徐宇宝，张晓东
（皖西学院 机电学院，安徽 六安 237012）
摘 要：目前，我国电力事业取得了较好的发展，电力系统的得到进一步提升，电压的级别也越来越高，传统的电子磁式互感器存在较多的问题，无法适应先进社会的发展需求.因此，人们正在致力于基于电子计算机技术和光点传感技术的电子式互感器的研究.大多数研究者正在致力于基于现场可编辑逻辑门阵列（FPGA）的电子式互感器合并单元的研究，和以往的电子互感器相比，其具有更多的优点.本文就电子式互感器的相关概念进行的分析，并对合并单元的概念进行研究，探讨基于FPGA的电子式互感器合并单元的硬件和软件设计情况，以便为电子式互感器合并单元的设计提供有利的依据.
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关键词 ：基于FPGA；电子式互感器；合并单元；研制
中图分类号：TM45文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）01-0049-03
近年来，随着电力设备电压级别越来越高，电力系统的容量在不断的加大，从而对电力运行的安全性和可靠性要求在不断的提高.在电力事业的发展过程中，电流和电压互感器主要是用来测量电气量的设备和仪器，对电力系统的继电保护和计量以及控制等具有较强的影响，能够有效的促进电力系统的安全、可靠的运行.在以往的电流和电压的测定方式上，主要是根据电磁感应式的电流互感器和电压互感器进行测量的，其应用范围比较广.但是随着电力事业的飞速发展，科学技术的不断进步，传统的电磁感应式互感器无法满足现代电力系统的需求.相关人员对电子互感器进行深入的研究，直到基于FPGA的电子式互感器合并单元的产生，其具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、频率响应宽、绝缘可靠等优点[1].
1 电子式互感器的相关概念
随着社会的不断进步，在各个领域中均加大了对电量的需求，从而使得电力系统不断朝着大容量和高级别的方向发展.现代的电力系统中大多数使用以往老式的电子互感器，这种互感器有较大的缺陷，例如绝缘性能不够好、电磁干扰强、攻耗高等，已经无法满足现代化电网和电力系统的要求.图1中表示的是电子式互感器的结构，其中P1和P2指的是高压侧的信号输入端，S1和S2表示低压侧的电压模拟信号输出端，数字输出信号发送给电子式互感器的合并单元.
1.1 电子式互感器的分类
根据传感头有无电源供电可以分为有源型和无源型电子式互感器两大类.按照测量数据类型可以分为电子式电压互感器和电子式电流互感器.
其一，有源型电子式电流互感器.这种电子式的互感器主要是在一次侧运用罗氏线圈或者低功率的电磁式电流互感器技能型测量的，可以将测量得出的结果转变成电压信号，并通过相关设备将结果转变成为数字信号，再次将数字信号转变成为光信号，并将其传送到相关设备中进行处理.
其二，无源型电子式电流互感器.这种的互感器主要是通过法拉第磁感效应的原理，在线偏振光经过磁场中的磁光物质的时候，线偏振光的偏振面将会有所改变.另外，可以通过改变后的偏转角测量得出被测电流量[2].
其三，有源型电子式电压互感器.这种互感器主要是通过阻容分压的相关知识，将阻容可以进行分压处理，并将测量得出的结果通过计算得出高测压的大小.
其四，无源型电子式电压互感器.这种电子互感器主要是通过普克尔斯效应的原理，将线偏振光在磁场的作用下经过普克尔斯晶体，从而导致线偏振光的折射率发生改变，入射光就会产生双折射，晶体中的出射光就会变成两条，就可以简单的计算出被测电压的大小.
1.2 电子式互感器的特征
电子式互感器的特征主要有：（1）体积小，重量轻.相同电压等级的电子式互感器与电磁式互感器相比，在体积和重量方面要小的多.电子式电流互感器同时和同样级别的电磁式互感器相比较，前者要比后者轻.因此，说明电子式互感器比较比较方便输送，在实际施工或者安装的过程中比较轻松.（2）其具有抵抗磁场干扰的效果和绝缘特性.之前的互感器在低压侧输出口的地方不能断开或者直接连接，会产生较大的电压和电流，从而导致设备损害.然而电子式的互感器在高压侧和低压侧之间可以通过光纤就可以连接，其中光纤是比较好的绝缘体，因此，其抗干扰的性能较强[3].
2 合并单元的相关概念
合并单元的含义是对同一个变电站之间的电流和电压，通过相关协议的要求进行输送，在其中被视为电流和电压的物理单元就是合并单元.其主要是数字化电子式互感器中的相关概念进行规定的.合并单元的结构功能如图2所示.合并单元主要使用的是多路径电流、电压信息.相关标准要求并没有规定合并单元必须要连接电流和电压.
另外，合并单元的功能主要有同步功能模块、串行发送模块和采集处理模块三种.其中同步功能模块首先需要接受GPS时钟同时，还会发出相关的信息，对这种信息进行判断和确认，确认后，合并单元需要向各个类型的互感器发送这种信息.其中串行发送模块需要将何种采集到的数据进行组帧处理，之后再将其输送到测控当中.其通信接口是以太网进行连接的，速度在一百兆每秒以上，其应用范围比较广[4].数据采集和处理模块主要功能是和电子式互感器相连接，当合并单元在给各路电子式互感器发送同步转换信号的时候，电子互感器可以将改变之后的信息传送到合并单元当中，并通过数据采集和处理的设备对这些信息进行检测，数据正确后通过排序传输给串行发送模块.
