电子互感器合并单元研究

乔　峥

（黄冈师范学院，湖北 黄冈 438000）

电子互感器合并单元研究

乔峥

（黄冈师范学院，湖北 黄冈 438000）

随着数字化变电站的广泛应用，电子式互感器的使用将成为趋势，文章研究的合并单元就是连接电子互感器与二次设备的装置，并介绍了电子互感器合并单元的设计标准和实现方法，它对简化二次设备，提高系统的准确度和可靠性具有重要的意义。

IEC61850；标准电子互感器；合并单元

1　电子式互感器合并单元的研究背景及其意义

随着计算机技术、微处理器技术和通信技术的快速发展，电力系统在综合自动化的道路上越走越快，各种数字化和智能化的一次二次设备层出不穷。电子式互感器生产成本低、抗干扰能力强、绝缘性能高、重量轻、体积小，并且和传统的电磁式互感器相比，不存在磁饱和与铁磁谐振的问题，比传统的电磁式互感器有较多的优点。因此，经过50多年的不断探索和发展，电子式电压互感器（Electronic Voltage Transformer，EVT）和电子式电流互感器（Electronic Current Transformer，ECT）以其绝对的优势在数字化变电站技术中使用越来越普遍。

电子式互感器的通信数据和采样值都是数字量，将模拟信号数字化，这是对传统的电磁式互感器的通信数据和采样值都是模拟电信号的质的改变。但是，如何让二次设备能够在同一时间接收到来自不同电子互感器的采样值呢？合并单元应运而生，为了进一步推动电子式互感器的发展，国际电工委员会给出了一个全新的物理设备定义—合并单元（Merging Unit，MU），合并单元的功能就是将从不同的电子互感器采集到的离散的数字信号同步整合成一个有序数据帧后发送给相应的二次设备，是一次设备和二次设备之间数字化信息传输的枢纽。合并单元在同一时刻实时接收电子互感器输出的数字采样值，然后对采样值进行实时验证和数据处理合并，最后通过光纤进行处理后的数据信息的传输，送至变电站间隔层，传输速率快，抗干扰能力强；由于采用了点对点或者点对多点的通信模式，合并单元它和二次设备的接线变得简单，大幅降低了安装成本，实现了数据共享。

2　电子式互感器合并单元设计标准

IEC61850标准是国际电工委员会制订的电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。通过这一标准，使智能变电站的工程运作标准化，每一步的工程实施都变得规范、统一和透明。按照此标准建立的所有的智能变电站工程都可以通过系统配置文件了解整个变电站的结构和布局，对于智能化变电站发展具有重要的历史意义，并且该标准不但统一规范了变电站内整个系统的具体要求，还对数字变电站内智能电子设备彼此之间的通信行为进行了规范，对数字化变电站的建设发展具有重要意义，该标准具体组成如图1所示。

图1 IEC61850标准结构

IEC61850与传统的变电站通信协议相比较，具有以下3个明显的优势。

（1）互操作性。互操作性在 IEC61850 中被表述为“来自同一厂家或不同厂家的智能装置（Intelligent Electronic Device， IED）之间交换信息和正确使用信息协同操作的能力”。信息的正确使用需要信息语义的支持，取决于相互之间对信息的理解，它需要共享过程数据并对通信实体进行规范。IEC61850-9标准的引入，按照标准内协议规定的数据帧格式进行组帧传送，使得合并单元具备了互操作性和互换性，降低了数据传输的误码率和丢包率。

（2）功能自由分布。在 IEC61850协议中，对互操作的描述中常常有功能自由分布，在一定程度共享过程数据的基础上，跨越自动化装置边界的自动化功能或者子功能之间的协调配合是变电站自动化未来的发展趋势，虽然在IEC61850协议没有明确对此进行定义，但是对功能自由分布的支持是IEC61850针对自动化逻辑适应的重要体现。

（3）长期稳定性和可扩充性。IEC61850标准，抽象定义了通信服务，并且通过SCSM对具体的通信协议栈的应用进行了详细的规范，充分适应通信技术发展和变化的趋势和方向，这也是IEC61850标准优于传统通信协议的主要特点之一。并且，IEC61850标准面向变电站自动化的所有应用，全面支持信息扩充，具有广泛的适用性。

