基于PowerPC的微电网智能终端设计

樊鹏，周芝萍，张鹏远，吴双惠

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

随着我国对海岛权益保护力度的加强，以及对海岛资源和旅游业开发需求的加大，未来海岛发展的前景极为广阔。由于大多数海岛远离大陆，电源问题成为亟待解决的关键，若依靠大陆的电力系统网架为海岛供电则需要铺设海底电缆，技术要求高，势必会增加成本。最佳的供电方式是就地利用海岛上丰富的风电和太阳能等绿色能源发电构建海岛微电网系统，其不仅解决传统依靠柴油机发电带来的污染问题和运输柴油的成本问题，而且能源取之不尽用之不竭，且具有发电方式灵活、零污染(低污染)等优点，可提高能源的综合利用率，有效改善海岛能源结构，极大地减少成本[1]。然而，风电和太阳能随气候等外部条件的影响而变化，表现出间歇性和随机性等特点[2]，影响海岛微电网系统的安全可靠运行，因此设计一款适应海岛微电网系统的智能终端显得尤为重要。

微电网智能终端作为微网就地层中与断路器配合使用的一种主要设备，随着智能电网自动化程度的越来越高和对供电稳定性要求的不断增强，对断路器的安全运行要求也越来越高，只有充分了解配电变或馈线在运行中的实时数据信息和统计，及时根据采集的信息进行断路器的操作控制，才能采取有效措施避免事故的发生和供电系统运行的稳定性。

嵌入式系统具有运算速度快、体积小、功耗低等优势，Freescale公司的PowerPC系列芯片以其强大的通信能力、系统稳定性以及抗干扰能力，在电力系统、工业控制、通信领域得到了广泛应用，微电网智能终端就是基于PowerPC作为软件平台进行设计研制的。

1 微电网智能终端功能介绍

微电网智能终端为适应海岛微电网的迅速发展而设计，它和上层控制器通信和配合，完成一个间隔内配电变或馈线断路器的操作控制和状态监视，具有承上启下的桥梁功能，对下完成对断路器的就地控制，对上实现对模拟量采集信息和断路器状态信息的及时上送[3]，功能应用图如图 1所示。它支持 SV通信，GOOSE通信和MMS通信，SV通信依靠过程层网络完成模拟量信息发送，GOOSE通信依靠过程层网络完成断路器状态信息采集和发布发布，同时接收 GOOSE跳合闸指令，MMS通信把断路器的信息上送到监控后台，完全满足海岛微电网中对断路器快速可靠地就地控制需求，安装于35kV及其以下电压等级的高压开关柜或环网柜中[4]。

微电网智能终端的特点:1)将电流电压的采集和合并处理能力集成在一起，节省经济成本[5]16;2)保证就地层动态信息的及时上送，可靠完成断路器的就地操作;3)具有过流保护功能，可作为变压器、低压母线和线路的后备保护;4)安装于开关柜或环网柜中，充分利用现有空间[5]17。

图1 微电网智能终端功能应用图

2 硬件平台设计

2.1 处理器架构

MPC8313中央处理器执行速度可达333 MHz，内置独特的E300(基于MPC603E)内核配置，E300内核还包括16KB的L1指令、数据缓存及片上内存管理单元(MMU)。具有双10/100/1000Mbs以太网控制器，一个32位双倍数据速率 DDR1/DDR2 SDRAM存储控制器，一个增强型的16位本地总线控制器，一个32位PCI控制器，一个高速USB2.0 host/device控制器和片上全速PHY，一个可编程的中断控制器，双 I2C控制器，一个4通道DMA控制器和一个通用I/O端口，其功能图如图2所示。

图2 处理器架构图

2.2 硬件结构设计

依据微电网智能终端所实现的功能，硬件结构如图3所示，以支持强大通信能力的MPC8313为核心处理器，考虑程序较大和处理数据较多，需要扩展程序存储器和Flash来存储程序和数据，其中SD卡用于存储录波信息等，光/电以太网口用于组网和接收控制信息，电气以太网口还用于装置测试用，RS232接口用于嵌入式平台程序的浏览及擦除，USBTAP接口用于程序的调试，通过系统时钟可以完成网络对时或1588对时，CPU主要完成保护算法运算和逻辑判断、人机接口功能以及与装置外部的通讯等。

