电子式互感器合并单元时间同步问题的解决方法

第27卷第161期　　　　　　电　力　系　统　通　信　　　　　　　　Vol.27No.161

2006年3月10日　　TelecommunicationsforElectricPowerSystem　　　　Mar.10,200

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电子式互感器合并单元时间同步问题的解决方法

刘　琨,周有庆,张午阳,吴桂清

(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)

摘要:文章简要介绍了连接电子式互感器与二次保护、测量设备的合并单元及其主要功能,通过

分析合并单元在实际应用过程中所存在的时间同步问题,体要求。提出了一种基于复杂可编程逻辑器件(CP。该方法利用CPLD硬件执行速度快、I/O(VHDL)编写的内部运行软件、场试验,。

关键词:/;合并单元;复杂可编程逻辑器件;同步;曼彻斯特码

中图分类号:TN915.05

文献标识码:B　　　　　文章编号:1005-7641(2006)03-0071-05

0　引言

电流/电压互感器是电力系统中的重要设备,随

着电力工业的不断发展,电网电压等级的不断提高,传统带铁心的电磁感应式互感器由于自身结构上的局限性,已经越来越不能适应电力系统的要求。

近年来,基于光学和电子学原理的电子式电流/电压互感器(ECT/EVT)因具有体积小、重量轻、频带响应宽、无饱和现象等诸多优点,有望成为传统电磁感应式互感器的理想替代品,受到国内外

[1]

研究人员的普遍重视。

为了推动电子式互感器的实际应用,国际电工委员会制定了IEC60044-7/8,IEC61850-9-1等一系列国际标准。在这些标准中,均反复涉及到电子式互感器与二次设备接口的组成部分———合并单元(MU,MergingUnit)。

合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的,其主要功能是同步采集三相电流和电压信息,并按照一定的格式汇总输出给二次保护控制

[2-3]

设备。实际应用中,许多保护和测量算法都要求各路模拟量的采样值是同一时刻的。完成这一点的前提是必须使不同协议规则的电流和电压信息同步,因此,能否实现合并单元的时间同步(以下简称同步),成为合并单元能否准确、可靠运行的关键。

收稿日期:2005-09-27;修回日期:2005-10-12

1　合并单元的同步问题

在电子式互感器的应用中,与一个合并单元进

行接口的ECT/EVT中所带的A/D转换器可以具备单路模拟量输入通道,也可以具备多路模拟量输入通道。合并单元通过向各路A/D转换器发送同步转换命令,来实现各路同时采样和A/D转换;当一个二次保护设备需要多个合并单元提供的电流、电压信息时,必须使不同的合并单元之间同步工作,在多数情况下,变电站的合并单元都需要同步,可以使用一个站级同步源给所有的合并单元发送同步信号以实现采样的同步;当保护双重化时,变电站需要两个独立的同步源给两套保护设备提供同步信号,但由于两套保护设备共用同一个电子式互感器,所以两个同步源之间也应实现同步。

针对上述问题,在IEC60044-7/8及IEC61850-9-1等国际标准中,均对合并单元的同步给出了相关的描述。图1所示的是遵循IEC61850-9-1标准的合并单元工作原理。

图1中,同步信号1(即在IEC60044-7/8标准中描述的合并单元时钟输入信号)是用于控制不同合并单元间同步的时钟信号,由于该信号的频率较低,不能满足保护测量的采样要求,因此不能直接用作同步采样和A/D转换的命令。同步信号2是控制各路A/D同步转换的时钟信号,可以通过对同步信号1进行倍频处理后直接产生,也可以根据需要自行设定同步信号2的内容与格式。关于同步信号2的具体频率和格式,可根据实际要求

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用来同步各合并单元的时钟,使各合并单元的采样

节拍同步。时钟输入采用光纤接口。IEC60044-7/8标准对同步信号1做了如下要求。

(1)时间触发:同步时刻选信号上升沿;(2)时钟速率:每秒一个脉冲;(3)触发水平:最大光量的50%;

(4)脉冲宽度大于10μs,脉冲间隔大于500ms;(5)。～860nm,光μ,最大输入光

d,-30dB。

图1　遵循IEC61850-9-1的合并单元[4]Fig.1　MergingunitfollowingIEC618502921

而定:可以是单一的脉冲信号,由图分析得知,下3(1);

(2)1后,向高压侧各路A/D发送同步信号2;

