基于EPON的变电站间隔用智能采集控制终端

随着我国电力建设事业的快速发展，智能变电站在我国得到了快速发展。现阶段，国内智能变电站主要采用工业以太网电交换机或光纤交换机的网络方案进行过程层通信系统的网络体系设计。采用工业以太网电交换机时报文传输的时延及时延抖动较大，系统的实时性能一般，而且采用光纤交换机的光网络方案时，必须使用大量的光器件，在实际应用中带来了很高的成本要求。本文主要针对以上问题，设计研究基于EPON的变电站间隔用的智能采集控制终端，实现智能变电站更灵活和开放的扩展性需求，满足同步采样和低延时传输的要求。

【关键词】智能变电站 EPON过程层

智能变电站是智能电网的重要支撑，是智能电网实现数字化、自动化、智能化的基础。而网络通信技术又是智能变电站的核心技术之一，目前智能变电站多采用工业以太网交换机或光纤交换机进行过程层通信系统的网络体系设计。采用工业以太网交换机主要问题是时延及时延抖动比较大，实时性能一般，采用光纤交换机网络除了时延的问题外，还有需要大量的光器件，造成很高的成本需求。另外，采样同步性能也直接影响着整个智能变电站的稳定性和可靠性。

本文在分析智能变电站过程层通信系统的基础上，结合EPON技术的原理，提出基于EPON的智能变电站间隔用的智能采集控制终端，在减少智能变电站通信系统造价的同时，实现同步采样和传输，以此满足采样值报文传输的实时性、可靠性和准确性要求。

EPON（Ethernet Passive Optical Network，以太网无源光网络），是基于以太网的PON技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。一个典型的EPON系统由OLT、ONU、POS组成。OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）放在中心机房，ONU（Optical Network Unit，光网络单元）放在用户设备端附近或与其合为一体。POS（Passive Optical Splitter，无源分光器）是无源光纤分路器，是一个连接OLT和ONU的无源设备，它的功能是分发下行数据，并集中上行数据。EPON中使用单芯光纤，在一根芯上传送上下行两个波（上行波长：1310nm，下行波长：1490nm）。

OLT周期性的广播允许接入的注册信息。ONU根据OLT广播的允许接入的信息，发起注册请求，OLT通过对ONU的认证，允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个唯一的逻辑链路标识（LLID）。数据从OLT到多个ONU以广播方式下行，对于上行，采用时分复用（TDM）技术分时隙给ONU传输上行流量，ONU根据OLT分配的传输带宽上传数据。

1 智能采集控制终端方案设计

本文设计研究一种基于EPON的变电站间隔用的智能采集控制終端，包括核心CPU板、变送器板、数字采集板、显示板和操作控制板。其中变送器板、数字采集板、显示板和操作控制板均与核心CPU板通过总线进行互联。考虑系统结构的兼容性，采用4U标准19机箱。

系统硬件框图如图1所示。

1.1 CPU板

CPU板包括主控制器（PowerPC8313）、从控制器（FPGA）、40路ADC转换单元、并行输入接口、串行数据接口、CAN总线收发器、CAN总线控制器、以太网物理层收发器、RJ45接口、串口总线收发模块和无源光网络PON接口。并行输入接口、串行数据接口和无源光网络PON口均与FPGA连接，CAN总线收发器连接CAN总线控制器，CAN总线控制器连接MPC8313，调试以太网收发器连接MPC8313，FPGA通过PCI总线与MPC8313进行配置信息和数据通信。

40路ADC转换单元包括五个AD转换模块和40个模拟量输入接口，所有AD转换模块均连接FPGA，每8个模拟量输入接口连接一个AD转换模块。

FPGA主要实现以太网数据报文的收发和解析，同时完成模拟量、开入量采集，实现数据的组包，是完成过程层通信的基础。

MPC8313主要实现就地逻辑保护和对从控制器（FPGA）的配置，是保证通信正常、实现智能变电站就地保护的核心。

1.2 变送器板

变送器板包括数个电压电流互感器，所有电压电流互感器均与40路ADC转换单元连接。

1.3 采集板

采集板包括数个8路数据总线驱动器和数个光电耦合器，每一个8路数据总线驱动器均设有8个数字输入端，每一个所述数字输入端均连接一个光电耦合器，所有8路数据总线驱动器的输出端均连接所述并行输入接口。

1.4 操作控制板

操作控制板包括开关量输出板、操作回路板、压力闭锁板等控制模块，通过CAN总线与CPU板的主控制器（MPC8313）进行数据交互。

2 智能采集控制终端软件设计

智能采集控制终端软件包括主控制器（MPC8313）软件和从控制器（FPGA）软件。

2.1 FPGA模块设计

FPGA软件由verilog 语言实现，其主要特点是并行实现各主要功能，包括数字量采集、模拟量采集和通信数据报文的收发，以及同步处理。

同步处理的目的是将不同终端在相同的采样时刻进行模拟电气量采集，从而确保传输的电压/电流在时序上保持一致。在不同终端之间，基于EPON通信，实现不依赖外部同步时钟的时间同步技术，利用EPON系统中各个ONU终端基于统一的全局时钟实现全网对时同步，时间精度优于100ns。

时间同步流程如图2所示。

2.2 MPC8313模块设计

（1）初始化各部分组件，包括硬件、内存、中断，以及配置FPGA和初始化信号采样；

（2）接收由FPGA传递的采样值数据并进行计算；

（3）由计算结果进行故障判别；

（4）根据故障类型，通过CAN总线输出操作控制数据，同时记录SOE。

具体程序流程和逻辑如图3、图4。

3 结语

本文介绍了基于EPON变电站间隔用智能采集控制终端的硬件和软件设计方案，详述了FPGA模块和MPC8313模块的的设计原理，并给出了原理框图和流程图。该方案已应用于继电保护装置中，现场运行情况良好。

参考文献

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作者简介

胡凡君（1983-），男。现为云南电网丽江供电局工程师。主要研究方向为输变电设备运行技术、配电技术。

章祥（1987-），男。现为云南电网丽江供电局工程师。主要研究方向为变电站自动化运维与管理。

黄新（1984-），男。现为云南电网丽江供电局工程师。主要研究方向为继电保护。

刘柱揆（1974-），男。现为云南电网有限责任公司电力科学研究院高级工程师。主要研究方向为继电保护、电能质量。

曹敏（1961-），男。现为云南电网有限责任公司电力科学研究院教授级高级工程师，云南省云岭产业领军人才。主要研究方向为电能计量和物联网技术研究。

作者单位

1.云南电网丽江供电局 云南省丽江市 674100

2.云南电网有限责任公司电力科学研究院 云南省昆明市 650217