国际电工委员会在IEC60044-7/8协议标准中，提出了合并单元的概念。IEC61850-9在原有IEC60044-8的基础上深化了合并单元的概念，数据传输方式采用以太网传输模式，数据帧技术方面加入了状态量数据集，将合并单元作为IEC61850体系中的一个逻辑设备。IEC61850-9-2定义了两种通信方式，一种是目前使用比较多，占市场主流的方式，类似于IEC61850-9-1协议标准，直接映射到链路层，只要数据集的格式符合要求，可以根据实际的需求对数据集进行自由的增减，并且数据集不需要采用固定的格式，可是，这种通信方式不具备互操作性，在发展过程中，必将慢慢向 IEC61850-9-2标准迈进；另一种方式则具有真正意义上的互操作性，这种方式通过TCP/IP协议，并映射到MMS上，此方式引入了复杂的网络通信协议，实现了数据传送的实时性，但是对硬件平台有较高的要求，真正具备互操作性，实现了资源的最大化融合，目前在国内提出的方案中使用最多的是IEC61850-9-1，由于实现难度较低，对硬件性能的要求也相对较低，但是因为不具备互操作性，功能上存在局限性，未来趋势的发展是向IEC61850-9-2协议标准过渡。

3　电子式互感器合并单元设计方案

合并单元的设计方案总体上可分为3个单元进行设计，分别是数据接收模块单元、数据处理模块单元和数据传输模块单元，采用的技术基本为现场可编逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片技术、数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片技术和微处理器（Advanced RISC Machines，ARM）技术，实现方案主要有以下几种。

（1）采用FPGA芯片技术和DSP芯片技术相结合的实现方案。FPGA芯片具有高速的同步时序并行处理能力，可以用来构建数据接收模块，DSP 芯片具有强大的数据运算能力，可以用来构建数据处理模块，两者的优点相结合同时外挂Ethernet芯片用来实现数据帧的发送，这个方案结合了FPGA芯片和DSP芯片的优点，芯片功能明确，资源利用得到了最优发挥，目前，国内外的实用性产品中普遍采用这种技术配置，但是这种方案没有可以对全部的系统资源进行分配、调用和控制的操作系统，并且方案中一般采用IEC61850-9-1标准，直接映射到链路层，如果想用此方案来实现IEC61850-9-2 标准中提到的基于TCP/IP协议并映射到串流媒体服务器（Microsoft Media Server，MMS）的方式，具有较大的实现难度。因此，这种方案适用于要求从链路层映射的通信协议，并且不需要操作系统的情况。

（2）采用FPGA芯片和ARM微处理器相结合的实现方案。和上一个方案相比，此方案用ARM微处理器代替 DSP芯片，可以嵌入4µC/OS-II 或者其他更高级的操作系统，与FPGA芯片和DSP芯片相结合的方案相比具有明显的优点，但也存在一些问题，一是这种方案的处理速度比不上DSP芯片，二是ARM微处理器的选择问题。要想获得较好的性能，比如采用ARM11处理器嵌入Windows CE操作系统，就会大大提高开发成本，但是采用低端的ARM嵌入µC/OSII，又存在实时性不足的问题。

（3）单独采用FPGA芯片的实现方案。FPGA芯片开发周期短，开发费用低，具有丰富的I/O引脚，工作可靠性高，用户可以定制专门用途，采用FPGA芯片技术全硬件实现方案，可以充分利用FPGA芯片技术的各种优点，特别是FPGA芯片并行处理高效快速，这是一个非常大的优势。

电子互感器合并单元在数字化变电站中的使用具有非常重要的意义，是一次设备和二次设备之间进行信息传输的枢纽，在设备的成本和维护成本上都比传统的互感器具有更大的优势，它的应用使数字化变电站过程层数据数字化和共享化成为现实，对它的研究工作具有重要的意义。

［1］谢秋金.电子式互感器合并单元设计［D］.保定：华北电力大学，2012.

［2］李玲，王亚庆，陈新华.数字化变电站合并单元软件设计与实现［D］.成都：西南交通大学，2013.

［3］胡国，唐成虹，徐子安，等. 数字化变电站新型合并单元的研制［J］. 电力系统自动化，2010（24）：51-54.

Research on merging unit of electronic transducer

Qiao Zheng
（Huanggang Normal University， Huanggang 438000， China）

With the wide application of digital substation， the use of electronic transformer will become a trend. The merging unit researched in this paper is an equipment which connects electronic transformer with secondary equipment， and this article describes the design standards and realization methods of merging unit of electronic transformer， which has important significance to simplify the secondary equipment and improve the accuracy and reliability of the system.

IEC61850； standard electronic transformer； merging unit

乔峥（1984— ），女，河南镇平。