基于PowerPC+FPGA的數(shù)字化采集裝置的設(shè)計(jì)

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孫 玥 魏 欣 王 鑫

1.前言

為了保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，需要對(duì)電力系統(tǒng)及其中各電力設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以便對(duì)其進(jìn)行必要的計(jì)量、監(jiān)控和保護(hù)。通常的測(cè)量和保護(hù)裝置不能直接連到高電壓、大電流的電力回路上，而需將這些高電壓端的電力參數(shù)按比例變換成低電壓端的參數(shù)或信號(hào)，以供給測(cè)量?jī)x器、儀表、繼電保護(hù)和其他類似的電器使用。進(jìn)行這種變換的裝置，通常稱為電力互感器或儀用變壓器?；ジ衅魇请娏ο到y(tǒng)中用于電能計(jì)量和繼電保護(hù)的重要設(shè)備之一，其測(cè)量準(zhǔn)確度及可靠性對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行有著重要的影響。

隨著電力系統(tǒng)傳輸?shù)碾娏θ萘吭絹?lái)越大，電壓等級(jí)越來(lái)越高，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式互感器暴露出一系列嚴(yán)重的問(wèn)題使其越來(lái)越不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，也阻礙了變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。

隨著信號(hào)采集技術(shù)、數(shù)字分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得電子式光學(xué)互感器的發(fā)展及實(shí)用化成為現(xiàn)實(shí)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了變電站自動(dòng)化的發(fā)展，使得具有數(shù)字接口和低功率的電子式互感器的應(yīng)用成為可能。IEC60044-8(電子式電流互感器)標(biāo)準(zhǔn)中提到：電子式互感器是指一種由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)電流或電壓傳感器組成，用以傳輸正比于被測(cè)量的量，供給測(cè)量?jī)x器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置。

為了有效利用電子式互感器的優(yōu)點(diǎn)，各數(shù)據(jù)信息必須統(tǒng)一處理，在時(shí)間不確定性小十幾微秒的同一瞬間，所取電流和電壓瞬時(shí)值應(yīng)傳輸?shù)綔y(cè)量和保護(hù)裝置，因此，對(duì)同一個(gè)電站間隔的各電流、電壓信號(hào)，即三相的電流、電壓應(yīng)按一個(gè)協(xié)議規(guī)程進(jìn)行傳輸，而作為此電流/電壓綜合的物理單元稱為數(shù)字化數(shù)據(jù)采集處理，簡(jiǎn)稱合并單元。

2.硬件方案設(shè)計(jì)

合并單元用于對(duì)來(lái)自二次轉(zhuǎn)換器的電流或電壓數(shù)據(jù)做時(shí)間相干的組合，可以是現(xiàn)場(chǎng)變換器的一個(gè)部件，或是獨(dú)立的單元。合并單元與二次設(shè)備的通訊方式有兩種技術(shù)方法，一是IEC 60044-8中描述的通訊技術(shù)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接方式，并按照IEC 60870-5-1規(guī)定的FT3數(shù)據(jù)格式封裝，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；二是IEC 61850-9-1《變電站通訊網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)協(xié)議》中描述的以太網(wǎng)絡(luò)，按照ISO/IEC 802.3協(xié)議規(guī)定的幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

綜上所述合并單元按其功能可分為三大功能：

圖1

（1）多路數(shù)據(jù)接收和處理功能。合并單元需同時(shí)接收12路數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給后級(jí)設(shè)備，所以合并單元需處理的信息量很大。

（2）同步功能。同步功能模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)合并單元連接的12路電子式互感器數(shù)據(jù)采集同步，保證電流、電壓采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性，并使全站的合并單元能夠同步。

（3）數(shù)據(jù)輸出的通信功能。該模塊將各路采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀并發(fā)送給保護(hù)測(cè)控裝置。此功能在IEC 60044-7/8規(guī)范中基于FT3格式，進(jìn)行曼徹斯特編碼發(fā)送，編碼傳送速率為2.5Mbit/s。在IEC 61850-9-1規(guī)范中基于ISO/IEC 802.3協(xié)議規(guī)定的幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝并通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，編碼傳送速率為1000Mbit/s。

