电子互感器数字通信接口分析及监视装置设计

摘要： 本文对电子互感器数字通信接口规范进行分析，提出满足智能电网运行要求的电子互感器数字信号接口技术规范。依据此规范进行了电子互感器数字通信接口监视及分析装置的软硬件设计，实现电子互感器数字通信接口协议的报文接收与解析，及兼容性分析，并以可视化方式显示电子互感器输出的FT3等格式报文。

关键词：电子互感器 通信接口 监视及分析装置 软硬件设计

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）03-0139-02

1 概述

近年来，随着智能变电站技术的不断发展及相关产品不断完善，电子互感器逐步在智能变电站中得到应有。但由于不同厂家生产的采集器与合并单元间的数据编码与传输标准存在着差异性，不利于系统的维护与升级。因此，研究智能变电站中采集器与合并单元之间的通信规约，研制用于测试和验证不同厂家生产的电子互感器数字通信接口的标准性、一致性、兼容性的测试及检验装置便具有十分重要的意义和工程价值。

针对此研究课题，国内已开展的相关研究工作主要包括：四川大学的张丽杰等对电子互感器采集器与合并单元通信规约进行了研究，提出使用4B5B码代替曼彻斯特码、BCH码代替CRC校验码的新的数据传输接口方案，并对新方案进行仿真[1]；湖南大学的高乐等对电子互感器接口通信模型设计进行了研究[2]；华中科技大学的谢佳君在其硕士论文中对基于FPGA的电子互感器数字接口合并单元进行了研究，从硬件和软件两个方面对同步、数据处理以及数据输出功能的实现进行了分析[3]；西南交通大学的常晓勇对基于IEC61850电子互感器数字接口硬件方案进行了研究[4]；另外，宁夏电科院和上海远景公司对智能变电站合并单元时间性能测试问题开展了研究[5]。

本文首先对国内主流电子互感器厂家数字通信接口规范进行汇总分析，提出了满足智能电网运行的电子互感器数字信号技术规范。依据此规范进行了电子互感器数字通信接口测试装置的软硬件设计，实现电子互感器数字通信接口协议的报文接收与解析，及兼容性分析，本装置可以对工程应用中，电子互感器三种常见信号传输形式信号进行测试分析，对其中传递的电力数据进行分析、计算、记录，能够显示电力实时波形。以直观、易懂的方式将FT3报文展现出来，自动分析其编码格式，并能够显示其速率。

2 电子互感器数字通信接口分析

电子互感器的二次输出分为数字输出和模拟输出两种，模拟输出是为了利用变电站现存的模拟接口二次设备，是一种过渡性的措施，数字输出是智能变电站对电子互感器提出的要求。虽然早在1999年就出台了电子电压互感器（Electronic Voltage Transformer）数字通信接口标准IEC60044-7，但当时受各种因素的限制，在此标准中，没有提出数字输出的概念。2002年出台了电子电流互感器（Electronic Current Transformer）标准IEC60044-8，首次提出了电子互感器数字输出的概念，并对其输出特性做出明确规定。我国国家电力公司在十五规划中将电子互感器的国家标准校验系统研制工作立项，交给国家互感器质检中心承担，已于2004年完成。2004年3月，我国互感器标准委员会正式成立了电子互感器标准制定工作组，2004年5月召开了工作组第一次会议，开始实施IEC标准转化成我国国家标准的工作。此项工作于2007年年底完成，并出台了国家标准GB/T20840.7（电子电压互感器）和GB/T20840.8（电子电流互感器）。但是此标准是只针对电子互感器本身的技术要求，未对电子互感器和合并器之间的通讯接口规范做出定义。

从时间上来看，现阶段我国针对电子互感器的数字输出研究处速发展阶段，所以制定电子互感器统一的输出标准是非常必要。

3 电子互感器数字通信接口规范

根据IEC60044-8标准，在电子互感器数字接口设计中，物理层应采用Manchester编码方案，并通过基于光纤或铜缆的传输系统来实现物理连接。在实现时，针对物理层与数据链路层的特性，有两种具体的技术方案。一种是IEC60044-8中描述的通讯方式，使用内插法或同步脉冲法得到输出信号，并按照IEC60870-5-1（远动设备及系统传输帧格式）规定的FT3数据帧格式封装，实现数据传输。另一种采用IEC61850-9-1描述的以太网接入方式，使用同步脉冲得到时间连续的一次电流和电压及抽样信号，按照ISO/IEC8802.3协议规定的帧格式进行数据封装，实现数据传输。

