朱建斌，崔琳琳，馬冠群，任紅旭，趙應(yīng)兵，鄭拓夫，胡彥民，張群玲

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.吉林省長春電力勘測設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130000)

一種應(yīng)用于PT間隔過程層合智一體裝置研制

朱建斌1，崔琳琳2，馬冠群2，任紅旭1，趙應(yīng)兵1，鄭拓夫1，胡彥民1，張群玲1

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.吉林省長春電力勘測設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130000)

研究了母線 PT 間隔合并單元和智能終端一體化。結(jié)合實際，給出了產(chǎn)品裝置的軟硬件架構(gòu)圖，詳細介紹了應(yīng)用于 PT 間隔以 PowerPC MPC8377 為核心處理芯片的模擬量合智一體裝置的研制。給出了硬件方案和軟件設(shè)計方案，實現(xiàn)了合智一體裝置 GOOSE 的訂閱與發(fā)布，通過開關(guān)量的采集實現(xiàn)了對 PT 間隔刀閘狀態(tài)監(jiān)視，通過模擬量的采集和合并實現(xiàn)了SV的上送。最終滿足了工程對合并單元和智能終端集約化需求，并且達到了節(jié)省空間、減少光口、節(jié)約成本的效果。實驗結(jié)果表明，研制的母線合智一體裝置成本低廉、功能強大、性能優(yōu)良，較好地完成了對 PT 刀閘的狀態(tài)監(jiān)視和控制、對母線電壓的采集合并及其規(guī)約轉(zhuǎn)換功能。該裝置完全滿足智能化變電站IEC 61850 通信規(guī)約。

合并單元；智能終端；合智一體；IEC 61850；GOOSE；SV

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展以及變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議 IEC 61850 標準的不斷推廣，智能變電站的建設(shè)[1]已在工程實踐階段得到飛速發(fā)展。智能變電站按照邏輯結(jié)構(gòu)分為過程層、間隔層和站控層，而合并單元和智能終端是智能變電站過程層[2]的重要設(shè)備，是體現(xiàn)智能化水平的重要標志。

目前，過程層母線 PT 間隔工程配置如圖1所示，選用合并單元接入電壓互感器[3]，選用智能終端接入刀閘位置和遙控刀閘[4]，通過電纜或者光纖進行通信，裝置之間進行狀態(tài)監(jiān)測及其邏輯判斷。工程配置復(fù)雜，電纜、光纖使用較多，調(diào)試復(fù)雜，維護不便，具有有一定的瓶頸[5]。

圖1 當前工程配置圖Fig. 1 Diagram of project configuration at present

本文針對母線 PT 間隔合并單元和智能終端工程應(yīng)用的瓶頸，設(shè)計了一種適用于母線 PT 間隔的合并單元和智能終端一體化裝置，完全替代了該間隔一臺合并單元和一臺智能終端，減少了母線 PT間隔裝置數(shù)量，節(jié)約了成本，提高了設(shè)備利用率，減小了安裝空間，縮短了維護時間，具有較高的推廣價值[6]。

1 母線合智一體裝置智能化功能

母線合智一體裝置基于嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行研制開發(fā)，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，在工業(yè)控制、通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用采用 PowerPC 芯片比其他處理芯片擴展性強、處理速度快，參數(shù)配置靈活性高，裝置的易用性、可靠性較強。

