【正文】 物理層的合并單元與二次設(shè)備之間可以用光纖傳輸連接也可以用銅線傳輸連接，在物理電路上的數(shù)據(jù)傳輸編碼方式采用曼碼編碼，先傳最高有效位[12]。 圖41 曼碼編碼原理圖上升沿為高電平，下降沿為低電平，曼碼傳輸能夠有效的提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。鏈路層采用基于ISO/IEC8023協(xié)議，以太網(wǎng)物理層傳輸幀為： PR 56b SD 8b DA 48b SA 48b TPID 16b TCI 16b TYPE 16b PDU 64b APDU 584b FCS 32b PR:前導(dǎo)同步碼，用于收發(fā)雙方的時(shí)鐘同步，是56位的二進(jìn)制數(shù)。 SD:幀首界定符，是8位的10101011二進(jìn)制數(shù)，后兩位是11表示跟隨的是真正的數(shù)據(jù)。 DA:目的地址，標(biāo)準(zhǔn)建議默認(rèn)值為廣播地址，即16進(jìn)制的FFFFFFFFFFFF，48位。 SA:源地址，可以自己定義，但在局域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)為唯一的標(biāo)志，48位。 TPID:協(xié)議檢驗(yàn)標(biāo)志，16位。 TCI:控制信息標(biāo)志，16位。 TYPE:幀的數(shù)據(jù)類型，16位。 PDU:協(xié)議數(shù)據(jù)單元，64位。 APDU:應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元，由應(yīng)用協(xié)議控制信息和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元組成，應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元分通用數(shù)據(jù)段和狀態(tài)標(biāo)致數(shù)據(jù)段，通用數(shù)據(jù)段采用IEC600448定義的一般幀的內(nèi)容。 FCS:32位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。 IEC6185091描述的應(yīng)用層信息交換是通過應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元實(shí)現(xiàn)的，是基于嚴(yán)格規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸應(yīng)用。 合并單元的通信變電站自動(dòng)化系統(tǒng)各層之間的數(shù)據(jù)交換量非常大，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義的間隔層和過程層需要交換的數(shù)據(jù)有互感器的電流，電壓采樣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備的控制命令，對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和診斷數(shù)據(jù)等，這兩層之間的數(shù)據(jù)通信頻繁，每次傳送的報(bào)文短，而通信量大，而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求很嚴(yán)格。因此，電子式互感器與測(cè)量，保護(hù)設(shè)備的通信接口設(shè)計(jì)必須滿足實(shí)時(shí)性要求[7]。合并單元作為電子式互感器的數(shù)字輸出接口的重要部分具有以下幾個(gè)重要特點(diǎn)：(1) 同時(shí)處理的任務(wù)多 合并單元需同時(shí)接收各自獨(dú)立的多路數(shù)據(jù)，并對(duì)各路數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生畸變進(jìn)行檢驗(yàn)，以防止提供錯(cuò)誤數(shù)據(jù)給保護(hù)，測(cè)控設(shè)備。(2) 高可靠性和強(qiáng)實(shí)時(shí)性 合并單元所接收的電流，電壓信息是保護(hù)動(dòng)作判據(jù)需要的信息，接口通信處理時(shí)間的快慢將直接影響到保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。此數(shù)據(jù)通信位于開關(guān)附近，故對(duì)其抗干擾性要求很高，需保證數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸給保護(hù)等設(shè)備。 (3) 通信信息流量大 合并單元需要采集三相電流，電壓信息，電流信息又分保護(hù)和測(cè)量?jī)煞N，這些信息均是周期性的，接口通信流量較大。在對(duì)采樣率要求較高的線路差動(dòng)保護(hù)和計(jì)量等應(yīng)用中，通信流量會(huì)更大。(4) 通信速度較高 由于接口的通信環(huán)境惡劣，故合并單元與各路數(shù)據(jù)通信一般采用光纖通信，選擇串行通信的方式更為合理，這就對(duì)通信速度提出了較高的要求。合并單元的功能要求：(1) 能夠?qū)崟r(shí)接收從高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送的采樣數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。(2) 能夠接收站端同步時(shí)鐘輸入信號(hào)從而向高壓側(cè)各路A/D發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號(hào)。(3) 接收并處理采樣數(shù)據(jù)后 通過以太網(wǎng)卡接口向二次設(shè)備提供數(shù)據(jù)采集信號(hào)。