基于FT3光纤通信的变压器即插即用采集单元设计

牧继清 郭旭 王伟杰 毛丽娜

摘 要：针对变压器本体监测传感器输出信号类型多样，无法统一对外接口且数据采集通信易受电磁干扰的问题，提出基于FT3光纤通信的变压器本体监测即插即用采集单元方案，并进行产品实现和试验。试验及现场检验结果表明，装置施工便捷，性能可靠，具有较好的应用推广价值。

关键词：变压器监测;即插即用;标准接口;通信规约;采集单元;FT3

中图分类号：TN791 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）14-0048-05

A Design of Transformer Plug and Play Acquisition Unit

Based on FT3 Optical Fiber Communication

MU Jiqing GUO Xu WANG Weijie MAO Lina

（XJ Electric Co.， Ltd.，Xuchang Henan 461000）

Abstract： In order to solve the problem that the output signals of transformer body monitoring sensors were various， the external interface could not be unified and the data acquisition communication was vulnerable to electromagnetic interference， a scheme of transformer body monitoring plug and play acquisition unit based on FT3 optical fiber communication was proposed， and the product implementation and test were carried out. The test and field test results showed that the device was convenient to construct， reliable in performance and had good application and popularization value.

Keywords： transformer monitoring;plug and play;standard interface; communication protocol;acquisition unit; FT3

1 研究背景

隨着电网规模迅速扩大，设备存量大和检修人员少的矛盾日益突出，加上传统检修模式过检修、欠检修的弊端，电力设备运行风险不断增加。为实现状态检修的目标，电网设备陆续开展高压设备智能化的实践。智能高压设备[1，2]状态感知是实现状态检修、减少故障风险的重要手段，其不但向运维中心提供设备基础数据、核心指标和检修依据，实现全寿命周期运维管理，而且提供设备状态和运行风险评估，为负荷调整等电网优化运行提供依据。然而，在智能高压设备应用过程中，也存在一些问题，尤其以位于感知层的传感器最为突出。以变压器本体参量监测传感器为例：传感器输出信号类型多样，无法统一对外接口;对外引线以电缆为主，导致后级装置接线多，且易引入电磁骚扰[3，4]，影响数据可靠性甚至造成传感器或者装置损坏;更换传感器时，需要在装置侧重新配置，增加了运维工作量。

本方案提出一种基于FT3光纤通信[5]的变压器本体监测即插即用采集单元，通过在采集单元中设置通用电子数据表单[6]，储存传感器自身描述信息（传感器类型、输入/输出信号范围、量纲等），由FPGA为传感器输出信号分配合适的通道实现信号即插即用接入;基于成熟且标准开放的FT3通信协议，制定即插即用通信规约，实现采集单元与监测装置的即插即用;利用光纤作为介质与监测装置[7]进行数据传输，提升系统的抗电磁干扰能力，成功解决了上述问题，提升了系统灵活性，降低了运维复杂度。

2 传感器即插即用技术构架

在智能传感器领域，电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）曾经发布了IEEE l451标准[8，9]。该标准是构建网络化智能传感系统的理想方案，按照IEEE 1451标准建立通用的网络化智能传感器模型，有助于实现网络化智能传感系统快速、标准构建。

IEEE 1451标准将网络化智能传感器划分为网络适配器（Network Capable Application Processor，NCAP）和智能变送器接口（Smart Transducer Interface Module，STIM），两者通过IEEE 1451.X接口连接。NCAP主要实现网络通信、传感数据计算和校正、STIM的即插即用等功能。STIM是NCAP与传感器之间实际连接部件，具有信号调理、模拟数字信号转换（A/D转换）和变送器[10]电子数据表（Transducer Electronic Data Sheet，TEDS）定义、数据通信等功能。

图1为传感器即插即用技术构架。该技术由采集单元实现STIM的功能，监测装置实现NCAP的功能，采用基于光纤传输的FT3点对点扩展帧报文通信协议构建变压器本体监测传感器即插即用网络。采集单元需要具备如下功能：多种类型传感器信号接入、调理功能;传感器配置（TEDS配置）、存储功能;符合即插即用要求的通信功能。

3 硬件设计

目前，变压器监测常用的信号种类包括模拟量信号、开关量信号和数字量信号。常见监测量信息如表1所示。

采集单元硬件选用Altera公司的Cyclone系列编号为EP2C8T144I8N的现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）。该FPGA成本低廉、功耗低且具有收发器的功能，支持多种串行通信协议。FPGA中嵌入微处理器Nios II，基于软核内部的片内RAM和DSP资源，可实现高性能的数字信号处理，满足采集单元的基本设计要求。

系统总体硬件结构如图2所示。整个硬件结构非常简单，所有电路在保证性能的同时，力求做到最精简，以降低系统的尺寸和功耗。

模拟量数据在PFGA片内进行滤波、放大、A/D转换等;开关量信号光电隔离后，由FPGA做消抖处理;数字量的ModBus查询报文由FPGA软核组织，再由软件完成报文解析和计算，最后统一进行FT3组帧和数据通信。电子数据表（TEDS）通过SPI接口采用Flash进行存储。采集单元中的光接收口可接收外部配置信息，同时也可用作调试口的接收口;光发送口除了发送FT3等报文外，也可同时作为调试口发送端，通过器件的复用，在降低成本的同时使电路更加高效。

