遵循IEC61850的电子式互感器合并单元的设计参考
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?２００９年第４期
D esign&technics
设计与工艺
技术宋喻／江西交通职业技术学院机电工程系田丽平／华东交通大学电气与电子工程学院
遵循ＩＥＣ６１８５０的电子式互感器合并单元的设计
随
着计算机技术、微处理器技术和网络通信技术的飞速发展，电力系统综合自动化程度在
不断提高，这也促使一、二次设备朝着数字化、智能化和集成化的方向发展。电压／电流互感器是电力系统测量和继电保护系统的重要关键设备之一。由于传统的电磁式电流、电压互感器暴露出如绝缘要求高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、频带窄以及有油易燃和易爆炸等一系列缺点。基于光学和电子学原理的电子式电压（ＥＴＶ）、电流互感器（ＥＴＡ）经过４０多年的发展以其独特的优点，成为未来数字化变电站系统中测控元件的重要发展方向。为了推动电子式互感器的实际应用，国际电工委员会制定了相应的标准，如电子式互感器标准ＩＥＣ６００４４—７／８和变电站自动化系统通信标准ＩＥＣ６１８５０—９。在标准中对电子式互感器做了详细定义，同时也定义了一个新的物理设备—合并单元（Ｍｅｒｇｉｎｇ Ｕｎｉｔ）——用于和二次设备之间的信息交换，如图１所示，其首次在标准ＩＥＣ６００４４—８中提出，主要用于连接数字化输出的电子式互感器与保护、测控设备，其主要功能是同步采集多路（最多１２路）ＥＣＴ／ＥＶＴ输出数字信号后并按照规定的格式发送给保护、测控设备。本文对标准ＩＥＣ６００４４—７／８和ＩＥＣ６１８５０—９作了比较，并提出一种符合ＩＥＣ６１８５０—９—１标准的合并单元的设计方法。
１合并单元输出标准
１．１ ＩＥＣ６００４４—７／８
此标准适用于具有模拟／数字输出的新型电子式互
感器。标准不仅对电子式互感器的各个部分，包括传感头（基于Ｒｏｇｏｗｓｋｉ空心线圈的电流互感器）、过程层与间隔层间的通信等都作了详细规定，而且还对电子式互感器的测试做了规定。
合并单元传输一帧的字节数为５６，帧间隙最少需７０个空闲位，数据帧以曼彻斯特编码格式传输，标准中规定了帧传输速率，在曼彻斯特编码前为２．５ Ｍｂｉｔ／ｓ。１．２ ＩＥＣ６１８５０—９
作为变电站自动化系统第一个完整的通信标准体系，ＩＥＣ６１８５０使用了面向对象建模技术并具有面向未来的开放的体系结构。
建模方法和信息模型是ＩＥＣ６１８５０的核心。在ＩＥＣ６１８５０—７中定义了数据模型和各种服务类型，其中７—２基于服务和对象定义了满足不同通信要求的抽象
随着电子式电流、电压互感器的实用化和变电站开关设备的智能化，国际电工委员会制定了相应的变电站过程层与间隔层的通信标准。分析比较了相关国际标准，指出合并单元是实现过程层与间隔层串行通信的重要部分，并设计出了一种基于ＡＲＭ微处理器的合并单元模型。该设计基于ＡＲＭ嵌入式硬件平台，采用Ｌｉｎｕｘ实时操作系统，利用以太网控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ实现ＥＣＴ／ＥＶＴ数据的传输，具有工程实用价值。
图１ 合并单元定义
ａ相电流互感器输出二次变换（测量）ｂ相电流互感器输出二次变换（测量）ｃ相电流互感器输出二次变换（测量）ｃ相电流互感器输出二次变换（保护）
