基于PowerPC的微電網(wǎng)智能終端設(shè)計

樊鵬，周芝萍，張鵬遠，吳雙惠

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著我國對海島權(quán)益保護力度的加強，以及對海島資源和旅游業(yè)開發(fā)需求的加大，未來海島發(fā)展的前景極為廣闊。由于大多數(shù)海島遠離大陸，電源問題成為亟待解決的關(guān)鍵，若依靠大陸的電力系統(tǒng)網(wǎng)架為海島供電則需要鋪設(shè)海底電纜，技術(shù)要求高，勢必會增加成本。最佳的供電方式是就地利用海島上豐富的風電和太陽能等綠色能源發(fā)電構(gòu)建海島微電網(wǎng)系統(tǒng)，其不僅解決傳統(tǒng)依靠柴油機發(fā)電帶來的污染問題和運輸柴油的成本問題，而且能源取之不盡用之不竭，且具有發(fā)電方式靈活、零污染(低污染)等優(yōu)點，可提高能源的綜合利用率，有效改善海島能源結(jié)構(gòu)，極大地減少成本[1]。然而，風電和太陽能隨氣候等外部條件的影響而變化，表現(xiàn)出間歇性和隨機性等特點[2]，影響海島微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行，因此設(shè)計一款適應(yīng)海島微電網(wǎng)系統(tǒng)的智能終端顯得尤為重要。

微電網(wǎng)智能終端作為微網(wǎng)就地層中與斷路器配合使用的一種主要設(shè)備，隨著智能電網(wǎng)自動化程度的越來越高和對供電穩(wěn)定性要求的不斷增強，對斷路器的安全運行要求也越來越高，只有充分了解配電變或饋線在運行中的實時數(shù)據(jù)信息和統(tǒng)計，及時根據(jù)采集的信息進行斷路器的操作控制，才能采取有效措施避免事故的發(fā)生和供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

嵌入式系統(tǒng)具有運算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)勢，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，在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，微電網(wǎng)智能終端就是基于PowerPC作為軟件平臺進行設(shè)計研制的。

1 微電網(wǎng)智能終端功能介紹

微電網(wǎng)智能終端為適應(yīng)海島微電網(wǎng)的迅速發(fā)展而設(shè)計，它和上層控制器通信和配合，完成一個間隔內(nèi)配電變或饋線斷路器的操作控制和狀態(tài)監(jiān)視，具有承上啟下的橋梁功能，對下完成對斷路器的就地控制，對上實現(xiàn)對模擬量采集信息和斷路器狀態(tài)信息的及時上送[3]，功能應(yīng)用圖如圖 1所示。它支持 SV通信，GOOSE通信和MMS通信，SV通信依靠過程層網(wǎng)絡(luò)完成模擬量信息發(fā)送，GOOSE通信依靠過程層網(wǎng)絡(luò)完成斷路器狀態(tài)信息采集和發(fā)布發(fā)布，同時接收 GOOSE跳合閘指令，MMS通信把斷路器的信息上送到監(jiān)控后臺，完全滿足海島微電網(wǎng)中對斷路器快速可靠地就地控制需求，安裝于35kV及其以下電壓等級的高壓開關(guān)柜或環(huán)網(wǎng)柜中[4]。

微電網(wǎng)智能終端的特點:1)將電流電壓的采集和合并處理能力集成在一起，節(jié)省經(jīng)濟成本[5]16;2)保證就地層動態(tài)信息的及時上送，可靠完成斷路器的就地操作;3)具有過流保護功能，可作為變壓器、低壓母線和線路的后備保護;4)安裝于開關(guān)柜或環(huán)網(wǎng)柜中，充分利用現(xiàn)有空間[5]17。

圖1 微電網(wǎng)智能終端功能應(yīng)用圖

2 硬件平臺設(shè)計

2.1 處理器架構(gòu)

MPC8313中央處理器執(zhí)行速度可達333 MHz，內(nèi)置獨特的E300(基于MPC603E)內(nèi)核配置，E300內(nèi)核還包括16KB的L1指令、數(shù)據(jù)緩存及片上內(nèi)存管理單元(MMU)。具有雙10/100/1000Mbs以太網(wǎng)控制器，一個32位雙倍數(shù)據(jù)速率 DDR1/DDR2 SDRAM存儲控制器，一個增強型的16位本地總線控制器，一個32位PCI控制器，一個高速USB2.0 host/device控制器和片上全速PHY，一個可編程的中斷控制器，雙 I2C控制器，一個4通道DMA控制器和一個通用I/O端口，其功能圖如圖2所示。

圖2 處理器架構(gòu)圖

2.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)微電網(wǎng)智能終端所實現(xiàn)的功能，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，以支持強大通信能力的MPC8313為核心處理器，考慮程序較大和處理數(shù)據(jù)較多，需要擴展程序存儲器和Flash來存儲程序和數(shù)據(jù)，其中SD卡用于存儲錄波信息等，光/電以太網(wǎng)口用于組網(wǎng)和接收控制信息，電氣以太網(wǎng)口還用于裝置測試用，RS232接口用于嵌入式平臺程序的瀏覽及擦除，USBTAP接口用于程序的調(diào)試，通過系統(tǒng)時鐘可以完成網(wǎng)絡(luò)對時或1588對時，CPU主要完成保護算法運算和邏輯判斷、人機接口功能以及與裝置外部的通訊等。