CPU和FPGA之间通过本地总线连接，用于传输断路器的实时信息、开关量状态信息、保护或遥控的跳合闸指令等。

FPGA主要实现模拟量采集、开入开出回路、人机接口回路、系统B码对时回路和光纤通讯回路的控制和数据传输等功能[6]。

图3 微电网智能终端硬件设计结构图

3 软件设计

3.1 软件设计框架

微电网智能终端软件设计的实现分为三大部分即嵌入式软件平台设计、FPGA程序设计和应用程序设计，三者之间的关联框架如图4所示。软件平台主要实现一些基础功能，包括模入通道读取、开入通道读取、开出的驱动及其网口功能的实现，还包括与FPGA接口的定义等;FPGA主要实现模拟量采集、开入开出回路、人机接口回路、系统 B码对时回路等;应用程序主要实现GOOSE信息，SV模拟量信息以及 MMS信息的处理、接收和发送，录波信息的处理等。

图4 软件设计框架图

3.2 FPGA程序设计

FPGA程序的设计实现功能:1)接收到CPU由数据总线发过来的信息后，给开关量输出继电器发送动作信号;2)完成IRIGB码解析，将解析后的时间信息传给 CPU，将解析后的秒脉冲PPS发送给AD采样处理模块作为AD采样脉冲时刻;3)开关量的采集及检测，当检测到开关量发生变位后存入SOE，给CPU发送中断进行GOOSE报文编码并发送;4)液晶显示、按键操作、运行和告警灯;5)接受自身时钟系统发送的时间系统，作为外部时钟系统丢失后的备用时钟。

图5 FPGA程序设计结构图

3.3 应用程序模块化设计

装置采用平台化开发和应用程序模块化的设计理念，平台完成对采集数据的处理、系统时钟同步、与FPGA的数据交互及通讯功能，应用软件设计按照逻辑功能部分封装成几个相对独立的大模块，主要完成保护逻辑判别和对断路器的控制命令处理，逻辑功能经过可视化编程，最终由软件机器人自动生成源代码和可执行目标程序，正确率达到了100%，杜绝了人为原因产生软件Bug，应用程序模块化框图如图6所示。

图6 应用程序模块化框图

4 测试结果及分析

为验证微电网智能终端产品的可靠性和功能性，搭建如图7所示的测试环境[7]。通过继保测试仪施加模拟量 U和I，微电网智能终端将采集到的SV模拟量、开关量信息以GOOSE形式上送给上层控制器，同时接收上层控制器发过来的GOOSE控制命令或进行过流保护逻辑判别进行一次断路器的跳合闸动作。

图7 微电网智能终端测试环境

以微电网智能终端满足过流条件(Iact＞Iset=2 A)时经过0.5 s延时(延时可整定)后断路器跳闸为例，录波波形如图8所示。通过波形可以看出，开始断路器处于合闸位置，当过流条件满足时保护启动，经过△t=500.0 ms延时后过流I段动作驱动操作回路使断路器跳闸(约需要50 ms左右)，断路器跳闸后将跳闸接点状态返回给装置(约需要15 ms左右)，保护执行的逻辑顺序和动作时间满足事先的定值设置和预期。

图8 微电网智能终端录波波形

同时，微电网智能终端也能把MMS信息模拟量、开关量、录波文件等信息上送给监测后台，如图9所示为监测后台显示的保护定值，可以看到上传信息与就地显示内容完全一致。

图9 监测后台显示的保护定值图

5 结束语

微电网智能终端采用集成和处理能力较高的PowerPC智能芯片，处理速度快，能同时满足对一个间隔内所有配电变或馈线断路器信息的上送和逻辑控制，通讯报文满足IEC61850规约，是为适应海岛微电网的建设而开发设计的，它的成功研制将对智能微电网的成功运行提供有力保障。

[1]贺丹.海岛微电网保护控制的设计与研究[J].硅谷Silicon Valley，2012，5(03):88 －89.

[2]袁建华.分布式光伏发电微电网供能系统研究[D].山东:山东大学，2011:110－110.

[3]孔建飞.数字化变电站系统智能终端与合并器的研究[D].山东:山东建筑大学，2011:5－5.

[4]于广耀.Q/GDW 428－2010智能变电站智能终端技术规范[S].北京.

[5]刘曦.关于合并单元和智能终端应用模式的探讨[J].浙江电力，2011，30(03):15 －19.

[6]孙通.基于IEC61850的智能终端设计及其通讯的研究[D].江苏:南京理工大学，2012.

[7]汝雁飞.数字化变电站中智能终端装置动作时延测试的研究[J].电工技术，2011，26(06):14－15.