3.1 物理层规范

合并单元到二次设备的连接可以是光纤或铜线，标准传输采用通用帧格式，速率为2.5Mbps，采用曼彻斯特编码，最高有效位先送。对于采用光纤连接的传输系统，兼容的接口是合并单元上的光纤连接器。根据传送距离的不同，可以选用塑料光纤或者玻璃光纤。如果采用光纤传输，必须注意光驱动器和光接收器的性能。

3.2 链路层规范

链路层采用IEC60870-5-1规定的FT3帧格式。这种帧的优点是数据完整性好，可用于告诉多支路同步数据链。链接服务类是S1：发送/无应答，这样数据传输是连续的和同期性的，无需二次单元的确认和应答。帧内容由启动字符、数据段和CRC校验码组成。这一方法在技术上易于实现，通讯协议易于标准化，对于不同的一次电气连接具有高度的灵活性。

3.3 应用层规范

为了与IEC61850-9-1兼容，应定义若干标志符。数据帧包括数据块数、块长等，一帧数据有2个状态字，每个状态字占用2个字节。若某些电压、电流量没有使用，则在状态字中相应的位上要置位，并且在该数据域的值须为0000H。若电子互感器故障，则相应的无效标志和维修请求标志要置位。

3.4 数据标定规范

测量用电子互感器数字输出额定标准值是十六进制的2D41H（十进制11585），保护用电子互感器数字输出额定标准值是十六进制的0ICFH（十进制463）。分成测量和保护两个标准值是因为保护用电子互感器可以测量的电流/电压可达到额定一次值的40倍（0%偏移）或20倍（100%偏移）而不会过载，测量用电子互感器可以测量的电流/电压可达到额定一次值的2倍而不会过载。

电子互感器数据采样频率额定标准值有下面几种：80fr-48fr-20fr，fr为额定频率。对于较高的准确级，需选用高的数据采样频率。如果被供给的系统所需数据率大于数据采样频率，则在二级设备内使用IEC60255-24中描述的稀抽样技术。数字输出的电子互感器还定义了额定延时，它指数据处理和传输所需的额定值。在计算互感器的相位误差时，应从相位差中减去额定延时引起的偏移量。由于采用等距采样，因此两个采样点之间的间隔Ts是常量，且等于数据采样频率的倒数。额定延时的标准值有：2Ts，3Ts。

3.5 数据传输时间同步规范

数据同步问题是指智能变电站二次设备需要的采样数据是在同一个时间点上采得的，即采样序列的时间同步以避免相位和幅值产生误差。解决同步问题有插值计算法和同步脉冲法。

插值计算是由二次设备完成，根据互感器提供的若干个时间点上的采样值，插值计算得到需要的时间点上的电压、电流值。同步脉冲法则是使用统一的同步脉冲信号，电子互感器在送出的采样值中打上时标，提供给二次设备。同步脉冲可以通过主时钟获得，例如GPS接收机。为保证GPS接收机的正常工作，通常需要一个开放的整流输出器与站电池连接。对于长距离和高精度要求的情形，应采用光输入。在没有电磁干扰的环境下，低电压输入也是一个低成本高效的方案。

提供给合并单元的同步时钟输入可以是电气连接的，也可以是光学连接的，而且必须遵循以下规范：

（1）触发时刻：低电平到高电平的上升沿触发。

（2）时钟频率：每秒钟发出一个同步脉冲，无论输入脉冲是否异常，合并单元都需要对同步脉冲做真实性核查。

当同步时钟采用光学输入时，应遵循以下规范：

（1）触发水平：光强幅值的50%。

（2）应使用同样的光纤连接器件和光纤。

（3）脉冲持续时间th>10μs。

（4）脉冲间隙tl>500ms。

当同步时钟采用低电压输入时，应遵循以下规范：

（1）电压等级：10V或24V。

（2）触发电平：5V。

（3）脉冲持续时间th>30ms。

（4）脉冲间隙tl>500ms。

（5）输入电流范围：1mA-20mA。

实际应用中可将两种方案结合起来，平时采用GPS脉冲对时，当GPS接收机失效的时候，由二次设备进行插值计算得到需要的时间点上的采样值。当传统设备数据不具有GPS时标的时候，也必须进行插值计算，以满足系统测量和控制的需要。

