransmit rtframe;struct arp arpframe;struct icmp icmpframe;struct tcp tcpframe;891892 struct ip ipframe;struct udp udpframe;struct ippacket ippacket; ;本设计功能上实现了TCP/IP 协议族的网络层和传输层的IP ,ARP ,IGMP ,ICMP ,UDP ,TCP 等协议,并且通过TCP 或者UDP 进行数据传输(由跳线决定传输方式。图6为单片机发送TCP 或UDP 包的程序流程图。远程PC 可以通过

15、PING 命令检测网络通断等情况。考虑到以后接入Internet 的可能,本设计中加入了跨网关连接的功能。虽然由合并单元到二次设备的通讯是单向传输的,但参考IEC 标准和草案标准2我们设计了双向通讯的功能,并可以通过远程计算机修改合并单元的一些特征参数,如IP 地址、MAC 地址等。本设计的数据传输速率能达到200kbyte/s ,完全能满足IEC 标准1,2中规定的要求。 图6 发送程序流程图4 总结随着计算机技术、数字通讯和网络技术飞速发展,特别是国家电力公司数据网络(SPDnet 的建设和发展,传统的变电站自动化系统正向网络化的方向演变。本文给出了一个基于组合型电子式高压互感器的数字通讯

16、设计方案,不仅仅可以使用在电子式高压互感器中,经过很少的改动就可以为其他的一次设备所使用,为变电站自动化、网络化的发展提供了一个可借鉴的研究思路。参考文献1 IEC60044-8.Instrument ransformers-Part8: Electrical current transducersS, 20022 IEC61850-9-1. Communication Networks and Systems in Substations. Part 9-1: Specific Communication Service Mapping( SCSM-Sampled analogue valu

17、es over serial unidirectional multidrop point to point linkS, 20023 IEC60255-24. Common format for transient data exchange for power systemsS, 2001 中 国 电 机 工 程 学 会 高 电 压 专 业 委 员 会 2004 年 学 术 会 议 论 文 4 RICHARD S W. TCP/IP 祥解 卷 1：协议M. 范建华，胥光辉，张涛，等译.北京： 机械工业出版社, 2000 5 邹积岩,段雄英,张铁(Zou Jiyan,Duan Xiongyi

18、n,Zhang Tie.罗柯夫斯基线圈测量电流的 仿真计算及实验研究(The Simulating Calculation and Experimental Reseach of Rogowski Coil for Current MeasurementJ.电工技术学报(,2001,16(1:81-84 6 段雄英,邹积岩(Duan Xiongyin,Zou Jiyan.一种新型光纤电流互感器的研究(The Study of New Type Optical Current TransformerJ.高电压技术(High Voltage Engineering2000. 26(6：46-48. 7 段雄英,邹积岩,张可畏(Duan Xiongyin，Zou Jiyan，Zhang Kewei.电压/电流组合型电 子式互感器的研究(Research on Combined Electronic Current and Voltage TransducersJ.电工 技术杂志(Electrotech