一种通用电子式互感器数字接口的研究与实现
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第 3 3 卷 第 1 期 2 0 0 7年 1 月 高电压技术 Hi g h Vo l t a g e En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 No 1 J a 2 0 0 7 一种通用电子式互感器数字接 口的研究与实现 朱大鹏,张责新,许超然 ,罗承沐,曹津平(1 清华大学电机工程与应用电子技术系,北京1 0 0 0 8 4;2 北京四方继保 自 动化股份有限公司,北京 1 0 0 0 8 5)摘要:电子式电流 电压互感器(E T A E T V)与继保设备的合并单元(Mu)的数字接 口一直没有明确的规范,为 方便 E T A E T V与各厂家的 MU接 口,考察了国内电力设备二次厂家 MU的数字输人输出格式后提出了一种通 用的电子式互感器与 MU的数字接口方法。该方法采用复杂可编程逻辑器件(C P L D)作为核心处理器件,能够方 便地实现各种数字输出的 E T A E T V与 MU的接口。接口 转换系统与四方公司 MU的配合实验结果验证了接口 方法和系统软硬件设计的正确性,可以运用在实际的一次互感器和二次设备接口的场合。关键词:电子式电流 电压互感器;合并单元(MU);接口;同步;可编程逻辑器件;循环冗余码 中图分类号:TM4 5;T N2 9 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 3 6 5 2 0(2 0 0 7)0 1-0 1 1 9 0 4 S t u d y o n Di g i t a l I n t e r f a c e o f E T A E T V a n d I t s I mp l e me n t a t i o n Z HU Da p e n g ,Z HANG Gu i x i n ,XU C h a o r a n ,L UO Ch e n g mu ,C AO J i n p i n g (1 D e p a r t me n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,T s i n g h u a Un i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 4,C h i n a;2 S i f a n g Au t o ma t i o n C o,I t d,B e i j i n g 1 0 0 0 8 5,C h i n a)Ab s t r a c t:S i n c e t h e r e i S n o v e r b o s e s p e c i f i c a t i o n f o r c o mmu n i c a t i o n b e t we e n e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r s a n d MU a g e n e r a l me t h o d h a s b e e n b r o u g h t f o r wa r d Th i s me t h o d a d o p t s a n A1 t e r a M Ax I I s e r i e s C PL D a s a CP U wh i c h i S s i m p l y t O u s e,l o w C O S t,a n d h i g h p e do r ma n c e Th e d e v i c e c a n r e c e i v e d a t a o f e l e c t ron i c t r a n s f o r me r s,f o r ma t t h e d a t a f o l l o wi n g t h e r e q u e s t o f t h e MU。a n d s e n d t h e p r o c e s s e d d a t a t o i t Th e d a t a f o r ma t t h a t t h e M U r e c e i v e d i s c o n s i s t e d wi t h s y n c s i g n a l。d a t a s i g n a l,s t a t u s s i g n a l a n d CRC i d e n t i f y i n g c o d e,e x a c t l y Th e I E C a d v i c e s t h a t t h e c l o c k O f e l e c t ron i c t r a n s f o r me r s wi l l b e g i v e n b y MU。wh i c h i s a l s o t h e d e s i g n t r e n d B u t o b v i o u s l y t h e c h a l l e n g e wi l l n o t b e e a s i l y me t,e s p e c i a l l y f o r d i f f e r e n t v e n d o r s o f t h e p r i ma r y a n d s e c o n d a r y d e v i c e s+S o i n ma n y c i r c u ms t a n c e s。