(3)同步信号1及同步信号2发生错误或异常时的相应处理。

2　设计器件的选取

由于合并单元需要并行连接多路A/D转换器,并对其实时发送同步信号,因此要求合并单元有较多的I/O端口和较强的实时处理任务的能力。

复杂可编程逻辑器件(CPLD)是20世纪80年代末Lattice公司提出了系统可编程(ISP)技术以后,于20世纪90年代初出现的。CPLD不仅具有功耗低、执行速度快、集成度高等特点,而且用甚高速集成电路硬件标准语言(VHDL)对其进行应用编程也非常方便,同时,CPLD还具有较多的可供用户自由设置的I/O口。芯片厂商提供了功能强大的集编译、仿真、布线、下载于一体的集成开发环境。程序设计完成之后,可以非常方便地进行波形时序的仿真测试,能够很快发现设计是否达到预定要求,找出设计中存在的问题。这些优点使得利用CPLD来实现合并单元的同步比较方便。

在本次设计中,选用了Xilinx公司的CoolRun2ner系列XCR3064XL芯片,它是一款由3.3V供电,含有64个宏单元的CPLD器件,内部4个功能块提供1500个可用门,5.5ns的pin-to-pin逻辑延时,系统频率可达192MHz。

图2　合并单元同步时钟输入波形Fig.2　Pulseshapeformergingunit

synchronousclockinput

3.2　同步信号1的产生

IEC60044-7/8标准中规定,同步信号1可由

[5-6]

GPS接收机输出的秒脉冲产生,也可由其他精确的母钟产生。在设计过程中,限于条件,使用的

是后一种方法通过对高精度时钟晶振进行分频变换,并充分考虑到同步信号1对波形参数的相关要

求,从而设计得到任意可调占空比的同步信号1。图3是同步信号1产生的原理。

图3　同步信号1产生的原理

Fig.3　Blockdiagramofmakingsynchronoussignal1

3　合并单元同步信号1的实现

3.1　同步信号1的要求

如图2所示,同步时钟输入信号(同步信号1)

图中,XCR3064XL芯片所接收的时钟晶振为

2.048MHz(488ns),因此必须将其进行2048000分频后才能得到周期为1s的频率信号。同时,同步信号1还要求脉冲宽度大于10μs,脉冲间隔大于500ms,所以高电平的脉冲宽度应该大于21个晶振时钟周期(10μs/488ns=20.5),小于1024590个晶振时钟周期(500ms/488ns=1024590.2)。

　　　　　 设计与开发 　刘　琨,等　

电子式互感器合并单元时间同步问题的解决方法产生的同步信号1通过IEEE802.3规定的100Base-FX或IEEE802.3规定的100Base-FL光纤传输系统(IEEE802.3规定的100Base-T双绞线介质仅用于试验,不可用于实际运行)输入到各个合并单元。

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备向高压侧数据采集器的各路A/D发送同步信号2。在理想情况下,合并单元应该按照采样间隔发送同步信号2,高压侧各数据采集器在准确收到同步信号2后才向各路A/D转换器发出采样命令,避免可能出现的干扰脉冲对同步采样的影响。但是由于自身误差的存在,不可能做到同步信号2完全等间隔发送,随着时间的推移,不同合并单元发2,此时。由s,1次,从而使得发送

[7]

同步信号2的误差变得很小。

为了使高压侧数据采集器能够正确识别并接收合并单元所发送的同步信号2,减少在传输过程中外界对同步信号2的干扰。同步信号2的格式采用数字序列,而不是单一的脉冲信号。依照IEC60044-7/8标准中的传输规则,同步信号2的内容设定为16位数字序列0564H,中间空闲时刻发送连续的“1”,发送的数据采用曼彻斯特码(Man2chesterCode)编码格式。

4　合并单元同步信号2的实现

4.1　同步信号1的识别

合并单元必须具有检测同步信号1正常与否的功能。IEC60044-7/8标准指出,合并单元正

[7]

确识别同步信号1,有2:110μs时,1输入异常。(2)脉冲

宽度大于10μs,脉冲间隔大于500ms。当测量到的脉冲宽小于10μs,或者测量到的脉冲间隔小于500ms时,则认为同步信号1输入异常。利用CPLD实现识别同步信号1的工作过程如下。

(1)进程1:初始状态计数器清零,输出为低电

平。检测同步信号1的上升沿是否到来,如果检测到上升沿,则进入到进程2,否则一直继续检测。

(2)进程2:计数器开始计数,测量同步信号1的脉冲宽度,当测得的脉冲宽度大于10μs,且脉冲间隔大于500ms时,进入到进程3,否则,发送同步信号1异常的信号,同时返回进程1。

(3)进程3:计数器清零,检测同步信号1的上升沿是否到来,如果检测到上升沿,则进入到进程4,如果在1s(误差为10μs)之后仍未检测到上升沿,则发送同步信号1异常的信号,同时返回进程1。

