一种新型合并单元的设计与研究

汤晓晖　苏译

摘 要：在广东电网，数字化变电站技术已得到了逐步应用，数字化变电站应用数量逐渐增多。考虑到变电站数据量大，且需要对时准确等要求，其数字化接口作用的合并单元十分重要。文章针对合并单元实时性强、数据通信速度快等特点，设计了一种新型合并单元，该单元由FPGA与ARM组成，具有同时处理多任务、通信速率快等特点，适用于新型数字化变电站。

关键词：新型数字变电站；数据通信；CT回路

中图分类号：TM76 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0109-02

Abstract： In Guangdong Power Grid， digital substation technology has been gradually applied， the number of digital substation applications is gradually increasing. Considering the large amount of data in substation and the requirement of timing and accuracy， it is very important to combine the function of digital interface. In this paper， a new merging unit is designed， which is composed of FPGA and ARM， and has the characteristics of multi-task processing and fast communication rate. It is suitable for new digital substation.

Keywords： new digital substation； data communication； CT loop

1 概述

在中山三乡数字化变电站中，数字化保护设备和智能终端得到了全面应用。数字化变电站优势明显，大大提高了供电可靠性和经济性，但其保护、测控信号均取自于合并器单元输出数字信号，该单元需要及时处理海量变电站数据，且需多进程同时处理，因此对该单元的设计与研究势在必行。

2 数字化变电站结构

数字化变电站分为3层：变电站层、间隔层、过程层。在基于IEC61850标准设计的数字化变电站中，减少了大量的常规电缆使用，启用了光纤通信介质。改变了以往电力电缆连接的工作模式，取而代之使用光纤组网进行互联。变电站内的电流电压数据直接变位数字量数据，在光纤组网的变电站内传播，各个保护装置通过发布订阅机制，完成所需要的电流电压量数据采集，供自身保护装置判断外部故障量，完成了各个保护装置的电流电压采集。在间隔层，通过智能终端负责执行数字化保护装置传送出来的命令，从而实现对设备的保护和开关分合闸控制，变电站内各个间隔的互锁及连锁都是在间隔层就地实现的，间隔层设备通过专用光纤接口，采用简易人机界面实现通信功能，并完成信号上送，出口回路实施等，是控制一次设备和完善间隔信息的重要设备。

合并单元主要作用于过程层和间隔层之间，合并单元能为装置提供电源，通常合并单元的电源部件分为装置自身的工作电源，CT回路的激光电源[1]。主要特点如下：

（1）采集从一次CT送过来的激光电源信号，采集光纤输送过来的两路母线电压数字信号，内部进行高精度DSP采样，对原始数据进行计算处理，数字化变电站中直接采用一次值数字量进行计算，处理后按照用户既定的通信规约以光信号形式通过光纤OUT口发布输出，供其他装置订阅使用。

（2）在PT合并器，通过光纤IN接口接收来自PT一次设备输送的光纤数字量，通过IN口进入装置，被高精度采样，应用于装置运算。PT合并器同时接收两端母线电压数据，按照用户组网模式，以网络形式或点对点形式进行电压量数据传输，并根据对应刀闸位置状态进行PT切换或并列功能。

（3）一次CT的能量供给形式，采用合并器自身工作后，经激光电源插件模块提供CT采集卡工作用能源，实现光电式电流互感器采集卡正常采集数据与正常工作；装置通过自身CPU实时监测本装置运行情况，发生异常时能及时告警，提供硬接点告警输出空节点6对。

（4）装置本身具有自检纠错功能，异常信息告警及人机界面维护功能；装置可通过前置串口进行维护，利用维护软件，通过此接口及配套软件，实施配置及参数维护、数据下装等功能，满足灵活配置的需求。