3 基于FPGA的电子式互感器合并单元软件设计
3.1 基于FPGA的电子式互感器合并单元的系统初始化
基于FPGA的电子式互感器合并单元正常工作的前提条件是具备系统初始化的程序，也是应用程序正常运行的基础.在系统的初始化程序当中需要进行定时器、时钟等相关项目进行初始化工作，在进行这些工作的时候，还需要对液晶信号进行初始化，在必要的时候也需要对网卡进行初始化，从而有效的完成整个系统中的初始化工作[5].
3.2 同步脉冲
基于FPGA的电子式互感器合并单元需要具备检测同步信号1合理性的特点，当相邻脉冲上升到实践间隔为1s的时候，就可以判断同步信号1输入的时候发生异常的现象；当脉冲宽度超过了10μs的时候，脉冲间隔随之就会加大，甚至超过500ms.当测量的脉冲在10μs以下，脉冲间隔就会随之变小，其范围会在500m以内.这时就可以认为同步信号1输入异常.当合并单元在准确接收到同步信号1的时候发生中断现象，就需要向高压侧数据采集器的各路A/D发送同步信号2，高压侧的各种数据采集器在确认收到同步信号2的时候，才可以向河中转换器发送采样的指令，这样一来，可以有效的避免干扰脉冲对同步采样的负面影响.如果在确认1号信息的时候，1号信息通常由于受到各种因素的影响，而导致信号的失踪或者信号受到干扰等，这时候合并单元就会向其他设备中的数据采集器发送1号信息丢失或者干扰的指令，对同步信号1进行实时跟踪.当信号1恢复正常就应及时发送信号标志.
3.3 数据帧发送模块
数据帧发送模块是合并单元软件设计中的重要组成部分，其主要分为两个子模块，分别为采样数据控制模块和网络驱动模块.其中前者主要是针对上一模块处理之后的采样数据进行相关的处理后，通过各种方式使得多种应用服务数据单元合并成为一个系统的、有效的整体，并通过基本的编码程序进行编码，并将各种数据的做好标识，并将其中的长度和数值的格式进行编码.当编码完成后就需要将数据单元按照相应的数据帧进行打包处理，从而将采集到的数据发送到以太网上.另外，网络驱动模块主要功能是驱动以太网通讯控制芯片，并将数据包发送到以太网上.驱动操作主要是通过verilogHDL语言的有限元状态机对LAN92巧进行寄存器操作[6].
4 基于FPGA的电子式互感器合并单元的硬件设计
4.1 基于FPGA的电子式互感器合并单元的整体硬件设计
本文主要是以SOPC类型可编程片上系统的思想为前提基础，通过使用某种开发工具完成硬件系统的设计.其中硬件的设计需要符合相关的硬件描述语言开发流程和相关规则，同时还需要按照硬件系统中需求的性能和作用适当的使用IP，在嵌入NIOS II核的EP2C8Q208C8中必须要成功的实现合并单元中的各种功能要求，并根据系统中的各种要求和规定，将现代的先进技术引进到接口中，从而使得硬件的设计可以进行相关的分类研究，可以将其分为信息的产生、数据的传送、SPI数据结构接受等几个方面的内容.合并单元的硬件整体结构如图3所示.
4.2 数据输出接口的硬件设计
本文主要是基于IEC61850的通讯要求，对数据的输出接口进行相关的设计研究，在设计的号死后选择使用网卡接口芯片来完成数据传输和以太网的连接工作.首先，CS8900A的特点和工作原理.CS8900A是一种高集成度的以太网控制器，其主要特点有：（1）符合以太网的标准，并带有ISA接口.（2）比较适合运用在I/O操作模式中，主要有存储器和DMA这两中操作模式.（3）支持各种接口，可以自行进行检验和相关的处理工作.（4）其最大的电流消耗为55mA.在发送数据帧的过程中需要添加以太网帧头，自动生成CRC的校验码后，将这个数据帧发送到以太网上，并进行解码，消除帧头和地址后将其缓存在片内.其次，数据输出的电路设计.CS8900A系统的默认模式为I/O模式，在嵌入式的系统中应用范围比较大[7].CS8900A系统通过了八位和十六位的数据宽度，本文采用的是十六位的数据宽度，具有十六根数据线，三根地质总线.
5 总结
通过对电子式互感器和合并单元的相关概念进行分析研究，电子式互感器具有较高的安全性，在未来的互感器发展中将会发挥出更大的优势.本文从基于FPGA的电子式互感器合并单元的软件设计和硬件设计两个方面进行探讨，阐述了实现合并单元功能的措施和方法.电子式互感器是一种高科技产品，目前电子式互感器还处于初步发展阶段，还需要通过相关研究者的不断研究和改进，使得电子式互感器合并单元更加适应现代化电力系统的发展.
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参考文献：
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〔2〕韩小涛，尹项根，张哲关.试论光电传感器在变电站通信控制系统中的应用探讨[J].电力系统及其自动化学报，2010，15(03)：193-197.
〔3〕刘绍勋，于小波，黄仁山，等.光电互感器的现状和发展[J].高电压技术，2010，29(01)：1221-1223.
〔4〕董建树，黄晓水，杨欢娥.基于DSP和光纤通讯的电流采样和处理系统研究分析[J].华中科技大学学报，2011，28（05）：1157-1158.
〔5〕肖一雄，尹项根，霍华德，等.光学电压互感器设计中若干问题的探讨[J].变压器和变电站系统，2011，17(04)：120-123.
〔6〕徐雁霞，叶妙元，张庆国，等.分析研究光电互感器的应用和接口问题[J].电力系统自动化，2011，25（24）：145-148.
〔7〕钱政学，丁庆生，顾黄霞，等.浅析有源电子式电流互感器中高压侧电路的供能方法[J].高压电器科学，2012，40（02）：1235-1238.