4 通信接口监视及分析装置设计

电子互感器协议接收与解析装置由前端采集与后台分析两部分组成：前端采集负责ECT、EVT的编码识别、解码、封包及协议转换功能；后台分析完成ECT、EVT编码的分析、显示及电力数据的分析。

电子互感器监视与分析装置硬件原理总体结构框图如图1所示：

前置采集部分采用1U、19英寸机箱结构，带有8路FT3串行采集光口、2路100M光以太网口，能够同时对8路互感器进行监视。

后台分析采用3U、19英寸机箱结构，内置高性能嵌入式CPU，能够满足高速数据的处理。

ECT/EVT与测试设备之间的数字量采用串行数据传输，采用异步方式，传输介质采用光纤传输。符合GB/T20840.8相关规定。支持符合GB/T18657.1的FT3的四种固定长度帧格式，具体如下：

（1）数字量传输帧格式-I（单相互感器）。

（2）数字量传输帧格式-II（三相电流互感器）。

（3）数字量传输帧格式-III（三相电压互感器）。

（4）数字量传输帧格式-IV（三相电流电压互感器）。

电子互感器与测试设备之间采用多模光纤，光纤接头采用ST，支持的传输速率为2.0Mbit/s或其整数倍。采样率为80点/周波，帧格式I、II、III的传输速率为2.0Mbit/s，帧格式IV的传输速率为4.0Mbit/s。采样率为256点/周波，帧格式I、II、III的传输速率为6.0Mbit/s，帧格式IV的传输速率为8.0Mbit/s。

前置接收装置采用TI公司高性能的32位DSP处理器，主频高达600MHz，处理性能可达4800MIPS；内置全双工的自适应以太网芯片；提供一个高性能FPGA芯片，强实时数据由FPGA编码实现，接收同步基准和采集器数据。使用6层电路板及表面贴装技术，提高了装置可靠性，可适用于需要数字量合并功能的场合，主要功能有：

（1）同步基准输入。装置接入两路同步基准，提高装置同步的可靠性。由同步基准产生PPS秒脉冲，PPS到来时DSP翻转重采样的采样序号。装置利用同步时钟（例如GPS系统的授时信号）作为数据采样的基准时钟源。

PPS采用光信号，在低到高的脉冲上升沿触发，合并单元应作合理性检查，验明输入脉冲是否有误。

（2）晶振误差补偿。晶振的精度受环境温度等因素影响，本装置采用先进的自适应晶振误差补偿技术，大大提高了输出数据的均匀性。

（3）重采样。装置所接的采集器发送报文时间要求有固定延时，采集器按固定延时发送报文，装置在接收到各采集器输入的报文后由重采样模块进行重采样，重采样采用二元拉格郎日算法，数据满足电力系统精度及实时性要求。

5 应用与结论

本文对国内主流电子互感器厂家数字通信接口规范进行汇总分析，提出了满足智能电网运行的电子互感器数字信号接口技术要求。依据此规范进行了电子互感器数字通信接口监视及分析装置的软硬件设计，实现电子互感器数字通信接口协议的报文接收与解析，及兼容性分析。

本装置已经在多个智能变电站工程中得到实际应用，实现了电子互感器三种常见信号传输信号的测试分析，能够直观方式显示FT3报文格式的电力实时波形，自动分析其编码格式，并能够显示其速率。本文将对电子互感器数字通信接口技术成熟和电子互感器的应用推广起到推动作用。

参考文献

[1]张丽杰，等.电子互感器采集器与合并单元通信新规约[J].计算机与数字工程，2012，7期40卷：41-43.

[2]高乐，等.与电子式互感器接口的合并单元通信模型设计[J].电力建设， 2007，12期28卷： 95-97.

[3]谢佳君.基于FPGA电子式电流互感器合并单元的研究[T].硕士论文，华中科技大学，2007年.

[4]常晓勇.基于IEC61850电子式互感器数字接口硬件方案研究[T].硕士论文，西南交通大学，2010年.

[5]刘海涛，等.智能变电站合并单元时间性能测试问题的研究. 华东电力，2013，1期41卷.