一种带光纤数字接口的继电保护装置的研究
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摘要：简单介绍了一种带光纤数字接口的继电保护装置，它通过光纤以太网按照IEC61850－9－1的通讯协议，接收由前端光纤电力互感器传送过来的数字量采样值。该装置采用了双CPU结构，其中主保护CPU采用了带以太网接口的32位RISC微处理器MCF5272，它负责完成接收采样值及保护计算的任务。从CPU采用了80C196KC，主要负责人机接口和通讯功能。两个CPU之间通过双口RAM来交换数据。
1 引言
随着光电传感技术、光纤通讯技术快速发展，采用光电式互感器(光纤电流互感器、光纤电压互感器)代替传统的电磁式电力互感器、光纤数字通讯技术代替普通金属电缆二次模拟电量传输方式技术已经成熟。与传统的电流互感器、电压互感器相比，光纤电流互感器、光纤电压互感器具有电气绝缘性能好、占地少、造价低、动态范围大、不易饱和的优点；而采用数字化光纤通讯技术，取代传统金属电缆进行信息传送，可大幅提高数据传输量，通讯也更可靠、快速。以上这些，为光纤数字化继电保护装置逐步代替传统模拟量输入的继电保护装置创造了良好的条件。
2 中试控股电力讲解继电保护装置与光纤电力互感器的接口
对带光纤接口的保护装置来说，它的采样值输入设备为装置外部的数字式输出的电子式光纤电力互感器。如图1所示，各个光纤电力互感器将数字式采样值数据经由一次转换器转换成合适在传输系统中传输的信号，并通过传输系统将这些信号传输至二次部分，二次部分中的二次转换器接收这些信号后，将其转换为测量仪器、控制装置等设备所用到的信号形式，并将其传送至信息合并单元。信息合并单元将各路二次转换器传送进来的数据进行汇总后作同步处理，再将这些数据打包校验，发送出去。保护装置最后通过光纤接口接收前端信息合并单元传送过来的数字式电量采样值。
继电保护装置作为变电站自动化系统的一部分，与系统中的其它智能电子装置存在着高效通讯的要求。目前为止，由许多制造厂开发的特定的专用通讯规约已经得到应用，但是当采用不同制造厂的智能电子装置时要求复杂的、高费用的规约转换。而工业的经验已经表明了这种需要，允许不同制造厂的装置具有互操作性，互操作性是指能够工作在同一个网络上或者通讯通路上共享信息和命令的能力。这里还有智能电子设备的互换性，它是指一个制造厂的装置可以用另一个制造厂的装置代替而不造成改变系统中其他元件。互操作性是电力公司、设备制造厂和标准化组织的共同目标。而变电站自动化通讯标准IEC61850的目的就在于解决智能电子设备之间这种高效通信的要求。
IEC61850中的第九部分详细地定义了间隔层和过程层之间特定通讯服务的映射。这个部分详细说明了一个串行单向多支路点对点连接的映射。它在变电站中主要应用于电流电压传感器与间隔层设备(如保护装置、测量仪器等控制设备)之间的连接。
按照IEC61850－9中的建议，光纤数字化保护装置与前端的信息合并单元采用IEEE802．3以太网协议传输采样值数据，其传输媒介为多膜光纤。中试控股电力讲解在这里保护装置只是通过光纤接口单向接收采样数据，因此在光纤通道上不会出现信道冲突的问题，有力地保证了传输数据的可靠性。数据应用层的标示格式采用与IEC61850－9－1相一致的格式，它允许测量值超过正常值的10000倍而不会发生溢出。
3 带以太网接口的微处理器
微处理器(CPU)是继电保护装置的心脏。它的功能强大与否将直接影响到整个继保装置的总体性能。
目前，32位的微处理器已经作为主流产品渗透到各行各业，而且随着价格的不断下降，与8位、16位微处理器已经相差不大，而性价比更高。由于保护装置与前端信息合并单元是采用光纤以太网连接，为了增强系统的可靠性，本套保护装置的微处理器采用了集成以太网控制芯片、计算速度更高的32位RISC微处理器。这样也可以简化装置硬件结构，大大缩短设计时间，方便产品调试。
