关键词：数字化变电站 合并单元 MPC827X FPGA
引言
国际电工委员会在IEC61850和IEC60044-7/8标准中定义了一种叫做合并单元 （Merging Unit，MU）的装置，它作为电流、电压互感器和保护、测控装置的中间接口，完成同步采集电流和电压信号，输出数字信息给二次保护、测控设备。输出的方式有两种，其一是在IEC60044-7/8中定义的基于曼彻斯特编码的串行通讯方式[1][2]，其二是在IEC61850-9中定义的基于IEEE802.3的以太网通讯方式[3]。由于前者传输速率比较慢，限制了采样率，所以目前工程实施中最常见的方式是以太网通讯方式。
电子式互感器ECT （Electronic Current Transformers）和EVT （Electronic Voltage Transformers）从原理上大致可分为无源和有源两种，前者基于Faraday磁致旋光效应和Pockels电光效应原理，后者采用罗氏线圈和电容分压的方法。目前无源EVT的应用因为技术原因还没有得到大面积的推广，而无源ECT已经做到了工程化。同时，在数字化变电站工程建设中存在传统电磁式互感器和电子式互感器并存的情况，电子式互感器的输出是串行的数字信号，而传统电磁式互感器输出的是模拟信号，因此对应出现了两种合并单元：数字MU和模拟MU。然而随着数字化变电站改造和建设步伐的不断加快，对工程的成本和装置的性能都提出了更高的要求，迫切需要一种性能更优，配置更灵活的合并单元。上述两种合并单元见图1所示。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息
图1-b 数字MU
1 功能模块
合并单元的定义在IEC60044-7/8中首次给出。一般而言，合并单元应具有以下几个功能模块：
（1）电子式互感器接口：按照IEC60044-7/8对合并单元的定义，需要具有12路串行口输入接口，分别接收电子式互感器输出的三相保护电流、三相测量电流、三相电压、中性点电流、中性点电压、母线电压。为了满足IEC61850-9的需求，并结合工程实际的需求，本文所介绍的合并单元最多可扩展16路的串行输入接口。
（2）采样同步功能：在正确识别外部输入的同步秒脉冲后，产生同步采样信号。同步信号一般采用GPS提供的秒脉冲。根据IEC60044-7/8，同步采样信号的频率额定标准值有：200f、80f、48f、20f、f（对于工频信号，f=50Hz）。
（3）模拟量采集，处理模块：模拟MU需要采集多路模拟量，并转换为数字量，供CPU读取。
（4）采样值合并，输出模块：一般采用100BASE-FX以太网光纤接口以提高抗干扰能力，数据包帧格式在IEC61850-9中定义。
（5）其它：满足数字化变电站自动化工程中的大量其它应用需求，如数据存储、人机界面、开关量输入输出等等。
2 系统结构 来源:输配电设备网
2.1 基于MPC827X的以太网通讯平台
合并单元作为保护、测控设备的数据源，它的数据输出方式主要是通过以太网发送遵循IEC61850-9帧格式的数据包，因此网络性能是合并单元最重要的性能指标之一。MPC827X是Freescale继MPC860之后推出的一系列高性能通信处理器中性能价格比十分出色的一款。它的各项技术特点和技术指标都非常适合于应用在数字化变电站的自动化智能装置中。
MPC827X Power QUICC II为双核架构[4]：
（1）嵌入的PowerPC内核G2_LE core （MPC603e的一种），主要处理高层任务，具有16KB指令Cache和16KB数据Cache，最高工作频率可达400MHz；
（2）基于RISC的通信处理模块CPM （Communications Processor Module），专门负责对外通信接口的管理，它的最高工作频率为200MHz。
G2 core和CPM之间通过内嵌的高速双口RAM协同工作。MPC827X的这种双处理器体系结构有效的降低了功耗，提高了数据处理能力。
MPC827X的网络通信能力突出，CPM具有2个FCC （Fast Communication Controller） 和4个SCC （Serial Communications Controllers），其中FCC可以配置为基于IEEE 802.3的10/100-Mbit 以太网接口，同时SCC也可以配置为基于IEEE 802.3的10-Mbit 以太网接口。
除了网络性能优越以外，MPC827X的外设接口也相当完备，如I2C，SPI，USB，PCI，UART等等，可以满足智能设备的嵌入式系统多样化应用需求。
在这些接口中值得一提的是PCI接口。MPC827X的PCI桥控制器支持PCI2.2总线标准，数据宽度为32位，总线频率最高可达66MHz，这赋予系统很好的外设扩展能力和驱动软件兼容能力。
PCI总线的应用对于嵌入式系统具有如下几个显著的优点：
（1）外设丰富。可供选择的具有PCI总线接口的外设非常丰富，如以太网、USB、串口等等都可以找到主流芯片制造厂商的支持。
（2）访问速度快。MPC827X的PCI总线最大数据传输率为266MB/s，而且PCI控制器和CPU之间的数据交换采用的是DMA方式，这些特性使得MPC827X的PCI总线数据吞吐能力能很好的满足了数字化变电站中装置类产品的各种需求。