（5）IEC 61850协议GOOSE服务。

3 合并单元设计

合并单元主要功能在于同时接收多达12路信号发生模块发送过来的数字信号，且高压侧由于低功耗设计采用的是串行传输，所以该模块需要处理的信号多、信号量大，整个系统的实时性要求也高，对外连接的端口也很多，这种情况下采用通用的單片机和DSP就难以在较短的时间内完成这些任务，也难以提供如此多的I/O端口与外部连接。配置足够数量的I/O接口，实现多任务的强处理模式，利用串行数据总线及多任务工作模式，接收并处理各项进程及数据流，通过数据分发来实现高速运算与数据采集，从而实现较强的数据处理能力，其主要硬件结构如图1。

合并单元选用ARM作为合并单元的主控制CPU，完成模块中全部的控制及人机接口任务。FPGA作为模块单元的数据处理芯片，实现的功能模块有：数据同步接收模块，数据处理模块，数据通信模块中FT3发送功能。

在设备计算用芯片挑选与选型上面，采用ATMEL公司的32位微控制器AT91RM9200，FPGA芯片选用Altera公司Cyclone II系列的EP2C20F256C8。

存储器模块由SDRAM、FLASH和EEPROM组成。本方案中，采用2片高速运行的SDRAM芯片，在装置内部总线采用上下叠置结构，组建成32bits的高速的数据总线，实现装置程序代码和全部数据的存储与进入导出运算。为了提高程序的运行速度和AT91 RM9200流水线的命中率，系统初始化完毕后，所有程序代码都被拷贝到SDRAM中运行；其中一片FLASH，用于存放嵌入式操作代码，同时可用于固化应用程序；另外一片用于存放各类告警信息和相关日志文件信息，例如事件动作记录、电流电压量录波数据[2]。endprint

装置配置有6路输入，16路输出功能接口可选用，其中6路采集器IN接口，其余可配置给各个合并器采集端口使用。采用目前比较稳定的且适用较为多的HBFR-2412型光电接收模块。数据输出包括3路符合IEC61850标准的100M以太网数据光纤输出。

其中同步发生器模块主要通过对高精度时钟晶振进行分频变换而得到符合要求的频率，从而保证时钟一致性。

合并单元主要为背插式结构，各插件通过内部电源总线汇集同时使用同一电源系统，模板位置设计在装置前面底部，背部插件数量和功能插件模型可由用户自行定置与选用，功能配置灵活。该合并器实现了所有电流量、电压量、锋值、瞬时值快速打包传输，在电流电压数据发生变化的瞬间，装置内部数据总线通过打包，将所有相关数据值压缩在同一路光纤中并行传输。

4 新型合并单元

为了实现在数字化变电站中，完成对数字化保护装置、合并器、合并单元等智能设备的定检工作，有必要研制组合一套新型合并器及校验系统，按照模块化布局设计，通过4套装置，完成整体系统搭建，4个模块分别实现：模块一负责电流采集与数字化信号量转化；模块二负责PT电压数字化量转化；模块三负责ABC三相电流光纤输出；模块四负责装置系统电源供电等回路；通过四模块组合的新型合并器系统组件，可模拟各类合并器功能，实现对合并器校验工作和对数字化保护装置的校验工作。

5 结束语

综上所述，文章设计研究了一种新型的合并单元，具有并行多任务处理功能和高可靠性、实时性等特点，给出了一种利用ARM、FPGA技术实现合并单元的新方法，该方法充分利用了FPGA中I/O端口多，具有可编程定义与硬件执行速度快等特点，具有一定的实效性和科研价值。

参考文献：

[1]谢秋金.电子式互感器合并单元设计[D].北京：华北电力大学，2013.

[2]李家怡.电子式电流互感器合并单元的研究与设计[D].郑州：郑州大学，2012.

[3]张树东.浅析智能变电站合并单元的应用[J].科技创新与应用，2016（33）：161.

[4]梁威威，农艳奎.110kV智能变电站PT合并单元配置情况分析[J].科技创新与应用，2014（20）：139.

[5]韩友喜.常规互感器与合并单元的调试应用技术研究[J].科技創新与应用，2015（33）：1-5.endprint