(4)进程4:计数器开始计数,1s(误差为10μs)之后再次检测到同步信号1的上升沿时,进入进程5,同时发送同步信号1正常信号,否则发送异常信

5　同步信号异常时的处理

合并单元在检测同步信号1的过程中,若发现丢失或异常,应立即通知二次设备及高压侧的数据采集器,令二次设备同时继续实时跟踪同步信号1,判断其是否恢复正常,采用线性插值算法来实现同步,尽管精度有所下降,但仍可正常工作;若发现已恢复正常,应及时发送恢复标志的信号。

在发送同步信号2的过程中,当高压侧数据采集器中的控制电路检测到同步信号2发生错误或者丢失时,应及时向低压侧的合并单元报警,并告知此次采样无效。合并单元将重新发送同步信号2,并等待接收下一轮的采样数据。

号,并返回进程1。

(5)进程5:测量脉冲宽度是否大于10μs,脉冲间隔是否大于500ms,脉冲周期是否为1s(误差为10μs),如果同时满足这三项条件,发送同步信号1是否正常,否则发送异常信号。

在上述工作进程中,前4个进程用来检测同步信号1的正确性,当检验通过后,每次只需检测一个秒脉冲,如进程5。

4.2　同步信号2的产生

6　仿真与分析

MAX+PLUSⅡ是Altera公司提供的CPLD开

发集成环境,利用MAX+PLUSⅡ软件可对所编写

的程序进行编译仿真。

6.1　产生同步信号1的仿真与分析

合并单元在准确接收到同步信号1后,开始准

由于所能仿真的时间长度有限,仅对2.048MHz时钟晶振进行100分频,得到占空比为23∶77的频率信号。仿真的波形如图4所示。

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)

据采集器数据时恢复出来的位同步时钟信号,原始

数据输入端data等间隔地发送数字序列0564H,在输出端mdi生成相应的曼彻斯特码,并通过光纤向各路A/D转换器传输。

图4　同步信号1的仿真波形

Fig.4　Simulationwaveformofthesynchronous

signal1

7　结束语

合并单元作为电子式电流/,。,A/D转换器之间,来减小采样的时间误差。,在研究设计合并单元的过程中,必须要充分考虑到同步问题。文章所提出的利用CPLD技术实现合并单元同步的方法,简单易行,运行可靠,将

(S)在实际工程中得到应用。

图4中的仿真波形很好地实现了设计意图。

如需调节同步信号1的占空比,则只需对程序中的计数变量进行相应的修改。、后,通过下载电缆写入,电运行,,。6.2　1的仿真与分析图5中,可以直观地看到对同步信号1的处理过程。合并单元在检测到同步信号1正常后,才在第3个脉冲上升沿到来时产生1个正常信号(输出端right的波形)。在此之后,每测量到1个秒脉冲,即产生1个正常信号。当测量的脉冲宽度不符要求时(图5中的第4个脉冲宽度),产生1个报警信号(输出端alarm的波形),告知合并单元同步信号1异常

。

参考文献:

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电机工程,2003,22(3):51-54.

[2]　IEC60044-7.[3]　IEC60044-8.

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tronicVoltageTransducers[S].2002.tronicCurrentTransducers[S].2002.

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temsinSubstations.Part9-1:SpecificCommunica2tionServiceMapping(SCSM)—Sampledanalogueval2uesoverserialunidirectionalmultidroppointtopointlink[S],2002.

图5　识别同步信号1的仿真波形

Fig.5　Simulationwaveformofidentifying

synchronoussignal1

[5]　李建,谢小荣,韩英铎.同步相量测量的若干关键问

题[J].电力系统自动化,2005,29(1):45-48.

[6]　江道灼,孙伟华,陈素素.电网相量实时同步测量的

一种新方法[J].电力系统自动化,2003,27(15):40

6.3　产生同步信号2的仿真与分析

-44.

[7]　殷志良,刘万顺,杨奇逊,等.一种遵循IEC61850标

同步信号2的仿真波形如图6所示

。

准的合并单元同步的实现新方法[J].电力系统自动化,2004,28(11):57-61.

