摘　要：合并單元是電子式電流、電壓互感器的接口裝置。合并單元在一定程度上實(shí)現(xiàn)了過程層數(shù)據(jù)的共享和數(shù)字化，它作為遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站間隔層、站控層設(shè)備的數(shù)據(jù)來源，作用十分重要。隨著數(shù)字化變電站自動化技術(shù)的推廣和工程建設(shè)，對合并單元的功能和性能要求越來越高，文中介紹的基于MPC827X的數(shù)字、模擬二合一的新型合并單元很好的滿足了當(dāng)前數(shù)字化變電站建設(shè)的實(shí)際需求，并在工程中得到了良好的反饋。 關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站　合并單元　MPC827X　FPGA 引言 　　國際電工委員會在IEC61850和IEC60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)中定義了一種叫做合并單元 （Merging Unit，MU）的裝置，它作為電流、電壓互感器和保護(hù)、測控裝置的中間接口，完成同步采集電流和電壓信號，輸出數(shù)字信息給二次保護(hù)、測控設(shè)備。輸出的方式有兩種，其一是在IEC60044-7/8中定義的基于曼徹斯特編碼的串行通訊方式[1][2]，其二是在IEC61850-9中定義的基于IEEE802.3的以太網(wǎng)通訊方式[3]。由于前者傳輸速率比較慢，限制了采樣率，所以目前工程實(shí)施中最常見的方式是以太網(wǎng)通訊方式。 　　電子式互感器ECT （Electronic Current Transformers）和EVT （Electronic Voltage Transformers）從原理上大致可分為無源和有源兩種，前者基于Faraday磁致旋光效應(yīng)和Pockels電光效應(yīng)原理，后者采用羅氏線圈和電容分壓的方法。目前無源EVT的應(yīng)用因?yàn)榧夹g(shù)原因還沒有得到大面積的推廣，而無源ECT已經(jīng)做到了工程化。同時，在數(shù)字化變電站工程建設(shè)中存在傳統(tǒng)電磁式互感器和電子式互感器并存的情況，電子式互感器的輸出是串行的數(shù)字信號，而傳統(tǒng)電磁式互感器輸出的是模擬信號，因此對應(yīng)出現(xiàn)了兩種合并單元：數(shù)字MU和模擬MU。然而隨著數(shù)字化變電站改造和建設(shè)步伐的不斷加快，對工程的成本和裝置的性能都提出了更高的要求，迫切需要一種性能更優(yōu)，配置更靈活的合并單元。上述兩種合并單元見圖1所示。 請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 圖1-b 數(shù)字MU 1 功能模塊 　　合并單元的定義在IEC60044-7/8中首次給出。一般而言，合并單元應(yīng)具有以下幾個功能模塊： 　?。?）電子式互感器接口：按照IEC60044-7/8對合并單元的定義，需要具有12路串行口輸入接口，分別接收電子式互感器輸出的三相保護(hù)電流、三相測量電流、三相電壓、中性點(diǎn)電流、中性點(diǎn)電壓、母線電壓。為了滿足IEC61850-9的需求，并結(jié)合工程實(shí)際的需求，本文所介紹的合并單元最多可擴(kuò)展16路的串行輸入接口。 　?。?）采樣同步功能：在正確識別外部輸入的同步秒脈沖后，產(chǎn)生同步采樣信號。同步信號一般采用GPS提供的秒脈沖。根據(jù)IEC60044-7/8，同步采樣信號的頻率額定標(biāo)準(zhǔn)值有：200f、80f、48f、20f、f（對于工頻信號，f=50Hz）。 　　（3）模擬量采集，處理模塊：模擬MU需要采集多路模擬量，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供CPU讀取。 　?。?）采樣值合并，輸出模塊：一般采用100BASE-FX以太網(wǎng)光纖接口以提高抗干擾能力，數(shù)據(jù)包幀格式在IEC61850-9中定義。 　?。?）其它：滿足數(shù)字化變電站自動化工程中的大量其它應(yīng)用需求，如數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)界面、開關(guān)量輸入輸出等等。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 來源:輸配電設(shè)備網(wǎng) 2.1 基于MPC827X的以太網(wǎng)通訊平臺 　　合并單元作為保護(hù)、測控設(shè)備的數(shù)據(jù)源，它的數(shù)據(jù)輸出方式主要是通過以太網(wǎng)發(fā)送遵循IEC61850-9幀格式的數(shù)據(jù)包，因此網(wǎng)絡(luò)性能是合并單元最重要的性能指標(biāo)之一。MPC827X是Freescale繼MPC860之后推出的一系列高性能通信處理器中性能價格比十分出色的一款。