基于MPC8377的主变低压侧隔离开关合并单元设计

基于MPC8377的主变低压侧隔离

开关合并单元设计

朱建斌，周水斌，赵应兵，闫志辉(许继电气股份有限公司，河南许昌461000)

摘

要：在智能变电站的建设中，根据主变低压侧对合并单元和智能终端的需求，

朱建斌（1983—），男，工程师，主要从事智能变电站过程的研究。

研制出主变低压侧隔离开关合并单元。该合并单元可完成常规互感器电压电流信号SV点对点上送、的采集、电子式互感器信号的采集、与智能开关操动机构箱通信、一个间隔内对隔离开关的操作控制和监视；通过组网和点对点发布SV数据；通过过程层网驱动智能控制器来完成控制功能，且具有防误操作功能。给出了络接收GOOSE指令，

详细的软硬件设计，最终通过标准仪器的验证，完全满足智能化变电站基于IEC61850的通信要求、精度要求和EMC要求。

关键词：隔离开关；合并单元；MPC8377；智能变电站；GOOSE；SV中图分类号：TM564．1

文献标志码：B

5531（2013）21-0031-05文章编号：1001-

DesignofIsolatingSwitchMergingUnitBasedonMPC8377in

LowVoltageSideofMainTransformer

ZHUJianbin，ZHOUShuibin，ZHAOYingbing，YANZhihui

（XJElectricCo．，Ltd．，Xuchang461000，China）

Abstract：Themaintransformerlowvoltagesideisolatingswitchmergeunitwasdevelopedtomeetthedemandingofmergingunitandintelligentterminalintheconstructionofintelligentsubstation．Functionsincludecapturingtheconventionaltransformer’ssignalsandtheelectronictransformer’ssignals，sendingthepointtopointcommunicatingwiththeintelligentbreaker’soperatingmechanismbox，completinganintervalcontroltoSV，

monitoringoftheoperationofisolatingswitch，distributingthedataofSVbymeansofthenetworkandthepointandpoint，receivingorderoftheGOOSEbythelayernetworktodriveintelligentcontrollertocompletethecontrolfunctions，andowningtheanti-misoperationfunction．Thehardwareandsoftwaredesignsweredetailed．Thedesignpassedtheverificationonstandardinstrument，fullymeetsthecommunication，precisionandEMCrequirementsofintelligentsubstationbasedonIEC61850．

Keywords：isolatingswitch；mergingunit；MPC8377；intelligentsubstation；GOOSE；SV

0引言

施避免事故的发生。

在主变低压侧扩展内桥接线中，使用合并单元和智能终端两种产品可以完成实时数据采集和

刀闸控制，但两种产品成本高、体积大，不利于智能变电站的集约化发展。将两种产品集成为一个产品，成本低、功耗小，有利于智能变电站的可持续发展。嵌入式系统以其运算速度快、体积小、功

［5］

耗低等优势已经成为近年来研究热点。主变

合并单元是智能变电站的主要特征，也是过

［1-4］

。随着电网自动化程度程层的核心产品之一

的越来越高和无人值班站的广泛推行，对合并单

元的安全运行要求也越来越高。只有充分了解合并单元在运行中上送的实时数据信息和开关位置信息，才能分析出各种故障现象，进而采取有效措

周水斌（1975—），男，高级工程师，主要从事智能变电站过程的研究。赵应兵（1976—），男，高级工程师，主要从事智能变电站过程的研究。

—31—

低压电器（2013No．21）·智能电器·

低压侧隔离开关合并单元是基于PowerPC芯片进行设计研制的。

1隔离开关合并单元功能介绍

隔离开关合并单元是为适应智能变电站的迅速发展而设计的，具有合并单元的功能，也具有智能终端的功能。隔离开关合并单元可完成对常规互感器或电子式互感器的电流电压信号采集，将二次值转换成一次值以IEC61850－9－2《变电站通信网络和系统特定通信服务映射》协议点对点上送给保护、测控等间隔层装置；也可通过过程层网络或者开入节点完成一个间隔内开关的控制和状态监视。其支持110kV及其以下电压等级的互感器信号的采集和本间隔内的开关控制功能。

隔离开关合并单元支持过程层网络通信，在智能变电站中起到承上启下通信功能。可完成一

支持GOOSE个间隔内开关位置信息的在线监视，

SMV通信等，通信、并能够就地把隔离开关的运行

［1-4］

。完全满足智能变电站通信要求信息上送后台，

半双工模式，满足智能变电站的组网的要双工、

NAND求；支持32位的本地总线，支持NOＲ、

2

Flash启动，具有双IC控制器和一个通用的GPIO接口，是完成驱动点灯、控制点对点发送、控制隔离开关硬件回路的通信的主要途径，实现隔离开关控制等多种产品功能。

图1处理器架构图

3．2

2隔离开关合并单元的工程应用

隔离开关合并单元主要应用于主变低压侧扩展内桥接线，与变压器本体智能终端配合使用。其对套管电流等模拟量进行采集，以IEC61850－9－2协议点对点的方式发送到保护、测控、母差等间隔层装置；同时采集快速接地开关、隔离开关、检修接地开关等隔离开关的的位置信息，上送到过程层网络，可通过GOOSE控制隔离开关的分合，并将开关的位置信息上送后台，便于后台的全站监控操作。