e l e c t ron i c t r a n s f o rm e r s a n d M h a v e t h e i r c l o c k s y s t e ms r e s p e c t i v e l y Ou r d e s i g n f o l l o ws t h i s p a t t e r n Bu t u s i n g t h e c l o c k o f MU i s a l s o v a l i d a n d i t s ma i n t a i n e d i n o u r s y s t e m We c o n s i d e r o u r d e s i g n a s a g e n e r a l me t h o d j u s t b e c a u s e we s h o u l d n e v e r c h a n g e t h e h a r d wa r e s t r u c t u r e o f o u r i n t e r f a c e b o a r d f o r d i f f e r e n t MUS a n d e l e c t r o n i c t r a n s f o rm e r s i n c o mmo n u s e。j u s t n e e d t O c h a ng e t h e s o f t wa r e a l i t t l e i n s t e a d Th i s d e v i c e c o n n e c t s e l e c t r o n i c t r a n s f o rm e r s a n d M p r o p e r l y a n d s u c c i n c t l y A c h a mb e r e x p e r ime n t h a s b e e n t a k e n i n t h e l a b o f o u r s e l v e s t O e x a mi n e a n d c e r t i f y t h e d e s i g n me t h o d a n d t h e wh o l e d e v i c e s y s t e m,a n d t h e t e s t r e s u l t a p p e a r s t h a t t h e me t h o d i s v e r y c o r r e c t a n d r o b u s t,a n d i S v e r y s u i t a b l e f o r i mp l e me n t a t i o n a n d p o p u l a r i z a t i o n Ke y w o r d s:e l e c t r o n i c c u r r e n t v o l t a g e t r a n s f o r me r(E TA E TV);me r g i n g u n i t(MU);i n t e r f a c e;s y n c h r o n i z a t i o n;CPL D:C RC 0 引 言 近年来国内外电子式互感器(E T A,E T V)已经 进入实际应用阶段,而且随着数字电力系统(D P S)的发展,I E C明确规定了合并单元(MU)与二次设 备接 E l 的数字格式,但作为一次设备的互感器与 MU接口的完整数字格式还没有统一的规范。不少 文献已经对此进行了前瞻性的阐述,但这些阐述也 只是针对各自的E T A提出了数字传输的格式r 1-6 。鉴于此,提出一种方便的E T A E T V出El格式转换 方法以方便 E T A E T V与各厂家 MU单元进行接 口。在二次接 口问题 上 E TA E T V具有相 当大的 共性,所以为了方便描述,本文以E T A为例。1 格式规范 众所周知,一、二次设备与 MU在电力设备中 的位置可以结合图 1 来描述L7 ,一次厂家制造的设 备需要和 MU接 口才能与二次设备配合。MU与 二次设备的接 El有完备的标准r 4 。但是 E T A的输 出格式并没有具体到每个 b it,所以在实际生产中每 个厂家都有自己的格式规范。国内做二次设备的几 大厂家都有各自的数字传输协议来确保一次设备与 MU的接El,即图 l中阶段一的工作实际上没有严 格规定,而阶段二的工作 I E C则做了严格的规范。1 1 E TA输 出格式 本文 E TA 的输 出采用 图 2格式,图 2中 DA 维普资讯 http:/ Hi g h Vo l t a g e En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 No 1 T A数据由一系列数据包组成,在传输过程中各个 数据包之间有一个固定的延时D e l a y 2,该 D e l a y 2 可 以设置成方便地由计数器产生,每个数据包里面包 含 组采样数据,每组数据之间有固定延时 D e-l a y 1,当然,D e l a y 1 也可以设置成由计数器产生。一 个很典型的例子就是 D a t a 数据表示 E T A测量和保 护两通道的数据包,每通道数据都是 l 6 位。1 2 MU接受格式 MU接受的格式 见图 3。图 3中 E T A与 MU通讯的代码解释如下:s Y N MU给 E T A发 送的转换命令;D ,D IJ1 一E T A生成的第一路数据 的 1 6 位采样值;D n z,D E T A生成的第二路数据 的 l 6 位采样值;S T A T U S-E T A转换时的工作状 态;C R C DH 1,Dl 1 DH 2,DI 2,S T ATUS 的 C R C 码。各代码的帧结构均一样,都满足 s t(1 b i t)+d a t a(8 b i t s)+d m(1 b it)+s p(1 b it)的格式。