喬　崢

（黃岡師范學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

電子互感器合并單元研究

喬崢

（黃岡師范學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

隨著數(shù)字化變電站的廣泛應(yīng)用，電子式互感器的使用將成為趨勢，文章研究的合并單元就是連接電子互感器與二次設(shè)備的裝置，并介紹了電子互感器合并單元的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)方法，它對簡化二次設(shè)備，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性具有重要的意義。

IEC61850；標(biāo)準(zhǔn)電子互感器；合并單元

1　電子式互感器合并單元的研究背景及其意義

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微處理器技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)在綜合自動化的道路上越走越快，各種數(shù)字化和智能化的一次二次設(shè)備層出不窮。電子式互感器生產(chǎn)成本低、抗干擾能力強(qiáng)、絕緣性能高、重量輕、體積小，并且和傳統(tǒng)的電磁式互感器相比，不存在磁飽和與鐵磁諧振的問題，比傳統(tǒng)的電磁式互感器有較多的優(yōu)點(diǎn)。因此，經(jīng)過50多年的不斷探索和發(fā)展，電子式電壓互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）和電子式電流互感器（Electronic Current Transformer，ECT）以其絕對的優(yōu)勢在數(shù)字化變電站技術(shù)中使用越來越普遍。

電子式互感器的通信數(shù)據(jù)和采樣值都是數(shù)字量，將模擬信號數(shù)字化，這是對傳統(tǒng)的電磁式互感器的通信數(shù)據(jù)和采樣值都是模擬電信號的質(zhì)的改變。但是，如何讓二次設(shè)備能夠在同一時間接收到來自不同電子互感器的采樣值呢？合并單元應(yīng)運(yùn)而生，為了進(jìn)一步推動電子式互感器的發(fā)展，國際電工委員會給出了一個全新的物理設(shè)備定義—合并單元（Merging Unit，MU），合并單元的功能就是將從不同的電子互感器采集到的離散的數(shù)字信號同步整合成一個有序數(shù)據(jù)幀后發(fā)送給相應(yīng)的二次設(shè)備，是一次設(shè)備和二次設(shè)備之間數(shù)字化信息傳輸?shù)臉屑~。合并單元在同一時刻實(shí)時接收電子互感器輸出的數(shù)字采樣值，然后對采樣值進(jìn)行實(shí)時驗(yàn)證和數(shù)據(jù)處理合并，最后通過光纖進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)信息的傳輸，送至變電站間隔層，傳輸速率快，抗干擾能力強(qiáng)；由于采用了點(diǎn)對點(diǎn)或者點(diǎn)對多點(diǎn)的通信模式，合并單元它和二次設(shè)備的接線變得簡單，大幅降低了安裝成本，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

2　電子式互感器合并單元設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是國際電工委員會制訂的電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。通過這一標(biāo)準(zhǔn)，使智能變電站的工程運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化，每一步的工程實(shí)施都變得規(guī)范、統(tǒng)一和透明。按照此標(biāo)準(zhǔn)建立的所有的智能變電站工程都可以通過系統(tǒng)配置文件了解整個變電站的結(jié)構(gòu)和布局，對于智能化變電站發(fā)展具有重要的歷史意義，并且該標(biāo)準(zhǔn)不但統(tǒng)一規(guī)范了變電站內(nèi)整個系統(tǒng)的具體要求，還對數(shù)字變電站內(nèi)智能電子設(shè)備彼此之間的通信行為進(jìn)行了規(guī)范，對數(shù)字化變電站的建設(shè)發(fā)展具有重要意義，該標(biāo)準(zhǔn)具體組成如圖1所示。

圖1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

IEC61850與傳統(tǒng)的變電站通信協(xié)議相比較，具有以下3個明顯的優(yōu)勢。

（1）互操作性?；ゲ僮餍栽?IEC61850 中被表述為“來自同一廠家或不同廠家的智能裝置（Intelligent Electronic Device， IED）之間交換信息和正確使用信息協(xié)同操作的能力”。信息的正確使用需要信息語義的支持，取決于相互之間對信息的理解，它需要共享過程數(shù)據(jù)并對通信實(shí)體進(jìn)行規(guī)范。IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)的引入，按照標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行組幀傳送，使得合并單元具備了互操作性和互換性，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率和丟包率。

（2）功能自由分布。在 IEC61850協(xié)議中，對互操作的描述中常常有功能自由分布，在一定程度共享過程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，跨越自動化裝置邊界的自動化功能或者子功能之間的協(xié)調(diào)配合是變電站自動化未來的發(fā)展趨勢，雖然在IEC61850協(xié)議沒有明確對此進(jìn)行定義，但是對功能自由分布的支持是IEC61850針對自動化邏輯適應(yīng)的重要體現(xiàn)。

（3）長期穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，抽象定義了通信服務(wù)，并且通過SCSM對具體的通信協(xié)議棧的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范，充分適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展和變化的趨勢和方向，這也是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)于傳統(tǒng)通信協(xié)議的主要特點(diǎn)之一。并且，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)面向變電站自動化的所有應(yīng)用，全面支持信息擴(kuò)充，具有廣泛的適用性。

