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現了過程層數據的共享和數字化，它作為遵循IEC61850標準的數字化變電站間隔層、站控層設備的數據來源，作用十分重要。隨著數字化變電站自動化技術的推廣和工程建設，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的數字、模擬二合一的新型合并單元很好的滿足了當前數字化變電站建設的實際需求，并在工程中得到了良好的反饋。 關鍵詞：數字化變電站　合并單元　MPC827X　FPGA 引言 　　國際電工委員會在IEC61850和IEC60044-7/8標準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、測控裝置的中間接口，完成同步采集電流和電壓信號，輸出數字信息給二次保護、測控設備。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，所以目前工程實施中最常見的方式是以太網通訊方式。 　　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磁致旋光效應和Pockels電光效應原理，后者采用羅氏線圈和電容分壓的方法。目前無源EVT的應用因為技術原因還沒有得到大面積的推廣，而無源ECT已經做到了工程化。同時，在數字化變電站工程建設中存在傳統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字信號，而傳統電磁式互感器輸出的是模擬信號，因此對應出現了兩種合并單元：數字MU和模擬MU。然而隨著數字化變電站改造和建設步伐的不斷加快，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，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:輸配電設備網 瀏覽更多信息 圖1-b 數字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，合并單元應具有以下幾個功能模塊： 　　（1）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電流、三相測量電流、三相電壓、中性點電流、中性點電壓、母線電壓。為了滿足IEC61850-9的需求，并結合工程實際的需求，本文所介紹的合并單元最多可擴展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，產生同步采樣信號。同步信號一般采用GPS提供的秒脈沖。根據IEC60044-7/8，同步采樣信號的頻率額定標準值有：200f、80f、48f、20f、f（對于工頻信號，f=50Hz）。 　?。?）模擬量采集，處理模塊：模擬MU需要采集多路模擬量，并轉換為數字量，供CPU讀取。 　?。?）采樣值合并，輸出模塊：一般采用100BASE-FX以太網光纖接口以提高抗干擾能力，數據包幀格式在IEC61850-9中定義。 　?。?）其它：滿足數字化變電站自動化工程中的大量其它應用需求，如數據存儲、人機界面、開關量輸入輸出等等。 2 系統結構 來源:輸配電設備網 2.1 基于MPC827X的以太網通訊平臺 　　合并單元作為保護、測控設備的數據源，它的數據輸出方式主要是通過以太網發送遵循IEC61850-9幀格式的數據包，因此網絡性能是合并單元最重要的性能指標之一。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。它的各項技術特點和技術指標都非常適合于應用在數字化變電站的自動化智能裝置中。 　　MPC827X Power QUICC II為雙核架構[4]： 　?。?）嵌入的PowerPC內核G2_LE core （MPC603e的一種），主要處理高層任務，具有16KB指令Cache和16KB數據Cache，最高工作頻率可達400MHz； 　?。?）基于RISC的通信處理模塊CPM （Communications Processor Module），專門負責對外通信接口的管理，它的最高工作頻率為200MHz。 　　G2 core和CPM之間通過內嵌的高速雙口RAM協同工作。MPC827X的這種雙處理器體系結構有效的降低了功耗，提高了數據處理能力。 　　MPC827X的網絡通信能力突出，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 以太網接口，同時SCC也可以配置為基于IEEE 802.3的10-Mbit 以太網接口。 除了網絡性能優越以外，MPC827X的外設接口也相當完備，如I2C，SPI，USB，PCI，UART等等，可以滿足智能設備的嵌入式系統多樣化應用需求。 　　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總線標準，數據寬度為32位，總線頻率最高可達66MHz，這賦予系統很好的外設擴展能力和驅動軟件兼容能力。 　　PCI總線的應用對于嵌入式系統具有如下幾個顯著的優點： 　?。?）外設豐富?？晒┻x擇的具有PCI總線接口的外設非常豐富，如以太網、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總線最大數據傳輸率為266MB/s，而且PCI控制器和CPU之間的數據交換采用的是DMA方式，這些特性使得MPC827X的PCI總線數據吞吐能力能很好的滿足了數字化變電站中裝置類產品的各種需求。 　?。?）軟件支持好。因為PCI總線接口應用廣泛，標準化程度高，所以，不管是Vxworks、Linux還是Windows等操作系統對各種主流PCI總線設備都有很好的軟件支持，提供了大量的標準化驅動軟件，大大縮短了產品的研發周期。 　　本文討論的合并單元充分利用了MPC827X的PCI總線擴展能力：其一，采用了Intel的高性能以太網控制器i8255x擴展出1-3個100M以太網；其二，利用具有PCI接口的多串口芯片擴展出多達16路串口，用作電子式互感器的接口。 　　此外，MPC827X還具有功能強大，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。特別是其中的UPM （User-Programmable Machines） 模式，可以對總線讀寫信號和數據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），可以支持硬件浮點運算。 2.2 多路以太網輸出 　　數字化變電站工程實踐中需要合并單元這個數據源能同時給多個間隔層設備提供數據，因此要求合并單元具有多路以太網輸出接口。MPC827X有2個FCC，再加上PCI總線擴展的以太網接口最多可有5個，如果需要更多接口，可以采用交換芯片實現擴展。本合并單元采用了MARVELL公司的多端口以太網交換芯片，可以擴展出6～12個100BASE-FX以太網接口。各端口被劃分為單獨的VLAN，因此各端口之間不會有相互影響。圖4說明了使用以太網交換芯片擴展端口的方案。 來源:www.tede.cn 2.3 FPGA的應用 　　現場可編程門陣列（FPGA）實現了硬件的軟件化，數據處理延時小，工作穩定可靠，升級方便，是實現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標準的采樣脈沖和解碼后的時標數據。同步采樣脈沖觸發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，解碼后的時標通過串行通信口被CPU讀取。 　　同時，FPGA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生的虛假信號，防止后繼設備的誤動作。FPGA對1PPS信號有效性的判斷結果通知CPU，CPU將在IEC61850-9報文中置上相應的標志。 　　FPGA采用高精度晶振，自身維護一個1PPS時鐘。當GPS提供的1PPS有效時，同步自身的1PPS；當外部1PPS失效后，因為FPGA有后備1PPS，所以還可以維持如過流保護、測控的數據的有效性。 2.4 高精度ADC 　　合并單元作為變電站保護測控數據的來源，對ADC的精度提出了更高的要求。目前普遍應用的14位ADC在合并單元中已經有些捉襟見肘，為了更好的適應更高的應用需求，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下，同步采集轉化16路模擬量，供CPU讀取。 2.5 靈活的配置 　　因為具體工程的實際需求會各有特色，合并單元也必須能夠滿足多樣的應用需求才能在工程應用中體現出它的生命力。合并單元的電子式互感器接口，以太網接口，模擬量采集，人機界面，開關量輸入輸出等功能單元都采用模塊化設計，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路數字量輸入、8路或16路數字量輸入；以太網輸出模塊可以選擇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；人機界面，開關量輸入輸出皆為可選模塊。同時，軟件也實現了模塊化設計，通過更換配置文件就可適應不同的硬件模塊配置。 3 結語 　　目前，應用電子互感器及IEC61850標準的數字化變電站自動化系統是電力系統的研究熱點。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現及技術特點。該合并單元在北京、廣州等多個數字化變電站建設及改造的工程中承受了實踐考驗，取得了良好的社會效益和經濟效益。 參考文獻 　　[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.