樊鵬，周芝萍，張鵬遠(yuǎn)，吳雙惠

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著我國對海島權(quán)益保護(hù)力度的加強，以及對海島資源和旅游業(yè)開發(fā)需求的加大，未來海島發(fā)展的前景極為廣闊。由于大多數(shù)海島遠(yuǎn)離大陸，電源問題成為亟待解決的關(guān)鍵，若依靠大陸的電力系統(tǒng)網(wǎng)架為海島供電則需要鋪設(shè)海底電纜，技術(shù)要求高，勢必會增加成本。最佳的供電方式是就地利用海島上豐富的風(fēng)電和太陽能等綠色能源發(fā)電構(gòu)建海島微電網(wǎng)系統(tǒng)，其不僅解決傳統(tǒng)依靠柴油機發(fā)電帶來的污染問題和運輸柴油的成本問題，而且能源取之不盡用之不竭，且具有發(fā)電方式靈活、零污染(低污染)等優(yōu)點，可提高能源的綜合利用率，有效改善海島能源結(jié)構(gòu)，極大地減少成本[1]。然而，風(fēng)電和太陽能隨氣候等外部條件的影響而變化，表現(xiàn)出間歇性和隨機性等特點[2]，影響海島微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行，因此設(shè)計一款適應(yīng)海島微電網(wǎng)系統(tǒng)的智能終端顯得尤為重要。

微電網(wǎng)智能終端作為微網(wǎng)就地層中與斷路器配合使用的一種主要設(shè)備，隨著智能電網(wǎng)自動化程度的越來越高和對供電穩(wěn)定性要求的不斷增強，對斷路器的安全運行要求也越來越高，只有充分了解配電變或饋線在運行中的實時數(shù)據(jù)信息和統(tǒng)計，及時根據(jù)采集的信息進(jìn)行斷路器的操作控制，才能采取有效措施避免事故的發(fā)生和供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

嵌入式系統(tǒng)具有運算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)勢，F(xiàn)reescale公司的PowerPC系列芯片以其強大的通信能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及抗干擾能力，在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，微電網(wǎng)智能終端就是基于PowerPC作為軟件平臺進(jìn)行設(shè)計研制的。

1 微電網(wǎng)智能終端功能介紹

微電網(wǎng)智能終端為適應(yīng)海島微電網(wǎng)的迅速發(fā)展而設(shè)計，它和上層控制器通信和配合，完成一個間隔內(nèi)配電變或饋線斷路器的操作控制和狀態(tài)監(jiān)視，具有承上啟下的橋梁功能，對下完成對斷路器的就地控制，對上實現(xiàn)對模擬量采集信息和斷路器狀態(tài)信息的及時上送[3]，功能應(yīng)用圖如圖 1所示。它支持 SV通信，GOOSE通信和MMS通信，SV通信依靠過程層網(wǎng)絡(luò)完成模擬量信息發(fā)送，GOOSE通信依靠過程層網(wǎng)絡(luò)完成斷路器狀態(tài)信息采集和發(fā)布發(fā)布，同時接收 GOOSE跳合閘指令，MMS通信把斷路器的信息上送到監(jiān)控后臺，完全滿足海島微電網(wǎng)中對斷路器快速可靠地就地控制需求，安裝于35kV及其以下電壓等級的高壓開關(guān)柜或環(huán)網(wǎng)柜中[4]。

微電網(wǎng)智能終端的特點:1)將電流電壓的采集和合并處理能力集成在一起，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本[5]16;2)保證就地層動態(tài)信息的及時上送，可靠完成斷路器的就地操作;3)具有過流保護(hù)功能，可作為變壓器、低壓母線和線路的后備保護(hù);4)安裝于開關(guān)柜或環(huán)網(wǎng)柜中，充分利用現(xiàn)有空間[5]17。

圖1 微電網(wǎng)智能終端功能應(yīng)用圖

2 硬件平臺設(shè)計

2.1 處理器架構(gòu)