刘　琨(1982-),男,湖南岳阳人,硕士研究生,主要研究方向为电力系统微机保护及变电站自动化。

周有庆(1944-),男,河北故城人,教授,从事电力系统微机保护及变电站自动化方面的研究。

张午阳(1979-),男,湖南邵阳人,硕士研究生,主要研究方向为电力系统稳定分析和电力市场。

吴桂清(1967-),男,湖南常德人,副教授,从事电力系统微机保护及变电站自动化方面的研究。

图6　同步信号2的仿真波形

Fig.6　Simulationwaveformofthesynchronous

signal2

时钟输入端clk是合并单元在接收高压侧数

　　　　　 设计与开发 　刘　琨,等　电子式互感器合并单元时间同步问题的解决方法 75

Methodforsolvingthesynchronizationofmergingunitinelectronictransducer

LIUKun,ZHOUYou2qing,ZHANGWu2yang,WUGui2qing

(ElectricalandInformationEngineeringCollege,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Abstract:Themergingunit,theimportantinterfacebetweentheelectronictransducerandsecondaryprotectionandmeasurementde2vice,isintroducedanditsmainfunctionisalsodiscussed.Throughanalyzingthesynchronizationproblemwhichexistsinthemer2gingunit,thispaperexpatiatesonthedemandofthesynchronizationaccordingtheinternationalstandards,thenproposesanewmethodforsolvingthisproblemusingcomplexprogrammablelogicdevice(CPLD).CPLDhavetheadvantagesofhighrunningspeedandmanyI/biningtheinsideprogramcodedbyveryhighspeedintegratedcircuitharddescriptionlanguage(VHDL),thismethodcanquicklyrealizethesynchronizationofthemergingunit.ithandthepracticaltest,itprovesthatthemethodisfeasibleandhasgoodappliedKeywords:electroniccurrent/voltagetransducer;merginglsynchronization;manchestercode

(上接第70页techniqueinthelowvoltageautomationmanagementsystem

ZHANGWen2jian,WUXiang2xiong,LIUShang2kun

(NorthChinaElectronicPowerUniversity,Baoding071003,China)

Abstract:Alow2voltageautomationadministrationsystembasedonthemodeofbrowser/server,,asdevelopmentkitandOracle8.1.7asdatabase,paredwiththemodewhichtraditionallyusedonePCplussmall2scaledatabasetoorganizealow2voltageautomationadministrationsystem,itisnotonlytorealizethenetworkadmin2istrativesysteminpowersupplyenterprise,butalsotoenlargetherangeofbusinessmanagement,itpromotesthehandlingcapacityofbusinessdata.Therealisticsignificance,developinginstruments,keytechnology,structuremodulesandthefunctionsofeachmodulearesystematicallyintroducedinthispaperindetail.

Keywords:/;ORACLE;B/Smode;lowvoltageautomation

中国电机工程学会电力通信专业委员会第六届学术会议征文通知

中国电机工程学会电力通信专业委员会拟于2006年三季度召开第六届学术会议。现开始向各有关单位及从事电力通信管理、规划、设计、研究、建设、运行、教学等工作的专业技术人员征集论文;同时,热忱欢迎国内外通信行业的广大同仁积极撰文投稿。现将征文有关事项通知如下:

一、会议主题:电力通信的可持续发展二、征文范围

1.现代电力通信发展方向、技术体制的研究;2.电力通信网络管理、资源管理、安全管理、运维管理体系的研究;

3.特高压电网通信关键技术研究与应用;

4.光通信系统超长站距无中继传输技术及中继站典型设计的研究;

5.继电保护等关键业务系统与通信网接口方式及相关技术;

6.电力线载波新技术及其应用(高、中、低压载波系统);

7.电力通信新技术及新业务(以软交换和IMS为核心的NGN、IP、多媒体通信、智能光网络等技术的应用和探讨);

8.宽带接入技术在电力通信中的应用;

9.多业务融合及数据整合技术的研究与应用;

10.通信电源系统设计、维护技术;11.电力特种光缆设计、施工、维护及抢修技术;12.其他(数据网、同步网、城域网、广域网、电视电话会议网、通信管理信息系统、视频监控系统、建设与运行管理等)。

三、论文要求

1.论文语句流畅,文字简练,图表清晰,全文(包括图表及其说明)一般不超过5000字。论文包括:中英文标题、摘要、关键词、作者姓名、工作单位、邮政编码;同时随文注明作者简介(作者出生年月、籍贯、从事工作等)、作者联系电话、E-

mail等。

2.论文未在其他全国性学术会议或公开发行刊物上发表。3.论文请用Word排版,并通过E-mail发至dltxzwh@。来稿封面请注明“学会征文”字样。

4.征文截止日期:2006年6月30日四、联系方式

单位:中国电机工程学会电力通信专业委员会

国电通信中心《电力系统通信》杂志社地址:[100761]北京市宣武区白广路二条1号电话:010-63415469(邮电)、918125469(电力)传真:010-63415369(邮电)、918125369(电力)联系人:李锐

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