MCF5272微处理器是摩托罗拉公司迄今为止推出的最高集成度的ColdFire微处理器之一。凭借附加的10/100M以太网控制器和一个USB模块，MCF5272集成通信微处理器将ColdFire系列的集成水平提升至更高。MCF5272扩展的外围设备组加之诱人的价格使这款高集成的ColdFire微处理器成为一款适用于各类嵌入式应用的优秀设备，特别在开发不同功能的低端网络产品中得到了广泛应用。
MCF5272微处理器具有以下优点：
● 第二代ColdFire V2核心：具有片内32位地址、数据总线，66MHz内核总线频率，16个通用32位数据地址寄存器，乘法及累计单元(MAC)和硬件整数除法单元。
● 片内存储器：具有4KSRAM、16KROM、1K指令高速缓冲存储器。
● 2个UART：具有增强型接收、发送缓冲器，各有24个字节的FIFO。
● 以太网模块：集成了合乎IEEE802．3 10/100M的快速以太网控制器(MAC)，有专用DMA通道，无需CPU干预能自动完成以太网收发功能。
● USB模块：符合USB1．1标准，可操作内外收发器的设备控制器。
● 扩展外围存储器接口：可外接8位、16位、32位的SRAM、ROM。SDRAM控制器可支持16M～256M的容量。
● 时钟模块：4个16位的计数器。
● 采用了IEEE1149．1边界扫描接口(JTAG)，方便调试。
MCF5272集成了功能强大的快速以太网存取控制器(MAC)，支持三种不同的网络物理接口(100Mbps MⅡ，10Mbps MⅡ和10Mbps7线)，可以适应不同的接口需求。在大于50MHz的时钟频率下，半双工传输速度可达到100Mbps。
中试控股电力讲解MAC总共有448个字节的FIFO缓冲区，这些缓冲区并不固定地分配为接收缓冲区或是发送缓冲区，而是通过芯片配置可以在这两者之间自由地分配。由于本套继电保护装置的光纤接口只是单向接收数据，并不发送。我们可以在448个字节范围内根据自己的需要配置接收缓冲区的大小。这样就能够大幅提高CPU总线延迟时间的允许范围，减轻CPU处理传输数据的负担。
MCF5272为32位RISC微处理器，RISC的关键技术在于流水线操作，即在一个时钟周期里完成多条指令，在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下，RISC系统的运行速度将是CISC系统的2～4倍。MCF5272在66MHz下典型操作速度为63MIPS(MIPS：每秒一百万条指令)，而且MCF5272的V2内核还集成了乘法及累计单元，可在一个单指令周期内完成16×16位的乘法指令，这样高的计算速度可以大大地缩短保护计算的时间，提高继保装置的保护性能。
总之，以其强大的以太网接口，超高速的计算能力，低廉的价格成为本套继保装置理想的微处理器。
4 继电保护装置硬件框图
如图2所示，带光纤数字接口的继电保护装置由以下几部分组成：光收发合一模块单元，开关量输入单元，中央处理单元，出口继电器单元，人机接口(键盘及显示)，串行通讯单元。
4．1 光接收模块
对于光纤数字化继保装置来说，由光纤接口传送进来的采样值，都是滤去了高次谐波的数字量采样值，传统继电保护装置中的模拟输入模块、模拟低通滤波模块、采样及A/D转换模块所要完成的功能在这里都已经由装置外部的智能电子设备完成。因此在本套继电保护装置中已经将这些模块去掉了，取而代之的是一个光收发合一模块，它结构小巧，负责光电转换的工作，将前端信息合并单元传送过来的光信号采样值转换为电信号采样值，并将这些采样值送至以太网接口交由来处理判断。