母線合智一體裝置就是為適應(yīng)過程層產(chǎn)品的迅猛發(fā)展而研制的，裝置通過雙 CPU 架構(gòu)搭接硬件公共資源，實現(xiàn)裝置信息的共享，如圖2所示。一個CPU 完成智能終端的功能，另外一個 CPU 完成合并單元的功能，共享裝置的硬件資源，兩個 CPU 不分主次，功能獨立，相互監(jiān)測，而又互不影響。雙CPU 共用開入開出模塊，通過開入開出模塊共享裝置的開入信息，控制裝置的開出；兩個 CPU 相互之間的信息交換很少，主要用于互相監(jiān)視運行狀態(tài)，在一塊 CPU 故障時，由另外一塊 CPU 及時上送告警信息；模擬量的采集功能，是通過裝置內(nèi)嵌的 AD模塊完成對交流輸入信號采集，并上送給合并單元CPU；裝置發(fā)送 FT3 功能，是通過合并單元 CPU擴展 FT3 硬件接口實現(xiàn) FT3 點對點的功能；公用接口實現(xiàn)了其他公共的通信功能以及 SV 點對點的擴展功能：對外通信功能，實現(xiàn) GOOSE 收發(fā)和 SV發(fā)送；面板點燈共享功能，兩個 CPU把點燈信息發(fā)送至公用接口，由公用接口統(tǒng)一驅(qū)動指示燈；裝置對時共享功能，公用接口完成對時功能，再與兩個CPU 分別對時，完成對時信息的共享；公共接口在不能滿足 SV 點對點接口功能時，通過擴展硬件接口滿足SV點對點的功能。

圖2 雙 CPU 架構(gòu)圖Fig. 2 Double CPU structure

為了工程配置方便的需求，在滿足模擬量輸入式合并單元和智能終端的功能的前提下，通過公共板實現(xiàn) SV、GOOSE、1588 對時共網(wǎng)共口機制，通過配置既可以實現(xiàn)直采直跳，又可以實現(xiàn) SV 點對點，也可以實現(xiàn) SV 和 GOOSE 共網(wǎng)，還能實現(xiàn) SV、GOOSE、1588 三網(wǎng)合一，同時保證了 SV 點對點的均勻性。裝置完全滿足智能變電站基于 IEC 61850通信要求。

2 母線合智一體裝置智能化工程配置

該母線合智一體裝置將在母線 PT 間隔進行廣泛引用，未來工程配置的如圖3所示，裝置適用于兩段母線、三段母線，不同的應(yīng)用環(huán)境，使用裝置的資源不同，本文按照裝置最大化配置進行介紹。裝置將母線 PT 間隔每段母線的 PT 刀閘位置、PT刀閘隔地刀1位置、PT刀閘隔地刀2位置、強制開關(guān)位置、母聯(lián)位置、母聯(lián)隔刀1位置、母聯(lián)隔刀2位置、分段位置、分段隔刀1位置、分段隔刀2位置等信息以開入的形式上送給雙 CPU；裝置中的智能終端 CPU 對開入信息處理，按照工程需要以GOOSE 形式進行上送，同時可以接收間隔層裝置的 GOOSE 的指令，實現(xiàn)對操作刀閘機構(gòu)的遙控；裝置中的合并單元 CPU 對開入信息處理，提取與電壓并列邏輯功能有關(guān)的位置信息，母聯(lián)位置等信息可以通過配置從過程網(wǎng)絡(luò)獲取位置信息，參與電壓并列邏輯，實現(xiàn)電壓并列的功能，并將裝置的狀態(tài)以 GOOSE 的形式進行上送；裝置中的合并單元中含有交流配置和AD采集回路，通過智能采集完成互感器的信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，由合并單元 CPU 進行重采樣，最終以 SV 組網(wǎng)、SV 點對點、FT3 點對點的方式上送。

圖3 未來工程配置圖Fig. 3 Diagram of project configuration in future

在單母線、雙母線、雙母單分段的工程應(yīng)用中，PT 間隔配置該母線合智一體裝置，實現(xiàn)了合并單元和智能終端的功能，顛覆了以往的分別配置合并單元和智能終端的工程應(yīng)用，大大節(jié)約了成本，減小了安裝空間，提高了智能變電站的集成度。

3 硬件平臺設(shè)計

依據(jù)母線合智一體裝置所實現(xiàn)的合并單元和智能終端的功能，合并單元和智能終端的 CPU 硬件架構(gòu)一致，裝置的 CPU 架構(gòu)如圖4所示，均是以支持強大通信能力的 MPC8377 為核心處理器[8]，考慮兼容性和處理數(shù)據(jù)較多，需要擴展程序存儲器和Flash 來存儲程序、數(shù)據(jù)，電氣以太網(wǎng)口用于裝置調(diào)試使用，USBTAP 接口用于程序的調(diào)試，光纖以太網(wǎng)口通過時鐘同步芯片可以完成 1588 對時，對時精度≤1 ms，擴展的 I2C 的接口用于告警指示燈的驅(qū)動，I/O 口通過 CPU 總線和 FPGA 進行無縫總線連接，完成裝置的 GOOSE、SV、FT3、對時數(shù)據(jù)的通信交互。