(4) 內(nèi)部應(yīng)有備用的CPU在安裝相應(yīng)的保護(hù)器件后可擴(kuò)展保護(hù)或測(cè)控等功能。要實(shí)現(xiàn)IEC6185091中所定義的合并單元功能[6]，首先應(yīng)清楚標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流，電壓采樣值信息的報(bào)文性能要求。變電站報(bào)文類型可分為7類，包括快速報(bào)文，中速報(bào)文，低速報(bào)文，原始數(shù)據(jù)報(bào)文，文件傳輸報(bào)文，時(shí)間同步報(bào)文和具有訪問控制命令報(bào)文等。報(bào)文性能分組，一組是與保護(hù)及控制相關(guān)的；另一組是與測(cè)量?jī)x表及電能計(jì)量相關(guān)的。其中與保護(hù)控制相關(guān)的性能級(jí)分為P1，P2，P3，P3等級(jí)要求最高，它應(yīng)用于傳輸線路的間隔層保護(hù)控制功能，具有極高的時(shí)鐘同步性能。電流、電壓采樣值信息是變電站原始數(shù)據(jù)報(bào)文類型的信息，對(duì)于此報(bào)文的不同性能分類，其信息性能要求差異也比較大，如對(duì)于保護(hù)的性能級(jí)P1，要求其采樣率為480點(diǎn)/s,同步采樣準(zhǔn)確度是177。25181。s，而對(duì)于性能級(jí)P3，要求其采樣率為1920點(diǎn)/s，同步采樣準(zhǔn)確度是177。1181。s。 圖42 合并單元結(jié)構(gòu)框圖 FPGA數(shù)據(jù)接收模塊 數(shù)據(jù)接收模塊由解碼校驗(yàn)?zāi)K，同步功能模塊及數(shù)據(jù)排序模塊組成。設(shè)計(jì)選用的是ALTERA公司的FLEX10K系列，它包含一個(gè)嵌入式陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)各種存儲(chǔ)功能和復(fù)雜邏輯功能，還能夠外部配置EPPROM，提供多電壓I/O口操作。 解碼電路的設(shè)計(jì) IEC 600447/8中規(guī)定，二次轉(zhuǎn)換器與合并單元之間的數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特碼編碼形式，兩者間的通信實(shí)際上相當(dāng)于同步串行通信異步收發(fā)器，UART主要完成的任務(wù)是是從數(shù)據(jù)通道內(nèi)讀出異步串行數(shù)據(jù)流中的UART幀內(nèi)8為有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換[5]，UART是一種NRZ碼進(jìn)行傳輸?shù)碾娐?。在?shù)字通信系統(tǒng)中，信息是由一串碼元傳遞的，這些碼元通常具有相同的持續(xù)時(shí)間。接收端在用取樣器對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣判決時(shí)，一般均應(yīng)對(duì)準(zhǔn)每個(gè)碼元最大值的位置，我們把在接收端產(chǎn)生的與接收碼元速率相等且相位一致的定時(shí)脈沖序列稱為碼元同步或位同步。要從輸入的串行數(shù)據(jù)碼流中提取位同步信號(hào)，解碼電路一般采用數(shù)字鎖相環(huán)或計(jì)數(shù)器算法。數(shù)字鎖相環(huán)法大都用于環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，而計(jì)數(shù)器算法則多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信連接。實(shí)際工作中是采用計(jì)數(shù)器算法。位定時(shí)信號(hào)通過計(jì)數(shù)器算法提取出來后，就可以確定每個(gè)輸入碼的的起始和結(jié)束位置了，但是由于曼徹斯特編碼將數(shù)據(jù)“1”編碼為“01”，數(shù)據(jù)“0”編碼為“10”，即原始NRZ碼的一個(gè)位經(jīng)過編碼后變成了兩個(gè)電平信號(hào)。所以即便確定了每個(gè)電平信號(hào)的起始、結(jié)束位置，對(duì)于連續(xù)收到的“01”，信號(hào)也有可能出現(xiàn)以下兩種情況：(1)收到的“01”恰好是由原始NRZ碼“1”編碼得到的；(2)收到的“01”中的“0”是原始NRZ碼“0”編碼成“10”后的后半部分，“1”是下一個(gè)原始NRZ碼“0”編碼成“10”后的前半部分。因此，從輸入碼流中提取出位定時(shí)信號(hào)之后，并不能由此恢復(fù)出原始的NRZ碼。因此還需要確定收到的連續(xù)碼流是上述第一種情況還是第二種情況。這就需要利用兩個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸之間的線路空閑狀態(tài)(連續(xù)發(fā)“1”)來進(jìn)行判斷。因?yàn)樵诰€路空閑狀態(tài)發(fā)送方連續(xù)不斷地發(fā)“1”(編碼之后是“01”)，而且要求空閑狀態(tài)所發(fā)的“1的個(gè)數(shù)必須大于70。設(shè)每次發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)為N，那么如果是第一種情況的話，接收方會(huì)收到N個(gè)連續(xù)的“01”，據(jù)此就可以正確地接收后面的采樣數(shù)據(jù)了；如果是第二種情況，接收方在這時(shí)會(huì)收到N個(gè)連續(xù)的“10”，還原成NRZ碼就是N個(gè)連續(xù)的“0”，這時(shí)接收方將后面收到的數(shù)據(jù)碼流作一個(gè)移位之后再將其恢復(fù)成NRZ碼就是正確的采樣數(shù)據(jù)了。 