MPC8313中央處理器執(zhí)行速度可達(dá)333 MHz，內(nèi)置獨特的E300(基于MPC603E)內(nèi)核配置，E300內(nèi)核還包括16KB的L1指令、數(shù)據(jù)緩存及片上內(nèi)存管理單元(MMU)。具有雙10/100/1000Mbs以太網(wǎng)控制器，一個32位雙倍數(shù)據(jù)速率 DDR1/DDR2 SDRAM存儲控制器，一個增強型的16位本地總線控制器，一個32位PCI控制器，一個高速USB2.0 host/device控制器和片上全速PHY，一個可編程的中斷控制器，雙 I2C控制器，一個4通道DMA控制器和一個通用I/O端口，其功能圖如圖2所示。

圖2 處理器架構(gòu)圖

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)微電網(wǎng)智能終端所實現(xiàn)的功能，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，以支持強大通信能力的MPC8313為核心處理器，考慮程序較大和處理數(shù)據(jù)較多，需要擴展程序存儲器和Flash來存儲程序和數(shù)據(jù)，其中SD卡用于存儲錄波信息等，光/電以太網(wǎng)口用于組網(wǎng)和接收控制信息，電氣以太網(wǎng)口還用于裝置測試用，RS232接口用于嵌入式平臺程序的瀏覽及擦除，USBTAP接口用于程序的調(diào)試，通過系統(tǒng)時鐘可以完成網(wǎng)絡(luò)對時或1588對時，CPU主要完成保護(hù)算法運算和邏輯判斷、人機接口功能以及與裝置外部的通訊等。

CPU和FPGA之間通過本地總線連接，用于傳輸斷路器的實時信息、開關(guān)量狀態(tài)信息、保護(hù)或遙控的跳合閘指令等。

FPGA主要實現(xiàn)模擬量采集、開入開出回路、人機接口回路、系統(tǒng)B碼對時回路和光纖通訊回路的控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘6]。

圖3 微電網(wǎng)智能終端硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計框架

微電網(wǎng)智能終端軟件設(shè)計的實現(xiàn)分為三大部分即嵌入式軟件平臺設(shè)計、FPGA程序設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計，三者之間的關(guān)聯(lián)框架如圖4所示。軟件平臺主要實現(xiàn)一些基礎(chǔ)功能，包括模入通道讀取、開入通道讀取、開出的驅(qū)動及其網(wǎng)口功能的實現(xiàn)，還包括與FPGA接口的定義等;FPGA主要實現(xiàn)模擬量采集、開入開出回路、人機接口回路、系統(tǒng) B碼對時回路等;應(yīng)用程序主要實現(xiàn)GOOSE信息，SV模擬量信息以及 MMS信息的處理、接收和發(fā)送，錄波信息的處理等。

圖4 軟件設(shè)計框架圖

3.2 FPGA程序設(shè)計

FPGA程序的設(shè)計實現(xiàn)功能:1)接收到CPU由數(shù)據(jù)總線發(fā)過來的信息后，給開關(guān)量輸出繼電器發(fā)送動作信號;2)完成IRIGB碼解析，將解析后的時間信息傳給 CPU，將解析后的秒脈沖PPS發(fā)送給AD采樣處理模塊作為AD采樣脈沖時刻;3)開關(guān)量的采集及檢測，當(dāng)檢測到開關(guān)量發(fā)生變位后存入SOE，給CPU發(fā)送中斷進(jìn)行GOOSE報文編碼并發(fā)送;4)液晶顯示、按鍵操作、運行和告警燈;5)接受自身時鐘系統(tǒng)發(fā)送的時間系統(tǒng)，作為外部時鐘系統(tǒng)丟失后的備用時鐘。

圖5 FPGA程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3.3 應(yīng)用程序模塊化設(shè)計

