【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)雙方的時鐘同步，是56位的二進制數(shù)。 SD:幀首界定符，是8位的10101011二進制數(shù)，后兩位是11表示跟隨的是真正的數(shù)據(jù)。 DA:目的地址，標準建議默認值為廣播地址，即16進制的FFFFFFFFFFFF，48位。 SA:源地址，可以自己定義，但在局域網(wǎng)內(nèi)應(yīng)為唯一的標志，48位。 TPID:協(xié)議檢驗標志，16位。 TCI:控制信息標志，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)單元實現(xiàn)的，是基于嚴格規(guī)定的標準化傳輸應(yīng)用。 合并單元的通信變電站自動化系統(tǒng)各層之間的數(shù)據(jù)交換量非常大，IEC61850標準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，電壓采樣實時數(shù)據(jù)，對設(shè)備的控制命令，對設(shè)備的監(jiān)測和診斷數(shù)據(jù)等，這兩層之間的數(shù)據(jù)通信頻繁，每次傳送的報文短，而通信量大，而且對實時性要求很嚴格。因此，電子式互感器與測量，保護設(shè)備的通信接口設(shè)計必須滿足實時性要求[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重要特點：(1) 同時處理的任務(wù)多 合并單元需同時接收各自獨立的多路數(shù)據(jù)，并對各路數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生畸變進行檢驗，以防止提供錯誤數(shù)據(jù)給保護，測控設(shè)備。(2) 高可靠性和強實時性 合并單元所接收的電流，電壓信息是保護動作判據(jù)需要的信息，接口通信處理時間的快慢將直接影響到保護的動作時間。此數(shù)據(jù)通信位于開關(guān)附近，故對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，電流信息又分保護和測量兩種，這些信息均是周期性的，接口通信流量較大。在對采樣率要求較高的線路差動保護和計量等應(yīng)用中，通信流量會更大。(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)并對其進行相應(yīng)的處理。(2) 能夠接收站端同步時鐘輸入信號從而向高壓側(cè)各路A/D發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號。(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。(4) 內(nèi)部應(yīng)有備用的CPU在安裝相應(yīng)的保護器件后可擴展保護或測控等功能。要實現(xiàn)IEC6185091中所定義的合并單元功能[6]，首先應(yīng)清楚標準對電流，電壓采樣值信息的報文性能要求。變電站報文類型可分為7類，包括快速報文，中速報文，低速報文，原始數(shù)據(jù)報文，文件傳輸報文，時間同步報文和具有訪問控制命令報文等。報文性能分組，一組是與保護及控制相關(guān)的；另一組是與測量儀表及電能計量相關(guān)的。其中與保護控制相關(guān)的性能級分為P1，P2，P3，P3等級要求最高，它應(yīng)用于傳輸線路的間隔層保護控制功能，具有極高的時鐘同步性能。電流、電壓采樣值信息是變電站原始數(shù)據(jù)報文類型的信息，對于此報文的不同性能分類，其信息性能要求差異也比較大，如對于保護的性能級P1，要求其采樣率為480點/s,同步采樣準確度是177。25181。s，而對于性能級P3，要求其采樣率為1920點/s，同步采樣準確度是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?zāi)K，同步功能模塊及數(shù)據(jù)排序模塊組成。設(shè)計選用的是ALTERA公司的FLEX10K系列，它包含一個嵌入式陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)各種存儲功能和復(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 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)并進行串并轉(zhuǎn)換[5]，UART是一種NRZ碼進行傳輸?shù)碾娐贰Ｔ跀?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)時間。接收端在用取樣器對信號進行取樣判決時，一般均應(yīng)對準每個碼元最大值的位置，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，解碼電路一般采用數(shù)字鎖相環(huán)或計數(shù)器算法。數(shù)字鎖相環(huán)法大都用于環(huán)形拓撲網(wǎng)絡(luò)，而計數(shù)器算法則多用于點對點通信連接。實際工作中是采用計數(shù)器算法。位定時信號通過計數(shù)器算法提取出來后，就可以確定每個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碼的一個位經(jīng)過編碼后變成了兩個電平信號。所以即便確定了每個電平信號的起始、結(jié)束位置，對于連續(xù)收到的“01”，信號也有可能出現(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信號之后，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。這就需要利用兩個采樣點數(shù)據(jù)傳輸之間的線路空閑狀態(tài)(連續(xù)發(fā)“1”)來進行判斷。