CRC校驗(yàn)電路 處理模塊接收到的數(shù)據(jù)由兩部分組成，前部分使系統(tǒng)的采集結(jié)果，后部分是附加的前一部分的CRC校驗(yàn)碼，處理模塊按照與采集模塊相同的算法對(duì)前部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行再次運(yùn)算，并于CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，比較結(jié)果由校驗(yàn)電路寫入校驗(yàn)標(biāo)志寄存器中，當(dāng)傳輸正確時(shí)向其中寫入0，傳輸錯(cuò)誤時(shí)寫入1，系統(tǒng)初始化時(shí)寫入0作為默認(rèn)值，DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先檢驗(yàn)校驗(yàn)標(biāo)志位，判斷數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)選擇進(jìn)入何種數(shù)據(jù)流程。 數(shù)據(jù)緩沖FIFOFIFO是一種特殊功能的寄存器，數(shù)據(jù)按到達(dá)FIFO輸入端口的順序儲(chǔ)存在寄存器中，并以相同的順序輸出，所以FIFO內(nèi)的讀寫控制只由讀寫請(qǐng)求信號(hào)控制，不需要讀寫地址。當(dāng)?shù)?n1)路數(shù)據(jù)寫入FIFO后，才能寫入第n路數(shù)據(jù)，因此輸出的數(shù)據(jù)是按正向的順序的，對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行排序是還要考慮一種特殊狀態(tài)，那就是當(dāng)合并單元與ECT/EVT之間的傳輸介質(zhì)出現(xiàn)故障導(dǎo)致某路數(shù)據(jù)無法傳送給合并單元時(shí)，不影響其他路的數(shù)據(jù)傳送給保護(hù)測(cè)控設(shè)備，通過設(shè)置長(zhǎng)等待時(shí)間限定值(Tmax)來解決問題，當(dāng)合并單元等待時(shí)間大于Tmax時(shí)如果沒有收到采樣值處理單元傳過來的有效數(shù)據(jù)，則認(rèn)為此路數(shù)據(jù)通信故障，并通過狀態(tài)信息告知二次設(shè)備此路信息故障，準(zhǔn)備下一路數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO，Tmax值主要有ECT/EVT中數(shù)據(jù)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換，通道傳輸?shù)葧r(shí)間決定的，各通道的Tmax成遞增的關(guān)系。 同步功能模塊 根據(jù)IEC600447/8標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,同步信號(hào)可由GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖產(chǎn)生[4]。 圖43 同步信號(hào)1的產(chǎn)生圖中，F(xiàn)PGA芯片所接的頻率將其進(jìn)行分頻后才能得到周期為1s的頻率信號(hào)，同時(shí)同步信號(hào)1好要求脈沖寬度大于10μs脈沖間隔大于500ms，從而確定高電平脈沖寬度是范圍是多少個(gè)周期。同步信號(hào)的要求，上升沿觸發(fā)，每秒鐘發(fā)出一個(gè)同步脈沖，無論脈沖是否正常合并單元都要對(duì)同步脈沖做真實(shí)性核查。 FPGA與DSP的電源電路圖44為供電電源電路，,. 圖44 電源電路圖中的電容主要是抗干擾，以及穩(wěn)壓的作用。 數(shù)據(jù)處理部分 接收模塊完成高速數(shù)據(jù)還原之后，將數(shù)據(jù)傳入DSP中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理模塊利用DSP處理器對(duì)接收的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波，然后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行均方根值、相角的有關(guān)計(jì)算，同時(shí)由于輸出的數(shù)字量和真實(shí)的電流值之間存在相位和幅值兩個(gè)方面的誤差。有效頻段內(nèi)的幅值誤差，在設(shè)計(jì)濾波器和確定變比系數(shù)等參數(shù)時(shí)能夠考慮到，所以相位誤差相對(duì)幅值誤差而言影響較大，因此必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而給數(shù)據(jù)包打上正確的時(shí)標(biāo)?！? 圖45 處理部分原理圖 數(shù)據(jù)緩存 由于FPGA和DSP具有各自的全局時(shí)鐘，將FPGA中的數(shù)據(jù)傳遞給DSP時(shí)，也就是將數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘域傳遞到另一個(gè)時(shí)鐘域，并且目標(biāo)時(shí)鐘域與源時(shí)鐘域是不相關(guān)的，因此這些域中的動(dòng)作也是不相關(guān)的，從而消除了同步操作的可能性，并使系統(tǒng)重復(fù)地進(jìn)入亞穩(wěn)定狀態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)也就是觸發(fā)器工作在一種不確定的狀態(tài)，這種不確定的狀態(tài)將會(huì)影響到下一級(jí)觸發(fā)器，最終導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)功能失常。