其中,s t、d a t a、d m、s p 分别为起始位、数据位、辨别标志位 和终止位。所有的数据排列方式都规定为低位(低 数据位)在前、高位(高数据位)在后。逻辑电平均规 定高为 0、低为 1。2 接口设计 数字接口的整个原理框图见图 4,接 口系统的 核心处 理 单元 是 一 块 A l t e r a公 司 的 MA X I I C P I D,O E和 E O分别指光电转换模块和电光转 换模块。在具体的设计中,接口系统要和 E T A以 及 MU单元进行通讯。C P I D与 E T A通讯是为了 获得 E T A经过 O E模块之后的数字化电信号,电 信号存储了关键的电压或电流信息,然后对获得的 电信号数字量进行处理,使得数字量能够满足 MU 单元对输入的数字信息的格式要求。处理过程包括 重新打包、加入 C R C码、在数字包里加进 MU通信 需要的状态码等等。其 中,接收 E T A的数据并将 各个数据包的数据分离出来的流程图见图 5。其中 S C I K和D A T A分别指 E T A数据传输的时钟和传 过来 的数据。与 MU通讯最重要的是先接收到 MU传过来 的同步码,对同步码进行一定的同步处理以得到和 MU进行数据传输所需要的时钟,然后把已经按照 MU所需要的格式打包好的电压电流信息传输给 MU。C R C的运算可以按照最普通的移位相除法 则。也可以直接用除法先得到 C R C的多项式系数,然后直接把数字量乘 以一定的系数得到 C R C码。例如需要对 4 位数据 D E 4 3 进行 C R C校验,C R C 校验码采用常用的 +。+l,则直接根据式 厂、_-_ L _ _ _ 次 MU 次 设 L L 设 备、,一 r_ _ J 备 图 1 具有数宇接口的一、二次设备间连接的简图 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f c o n n e c t i o n b e t we e n p o we r s y s t e m p r i m a r y d e v i c e s a n d s e c o n d ar y d e v i c e s CLK DATA 图 2 E T A输出的数据格式 o r ma t c h a r t o f s i g n a l o u tpu t t ed b y E T A 图3 MU接收的格式图 F i g 3 F o r m a t c h a r t o f d a t a r e c e i v e d b y M U BNC 洲 E T A 调试用电接口 人 几c I 1(n n 人 L K D A T A J c K 1 D OE DAT A CPLD 模块 A I E R A MA X I I S CLK A 图 4 接 口系统原理框图 F i g 4 Bl o c k d i a g r a m o ft h ei n t e r f a c e s y s t e m(1)的多项式除法很容易得到 C R C计算的 V HD I 程序 。:C R C=R E M 翳 牛螋),(1)式(1)中R E M表示求多项式除法的余数。根据接收到的 MU传过来的同步码 S Y N信号 恢复出 MU时钟的方法也很多。分别输人一个正 弦信号,使用不同的同步方法在 MU侧得到波形。下面给出各种同步方法效果的比较:使用能产生 与信号相位相差大致 9 0。同步时钟的软件锁相环波 形(见图 6),可见,这样会产生丢数据的现象。需要 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年 1 月 高电压技术 第 3 3 卷第 1 期 2 1 j型 m 卜 撂 啦 S C L K 竺 H!竺 竺 l数 据 读 取 卜_一 串 并 转 换 -_1 l I D ATA I 确 定 数 据 编 号 I 分 离 的 和 结 束 位 置 各 路 数 据 L I 每 个 数 据 分 离 喜 l 包 结 束I l使 能 信 号 图5 E T A输出数据分离方法图示 图6 使用同步方法一在 MU侧得到的信号波形 Fi g 6 S i g n a l wa v e o fMU s i d e c r e a t e d b y s y n c h r o n i z a t i o n me t h o d I Sn 图 7 恢复与输入时钟正交的时钟信号原理图 F i g 7 S c h e mt i c d i a g r a m o f g e t t i n g o r t h o g o n a l o u t p u t c l o c k s i g n a l 说明这种产生方法比较复杂,实际应用中就是采用 异或 门(X O R)鉴 相 器或 者 边 沿 控 制 鉴相 器(E C P D),从输入的时钟里恢复出与原始时钟正交 的时钟 1 1 12 (见图 7)。图 7中 S n 信号为输入信号 I n和输出信号 O u t 的相差信号,如果 S n为全 0 则 说明I n 和O u t 相差0。,这时需要采取一定措施增大 S n;如果 S n 为全 1 则说明 1 n和 O u t 相差 1 8 0 ,这 时需要采取一定措施减小 S n。这样,采用某种自 适 应的算法可以得到占空比为 5 o 的信号,从而使得 I n和 O u t 相差接近 9 O。以完美恢复出输入时钟。但 是实际操作中自 适应算法需要一定的时间,所以不 容易保证能得到图 7 正好相差 9 0 o的输出信号,从 而出现图6的丢帧现象。