圖4 MPC8377 架構(gòu)圖Fig. 4 Diagram of MPC8377

裝置中的公共板架構(gòu)如圖5所示，裝置中的雙CPU通過以FPGA為核心的高速接口和公共板來進行通信，接收公共板的光 B 碼對時數(shù)據(jù)和 1588 網(wǎng)絡(luò)對時數(shù)據(jù)，同時支持 GOOSE 收發(fā)、SV 點對點及其擴展 SV 點對點的功能。公共板采用 FPGA+PHY的架構(gòu)，利用 FPGA 通過 MII 接口直接控制 PHY芯片，利用 FPGA 的并行處理特性實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)全雙工，實時的實現(xiàn) SV 發(fā)送時刻的精確控制、GOOSE的收發(fā)功能、對時功能。

圖5 公共板架構(gòu)圖Fig. 5 Architecture of public board

裝置的硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示，裝置中的包含開入開出板，開入板主要接智能設(shè)備的硬開入，直接轉(zhuǎn) GOOSE 狀態(tài)發(fā)出去；開出板主要是接收到GOOSE 開入命令時，符合邏輯出口條件時，可驅(qū)動繼電器動作出口，完成對智能設(shè)備節(jié)點的控制。裝置中包含采集板和交流板，實現(xiàn)互感器信號的采集轉(zhuǎn)換，供裝置的合并單元 CPU 進行重采樣處理。

圖6 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 6 Architecture of hardware system

4 軟件設(shè)計

4.1 裝置軟件系統(tǒng)框架

母線合智一體裝置軟件設(shè)計的實現(xiàn)分為五大部分，即智能終端軟件設(shè)計、合并單元軟件設(shè)計、公共板程序設(shè)計、擴展板程序設(shè)計、采集板程序設(shè)計，五者之間的關(guān)聯(lián)框架如圖7所示。智能終端軟件設(shè)計實現(xiàn)智能終端的功能及其對合并單元 CPU 運行狀態(tài)的監(jiān)測；合并單元軟件設(shè)計實現(xiàn)合并單元的功能及其對智能終端 CPU 運行狀態(tài)的監(jiān)測；公共板程序設(shè)計實現(xiàn)對雙 CPU 的通信和擴充外圍接口的功能；擴展板程序?qū)崿F(xiàn)和雙CPU的通信，完成裝置開入和開出功能；采集板程序?qū)崿F(xiàn)對互感器信號的采集，并打包采樣數(shù)據(jù)上送給合并單元 CPU。

圖7 軟件系統(tǒng)框架Fig. 7 Software system framework

4.2 智能終端軟件設(shè)計

智能終端軟件設(shè)計包括嵌入式軟件平臺設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計、FPGA 程序設(shè)計三部分，三者之間的關(guān)聯(lián)框架如圖8所示。軟件平臺主要實現(xiàn)一些基本功能，主要包括開入信息讀取、開出的驅(qū)動、溫濕度的采集及其以太網(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)收發(fā)串口信息、對時性能和擴充 I/O 口等；應(yīng)用程序主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫點值初始化、GOOSE 信息處理、開關(guān)量信息處理、出口動作處理、異常信號處理、點燈邏輯處理、IEC 61850 通信模型建立、GOOSE 的接收和發(fā)送等。

圖8 智能終端軟件框架Fig. 8 Intelligent terminal software framework

4.3合并單元軟件設(shè)計

合并單元軟件設(shè)計包括嵌入式軟件平臺設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計、FPGA 程序設(shè)計三部分，三者之間的關(guān)聯(lián)框架如圖9所示。該軟件設(shè)計在智能終端軟件設(shè)計上增加模擬量采集、重采樣、電壓并列、IEC 61850 9-2 的發(fā)送、“支持通道可配置的擴展IEC 60044-8”的 FT3 數(shù)據(jù)發(fā)送功能，實現(xiàn)軟件架構(gòu)框架一致，便于軟件功能的增加和維護，提高程序的重用性。