4 软件设计

软件开发基于Nios II软件开发环境完成。Nios II IDE是基于GNU C/C++编译器和Eclipse IDE的。Nios II IDE支持三种目标连接，可通过JTAG将应用程序下载到SOPC硬件系统中进行调试，可在指令集仿真器中对应用程序进行仿真调试。

采集单元软件主要实现以下功能。①通过CPU与上位机通信，实现人机交互功能。可通过调试工具软件对采集单元参数进行设置，如异步串口发送波特率、周期采样点数和通信报文组帧等。②采集单元系数调整。每次采样都触发一次CPU中断，CPU读取数据寄存器的采样数据，完成对采集数据的存储。通过调试工具完成对各个采集通道幅值、零漂等参数的自动调整。同时，还可完成其他一些实时性要求不高的数据处理。③实现程序在线升级。Nios II处理器的程序和系统参数分别保存在Flash不同的存储空间中。程序升级时，将FPGA程序和CPU程序保存到相应的Flash存储空间中。

4.1 电子数据表设计

电子数据表（TEDS）用来描述不同类型传感器，包括传感器测量范围、物理单位，输出信号类型、范围和传感器ID等信息（数字信号还需要具备数据起始位置、数据长度和波特率等信息），存储在采集单元中，可使用专门的配置工具进行配置，是实现传感器即插即用的必要条件。采集单元需要对接入的传感器信号进行调理和报文解析，其FPGA程序必须在“理解”传感器输出信号特征参数的基础上才能够实现传感器的自动处理。因此，电子数据表又起到了连接传感器与采集单元FPGA程序的桥梁作用。电子数据表由总体TEDS和通道TEDS组成。总体TEDS是每个STIM必备的，且只能有1个，包含这个STIM的总体信息，如被监测设备ID、采集单元类型和通道个数等。总体TEDS描述如表2所示。

通道TEDS也是每个STIM必备的。一般情况下STIM含有多个通道TEDS，每个通道TEDS均包含对应传感器具体信息，如传感器类型、输出信号类型、测量范围和输出范围等。通道TEDS描述如表3所示。

4.2 即插即用通信协议设计

IEC 60044–8（FT3）是由IEC/TC 38互感器技术委员会制定，采用Manchester编码，通信速率最高可达2.5 Mbits/s。FT3规约最初应用于多个电子式电流互感器接入一个合并单元的通信场景，其链路层服务级别为S1：SEND/NO REPLY（发送/不应答）。基于光纤FT3扩展帧格式制定即插即用通信协议，多个采集单元与一个监测装置进行通信。采集单元连续地、周期地向监测装置发送数据，监测装置解读数据，将数据靶向地写入模型中，同时也能掌握接入采集单元的传感器工作状态。

通信协议应用层分为以下几个方面：第一，前导字段，包括帧头、报文长度、被监测设备信息和通信链路信息等;第二，模拟量信息，包括传感器类型、测量范围和测量结果（AD值）;第三，开关量信息，包括开关量类型、开关量状态;第四，数字量信息，包括传感器类型、测量结果、数据转换方式及系数和数据有效性状态字;第五，自检信息，主要反映数字量传感器的通信状态和运行情况等。

根据实际设计的采集单元硬件电路（4路模拟量，2路开关量，2路数字量），制定出通信规约应用层内容，如表4所示。

4.3 即插即用功能实现

即插即用功能体现在两个层面。第一个层面：传感器接入采集单元的即插即用。对于模拟量，无需对应固定端子，不必考虑信号类型（电流或电压），采集单元会根据读取到的传感器相关信息，为信号选择合适的处理通道;对于开关量，采集单元仅需要将开关量类型、状态写入通信规约中;对于数字量，采集单元读取数据起始地址和数据长度，组织传感器信息查询报文，与传感器进行交互并解析应答报文获得测量数据信息。第二个层面：采集单元接入监测装置的即插即用。监测装置解析FT3报文，根据传感器类型将各数据映射到建模模型中。对于模拟量，按照公式（1）计算出模拟量值。

[V=AmeasureAmax-Amin×Smax-Smin]             （1）

式中，[Ameasure]表示测量结果;[Amax]表示AD上限;[Amin]表示AD下限;[Smax]表示测量范围上限;[Smin]表示测量范围下限。

对于开关量，可直接读取其状态值。对于数字量信息，进行相应的数据转换，如16进制转10进制或者4字节转浮点数后，再乘以系数即可。即插即用功能示意图如图3所示。

5 试验验证

本方案设计开发的变压器即插即用采集单元通过了国家继电保护及自动化设备检验中心的型式检验，检验报告中对即插即用功能檢验结论描述如下：采集单元物理接口标准化，监测装置可对监测参量进行自动识别;采集单元更换时，监测装置免配置;测量数据量程自动校准。从表5、表6的数据可以看出，各参量测量精度和开关量性能指标满足要求。

6 结论

本文提出了一种基于FT3光纤通信的变压器即插即用采集单元方案。相较于现有方案，其优势在于：①传感器接入即插即用，信号处理自适应，施工便捷;②采集单元接入监测装置即插即用，自动映射建模模型、数值计算、零漂调整，大大缩短了装置调试周期;③就地化信息采集和光纤传输提高数据精度，增强通信抗干扰能力。采集单元和装置作为国家电网公司科技项目的研究成果，通过了国家继电保护及自动化设备检验中心的型式检验，并配合山东某500kV智能变压器成功通过厂内检验。

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