直接用高频时钟产生与 罂 坦 媾 垃 图8 使用同步方法二在 Mu侧得到的信号波形 F 嘻 8 S i g n a l w a v e o f MU s i d e c r e a t e d b y s y n c h r o n iz a t i o n me o d 8 5 5 5 7 0 28 5 罂 0 蓥 5 7 0 85 5 图9 使用同步方法三在 MU侧得到的信号波形 F i g 9 S i g n a lwa v e o fMU s i d e c r e a t e d b y s y n c h r o n i z a t i o n me o d 鼢 图 1 0 最 终测试 结果 F i g 1 0 S i g n a l wa v e o f fin a l t e s t 信号频率一样的同步时钟(见图 8),可以看出还是 会产生丢数据的现象。由起始位的中间位置启动 同步时钟,其频率与信号位频率一致,到停止位结束 同步时钟(见图 9),可以看出能够很好地恢复出同 步时钟,从而完整地传输数据。3 试验结果 图1 O 是 E T A输入正弦波形后,把原始波形与 通过 MU后恢复出来的波形进行比较。为了方便 比较同时输入两个反相的正弦信号,可以看出信号 维普资讯 http:/ 1 2 2 J a n 2 0 0 7 Hi g h Vo l t a g e En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 No 1 通过接口卡后可被 MU非常精确地识别出来,从而 实现了E T A与MU的数字接口。需要说明图6、8、9、1 0的横坐标是采样点,纵坐标是传输信号幅值的 二进制数值直接转化为十进制后 的值(基值为 1 0 2 4)。4 结论 a)按照标准_ 4 合并单元(MU)到二次设备的连 接,对保护和测量两种帧,标准传输速度为Mb it s,采用 MA N C HE S T E R编码。但一次到合并单元并 没有详细传输方法的规定,这里用本文方法恢复出 来同步时钟,从而完成了数据的正确传输。b)按标准建议与设计的趋势,E T A的时钟也应 该 由 MU的上行时钟给定,但对 于一、二次不 同厂 家来说,不一定能够满足该要求,所以很多情况下 E T A与 MU可能都有独自的时钟系统。本文系统 按照这种模式进行设计,同时也兼顾了上传时钟的 考虑,预留了上传时钟的输入。c)E T A与 MU的接口既没有一个普遍的规范,也没有一个一揽子的解决方案。本文提出了一种可 靠且简单易行的通用解决方法。该方法采用低成 本、低功耗、使用简单方便的 C P I D为核心运算处 理单元,可以实现任意形式的一次侧 E T A输出编 码与 MU所要求的数据格式之间的转换。根据实 际的 E T A与 MU的对接实验,最终验证了设计思 路和硬件实现的正确性和可靠性。d)本文方法简单易行,对不同格式的数字信号 与 MU 的对接,只需要稍 微调整 C P I D 的软件方 法,故不失为一种通用的方法,可以满足各种一次 E T A设备与不同厂家 MU接口的需要。参考文献 E 1 3 Gr o s s R,J H e r ma n n H,K a t s e h i n s M U S u b s t a t i o n c o n t r o l a n d p r o t e c t i o n s y s t e m s f o r n o v e l s e n s o r s J C I G R E S e s s i o n P a r i s,2 0 0 0,1 2(2 3):3 4 4 3 E 2 3 E m e r g i n g T e c h n o l o g i e s Wo r k i n g Gr o u p,P o w e r S y s t e ms I n s t r u me nt a t i o n a n d Me a s u r e me n t s Co mmi t t e e,Fi b e r 0p t i e S e n s o r s W o r ki n g Gr ou p,e t a1 Op t i c a l c u r r e n t t r a n s du c e r s f or p o we r s y s t e ms;a r e v i e w J 3 I E E E T r a n s o n P D,1 9 9 4,9(4):1 7 7 8 1 7 8 8 3 任雁铭,秦立军,杨奇逊通讯协议体系介绍和分b E J 电力系 统 自 动化,2 0 0 0,2 4(8):6 2-6 4 R e n Y a n mi ng,Qi n I ij u n,Ya n g Qi x u n I E C 6 1 8 5 0 s t u d y o n I E C 6 1 8 5 0 e o m m i n i c a t io n p r o t o c o l a r c h i t e c t u r e J Au t o ma t i o n o f 日e e t r i c a l P o we r S y s t e ms,2 0 0 0,2 4(8):6 2-6 4 4 3 任雁铭,操丰梅,秦立军,等基于嵌人式以太网的变电站 E l 动 化系统通信网络 J 电力系统自动化,2 0 0 1,2 5(1 7):3 6 3 8 Re n Ya n mi ng,C a o F e n g me i,Qi n I i j u n,e t a 1 C o mp u t e r c o rn mu n l c a t ion n e t wo r k b a s e d o n e mbe d e d e t h e r n e t t e c hn i q u e f o r s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e ms J A u t o ma t i o n o f E l e c t r i c a l P o we r S y s t e ms,2 0 0 1,2 5(1 7):3 6 3 8 5 刘青,王增平,徐岩,等电子式互感器与继电保护接 口的 实现口 高电压技术,2 0 0 5,3 1(4):4-5 I i u Qi ng,Wa ng Z e ngp i n g,Xu Y a n,e t a 1 I n t e r f a e e o f d i g it a l r e l a y p r o t e c t i o n a n d e l e c t r i c a l t r a n s d u c e r s J Hi g h V o l t a g e E n-gi n e e r i n g。