4.4 公共板軟件設(shè)計

圖9 合并單元軟件框架Fig. 9 Merging unit software framework

公共板軟件設(shè)計就是 FPGA 程序設(shè)計，通過FPGA 模擬 MAC 芯片，由 FPGA 直接控制 PHY 芯片，實現(xiàn)盲發(fā)盲收機制，并對 GOOSE 收發(fā)和 SV發(fā)送做共網(wǎng)共口處理，并且支持可配置，裝置的GOOSE 接收走特定回路，裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖10 所示。在程序初始化完成后，若無 SV 數(shù)據(jù)發(fā)送，則直接檢查并發(fā)送 GOOSE 報文，防止在沒有SV 發(fā)送時發(fā)不出 GOOSE。發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后再檢查是否有 SV 發(fā)送數(shù)據(jù)，在檢查到有 SV 發(fā)送數(shù)據(jù)后，則按 SV 發(fā)送節(jié)拍查緩沖區(qū)內(nèi)的 GOOSE 報文，利用 SV 發(fā)送間隔發(fā)送 GOOSE 報文。

圖10 公共板 FPGA 設(shè)計流程圖Fig. 10 Design diagram of public board FPGA

4.5 擴展板軟件設(shè)計

擴展板軟件設(shè)計也是 FPGA 程序設(shè)計，完成裝置的開入開出功能，并且完成開出回路的自檢功能，軟件設(shè)計框架如圖11 所示。時鐘管理模塊對硬件時鐘進行分頻優(yōu)化，并提供各個軟件模塊使用；開入采集模塊通過總線方式對多路開入進行采集，并按照許繼私有協(xié)議進行組幀后，移交 CRC 校驗?zāi)K進行校驗，最后將數(shù)據(jù)按照串口協(xié)議進行發(fā)送；串口接收到 CPU 的數(shù)據(jù)后，檢查開出自檢模塊有無異常，若正常，執(zhí)行正常的出口控制。

圖11 擴展板 FPGA 軟件設(shè)計圖Fig. 11 Design diagram of expansion board FPGA software

4.6 采集板軟件設(shè)計

采集板軟件設(shè)計也是 FPGA 程序設(shè)計，整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理工作由 FPGA 完成，軟件框架如圖12所示。軟件主要由 DCM 模塊、AD 采樣模塊、AD自檢模塊、數(shù)據(jù)組幀模塊、CRC校驗?zāi)K、串口發(fā)送模塊等部分組成。時鐘管理模塊實現(xiàn)對硬件時鐘分頻優(yōu)化，提供給軟件各個模塊功能使用；AD 采樣模塊實現(xiàn)對 AD 芯片及其 PGA 的采樣控制，將采樣數(shù)據(jù)和 AD 自檢結(jié)果進行組幀并進行CRC校驗，按照特定的時間間隔啟動串口數(shù)據(jù)發(fā)送FT3 報文。采集板發(fā)送的 FT3 協(xié)議同擴展板的通信一致，鏈路層幀格式按照《DLT 282-2012 合并單元技術(shù)條件》第 6 部分技術(shù)要求的數(shù)據(jù)傳輸幀格式 IV進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖12 采集板 FPGA 軟件設(shè)計圖Fig. 12 Designing diagram of acquisition board FPGA software

5 測試結(jié)果及分析

為驗證已研制母線合智一體裝置的功能及其可靠性，針對裝置全部功能搭建測試系統(tǒng)如圖13 所示。裝置支持常規(guī)互感器的接入，任選1路保護電壓進行精度進行測試，選1母A相保護電壓對模擬量電壓信號進行精度測試，交流測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1 所示，精度滿足 0.2 級要求。裝置支持硬開入信號轉(zhuǎn) GOOSE 處理，消抖時間可整定，均能滿足 10 ms的時間要求，同時裝置可以接收間隔層裝置GOOSE的有效命令，執(zhí)行對智能設(shè)備節(jié)點的控制，動作時間時間大約為 7 ms，以 3 母 PT 刀閘動作時間為例，如表2 所示，動作時間滿足(包括繼電器的動作時間)的要求。裝置支持 SV 數(shù)據(jù)組網(wǎng)和點對點器離散性均達到1μs以內(nèi)，遠遠滿足的要求。裝置支持屏柜內(nèi)溫濕度的直流采集，電流輸入信號4～20 mA，電壓輸入信號直流信號測試的精度數(shù)據(jù)如表3 所示，遠遠滿足±0.5%的要求。