裝置采用平臺化開發(fā)和應(yīng)用程序模塊化的設(shè)計理念，平臺完成對采集數(shù)據(jù)的處理、系統(tǒng)時鐘同步、與FPGA的數(shù)據(jù)交互及通訊功能，應(yīng)用軟件設(shè)計按照邏輯功能部分封裝成幾個相對獨立的大模塊，主要完成保護(hù)邏輯判別和對斷路器的控制命令處理，邏輯功能經(jīng)過可視化編程，最終由軟件機器人自動生成源代碼和可執(zhí)行目標(biāo)程序，正確率達(dá)到了100%，杜絕了人為原因產(chǎn)生軟件Bug，應(yīng)用程序模塊化框圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)用程序模塊化框圖

4 測試結(jié)果及分析

為驗證微電網(wǎng)智能終端產(chǎn)品的可靠性和功能性，搭建如圖7所示的測試環(huán)境[7]。通過繼保測試儀施加模擬量 U和I，微電網(wǎng)智能終端將采集到的SV模擬量、開關(guān)量信息以GOOSE形式上送給上層控制器，同時接收上層控制器發(fā)過來的GOOSE控制命令或進(jìn)行過流保護(hù)邏輯判別進(jìn)行一次斷路器的跳合閘動作。

圖7 微電網(wǎng)智能終端測試環(huán)境

以微電網(wǎng)智能終端滿足過流條件(Iact＞Iset=2 A)時經(jīng)過0.5 s延時(延時可整定)后斷路器跳閘為例，錄波波形如圖8所示。通過波形可以看出，開始斷路器處于合閘位置，當(dāng)過流條件滿足時保護(hù)啟動，經(jīng)過△t=500.0 ms延時后過流I段動作驅(qū)動操作回路使斷路器跳閘(約需要50 ms左右)，斷路器跳閘后將跳閘接點狀態(tài)返回給裝置(約需要15 ms左右)，保護(hù)執(zhí)行的邏輯順序和動作時間滿足事先的定值設(shè)置和預(yù)期。

圖8 微電網(wǎng)智能終端錄波波形

同時，微電網(wǎng)智能終端也能把MMS信息模擬量、開關(guān)量、錄波文件等信息上送給監(jiān)測后臺，如圖9所示為監(jiān)測后臺顯示的保護(hù)定值，可以看到上傳信息與就地顯示內(nèi)容完全一致。

圖9 監(jiān)測后臺顯示的保護(hù)定值圖

5 結(jié)束語

微電網(wǎng)智能終端采用集成和處理能力較高的PowerPC智能芯片，處理速度快，能同時滿足對一個間隔內(nèi)所有配電變或饋線斷路器信息的上送和邏輯控制，通訊報文滿足IEC61850規(guī)約，是為適應(yīng)海島微電網(wǎng)的建設(shè)而開發(fā)設(shè)計的，它的成功研制將對智能微電網(wǎng)的成功運行提供有力保障。

[1]賀丹.海島微電網(wǎng)保護(hù)控制的設(shè)計與研究[J].硅谷Silicon Valley，2012，5(03):88 －89.

[2]袁建華.分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)供能系統(tǒng)研究[D].山東:山東大學(xué)，2011:110－110.

[3]孔建飛.數(shù)字化變電站系統(tǒng)智能終端與合并器的研究[D].山東:山東建筑大學(xué)，2011:5－5.

[4]于廣耀.Q/GDW 428－2010智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范[S].北京.

[5]劉曦.關(guān)于合并單元和智能終端應(yīng)用模式的探討[J].浙江電力，2011，30(03):15 －19.

[6]孫通.基于IEC61850的智能終端設(shè)計及其通訊的研究[D].江蘇:南京理工大學(xué)，2012.

[7]汝雁飛.數(shù)字化變電站中智能終端裝置動作時延測試的研究[J].電工技術(shù)，2011，26(06):14－15.