它的各項技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)都非常適合于應(yīng)用在數(shù)字化變電站的自動化智能裝置中。 　　MPC827X Power QUICC II為雙核架構(gòu)[4]： 　?。?）嵌入的PowerPC內(nèi)核G2_LE core （MPC603e的一種），主要處理高層任務(wù)，具有16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，最高工作頻率可達(dá)400MHz； 　　（2）基于RISC的通信處理模塊CPM （Communications Processor Module），專門負(fù)責(zé)對外通信接口的管理，它的最高工作頻率為200MHz。 　　G2 core和CPM之間通過內(nèi)嵌的高速雙口RAM協(xié)同工作。MPC827X的這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)有效的降低了功耗，提高了數(shù)據(jù)處理能力。 　　MPC827X的網(wǎng)絡(luò)通信能力突出，CPM具有2個FCC （Fast Communication Controller） 和4個SCC （Serial Communications Controllers），其中FCC可以配置為基于IEEE 802.3的10/100-Mbit 以太網(wǎng)接口，同時SCC也可以配置為基于IEEE 802.3的10-Mbit 以太網(wǎng)接口。 除了網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)越以外，MPC827X的外設(shè)接口也相當(dāng)完備，如I2C，SPI，USB，PCI，UART等等，可以滿足智能設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)多樣化應(yīng)用需求。 　　在這些接口中值得一提的是PCI接口。MPC827X的PCI橋控制器支持PCI2.2總線標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)寬度為32位，總線頻率最高可達(dá)66MHz，這賦予系統(tǒng)很好的外設(shè)擴(kuò)展能力和驅(qū)動軟件兼容能力。 　　PCI總線的應(yīng)用對于嵌入式系統(tǒng)具有如下幾個顯著的優(yōu)點(diǎn)： 　　（1）外設(shè)豐富。可供選擇的具有PCI總線接口的外設(shè)非常豐富，如以太網(wǎng)、USB、串口等等都可以找到主流芯片制造廠商的支持。 　?。?）訪問速度快。MPC827X的PCI總線最大數(shù)據(jù)傳輸率為266MB/s，而且PCI控制器和CPU之間的數(shù)據(jù)交換采用的是DMA方式，這些特性使得MPC827X的PCI總線數(shù)據(jù)吞吐能力能很好的滿足了數(shù)字化變電站中裝置類產(chǎn)品的各種需求。 　?。?）軟件支持好。因?yàn)镻CI總線接口應(yīng)用廣泛，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，所以，不管是Vxworks、Linux還是Windows等操作系統(tǒng)對各種主流PCI總線設(shè)備都有很好的軟件支持，提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動軟件，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。 　　本文討論的合并單元充分利用了MPC827X的PCI總線擴(kuò)展能力：其一，采用了Intel的高性能以太網(wǎng)控制器i8255x擴(kuò)展出1-3個100M以太網(wǎng)；其二，利用具有PCI接口的多串口芯片擴(kuò)展出多達(dá)16路串口，用作電子式互感器的接口。 　　此外，MPC827X還具有功能強(qiáng)大，配置靈活的MMU （Memory Management Unit），可以很好的兼容多種基于總線的存儲器和外設(shè)。特別是其中的UPM （User-Programmable Machines） 模式，可以對總線讀寫信號和數(shù)據(jù)的時序做出非常靈活的配置，以滿足各種基于總線的外部器件的需求。圖3所示為某款NAND Flash的寫命令時序。 　　同時，MPC827X還有一個FPU （Floating-Point Unit），可以支持硬件浮點(diǎn)運(yùn)算。 2.2 多路以太網(wǎng)輸出 　　數(shù)字化變電站工程實(shí)踐中需要合并單元這個數(shù)據(jù)源能同時給多個間隔層設(shè)備提供數(shù)據(jù)，因此要求合并單元具有多路以太網(wǎng)輸出接口。