2 0 0 5,31(4):4-5 6 徐雁,叶妙元,张庆,等 光电互感器的应用和接13 问题口 _ 电力系统自动化,2 0 0 1,2 5(1 2):4 5 4 8 Xu Y a n,Ye Mia o y u a n,Z h a n g Qi n g,e t a 1 S t u d y o n s t a n d a r d i nt e rfa c e s a mo n g o p t i c a l e l e c t r i c t r a n s f or me r me a s u r e me n t a n d p r o t e c t i o n J A u t o m a t i o n o f E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s 2 0 0 1,2 5 (1 2):4 5 4 8 7 I E C 6 0 0 4 4 8,I n s t r u me n t t r a n s for me r s-p a r t 8:e l e c t ri c a l c u r r e n t t r a n s d u c e r s S ,2 0 0 2 8 I E C 6 1 8 5 0 1 1,2,C o m mu n i c a t i o n n e t w o r k s a n d s y s t e m s i n s u b s t a t i o n-p a r t:s p e c i f i c c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e m a p p i n g s ,2 0 0 3 9 殷志昆,刘万顺,秦应力,等 一种基于F P G A技术的电子式互 感器接口实现方法 J ,电力系统自动化,2 0 0 4,2 8(1 4):9 3 9 9 Yi n Z h i l ia ng,L i u Wa n s h u n,Qi n Yi n g l i,e t a 1 A n e w f p g a-b a s e d me t h o d f o r r e a l i z i ng t h e i n t e r f a c a t o e l e c t r on i c t r a n s d u c e r J A u t o m a t i o n o f E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s,2 0 0 4,2 8(1 4):9 3 9 9 1 O G e n e r a t o r o f s y n t h e s i z a b l e C R C f u n c t io n s c P O I 2 0 0 6 0 5 一 i o h t t p:w-,e a s i e s c o m w e b t ool s c r c t o o l,2 0 0 6 1 1 L a t t i c e S e mi c o n d u c t o r Co r por a t i o n Ph a s e lo c k e d l o o p(p I I )i n h ig h s p e e d d e s i g n s D B O I 2 0 0 6 0 5 一 i o h t t p:w l a t t i c e s e mk c o m l i t d c c s d e s i g n e x a mp l e s e p l d a rt S 0 1 7 p a f,1 9 9 7 1 2 胡华春 数字锁相环路原理与应用 M 上海:上海科技出版 社,1 9 9 0 Hu Hu a c hu n Pr i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f digi t a l p h a s e l o c ke d l o o p c i r c u i t M S h a n g h a i;S h a n g h a i S c i e n c e T ech n o l o g y Pu b l i s he r s,1 9 9 0 朱大鹏 张贵新 1 9 8 3 一,男,硕士生,研究方向为电子式互感器及电子式互 感器的校验方法。电话:(0 1 0)6 2 7 8 5 5 1 3;E-m a i l:z h u d p 0 4 ma i l s t s i n g h u a e d u c n 1 9 6 3 一,男,博士,副教授,研究方向为电子式互感器、高电 压技术及其应用。收稿 日期2 0 0 6 1 0 1 0 编辑任明 厂 。一 一 。一 一 一 一 一 一 一 。一 一 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