（3）软件支持好。因为PCI总线接口应用广泛，标准化程度高，所以，不管是Vxworks、Linux还是Windows等操作系统对各种主流PCI总线设备都有很好的软件支持，提供了大量的标准化驱动软件，大大缩短了产品的研发周期。
本文讨论的合并单元充分利用了MPC827X的PCI总线扩展能力：其一，采用了Intel的高性能以太网控制器i8255x扩展出1-3个100M以太网；其二，利用具有PCI接口的多串口芯片扩展出多达16路串口，用作电子式互感器的接口。
此外，MPC827X还具有功能强大，配置灵活的MMU （Memory Management Unit），可以很好的兼容多种基于总线的存储器和外设。特别是其中的UPM （User-Programmable Machines） 模式，可以对总线读写信号和数据的时序做出非常灵活的配置，以满足各种基于总线的外部器件的需求。图3所示为某款NAND Flash的写命令时序。
同时，MPC827X还有一个FPU （Floating-Point Unit），可以支持硬件浮点运算。
2.2 多路以太网输出
数字化变电站工程实践中需要合并单元这个数据源能同时给多个间隔层设备提供数据，因此要求合并单元具有多路以太网输出接口。MPC827X有2个FCC，再加上PCI总线扩展的以太网接口最多可有5个，如果需要更多接口，可以采用交换芯片实现扩展。本合并单元采用了MARVELL公司的多端口以太网交换芯片，可以扩展出6～12个100BASE-FX以太网接口。各端口被划分为单独的VLAN，因此各端口之间不会有相互影响。图4说明了使用以太网交换芯片扩展端口的方案。 来源:www.tede.cn
2.3 FPGA的应用
现场可编程门阵列（FPGA）实现了硬件的软件化，数据处理延时小，工作稳定可靠，升级方便，是实现合并单元中同步模块的合理选择。
FPGA的输入量为GPS提供的1PPS和IRIG-B格式的时间码，输出为被1PPS同步后的遵循IEC60044-7/8标准的采样脉冲和解码后的时标数据。同步采样脉冲触发电子式互感器和合并单元的模拟量采集模块同步采集电流电压量，解码后的时标通过串行通信口被CPU读取。
同时，FPGA需判断1PPS信号的有效性，并剔除1PPS在光纤插拔过程或者其它干扰情况下产生的虚假信号，防止后继设备的误动作。FPGA对1PPS信号有效性的判断结果通知CPU，CPU将在IEC61850-9报文中置上相应的标志。
FPGA采用高精度晶振，自身维护一个1PPS时钟。当GPS提供的1PPS有效时，同步自身的1PPS；当外部1PPS失效后，因为FPGA有后备1PPS，所以还可以维持如过流保护、测控的数据的有效性。
2.4 高精度ADC
合并单元作为变电站保护测控数据的来源，对ADC的精度提出了更高的要求。目前普遍应用的14位ADC在合并单元中已经有些捉襟见肘，为了更好的适应更高的应用需求，有必要采用精度更高的16位ADC。合并单元使用2片8路16位高性能ADC，在同步采样信号的触发下，同步采集转化16路模拟量，供CPU读取。
2.5 灵活的配置
因为具体工程的实际需求会各有特色，合并单元也必须能够满足多样的应用需求才能在工程应用中体现出它的生命力。合并单元的电子式互感器接口，以太网接口，模拟量采集，人机界面，开关量输入输出等功能单元都采用模块化设计，配置灵活。
比如互感器接口部分，可以选择16路模拟量输入、16路模拟量输入加8路数字量输入、8路或16路数字量输入；以太网输出模块可以选择6路或者12路IEC61850-9-1输出、4路或者8路IEC61850-9-1输出加2路GOOSE （Generic Object Oriented Substation Event）输出；人机界面，开关量输入输出皆为可选模块。同时，软件也实现了模块化设计，通过更换配置文件就可适应不同的硬件模块配置。
3 结语
目前，应用电子互感器及IEC61850标准的数字化变电站自动化系统是电力系统的研究热点。本文探讨了一种基于PowerPC的高性能，高灵活性的新型合并单元的实现及技术特点。该合并单元在北京、广州等多个数字化变电站建设及改造的工程中承受了实践考验，取得了良好的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] IEC60044-7, Instrument Transformers-part7：Electronic Voltage Transducers[S], 1999.
[2] IEC60044-8, Instrument Transformers-part8: Electrical Current Transducers[S], 2002.
[3] IEC61850-9-1, Communication networks and systems in substations-Part 9-1: Specific Communication Service Mapping（SCSM）- Sampled values over serial unidirectional multidrop point to point link, 2003.
[4] MPC8272 PowerQUICC IITM Family Reference Manual, Rev.2, 2005.