當(dāng)有大量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行跨時(shí)鐘域傳輸且對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求比較高的場(chǎng)合，克服亞穩(wěn)態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定傳輸，異步FIFO是一種簡(jiǎn)單,快捷的解決方法。 數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器有著模擬濾波器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：1）精度高 模擬電路很難達(dá)到103以上而數(shù)字濾波器可以達(dá)到105，2）靈活性大 數(shù)字濾波器的主要性能與乘法器的個(gè)系數(shù)有關(guān)，而這些系數(shù)是存放在系數(shù)存儲(chǔ)器中的，只要改變存儲(chǔ)器中的系數(shù)就能得到不同的系統(tǒng)，方便很多[3]，3）可靠性高 因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)電平信號(hào)0和1，受噪聲影響小。4）易于大規(guī)模集成 因?yàn)閿?shù)字器件具有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成生產(chǎn)，而且數(shù)字電路主要工作在截止和飽和狀態(tài)下，對(duì)電路參數(shù)要求不嚴(yán)格，成品率很高價(jià)格比較低。5）并行處理 數(shù)字濾波器還有以個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是并行處理，數(shù)字濾波器可采用DSP來實(shí)現(xiàn)并行處理。 在數(shù)字信號(hào)處理中，濾波占有極其重要的作用，數(shù)字濾波有很高的可編程性和濾波性。這里采用的是FIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器的結(jié)構(gòu)圖。 圖46 FIR濾波器原理圖FIR濾波器的方程表達(dá)式為 （41）其中N為FIR濾波器的階數(shù)，F(xiàn)IR濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)是一個(gè)有限長(zhǎng)序列，在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中往往需要設(shè)計(jì)線性相位濾波器，F(xiàn)IR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求時(shí)，很容易做到嚴(yán)格的線性相位特性，為了是濾波器滿足線性相位特性，要求其單位脈沖響應(yīng)h(n)為實(shí)序列，且滿足奇對(duì)稱或偶對(duì)稱條件，這樣，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，F(xiàn)IR的方程表達(dá)式為 （42）FIR不斷的對(duì)輸入樣本x(n)延時(shí)（圖中的延遲單元D），再做乘法累加運(yùn)算，將濾波結(jié)果y(n)輸出。FIR濾波器有以下特點(diǎn)：1. 系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h(n)在有限個(gè)n值處不為零； 2. 系統(tǒng)函數(shù)H(z)在|z|0 處收斂，在|z|0 處只有零點(diǎn)，有限z 平面只有零點(diǎn)，而全部極點(diǎn)都在z=0處； 3. 結(jié)構(gòu)主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋。反應(yīng)到本設(shè)計(jì)中，采用FIR數(shù)字濾波器具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確,嚴(yán)格的線性相位；(2) 由于FIR濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n)是有限長(zhǎng)序列，因此FIR濾波器沒有不穩(wěn)定的問題；(3) 由于FIR濾波器一般為非遞歸結(jié)構(gòu),因此在有限精度運(yùn)算下,不會(huì)出現(xiàn)遞歸型結(jié)構(gòu)中的極限振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象,誤差較小。(4) FIR濾波器可采用FFT算法實(shí)現(xiàn),從而提高運(yùn)算效率。 均方根及相位運(yùn)算 均方根值也稱作為效值,設(shè)被測(cè)三相電流信號(hào)為： （43） 以A,B相為例,ω=2πf,f被測(cè)信號(hào)頻率,設(shè)N為正數(shù)N≥3,ωs=2πfs=2π/=Nf對(duì)上述電流采樣，則采樣后的信號(hào)表示： （44） 那么被測(cè)電流信號(hào)的均方根的值為： （45）定義兩相之間的相位差：φ=θ1θ2取樣本點(diǎn)數(shù)為N1 = MN,由于N為被測(cè)信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)所包含的樣本點(diǎn)數(shù),故M為樣本中所包含被測(cè)信號(hào)的周期數(shù)。如果被測(cè)信號(hào)頻率f 是已知且是準(zhǔn)確的，或者是能夠精確測(cè)量出來的，則對(duì)信號(hào)的整周期采樣是容易做到的。求兩被測(cè)信號(hào)相位差的公式可由下式推導(dǎo)得出： （46）級(jí)數(shù)在N 1=MN情況下的有限和為0,因此,相位差的計(jì)