劉建國(guó) 劉華杰 王 波

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

數(shù)字化、智能化是未來(lái)變電站的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外電子式互感器的研制工作已向?qū)嵱没A段發(fā)展。這樣大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)之一便是非常規(guī)互感器的應(yīng)用，由它發(fā)展而來(lái)的合并單元也是一種新型電力設(shè)備，二次智能電子保護(hù)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信完成信息交換。各智能設(shè)備的功能特性、校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等已經(jīng)成為數(shù)字化變電站建設(shè)和運(yùn)行的突出問(wèn)題。由電子互感器和合并單元帶來(lái)的相位誤差和比例誤差也直接影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。由于電子式互感器結(jié)構(gòu)的特殊性，難以應(yīng)用常規(guī)電磁式互感器校驗(yàn)裝置進(jìn)行校驗(yàn)，因此電子式互感器及其合并單元的校驗(yàn)方法和裝置研究一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1-3]。

根據(jù) IEC61850[4]關(guān)于性能測(cè)試部分通訊延時(shí)測(cè)試的要求，發(fā)送的物理設(shè)備到接收的物理設(shè)備傳輸時(shí)間要滿足一定的規(guī)程要求。根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的速斷性、安全性的特點(diǎn)，采樣數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)過(guò)盡可能短的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)送到二次保護(hù)測(cè)控設(shè)備，這對(duì)于電力設(shè)備的保護(hù)和電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行安全有著十分重要的作用。因此，測(cè)定采樣數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)對(duì)于鑒定合并單元的性能是一項(xiàng)十分重要的工作[5-8]。

1 合并單元延時(shí)測(cè)試原理

從電子互感器發(fā)出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)合并單元的同步、抽取濾波、相位補(bǔ)償?shù)忍幚碇螅喜卧侔碔EC61850或者IEC60044規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到二次設(shè)備中，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包都經(jīng)過(guò)了處理，與電子互感器發(fā)送的數(shù)據(jù)已有本質(zhì)的區(qū)別。所以，測(cè)試合并單元的延時(shí)，不能按照發(fā)送點(diǎn)到接收點(diǎn)之間的延時(shí)來(lái)計(jì)，而只能將電子互感器發(fā)出的波形和合并單元發(fā)出的波形在同一時(shí)間軸上比較來(lái)進(jìn)行測(cè)試。這就要求測(cè)試裝置既要模擬電子式互感器串行發(fā)送FT3數(shù)據(jù)幀，又要模擬二次設(shè)備IED網(wǎng)絡(luò)接收合并單元發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。

搭建智能手持式延時(shí)測(cè)試儀（IHT）原理圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)原理圖

圖1中既包括了模擬電子互感器發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，也包括了IED接收采集數(shù)據(jù)的功能。以測(cè)試平臺(tái)提供的時(shí)間軸為基準(zhǔn)，同時(shí)將發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)打上時(shí)標(biāo)，放在同一坐標(biāo)系上，計(jì)算發(fā)送和接受波形的基波相位差，再折算成時(shí)間，就可以測(cè)試出合并單元的延時(shí)了。

2 測(cè)試儀硬件搭建目標(biāo)與原則

本裝置要研制的手持式（便攜式）IHT針對(duì)數(shù)值化變電站合并單元的網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備進(jìn)行信息交換的測(cè)試儀器的研究、設(shè)計(jì)、搭建以及基本驗(yàn)證功能軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，具備二次開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則遵循以下幾點(diǎn)：

1）主控制器采用 ARM9嵌入式處理器，主頻100MHz以上，能滿足應(yīng)用對(duì)資源及速度性能的要求。

2）配備大容量存儲(chǔ)器，能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)的需要。

3）具備ARM9調(diào)試接口（JTAG、UART0對(duì)應(yīng)的RS232）和復(fù)位、按鍵等控制接口。

4）配置7in彩色觸摸屏，滿足操作及圖文顯示的需要。

5）配置從USB插槽，支持U盤(pán)啟動(dòng)系統(tǒng)。

6）配置2路以UART數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饫w通信ST接口，分別模擬EVT/ECT信號(hào)的輸出。

7）配置 4路 10/100M 的以太網(wǎng)接口，兩路電口兩路光口，模擬IED與MU的通信。

8）配備高容量鋰電池（2000mAH），工作2h。

9）系統(tǒng)采用低功耗、工業(yè)級(jí)手持（便攜）式設(shè)計(jì)。

10）采用LINUX操作系統(tǒng)。

測(cè)試平臺(tái)整體框架如圖2所示。

圖2 測(cè)試儀整體框架圖

3 硬件平臺(tái)介紹

3.1 C8051F340介紹

51系列控制芯片C8051F340可以滿足高達(dá)2Mb/s波特率 UART的要求，本裝置采用該芯片作為光口UART的控制器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 80C51F340內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

IHT的模擬測(cè)試功能之一是，同時(shí)模擬兩臺(tái)ECT/EVT設(shè)備發(fā)送報(bào)文到合并單元MU，并接受來(lái)自于它們的報(bào)文，進(jìn)行數(shù)據(jù)與同步性分析。該功能需要本儀器具備的接口是兩路UART輸出接口和兩路以太網(wǎng)接收接口。IHT一方面要實(shí)現(xiàn)模擬ECT/EVT的信息組織與發(fā)送功能，另一方面還要具備IED的信息接收與處理功能，此外IHT還要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送和接受信息的分析功能。為實(shí)現(xiàn)上述功能的要求，我們選擇C8051F340雙路UART高速光纖數(shù)據(jù)傳輸模擬ECT/EVT、網(wǎng)絡(luò)電光/光電接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬MU，組成測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