國際電工委員會在IEC60044-7/8協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，提出了合并單元的概念。IEC61850-9在原有IEC60044-8的基礎(chǔ)上深化了合并單元的概念，數(shù)據(jù)傳輸方式采用以太網(wǎng)傳輸模式，數(shù)據(jù)幀技術(shù)方面加入了狀態(tài)量數(shù)據(jù)集，將合并單元作為IEC61850體系中的一個邏輯設(shè)備。IEC61850-9-2定義了兩種通信方式，一種是目前使用比較多，占市場主流的方式，類似于IEC61850-9-1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，直接映射到鏈路層，只要數(shù)據(jù)集的格式符合要求，可以根據(jù)實(shí)際的需求對數(shù)據(jù)集進(jìn)行自由的增減，并且數(shù)據(jù)集不需要采用固定的格式，可是，這種通信方式不具備互操作性，在發(fā)展過程中，必將慢慢向 IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)；另一種方式則具有真正意義上的互操作性，這種方式通過TCP/IP協(xié)議，并映射到MMS上，此方式引入了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時性，但是對硬件平臺有較高的要求，真正具備互操作性，實(shí)現(xiàn)了資源的最大化融合，目前在國內(nèi)提出的方案中使用最多的是IEC61850-9-1，由于實(shí)現(xiàn)難度較低，對硬件性能的要求也相對較低，但是因?yàn)椴痪邆浠ゲ僮餍?，功能上存在局限性，未來趨勢的發(fā)展是向IEC61850-9-2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)過渡。

3　電子式互感器合并單元設(shè)計(jì)方案

合并單元的設(shè)計(jì)方案總體上可分為3個單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別是數(shù)據(jù)接收模塊單元、數(shù)據(jù)處理模塊單元和數(shù)據(jù)傳輸模塊單元，采用的技術(shù)基本為現(xiàn)場可編邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片技術(shù)、數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片技術(shù)和微處理器（Advanced RISC Machines，ARM）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方案主要有以下幾種。

（1）采用FPGA芯片技術(shù)和DSP芯片技術(shù)相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案。FPGA芯片具有高速的同步時序并行處理能力，可以用來構(gòu)建數(shù)據(jù)接收模塊，DSP 芯片具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可以用來構(gòu)建數(shù)據(jù)處理模塊，兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合同時外掛Ethernet芯片用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，這個方案結(jié)合了FPGA芯片和DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)，芯片功能明確，資源利用得到了最優(yōu)發(fā)揮，目前，國內(nèi)外的實(shí)用性產(chǎn)品中普遍采用這種技術(shù)配置，但是這種方案沒有可以對全部的系統(tǒng)資源進(jìn)行分配、調(diào)用和控制的操作系統(tǒng)，并且方案中一般采用IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)，直接映射到鏈路層，如果想用此方案來實(shí)現(xiàn)IEC61850-9-2 標(biāo)準(zhǔn)中提到的基于TCP/IP協(xié)議并映射到串流媒體服務(wù)器（Microsoft Media Server，MMS）的方式，具有較大的實(shí)現(xiàn)難度。因此，這種方案適用于要求從鏈路層映射的通信協(xié)議，并且不需要操作系統(tǒng)的情況。

（2）采用FPGA芯片和ARM微處理器相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案。和上一個方案相比，此方案用ARM微處理器代替 DSP芯片，可以嵌入4μC/OS-II 或者其他更高級的操作系統(tǒng)，與FPGA芯片和DSP芯片相結(jié)合的方案相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題，一是這種方案的處理速度比不上DSP芯片，二是ARM微處理器的選擇問題。要想獲得較好的性能，比如采用ARM11處理器嵌入Windows CE操作系統(tǒng)，就會大大提高開發(fā)成本，但是采用低端的ARM嵌入μC/OSII，又存在實(shí)時性不足的問題。

（3）單獨(dú)采用FPGA芯片的實(shí)現(xiàn)方案。FPGA芯片開發(fā)周期短，開發(fā)費(fèi)用低，具有豐富的I/O引腳，工作可靠性高，用戶可以定制專門用途，采用FPGA芯片技術(shù)全硬件實(shí)現(xiàn)方案，可以充分利用FPGA芯片技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)，特別是FPGA芯片并行處理高效快速，這是一個非常大的優(yōu)勢。

電子互感器合并單元在數(shù)字化變電站中的使用具有非常重要的意義，是一次設(shè)備和二次設(shè)備之間進(jìn)行信息傳輸?shù)臉屑~，在設(shè)備的成本和維護(hù)成本上都比傳統(tǒng)的互感器具有更大的優(yōu)勢，它的應(yīng)用使數(shù)字化變電站過程層數(shù)據(jù)數(shù)字化和共享化成為現(xiàn)實(shí)，對它的研究工作具有重要的意義。

［1］謝秋金.電子式互感器合并單元設(shè)計(jì)［D］.保定：華北電力大學(xué)，2012.

［2］李玲，王亞慶，陳新華.數(shù)字化變電站合并單元軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013.

［3］胡國，唐成虹，徐子安，等. 數(shù)字化變電站新型合并單元的研制［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2010（24）：51-54.

Research on merging unit of electronic transducer

Qiao Zheng
（Huanggang Normal University， Huanggang 438000， China）

With the wide application of digital substation， the use of electronic transformer will become a trend. The merging unit researched in this paper is an equipment which connects electronic transformer with secondary equipment， and this article describes the design standards and realization methods of merging unit of electronic transformer， which has important significance to simplify the secondary equipment and improve the accuracy and reliability of the system.

IEC61850； standard electronic transformer； merging unit

喬崢（1984— ），女，河南鎮(zhèn)平。