4．2 开关量输入单元
用于检测外部开关状态量，为了抗干扰，各路外部输入均装有光电隔离，使得外部开关量与CPU之间没有直接电的联系，增强了系统可靠性。
4．3 中央处理单元
中央处理单元是整个继保装置的核心，它主要负责对数字信号的处理、判断并发出相应的指令。这一单元总共有两块CPU，它负责接收采样值和保护计算等功能，从CPU采用80C196KC，它负责人机接口，实时通讯等功能。两个CPU之间通过双口RAM来实现数据交换。
4．4 出口继电器单元
包括了所有出口继电器和信号继电器，每个继电器均通过光电隔离和功率放大来驱动，这一单元的主要功能是跳闸、合闸，为保护装置的出口执行部分。
4．5 人机接口
这部分包括键盘、液晶显示屏(LCD)和信号指示灯等部分，它在空间上占有很大的面积，但所包含的元器件很少，主要是用作操作者与装置之间交互信息。
4．6 串行通讯接口
采用RS485/RS422通讯接口，直接与通讯管理机连接。
从以上部分我们可以看到，光纤数字化继电保护装置与传统的继电保护装置在硬件结构上大体相同，但是由于采样方式上的差异，也带来了一些不同之处。
传统的继保装置的采样模块是内嵌在装置内部，微处理器一般是设置一个时钟中断来定时进行A/D采样，其采样过程是一个“主动”的过程，继保装置可以根据自己的需要完全掌握采样的时间间隔，也可以根据AD采样芯片的配置来设置采样值的数据格式。而带光纤接口的继电保护装置的采样过程是由外部电子设备来完成，采样值数据按照一定的传输协议由光纤接口传送过来，继保装置只是“被动”地接收。当然这也使得装置的结构变得更加简单，轻巧。更为重要的是，保护装置获取采样值的时间将大大缩短，从而留给CPU更多的时间进行保护计算等实时任务，大大提高了装置的实时性。
5 保护装置的软件流程
随着微机保护技术的发展，微机保护装置功能的不断加强，多任务机制已经成为微机保护程序结构中典型的特征。如何使得这些子任务之间能够协调运行，成为继电保护装置软件设计中追求的目标。为了实现这个目标，适当的硬件冗余是必需的。
我们在装置中采用了双CPU结构，为了保证继保要求中的快速性，把实时性较强的接收采样值和保护计算、判断出口功能由MCF5272来实现。本套保护装置目前是应用于110kV高压输电线路保护上，配置了完整的三段相间和接地距离保护、四段零序方向过流保护和低周减载保护。由于MCF5272具有超高速的运算能力，在每周波24点采样率的前提下，可以在以太网接收一个完整采样值数据帧的间隔时间内完成全部的保护计算工作，而且，MCF5272还有足够大小的以太网接收缓冲区，允许有一定的总线延迟时间而不会造成采样数据的丢失，因此我们将以太网接收采样值、保护计算、出口判断处理放在一个子程序里面，采用以太网接收中断方式来入口，从而大大提高了整个装置保护出口的实时性。
80C196KC是作为从CPU完成一些人机接口、串行通讯的辅助工作，为了保证实时性，我们在其主程序循环中设置了键盘响应中断和串行通讯接收中断，为了避免中断处理时间过长，影响其他任务的执行，我们将中断任务设置得尽量简单，只是将键盘输入和串行通讯接收字符放至对应的数据缓冲区存放起来，其它的任务就等待主程序循环中的相应子程序来完成。
6 结束语
本文介绍了一种带光纤数字接口的微机保护装置，它采用了新型的带以太网接口的32位RISC微处理器，将现代光纤通讯技术与微机保护装置结合起来，大大提高了采样数据的实时性、抗干扰性，具有更加广泛的适应性。较之传统的保护装置，本套装置结构更加简单，性能更加可靠。
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