ｂ相电流互感器输出二次变换（保护）ａ相电流互感器输出二次变换（保护）中性点电流输出二次变换ｃ相电流互感器输出二次变换ｂ相电流互感器输出二次变换ａ相电流互感器输出二次变换中性点电流输出二次变换母线电压输出二次变换
合并单元
电源时钟
数字输出
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技术服务模型和抽象通信服务接口（ＡＣＳＩ），ＡＣＳＩ定义了独立于网络和应用层协议的公用通信服务。ＩＥＣ６１８５０—８—１和ＩＥＣ６１８５０—９中则定义了与具体网络和通信协议相关的特殊通信服务映射（ＳＣＳＭ），它可将上述抽象模型及服务映射到底层实际的对象和通信协议中。
在ＩＥＣ６１８５０—９中，９—１将采样值以串行单向点对多点方式映射到底层实际的对象和通信协议中，９—２则是将采样值映射到ＩＳＯ／ＩＥＣ８８０２．３，一般又称之为基于过程层总线（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｂｕｓ）的特殊通信服务映射。
相对于ＩＥＣ６００４４—７／８与９—１中所规范的单向点对点通信，９—２中所规范的总线传输在现阶段要实现还面临着许多问题，主要问题是对网络性能的要求。１．３ 合并单元比较
对ＩＥＣ６００４４—８和ＩＥＣ６１８５０—９—１中所定义的合并单元进行比较如表所示。这两种标准中，区别最大的地方在于链路层，标准ＩＥＣ６００４４—８规定的数据传输方式—按ＦＴ３的帧格式，通过曼彻斯特编码方式进行发送；而标准ＩＥＣ６１８５０—９—１所规定的传输方式是按以太网数据传输格式。鉴于目前以太网技术的成熟性，本文采用基于以太网这种传输方式来设计合并单元的输出接口。
２合并单元功能模型实现
合并单元主要完成３个功能：同步功能、多路数据
采集处理功能、通信功能。其中同步功能包括从外部（如ＧＰＳ信号）获取统一的高精度同步时钟源和给多路Ａ／Ｄ转换器发送同步采集命令；多路数据采集处理功能主要负责电子式互感器多路数字信号的接受和处理，然后交由负责信息输出的功能模块送往二次设备；通信功能用于将各路采样值数据按一定的格式进行数据封装发送给二次设备。２．１ 合并单元的硬件构成
根据ＩＥＣ６１８５０—９—１所定义合并单元的功能，合并单元需要接收多路（最多１２路）Ａ／Ｄ采样信号，所需处理的信息量较大，这对处理器的性能要求较高。
ＬＰＣ２２９２是一款基于１６位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—Ｓ，１４４引脚封装，并支持实时仿真和跟踪的ＣＰＵ，这款微控制器特别适合自动化、工业控制和故障容限维护总线等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其他各种类型的应用，可以满足合并单元对信号处理实时性强、多任务的要求。数据的封装输出由以太网控制芯片ＲＴＬ８０１９ＡＳ来完成。ＲＴＬ８０１９ＡＳ是高度集成的以太网控制器，能够简单地实现即插即用、掉电等功能，具有全双工与低功耗的特性。
ＲＴＬ８０１９ＡＳ与ＬＰＣ２２９２通过外部总线进行连接，其连接图如图２所示。数据线和控制信号线需要进行电平转换，地址线上接限流电阻。ＬＰＣ２２９２对８０１９ＡＳ的驱动主要是通过操纵８０１９ＡＳ内部寄存器来完成，这些寄存器映射在ＬＰＣ２２９２的Ｉ／Ｏ端口上。对于８０１９ＡＳ片选的问题，考虑到网卡芯片８０１９ＡＳ地址线的高１５位是固定不变的，可以利用ＬＰＣ２２９２的地址线的Ａ１９～Ａ１７通过７４ＬＳ１３８来进行片选。