因為在線路空閑狀態(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，接收方會收到N個連續(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，接收方在這時會收到N個連續(xù)的“10”，還原成NRZ碼就是N個連續(xù)的“0”，這時接收方將后面收到的數(shù)據(jù)碼流作一個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校驗碼，處理模塊按照與采集模塊相同的算法對前部分數(shù)據(jù)進行再次運算，并于CRC校驗碼進行比較，比較結(jié)果由校驗電路寫入校驗標志寄存器中，當(dāng)傳輸正確時向其中寫入0，傳輸錯誤時寫入1，系統(tǒng)初始化時寫入0作為默認值，DSP進行數(shù)據(jù)處理時，首先檢驗校驗標志位，判斷數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)選擇進入何種數(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FIFO輸入端口的順序儲存在寄存器中，并以相同的順序輸出，所以FIFO內(nèi)的讀寫控制只由讀寫請求信號控制，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，對各路數(shù)據(jù)進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，不影響其他路的數(shù)據(jù)傳送給保護測控設(shè)備，通過設(shè)置長等待時間限定值(Tmax)來解決問題，當(dāng)合并單元等待時間大于Tmax時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，準備下一路數(shù)據(jù)進入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標準中規(guī)定,同步信號可由GPS接收機輸出的秒脈沖產(chǎn)生[4]。 圖43 同步信號1的產(chǎn)生圖中，F(xiàn)PGA芯片所接的頻率將其進行分頻后才能得到周期為1s的頻率信號，同時同步信號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周期。同步信號的要求，上升沿觸發(fā)，每秒鐘發(fā)出一個同步脈沖，無論脈沖是否正常合并單元都要對同步脈沖做真實性核查。 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中進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理模塊利用DSP處理器對接收的數(shù)據(jù)信號進行相應(yīng)的數(shù)字濾波，然后對接收到的數(shù)據(jù)進行均方根值、相角的有關(guān)計算，同時由于輸出的數(shù)字量和真實的電流值之間存在相位和幅值兩個方面的誤差。有效頻段內(nèi)的幅值誤差，在設(shè)計濾波器和確定變比系數(shù)等參數(shù)時能夠考慮到，所以相位誤差相對幅值誤差而言影響較大，因此必須對信號進行相位補償，從而給數(shù)據(jù)包打上正確的時標?！? 圖45 處理部分原理圖 數(shù)據(jù)緩存 由于FPGA和DSP具有各自的全局時鐘，將FPGA中的數(shù)據(jù)傳遞給DSP時，也就是將數(shù)據(jù)從一個時鐘域傳遞到另一個時鐘域，并且目標時鐘域與源時鐘域是不相關(guān)的，因此這些域中的動作也是不相關(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)將會影響到下一級觸發(fā)器，最終導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，從而使整個系統(tǒng)功能失常。當(dāng)有大量的數(shù)據(jù)需要進行跨時鐘域傳輸且對數(shù)據(jù)傳輸速度要求比較高的場合，克服亞穩(wěn)態(tài)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定傳輸，異步FIFO是一種簡單,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：1）精度高 模擬電路很難達到103以上而數(shù)字濾波器可以達到105，2）靈活性大 數(shù)字濾波器的主要性能與乘法器的個系數(shù)有關(guān)，而這些系數(shù)是存放在系數(shù)存儲器中的，只要改變存儲器中的系數(shù)就能得到不同的系統(tǒng)，方便很多[3]，3）可靠性高 因為數(shù)字系統(tǒng)只有兩個電平信號0和1，受噪聲影響小。4）易于大規(guī)模集成 因為數(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，對電路參數(shù)要求不嚴格，成品率很高價格比較低。5）并行處理 數(shù)字濾波器還有以個優(yōu)點就是并行處理，數(shù)字濾波器可采用DSP來實現(xiàn)并行處理。 在數(shù)字信號處理中，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)是一個有限長序列，在數(shù)字信號處理應(yīng)用中往往需要設(shè)計線性相位濾波器，F(xiàn)IR濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求時，很容易做到嚴格的線性相位特性，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)為實序列，且滿足奇對稱或偶對稱條件，這樣，當(dāng)N為偶數(shù)時，F(xiàn)IR的方程表達式為 （42）FIR不斷的對輸入樣本x(n)延時（圖中的延遲單元D），再做乘法累加運算，將濾波結(jié)果y(n)輸出。FIR濾波器有以下特點：1. 系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)h(n)在有限個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，有限z 平面只有零點，而全部極點都在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)計中，采用FIR數(shù)字濾波器具有如下優(yōu)點：(1) 可以在幅度特性隨意設(shè)計的同時，保證精確,嚴格的線性相位；(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),因此在有限精度運算下,不會出現(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算法實現(xiàn),從而提高運算效率。 均方根及相位運算 均方根值也稱作為效值,設(shè)被測三相電流信號為： （43） 以A,B相為例,ω=2πf,f被測信號頻率,設(shè)N為正數(shù)N≥3,ωs=2πfs=2π/=Nf對上述電流采樣，則采樣后的信號表示： （44） 那么被測電流信號的均方根的值為： （45）定義兩相之間的相位差：φ=θ1θ2取樣本點數(shù)為N1 = MN,由于N為被測信號一個周期內(nèi)所包含的樣本點數(shù),故M為樣本中所包含被測信號的周期數(shù)。如果被測信號頻率f 是已知且是準確的，或者是能夠精確測量出來的，則對信號的整周期采樣是容易做到的。求兩被測信號相位差的公式可由下式推導(dǎo)得出： （46）級數(shù)在N 1=MN情況下的有限和為0,因此,相位差的計