南京信息职业技术学院 孙 玥 魏 欣 王 鑫

1.前言

为了保证电力系统安全经济的运行，需要对电力系统及其中各电力设备的相关参数进行测量，以便对其进行必要的计量、监控和保护。通常的测量和保护装置不能直接连到高电压、大电流的电力回路上，而需将这些高电压端的电力参数按比例变换成低电压端的参数或信号，以供给测量仪器、仪表、继电保护和其他类似的电器使用。进行这种变换的装置，通常称为电力互感器或仪用变压器。互感器是电力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备之一，其测量准确度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济地运行有着重要的影响。

随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁感应式互感器暴露出一系列严重的问题使其越来越不能适应电力系统的发展要求，也阻碍了变电站自动化技术的发展。

随着信号采集技术、数字分析技术和计算机技术的发展使得电子式光学互感器的发展及实用化成为现实。网络技术和计算机技术的发展促进了变电站自动化的发展，使得具有数字接口和低功率的电子式互感器的应用成为可能。IEC60044-8(电子式电流互感器)标准中提到：电子式互感器是指一种由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。

为了有效利用电子式互感器的优点，各数据信息必须统一处理，在时间不确定性小十几微秒的同一瞬间，所取电流和电压瞬时值应传输到测量和保护装置，因此，对同一个电站间隔的各电流、电压信号，即三相的电流、电压应按一个协议规程进行传输，而作为此电流/电压综合的物理单元称为数字化数据采集处理，简称合并单元。

2.硬件方案设计

合并单元用于对来自二次转换器的电流或电压数据做时间相干的组合，可以是现场变换器的一个部件，或是独立的单元。合并单元与二次设备的通讯方式有两种技术方法，一是IEC 60044-8中描述的通讯技术，采用点对点链接方式，并按照IEC 60870-5-1规定的FT3数据格式封装，实现数据传输；二是IEC 61850-9-1《变电站通讯网络和系统协议》中描述的以太网络，按照ISO/IEC 802.3协议规定的帧格式进行数据封装，并通过TCP/IP协议实现数据传输。

综上所述合并单元按其功能可分为三大功能：

图1

（1）多路数据接收和处理功能。合并单元需同时接收12路数字信号，并发送给后级设备，所以合并单元需处理的信息量很大。

（2）同步功能。同步功能模块用来实现合并单元连接的12路电子式互感器数据采集同步，保证电流、电压采样数据的时间一致性，并使全站的合并单元能够同步。

（3）数据输出的通信功能。该模块将各路采样值数据进行组帧并发送给保护测控装置。此功能在IEC 60044-7/8规范中基于FT3格式，进行曼彻斯特编码发送，编码传送速率为2.5Mbit/s。在IEC 61850-9-1规范中基于ISO/IEC 802.3协议规定的帧格式进行数据封装并通过TCP/IP协议实现数据传输，编码传送速率为1000Mbit/s。

通过器件选型，我们选择了PowerPC+FPGA的硬件模式来实现合并单元的硬件系统，硬件框图如图1所示。

2.1 FPGA芯片

FPGA芯片选用的是ALTERA公司低成本、低功耗的Cyclone系列的芯片EP4CE55F484C7N，该器件具有以下特性：

（1）低成本、低功耗的FPGA架构；

（2）55K的逻辑单元；

（3）2Kb的嵌入式存储器；

（4）154个18×18乘法器，实现DSP处理密集型应用；

（5）具有374个用户IO口；

（6）协议桥接应用，实现小于1.5W的总功耗。

由于合并单元需同时接收12路数字信号，并发送给后级设备，所以合并单元需处理的信息量很大，利用FPGA管脚多，资源丰富的特点，可以12路同时并发处理，大大提高了系统的性能，节省了处理时间。

2.2 PowerPC芯片

PowerPC芯片选用的是飞思卡尔公司推出PowerQUICC II Pro系列处理器MPC8313。MPC8313采用了高度集成的PowerQUICC处理器，帮助降低联网设备及其它市场的千兆以太网成本。MPC8313E PowerQUICC II Pro处理器具有集成安全性能，满足市场对低价位处理器的需求，这些处理器能够安全地传输和处理系统中的多个内容丰富的多媒体流。MPC8313E将千兆以太网(GigE)、USB2.0、高速互连和高级电源管理技术独特地组合在一起，为各种不同的系统应用提供理想平台。这种经济高效的设备可以满足消费者对数字技术的一些关键需求，包括隐私保护、服务质量、易用性功能。除了GigE与USB2.0 w/phy集成之外，MPC8313E还提供32位的双倍数据速率(DDR1/DDR2)存储器控制器、16位局部总线和4个直接存储器访问(DMA)通道。

由此可见，选用MPC8313芯片可轻松实现对IEC 61850-9-1规范中基于ISO/IEC 802.3协议规定的帧格式进行数据封装，并通过TCP/IP协议实现数据千兆网传输。

3.设计的技术难点

电子式互感器合并单元的研制是一项很有意义的科研开发工作，同时它的设计、研究和产业化存在很多技术难点，因此在合并单元的设计过程中应考虑以下几点技术问题：

（1）FPGA实现插值算法

差值算法是合并单元解决数据同步问题的重要方法。插值计算是由二次设备完成的，根据互感器提供的若干个时间点上的采样值，插值计算得到需要的时间点上的电压电流值。插值计算的公式是：

FPGA的优点是逻辑运算，差值算法提出的数学公式在FPGA中实现起来比较困难。

（2）数据的实时传输问题

本系统是PowerPC+FPGA，FPGA接收到12路采样数据后，经过几十微妙的快速处理就要立即发送给PowerPC进行数据帧封装，然后通过千兆网口输出，整个过程只能在100微妙内完成。所以PowerPC和FPGA之间的快速通信就是整个系统的关键，通过论证，我们采用双口RAM的形式进行数据交互，有效的保证了PowerPC和FPGA之间通信畅通。

4.总结

国际电工委员会关于电子式互感器标准的出台，以及我国颁布的电子式互感器国家标准，预示着电子式互感器的产品化应用已初步具备了行业规范，为电子式互感器的市场化提供了基础平台。电子式互感器合并单元以数字量为输出，完全适应电力计量与保护的数字化、微机化和自动化发展的潮流。基于PowerPC+FPGA的合并单元设计方便灵活，有很好的扩展性和自适应性，将其应用于变电站自动化系统中可以实现信息的共享，提高整个系统的稳定性和可靠性。因此，电子式互感器合并单元的研究在电力系统中有着广阔的发展前景。

[1]IEC 60044-8,2002.Instrument transformers-Part8:Electrical current transducers[S].

[2]IEC 61850-9-1.Communication Networks and System in Substations Part 9-1:Specific Communication Service Mapping(SCSM)-Sampled Analogue Calues over Serial Unidirectional Multidrop Point to Point Link[Z].2002.

[3]余春雨,李红斌,叶国雄,等.电子式互感器输出特性与通讯技术[J].高电压技术,2003,29(6):7-9.

[4]郭志忠.电子式电流互感器研究综述[J].继电器,2005,13(14):11-14.