２．２ 功能模型的实现
由两标准定义的合并单元比较可知，ＩＥＣ６１８５０—９—１支持时钟同步法，因而可采用ＧＰＳ来对信号进行同步。在同步模块正确识别ＧＰＳ接收机输出的同步秒脉冲之后，给各路Ａ／Ｄ转换器发送同步转换信号。
从合并单元到二次设备所传输数据主要是电子式互感器的电压／电流采样值及其附加信息。本设计采用
图２ 硬件系统设计
Ｄ０～Ｄ１５
Ａ１～Ａ５ＥＩＮＴ２ＷＲ
ＲＤ
Ａ１９Ａ１８Ａ１７
Ｃ
Ｓ
ＬＰＣ２２９２
ＳＤ０～ＳＤ１５ＳＡ０～ＳＡ４ＩＮＴ０ＩＯＷＢ
ＩＯＲＢＡＥＮ
ＡＢＣＧ
Ｙ４
８０１９ＡＳ
Ｉ０ＣＳ１６ＢＴＰＩＮ＋ＴＰＩＮ－
ＴＰＯＵＴ＋ＴＰＯＵＴ－
＋５ Ｖ
表 合并单元比较
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技术
ＩＥＣ８１８５０—９—１所定义的数据格式——以太网数据传
输格式——传输数据。当ＬＰＣ２２９２微处理器获取采样值
数据及其他附加信息并进行处理后，将信息发送到
ＲＴＬ８０１９ＡＳ，由其进行数据的封装并发向网络接口。
３合并单元的软件设计
合并单元数据的传送，对可靠性和实时性要求较高，因此对软件的实时性也提出了较高要求，软件系统
应该有较为简洁的代码、较高的执行效率。配合
ＬＰＣ２２９２处理器，采用嵌入式操作系统可以有效地提高
系统的可靠性和代码执行效率。在所有的嵌入式操作系
统中，Ｌｉｎｕｘ因具有开放源码，内核小，功能强大及源
码易于裁剪等优势，使得其在嵌入式领域得到了广泛的
应用，因而本设计采用Ｌｉｎｕｘ作为操作系统。
软件系统的运行就是各个任务之间的调度协作运行。任务之间具有相互关联性和次序性。通过调用Ｌｉｎｕｘ
系统的任务通信管理机制，可以方便快捷地实现任务之
间的通信。本设计应用软件包含同步采样信号发送任务
用信号量通知采样数据获取处理任务，数据处理完成后
用消息队列通知向以太网写数据任务，组帧封装后发送二次设备。
合并单元的输出要通过以太网传输，必须和以太网驱动程序进行通信。以太网驱动程序属于内核程序，因此只能通过系统调用才可以使用以太网接口卡硬件传输采样值。Ｌｉｎｕｘ内核为所有的设备提供了一个标准的接口，这个接口通过一个Ｓｔｒｕｃｔ ｎｅｔ＿ｄｅｖｉｃｅ数据结构实现，这个数据结构为每个设备提供了标准的可供访问其内部数据的方法，包括初始化、发送和接收方法。这些方法的实现在具体的每一个设备驱动程序里完成，而接口数据结构仅提供这些方法的函数指针供上级协议或者应用调用。其系统整个流程图如图３所示。
４结束语
合并单元是未来数字化变电站中过程层与间隔层进行信息交换的重要组成部分。本文充分利用ＡＲＭ微处理器速度快，多任务处理等优点，以及以太网的传输速度高，低耗，易于安装和兼容性好等方面的优势，来设计合并单元，能够满足电子式互感器数字接口高速、可靠的要求。设计中采用了先进的硬件平台和软件开发环境、软硬
图３ 合并单元流程图
开始
各路数据是否
处理完？
获取电压／电流
采样信号
是否收到同步
采样信号？
等待同步
采样信号
系统初始化
Ｎ
Ｎ
Ｙ
Ｙ
系统调用接口
设备驱动程序
发送数据
结束
件协同设计技术，具有较高的理论和实践价值。EM
（收稿日期：２００８．１１．０４）
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