MPC827X有2個FCC，再加上PCI總線擴(kuò)展的以太網(wǎng)接口最多可有5個，如果需要更多接口，可以采用交換芯片實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。本合并單元采用了MARVELL公司的多端口以太網(wǎng)交換芯片，可以擴(kuò)展出6～12個100BASE-FX以太網(wǎng)接口。各端口被劃分為單獨(dú)的VLAN，因此各端口之間不會有相互影響。圖4說明了使用以太網(wǎng)交換芯片擴(kuò)展端口的方案。 來源:www.tede.cn 2.3 FPGA的應(yīng)用 　　現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)了硬件的軟件化，數(shù)據(jù)處理延時小，工作穩(wěn)定可靠，升級方便，是實(shí)現(xiàn)合并單元中同步模塊的合理選擇。 　　FPGA的輸入量為GPS提供的1PPS和IRIG-B格式的時間碼，輸出為被1PPS同步后的遵循IEC60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)的采樣脈沖和解碼后的時標(biāo)數(shù)據(jù)。同步采樣脈沖觸發(fā)電子式互感器和合并單元的模擬量采集模塊同步采集電流電壓量，解碼后的時標(biāo)通過串行通信口被CPU讀取。 　　同時，F(xiàn)PGA需判斷1PPS信號的有效性，并剔除1PPS在光纖插拔過程或者其它干擾情況下產(chǎn)生的虛假信號，防止后繼設(shè)備的誤動作。FPGA對1PPS信號有效性的判斷結(jié)果通知CPU，CPU將在IEC61850-9報文中置上相應(yīng)的標(biāo)志。 　　FPGA采用高精度晶振，自身維護(hù)一個1PPS時鐘。當(dāng)GPS提供的1PPS有效時，同步自身的1PPS；當(dāng)外部1PPS失效后，因?yàn)镕PGA有后備1PPS，所以還可以維持如過流保護(hù)、測控的數(shù)據(jù)的有效性。 2.4 高精度ADC 　　合并單元作為變電站保護(hù)測控數(shù)據(jù)的來源，對ADC的精度提出了更高的要求。目前普遍應(yīng)用的14位ADC在合并單元中已經(jīng)有些捉襟見肘，為了更好的適應(yīng)更高的應(yīng)用需求，有必要采用精度更高的16位ADC。合并單元使用2片8路16位高性能ADC，在同步采樣信號的觸發(fā)下，同步采集轉(zhuǎn)化16路模擬量，供CPU讀取。 2.5 靈活的配置 　　因?yàn)榫唧w工程的實(shí)際需求會各有特色，合并單元也必須能夠滿足多樣的應(yīng)用需求才能在工程應(yīng)用中體現(xiàn)出它的生命力。合并單元的電子式互感器接口，以太網(wǎng)接口，模擬量采集，人機(jī)界面，開關(guān)量輸入輸出等功能單元都采用模塊化設(shè)計，配置靈活。 　　比如互感器接口部分，可以選擇16路模擬量輸入、16路模擬量輸入加8路數(shù)字量輸入、8路或16路數(shù)字量輸入；以太網(wǎng)輸出模塊可以選擇6路或者12路IEC61850-9-1輸出、4路或者8路IEC61850-9-1輸出加2路GOOSE （Generic Object Oriented Substation Event）輸出；人機(jī)界面，開關(guān)量輸入輸出皆為可選模塊。同時，軟件也實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計，通過更換配置文件就可適應(yīng)不同的硬件模塊配置。 3 結(jié)語 　　目前，應(yīng)用電子互感器及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。本文探討了一種基于PowerPC的高性能，高靈活性的新型合并單元的實(shí)現(xiàn)及技術(shù)特點(diǎn)。該合并單元在北京、廣州等多個數(shù)字化變電站建設(shè)及改造的工程中承受了實(shí)踐考驗(yàn)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn) 　　[1] IEC60044-7, Instrument Transformers-part7：Electronic Voltage Transducers[S], 1999. 　　[2] IEC60044-8, Instrument Transformers-part8: Electrical Current Transducers[S], 2002. 　　[3] IEC61850-9-1, Communication networks and systems in substations-Part 9-1: Specific Communication Service Mapping（SCSM）- Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link, 2003. 　　[4] MPC8272 PowerQUICC IITM Family Reference Manual, Rev.2, 2005.