裝置在國家繼電保護及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心開普實驗室及其公司中試通過了嚴酷的電磁兼容等項目的檢驗，部分檢驗報告如表4所示，滿足了入網(wǎng)要求。

圖13 測試系統(tǒng)框圖Fig. 13 Diagram of test system

表1 交流精度測試結(jié)果Table 1 Results of the AC accuracy test

表2 動作時間測試結(jié)果Table 2 Results of the action time test

表3 直流精度測試結(jié)果Table 3 Results of the DC accuracy test

表4 電磁兼容測試報告Table 4 Report of EMC

6 結(jié)語

本文針對母線 PT 間隔工程應(yīng)用遇到的瓶頸，研制了一種新的模擬量輸入式合智一體集成裝置。該裝置采用科學合理的軟硬件架構(gòu)，合并單元和智能終端模塊硬件資源共享，功能相互獨立，互不影響，同時實現(xiàn)雙 CPU 運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，通過一個物理設(shè)備完成 PT 間隔的一體化集成功能，減少了母線 PT 間隔裝置數(shù)量，節(jié)約了成本，提高了設(shè)備利用率，減小了安裝空間，縮短了維護時間，提高了經(jīng)濟性。此外裝置通過公共板 FPGA+PHY 的架構(gòu)，提高裝置數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，提高了 SV 組網(wǎng)和點對點的均勻性，增強了采樣值發(fā)送的可靠性和穩(wěn)定性。裝置完全滿足智能變電站 IEC 61850 標準，是新生的智能變電站過程層設(shè)備，經(jīng)過測試和工程調(diào)試，裝置的功能、性能、指標都完全滿足預(yù)期要求。隨著智能變電站的進一步推廣，集成化程度進一步提高，母線合智一體將成為母線 PT 間隔的主流配置，裝置的成功研制將對智能變電站的發(fā)展帶來一定積極影響。

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(編輯 魏小麗)

Development of the integrated and combined intellectual device of process layer applied to PT interval

ZHU Jianbin1, CUI Linlin2, MA Guanqun2, REN Hongxu1, ZHAO Yingbing1, ZHENG Tuofu1, HU Yanmin1, ZHANG Qunling1(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China;
2. Changchun Electric Power Exploration & Design Institute, Changchun 130000, China)

This paper researches the integration of merging unit and intelligent terminals on the bus PT interval. Combined with practical engineering, it gives the product hardware and software architecture diagram, describes in detail the design of analog to combined wisdom of one device applied to PT interval relying on PowerPC MPC8377 core processing chip. This paper gives the hardware and software design solutions, and achieves subscription and publishing GOOSE by a combined wisdom of one device. The switches of PT status monitoring is achieved through the signal of switch collected, and the delivery of SV is implemented through analog acquisition and merger, which can eventually meet the project for merging units and intelligent terminals intensive needs, and saves space and cost and reduces optical port. Experimental results show that the developed bus one device combined wisdom has low cost, powerful function, high performance, and better completes the state monitoring and controlling of PT switch, bus voltage merger and acquisition protocol converter functions. The device can fully meet intelligent substation IEC 61850 communication protocol.

merging unit; intelligent terminal; integration of merging unit and intelligent terminals; IEC 61850; GOOSE; SV

10.7667/PSPC151803

：2016-01-18

朱建斌(1983-)，男，通信作者，碩士，工程師，從事智能變電站過程層設(shè)備研發(fā)工作；E-mail: 18839922789@ 139.com

崔琳琳(1980-)，女，本科，助理工程師，從事智能變電站設(shè)計研究；

馬冠群(1988-)，男，本科，助理工程師，從事智能變電站設(shè)計研究。