王 波

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072）

1 引言

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］。

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］。

2 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?，合并單元再按IEC61850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。因此，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中既包括模擬電子互感器發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，也包括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)。

3 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)開發(fā)，具備二次開發(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7英寸彩色觸摸屏，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2小時(shí)。

（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。

4 硬件平臺(tái)介紹

4.1 C8051F340 介紹

51系列控制芯片C8051F340可以滿足高達(dá)2Mbps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2 測(cè)試儀整體框架圖

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，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。

圖3 80C51F340內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

4.2 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。

4.3 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。

4.3.1 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。

4.3.2 USB 接口

如圖6所示，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盤使用。這兩個(gè)端口對(duì)應(yīng)圖6中的“調(diào)試”和“USB”端口。

圖4 Flash存儲(chǔ)分配圖

圖5 SD卡接口電路

5 結(jié)束語(yǔ)

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。

圖6 擴(kuò)展USB接口

［1］余春雨，葉國(guó)雄，王曉琪，李曉林，李 偉.電子式互感器的校準(zhǔn)方法與技術(shù)［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（4）：20-21.

［2］錢 政，李童杰，張 翔.電子式互感器校驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.北京航空航天人學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（11）：1316-1319.

［3］馬 亮.智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制首戰(zhàn)告捷［J］.電力系統(tǒng)裝備.2010，11（12）：54-55.

［4］IEC.IEC61850-2004，Communication networks and systems in substations［S］.

［5］楊永標(biāo).基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的合并單元性能測(cè)試［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30：442-445.

［6］高 翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008：22-23.

［7］王 飛.電子式互感器合并單元的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：東南大學(xué)，20090421.

［8］萬(wàn) 磊.數(shù)字式光電互感器合并單元及二次接口的研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2005.