在兩路UART進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸中，一方面要考慮光模塊相位的控制問(wèn)題，利用異或門(mén)輸入控制實(shí)現(xiàn)；另一方面要考慮UART1、SPI與曼徹斯特編解碼器（3D3523）復(fù)用光模塊，以GPIO來(lái)轉(zhuǎn)換控制，實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸；裝置中同時(shí)還加入了光模塊通信節(jié)能控制。其光接口為OCM型專用模塊。

3.2 Micro2440 ARM9核心板

本儀器選用含 ARM9芯片 S3C2440的Micro2440核心板作為主CPU。

S3C2440支持兩種啟動(dòng)模式：一種是從 Nand Flash啟動(dòng)；另外一種是從Nor Flash啟動(dòng)。在此兩種啟動(dòng)模式下，各個(gè)片選的存儲(chǔ)空間分配如圖4所示。

圖4 Flash存儲(chǔ)分配圖

在圖4中，左邊是nGCS0片選的Nor Flash啟動(dòng)模式下的地址分配圖；右邊是Nand Flash啟動(dòng)模式下的地址分配圖。

由圖4可知，在NAND Flash啟動(dòng)模式下，內(nèi)部的4K Bytes Boot SRAM被映射到nGCS0片選的空間；在Nor Flash啟動(dòng)模式下，與nGCS0相連的外部存儲(chǔ)器Nor Flash就被映射到nGCS0片選的空間。

3.3 S3C2440部分功能模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，測(cè)試儀需要配備大容量 SD卡和從USB插槽。

1）SD卡存儲(chǔ)器接口部分

SD卡可以配置為2/4G的容量，利用S3C2440的內(nèi)部功能模塊實(shí)現(xiàn)。電路中接入了 EMC保護(hù)芯片，利用GPF2作為SD卡的工作電源控制，EINT16作為是否插卡的檢測(cè)，GPH8作為SD卡是否寫(xiě)保護(hù)的檢測(cè)，如圖 5所示。GPF2為低電平時(shí)，SI2323導(dǎo)通，給SD卡供電；GPF2為高電平時(shí)，SI2323關(guān)斷，SD卡關(guān)閉。后面的SI2323的操作方法相同。

圖5 SD卡接口電路

2）USB接口

本裝置擴(kuò)展了 USB-Host和 USB-Slave接口。其中USB-Slave用于軟件調(diào)試及下載，USB-Host供U盤(pán)使用。這兩個(gè)端口對(duì)應(yīng)圖 6中的“調(diào)試”和“USB”端口。

4 IED報(bào)文接收驗(yàn)證試驗(yàn)

接收采樣值報(bào)文，首先要建立一個(gè)原始套接字，然后將所有經(jīng)過(guò)網(wǎng)口的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文都采集下來(lái)，最后逐個(gè)查找出需要的網(wǎng)絡(luò)類型報(bào)文，丟棄其它不需要的報(bào)文，以免網(wǎng)卡緩沖溢出。

舉一抓取報(bào)文的應(yīng)用例程實(shí)現(xiàn)步驟如下：

第一步：建立原始套接字d = socket(PF_PACKET，SOCK_RAW，htons(0x8100))。

第二步：打開(kāi)網(wǎng)卡設(shè)備，并使它工作在混雜（promisc）模式。

圖6 擴(kuò)展USB接口

ioctl(fd，SIOCGIFFLAGS，&req)，

ioctl(fd，SIOCSIFFLAGS，&req)；

第三步：利用網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)recvfrom接收數(shù)據(jù)報(bào)文。

n=recvfrom(sock,buffer,2048,0,NULL,NULL)

第四步：將接收到的數(shù)據(jù)報(bào)過(guò)濾，留下符合采樣標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。

模擬實(shí)驗(yàn)原理如圖7所示。

圖7 報(bào)文接收實(shí)驗(yàn)原理

A模擬MU作為發(fā)送端發(fā)送IEC61850 Sample Value報(bào)文，B模擬IED作為接收端接收?qǐng)?bào)文，用兩臺(tái)PC作為A、B的控制終端（也稱為調(diào)試終端），記錄發(fā)送報(bào)文和接收?qǐng)?bào)文過(guò)程如下圖8、圖 9所示。

圖8 發(fā)包程序終端顯示圖

圖9 收包程序終端顯示圖

首先運(yùn)行測(cè)試儀B上的接收程序，再運(yùn)行測(cè)試儀A上的發(fā)送程序?？梢钥吹剑珹發(fā)送的報(bào)文B都接收到，并沒(méi)有丟失。由于調(diào)試窗口大小的限制，這里只顯示了部分內(nèi)容。發(fā)包終端顯示的數(shù)據(jù)只包含發(fā)送數(shù)據(jù)包的前32個(gè)字節(jié)；收包程序也只包含了前幾個(gè)字節(jié)。但總數(shù)215個(gè)字節(jié)已經(jīng)顯示出來(lái)。收包數(shù)據(jù)幀幾個(gè)重要標(biāo)志與發(fā)送的數(shù)據(jù)包均相同，如網(wǎng)絡(luò)幀標(biāo)志識(shí)別0×8100、網(wǎng)絡(luò)類型0×88ba。以上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此測(cè)試儀可以發(fā)送符合 IEC61850 Sample Value類型的數(shù)據(jù)，并可抓取這種類型的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文基于ARM9的智能便攜式測(cè)試儀有一大特點(diǎn)，那就是在 Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)卡應(yīng)用，因而可以在數(shù)字變電站中廣泛應(yīng)用。由于數(shù)字變電站中的IED都是網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備，這給校驗(yàn)裝置功能的拓展提供了基礎(chǔ)。裝置功能可以拓展為測(cè)試智能開(kāi)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備的延時(shí)，也可以安放在數(shù)字變電站中實(shí)時(shí)觀察各個(gè)IED的運(yùn)行狀況等。

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