3

3．1

硬件平台设计

处理器架构

MPC8377E处理器架构如图1所示，采用高

TM

精度集成的PowerQUICC处理器，每个处理器集

PCI、PCI－e、SATA控制器，成了一个e300内核、

USB2．0，同时提供双千兆以太网控制器、高速互

连和高级电源管理技术独特地组合在一起；提供32位的双倍数据速率（DDＲ2）存储器控制器、16位局部数据总线和4个直接存储器访问（DMA）通道；MPC8377E的LAN接口模式兼容ＲGMII/ＲTBI/MII/ＲMII4种模式，可以选择多种PHY芯

100Mb/s、1000Mb/s全片，该端口支持10Mb/s、—32—

硬件结构设计

根据隔离开关合并单元的功能，硬件结构设计如图2所示，以支持强大通信能力的MPC8377E为核心处理器，为达到合并单元对实时性较高的要求，特采用Spartan3E系列芯片。考虑到CPU要对大量采集器数据进行重采样处理，特扩展程序存储器和Flash来存储程序和数据。采用3个DM9000实现调试口和点对点以太

2个调试口用于隔离开关合并单网数据的通信，

1个以太网口实现SV数据点对点发元的调试，

送。MPC8377E的片内口通过2个DP83640芯片

同时具备GOOSE双网和SV实现1588对时功能，

2

双网功能的硬件架构。扩展的IC的接口用于温

扩展的I/O口可以将湿度数据上送和点灯功能，

对时通过FPGA和CPU进行无缝总线连接，扩展的FPGA的I/O通过串口的通信协议采集模拟

开关量，并实现控制开关操动机构箱完成对隔量、

离开关的控制。

4

4．1

软件设计

软件设计框架

隔离开关合并单元软件的设计分为五大部

CPU－FPGA高速接分，即嵌入式软件平台设计、

口设计、采集FPGA程序（用于常规信号的采集）设计、扩展FPGA程序（用于开关量状态和控制继

·智能电器·低压电器（2013No．21）

图2隔离开关合并单元硬件设计结构图

电器出口的信号的采集）设计、应用程序设计，各模块之间的关联框架如图3所示。软件平台主要GOOSE和SV双实现底层驱动、重采样算法处理、

1588对时功能，网功能、还包括与CPU－FPGA的接口定义等；CPU－FPGA程序模块主要实现模拟量采集数据和开关量状态及驱动开关命令的中转

SV点对点发送、B码和PPS对时功能处理；处理、

采集FPGA程序主要实现对常规互感器信号的采集上送；扩展FPGA程序实现与CPU进行交互，主要实现开关量信号的采集及其驱动开关控制；应用程序主要处理GOOSE的收发及其测控数据的处理、电压切换逻辑的实现等。

图3软件设计框架

4．2FPGA程序设计

FPGA程序主要包括CPU－FPGA程序、采集

FPGA程序均采用异步串口通信方式，校验方式CＲC校验［6］，均采用奇校验、和校验、不同的是采集FPGA程序要求实时性高、数据量大，特采用串而扩展FPGA程口通信速率的波特率为4Mb/s，

序的串口通信速率为2Mb/s。该产品的通信协CPU－FPGA接收到串口数议采用企业私有协议，

据后，校验错误，丢弃，等待下一帧报文，校验正

—33—

FPGA程序和扩展FPGA程序，3套程序的配合关

系如图3所示。CPU－FPGA程序主要实现高速接口功能，设计实现主要包括CPU接口模块、串口接收模块、串口发送模块。CPU－FPGA实现的程序框架如图4所示。采集FPGA程序和扩展

低压电器（2013No．21）·智能电器·

确，则将数据填入到相应的FIFO中，同时产生一个中断信号；串口发送模块首先等待缓冲区标志，

CＲC码、接收CPU发送的数据，添加和码、报头、

结束位等。CPU接口模块根据串口的中断读入对应串口数字量、模拟量缓冲区数据，并根据CPU需要写入总线。4．3应用软件设计

基于MPC8377E硬件平台，采用嵌入式平台提供函数表与应用程序接口，针对应用程序设计

完成与软件采用FreescaleCodeWarrior开发环境，

平台的无缝对接。应用程序的功能模块函数调用及其工作机制流程图如图5所示。

图4CPU－FPGA程序设计结构图

图5应用程序设计流程图

5测试结果及改进分析

如表1所示。由表1可见，数据满足精度要求。

表1

测量点0．05In

通道测量IA测量IB测量IC测量IA

0．2In

测量IB测量IC测量IA

1．0In

测量IB测量IC测量IA

1．2In

测量IB测量IC

精度测试结果幅值误差/%

0．1670．1490．1920．1900．2030．2120．0520．0510．0510．0590．0580．053

相位误差0°0'0″0°2'11″0°4'18″0°0'0″0°0'42″0°2'36″0°0'0″0°0'7″0°0'7″0°0'0″0°0'11″0°0'16″