通過(guò)器件選型，我們選擇了PowerPC+FPGA的硬件模式來(lái)實(shí)現(xiàn)合并單元的硬件系統(tǒng)，硬件框圖如圖1所示。

2.1 FPGA芯片

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

（1）低成本、低功耗的FPGA架構(gòu)；

（2）55K的邏輯單元；

（3）2Kb的嵌入式存儲(chǔ)器；

（4）154個(gè)18×18乘法器，實(shí)現(xiàn)DSP處理密集型應(yīng)用；

（5）具有374個(gè)用戶IO口；

（6）協(xié)議橋接應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)小于1.5W的總功耗。

由于合并單元需同時(shí)接收12路數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送給后級(jí)設(shè)備，所以合并單元需處理的信息量很大，利用FPGA管腳多，資源豐富的特點(diǎn)，可以12路同時(shí)并發(fā)處理，大大提高了系統(tǒng)的性能，節(jié)省了處理時(shí)間。

2.2 PowerPC芯片

PowerPC芯片選用的是飛思卡爾公司推出PowerQUICC II Pro系列處理器MPC8313。MPC8313采用了高度集成的PowerQUICC處理器，幫助降低聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其它市場(chǎng)的千兆以太網(wǎng)成本。MPC8313E PowerQUICC II Pro處理器具有集成安全性能，滿足市場(chǎng)對(duì)低價(jià)位處理器的需求，這些處理器能夠安全地傳輸和處理系統(tǒng)中的多個(gè)內(nèi)容豐富的多媒體流。MPC8313E將千兆以太網(wǎng)(GigE)、USB2.0、高速互連和高級(jí)電源管理技術(shù)獨(dú)特地組合在一起，為各種不同的系統(tǒng)應(yīng)用提供理想平臺(tái)。這種經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)備可以滿足消費(fèi)者對(duì)數(shù)字技術(shù)的一些關(guān)鍵需求，包括隱私保護(hù)、服務(wù)質(zhì)量、易用性功能。除了GigE與USB2.0 w/phy集成之外，MPC8313E還提供32位的雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR1/DDR2)存儲(chǔ)器控制器、16位局部總線和4個(gè)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)通道。

由此可見(jiàn)，選用MPC8313芯片可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)IEC 61850-9-1規(guī)范中基于ISO/IEC 802.3協(xié)議規(guī)定的幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)千兆網(wǎng)傳輸。

3.設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)

電子式互感器合并單元的研制是一項(xiàng)很有意義的科研開(kāi)發(fā)工作，同時(shí)它的設(shè)計(jì)、研究和產(chǎn)業(yè)化存在很多技術(shù)難點(diǎn)，因此在合并單元的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題：

（1）FPGA實(shí)現(xiàn)插值算法

差值算法是合并單元解決數(shù)據(jù)同步問(wèn)題的重要方法。插值計(jì)算是由二次設(shè)備完成的，根據(jù)互感器提供的若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的采樣值，插值計(jì)算得到需要的時(shí)間點(diǎn)上的電壓電流值。插值計(jì)算的公式是：

FPGA的優(yōu)點(diǎn)是邏輯運(yùn)算，差值算法提出的數(shù)學(xué)公式在FPGA中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。

（2）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題

本系統(tǒng)是PowerPC+FPGA，F(xiàn)PGA接收到12路采樣數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)幾十微妙的快速處理就要立即發(fā)送給PowerPC進(jìn)行數(shù)據(jù)幀封裝，然后通過(guò)千兆網(wǎng)口輸出，整個(gè)過(guò)程只能在100微妙內(nèi)完成。所以PowerPC和FPGA之間的快速通信就是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過(guò)論證，我們采用雙口RAM的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，有效的保證了PowerPC和FPGA之間通信暢通。

4.總結(jié)

國(guó)際電工委員會(huì)關(guān)于電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，以及我國(guó)頒布的電子式互感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)示著電子式互感器的產(chǎn)品化應(yīng)用已初步具備了行業(yè)規(guī)范，為電子式互感器的市場(chǎng)化提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。電子式互感器合并單元以數(shù)字量為輸出，完全適應(yīng)電力計(jì)量與保護(hù)的數(shù)字化、微機(jī)化和自動(dòng)化發(fā)展的潮流?；赑owerPC+FPGA的合并單元設(shè)計(jì)方便靈活，有很好的擴(kuò)展性和自適應(yīng)性，將其應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)信息的共享，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，電子式互感器合并單元的研究在電力系統(tǒng)中有著廣闊的發(fā)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,李紅斌,葉國(guó)雄,等.電子式互感器輸出特性與通訊技術(shù)[J].高電壓技術(shù),2003,29(6):7-9.

[4]郭志忠.電子式電流互感器研究綜述[J].繼電器,2005,13(14):11-14.