CPU和FPGA之間通過本地總線連接，用于傳輸斷路器的實時信息、開關(guān)量狀態(tài)信息、保護或遙控的跳合閘指令等。

FPGA主要實現(xiàn)模擬量采集、開入開出回路、人機接口回路、系統(tǒng)B碼對時回路和光纖通訊回路的控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘6]。

圖3 微電網(wǎng)智能終端硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計框架

微電網(wǎng)智能終端軟件設(shè)計的實現(xiàn)分為三大部分即嵌入式軟件平臺設(shè)計、FPGA程序設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計，三者之間的關(guān)聯(lián)框架如圖4所示。軟件平臺主要實現(xiàn)一些基礎(chǔ)功能，包括模入通道讀取、開入通道讀取、開出的驅(qū)動及其網(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)模擬量采集、開入開出回路、人機接口回路、系統(tǒng) B碼對時回路等;應(yīng)用程序主要實現(xiàn)GOOSE信息，SV模擬量信息以及 MMS信息的處理、接收和發(fā)送，錄波信息的處理等。

圖4 軟件設(shè)計框架圖

3.2 FPGA程序設(shè)計

FPGA程序的設(shè)計實現(xiàn)功能:1)接收到CPU由數(shù)據(jù)總線發(fā)過來的信息后，給開關(guān)量輸出繼電器發(fā)送動作信號;2)完成IRIGB碼解析，將解析后的時間信息傳給 CPU，將解析后的秒脈沖PPS發(fā)送給AD采樣處理模塊作為AD采樣脈沖時刻;3)開關(guān)量的采集及檢測，當檢測到開關(guān)量發(fā)生變位后存入SOE，給CPU發(fā)送中斷進行GOOSE報文編碼并發(fā)送;4)液晶顯示、按鍵操作、運行和告警燈;5)接受自身時鐘系統(tǒng)發(fā)送的時間系統(tǒng)，作為外部時鐘系統(tǒng)丟失后的備用時鐘。

圖5 FPGA程序設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3.3 應(yīng)用程序模塊化設(shè)計

裝置采用平臺化開發(fā)和應(yīng)用程序模塊化的設(shè)計理念，平臺完成對采集數(shù)據(jù)的處理、系統(tǒng)時鐘同步、與FPGA的數(shù)據(jù)交互及通訊功能，應(yīng)用軟件設(shè)計按照邏輯功能部分封裝成幾個相對獨立的大模塊，主要完成保護邏輯判別和對斷路器的控制命令處理，邏輯功能經(jīng)過可視化編程，最終由軟件機器人自動生成源代碼和可執(zhí)行目標程序，正確率達到了100%，杜絕了人為原因產(chǎn)生軟件Bug，應(yīng)用程序模塊化框圖如圖6所示。

圖6 應(yīng)用程序模塊化框圖

4 測試結(jié)果及分析

為驗證微電網(wǎng)智能終端產(chǎn)品的可靠性和功能性，搭建如圖7所示的測試環(huán)境[7]。通過繼保測試儀施加模擬量 U和I，微電網(wǎng)智能終端將采集到的SV模擬量、開關(guān)量信息以GOOSE形式上送給上層控制器，同時接收上層控制器發(fā)過來的GOOSE控制命令或進行過流保護邏輯判別進行一次斷路器的跳合閘動作。

圖7 微電網(wǎng)智能終端測試環(huán)境

以微電網(wǎng)智能終端滿足過流條件(Iact＞Iset=2 A)時經(jīng)過0.5 s延時(延時可整定)后斷路器跳閘為例，錄波波形如圖8所示。通過波形可以看出，開始斷路器處于合閘位置，當過流條件滿足時保護啟動，經(jīng)過△t=500.0 ms延時后過流I段動作驅(qū)動操作回路使斷路器跳閘(約需要50 ms左右)，斷路器跳閘后將跳閘接點狀態(tài)返回給裝置(約需要15 ms左右)，保護執(zhí)行的邏輯順序和動作時間滿足事先的定值設(shè)置和預(yù)期。

圖8 微電網(wǎng)智能終端錄波波形

同時，微電網(wǎng)智能終端也能把MMS信息模擬量、開關(guān)量、錄波文件等信息上送給監(jiān)測后臺，如圖9所示為監(jiān)測后臺顯示的保護定值，可以看到上傳信息與就地顯示內(nèi)容完全一致。

圖9 監(jiān)測后臺顯示的保護定值圖

5 結(jié)束語

微電網(wǎng)智能終端采用集成和處理能力較高的PowerPC智能芯片，處理速度快，能同時滿足對一個間隔內(nèi)所有配電變或饋線斷路器信息的上送和邏輯控制，通訊報文滿足IEC61850規(guī)約，是為適應(yīng)海島微電網(wǎng)的建設(shè)而開發(fā)設(shè)計的，它的成功研制將對智能微電網(wǎng)的成功運行提供有力保障。

[1]賀丹.海島微電網(wǎng)保護控制的設(shè)計與研究[J].硅谷Silicon Valley，2012，5(03):88 －89.

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[3]孔建飛.數(shù)字化變電站系統(tǒng)智能終端與合并器的研究[D].山東:山東建筑大學，2011:5－5.

[4]于廣耀.Q/GDW 428－2010智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范[S].北京.

[5]劉曦.關(guān)于合并單元和智能終端應(yīng)用模式的探討[J].浙江電力，2011，30(03):15 －19.

[6]孫通.基于IEC61850的智能終端設(shè)計及其通訊的研究[D].江蘇:南京理工大學，2012.

[7]汝雁飛.數(shù)字化變電站中智能終端裝置動作時延測試的研究[J].電工技術(shù)，2011，26(06):14－15.