为验证所设计产品的可靠性和功能性，搭建

测试环境如图6所示。

图6产品测试环境

模拟量采集精度测量电流和电压均满足0．2［7－8］

，B、C三相电流为例，级以测量A、具体数据—34—

用了自主研发的DＲT继电保护测试仪，测试

GOOSE开入驱动硬出口的动作时间均满足动作

·智能电器·低压电器（2013No．21）

延时≤10ms（包括继电器的动作时间），任抽取3组开关测试10次，结果如表2所示。

表2

次数123～10平均

分

开关16．016．05…6．00

合开关16．175．94…6．06

开关动作时间分开关36．366．36…6．44

合开关36．346．08…6．16

ms

开关1逻辑闭锁4．214．01…4．10

经过全面测试，装置的安全检验、通信规约检EMC检验均符合要求。总之，验、该产品均达到了原有方案隔离开关合并单元设计效果。

6结语

基于MPC8377的隔离开关合并单元采用数据处理能力和硬件资源丰富的智能芯片，频率高，处理数据快，可以用于主变低压侧扩展内桥接线，实现对一个间隔内所有电流电压信号的采集、开关量信号采集、开关位置的上送、隔离开关出口逻辑控制，完全满足智能变电站IEC61850规约，并成本低、功耗低等特点。且具有体积小、

该产品是新生的智能变电站过程层的使用设备，伴随着智能变电站迅速发展，隔离开关合并单元的成功研制对智能变电站的发展带来一定的积极影响。

【参考文献】

［1］DL/T8606—2008［2］Q/GDW383—2009［3］Q/GDW428—2010

S］．范［

［4］Q/GDW426—2010

S］．变电站通信网络和系统［S］．智能变电站技术导则［智能变电站智能终端技术规智能变电站合并单元技术规

经过严酷的EMC试验，该产品保护电流满足

5P30［8］，测量精度满足0．2级精度要求，具体EMC精度以测量B相为例如表3所示，EMC测试结果如表4所示。

表3

测量点0．05In0．2In1．0In1．2In

表4

检验项目震荡波静电射频磁场快速瞬变浪涌工频磁场阻尼振荡脉冲磁场

EMC精度

相位误差0°2'15″0°0'45″0°0'7″0°0'11″

幅值误差/%

0．1690．2040．0510．058

电磁兼容测试报告检验标准GB/T17626．12—1998GB/T17626．2—2006GB/T17626．3—2006GB/T17626．4—2008GB/T17626．5—2008GB/T17626．8—2006GB/T17626．10—1998GB/T17626．9—1998

等级ⅢⅣⅢⅣⅣⅤⅤⅤ

结论合格合格合格合格合格合格合格合格

S］．范［

［5］白申义，李刚，周水斌．基于PowerPC的隔离开关智

J］．低压电器，2012（22）：11-14．能终端设计［

［6］牟涛，周丽娟，周水斌，等．高精度电子式电流互感

J］．电力系统保护与控制，2011，器采集器的设计［39（20）：141-144．［7］GB/T20840．7—2007

S］．压互感器［

［8］GB/T20840．8—2007

S］．流互感器［

06-09收稿日期:2013-互感器第8部分：电子式电互感器第7部分：电子式电

檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿(上接第26页)

［8］BAＲＲAGANLA，MONTEＲDEF，NAVAＲＲOD，et

al．Asymmetricalvoltage-cancellationcontrolforfull-bridge461-469．

［9］BAＲＲAGANLA，BUＲDIOJM，AＲTIGASJI，etal．

EfficiencyOptimizationinZVSSeriesＲesonantInvertersWithAsymmetricalVoltage-Cancellation

series

resonant

inverters［J］．

IEEE

TransactionsonPowerElectronics，2004，19（2）：

Control［J］．IEEETransactionsonPowerElectronics，2005，20（5）：1036-1044．

［10］CHUDJUAＲIEENS，SANGSWANGA，KOOMPAIC．

LLCresonantinverterforinductionheatingwithasymmetricalvoltage-cancellationcontrolCircuitsandSystems［C］∥2009．ISCAS2009．IEEEInternationalSymposiumonPublicationYear：2009：2874–2877．

04-10收稿日期:2013-

—35—