光学电流互感器毕业设计

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摘要

本文通过对数字接口输出标准IEC60044-7/8中信息合并单以及通信协议IEC61850有关通信接口部分做了深入的分析,在满足光学电流互感器数字接口标准条件下,提出了遵循IEC61850协议的光学电流互感器的实现方案,将光学电流互感器分为,传感部分,高压侧数据采集部分,低压侧信息合并单元部分,以太网通信部分来实现.

在高压侧数据采集系统的设计过程中，通过对采集系统的分析，采用FPGA实现对A/D采样的控制,在低压侧合并单元部分，采用FPGA与DSP相结合的合并单元设计方案,FPGA实现高压侧传下来的数据的接收,校验还原,并保持各路采样的同步,采用DSP技术进行相应的数据处理，按IEC61850-9-1对数据进行打包,组帧并通过以太网传输数据.

关键词：光纤电流互感器数据采集系统信息合并单元 IEC61850 以太网现场可编程逻辑门阵列（FPGA）数字信号处理（DSP）

ABSTRACT

This article through to the digital interface standard IEC60044-7/8 of output information and communication agreement with single IEC61850 on communication interface part do a thorough analysis, satisfying optical current transformer digital interface standard conditions, and put forward the following IEC61850 agreement optical current transformer, will the implementation scheme of current transformer is divided into, optical sensing part, high voltage side of low voltage side of data acquisition, merger, Ethernet unit of information communication to realize Part.

In high voltage side of data collection system design process, through the acquisition system analysis, and the FPGA realizing A/D to the control of the sampling, in low voltage side of the unit, with the combination of FPGA and DSP merge unit design scheme, FPGA realizing high voltage side of the handed down data receiving, verify, and keep the reduction of synchronous sampling, DSP technology

for

the

corresponding

data

processing,

according

IEC61850-September 1 of the data package, group frame and through the Ethernet data transmission.

Key words: optical current transformer; data-acquision system; merging unit;

IEC61850; Ethernet; field programmable gate array ; digital signal processing ;

摘要 ...................................................................................................................... I ABSTRACT .......................................................................................................... II 第1章绪论 ........................................................................................................... 1 1.1概述 .............................................................................................................. 1 1.2 背景及意义 ................................................................................................. 2 1.3 国内外光学电流互感器的发展状况 ......................................................... 3

1.3.1 国外发展情况 ................................................................................ 3 1.3.2 国内发展情况 ................................................................................ 5 第2章光学电流互感器传感部分的设计........................................................... 6 2.1 传感基本原理 ............................................................................................. 6

2.1.1 光的偏振特性 .................................................................................. 6 2.1.2 法拉第效应 ...................................................................................... 7 2.2 光学互感器光路设计 ................................................................................. 8 2.3 光学互感器光路的工作过程 ..................................................................... 9

2.3.1 传感部分主要元件的选择 .............................................................. 9 2.3.2 偏振态转化过程 ............................................................................ 14 2.3.3 接收单元电路的设计 .................................................................... 16

2.3.4 光源驱动电路设计………………………………………………..17 第3章数据采集系统设计 ................................................................................. 19 3.1 信号处理电路 ........................................................................................... 19

3.1.1 滤波电路 ........................................................................................ 19 3.1.2 积分电路 ........................................................................................ 21 3.1.3 A/D转换电路 ................................................................................. 24 3.2 A/D控制模块的FPGA设计 ................................................................... 26 3.3 组帧编码模块设计 ................................................................................... 27 3.4 光信号的收发 ........................................................................................... 28

III

3.5 同步采样 ................................................................................................... 30

3.5.1 同步信号1的产生 ........................................................................ 31 3.5.2 同步信号2的产生 ........................................................................ 32 3.5.3 同步信号异常时的动作 ................................................................ 33 第4章数据处理合并单元的设计 ..................................................................... 34 4.1 数字输出标准 ........................................................................................... 34

4.1.1 IEC60044-8标准 ........................................................................... 34 4.1.2 合并单元的通信 ............................................................................ 38 4.2 FPGA数据接收模块 ................................................................................ 40

4.2.1 解码电路的设计 ............................................................................ 40 4.2.2 CRC校验电路 ................................................................................. 42 4.2.3 数据缓冲FIFO ............................................................................... 42 4.2.4 同步功能模块 ................................................................................ 42 4.2.5 FPGA与DSP的电源电路 ............................................................... 42 4.3 数据处理部分 ........................................................................................... 44

4.3.1 数据缓存 ........................................................................................ 44 4.3.2 数字滤波器 .................................................................................... 45 4.3.3 均方根及相位运算 ........................................................................ 47 4.3.4 相位补偿 ........................................................................................ 48 4.3.5 合并单元光纤输出驱动电路 ........................................................ 50 4.4数据输出模块 ............................................................................................ 51

4.4.1 IEC61850-9-1 标准 ...................................................................... 51 4.4.2 硬件设计 ........................................................................................ 54 第5章数据输出模块软件程序设计 ................................................................. 58 5.1 NIC初始化 ................................................................................................. 58 5.2 数据包的发送流程图 ................................................................................ 60 5.3 DSP的读写 ................................................................................................. 61 结论 ................................................................................................................... 64 致谢 ................................................................................................................... 65 参考文献 ............................................................................................................... 66

CONTENTS

ABSTRACT ......................................................................... 错误！未定义书签。 ABSTRACT ......................................................................... 错误！未定义书签。 Chapter1 introduction ........................................................ 错误！未定义书签。 1.1 briefly ........................................................................... 错误！未定义书签。 1.2 The background and significance ................................ 错误！未定义书签。 1.3 home and abroad the development situation ............ 错误！未定义书签。

1.3.1 Foreign development ...................................... 错误！未定义书签。 1.3.2 Domestic development ................................... 错误！未定义书签。 Chapter2 Optical current transformer sensing part of the design错误！未定义书签。

2.1 Sensing basic principle ................................................ 错误！未定义书签。

2.1.1 Light polarization characteristics ....................... 错误！未定义书签。 2.1.2 Faraday effect .................................................... 错误！未定义书签。 2.2 Optical transformer design light way .......................... 错误！未定义书签。 2.3 Optical transformer the working process of the light path .. 错误！未定义书签。

2.3.1 The choice of the main components of sensor ... 错误！未定义书签。 2.3.2 The transformation process of polarization ....... 错误！未定义书签。 2.3.3 Receiving cell circuit design .............................. 错误！未定义书签。 2.3.4 Light source drive circuit design ....................... 错误！未定义书签。 Chapter3 Data acquisition system design ......................... 错误！未定义书签。 3.1 Signal processing circuit .............................................. 错误！未定义书签。

3.1.1 Filter circuit ........................................................ 错误！未定义书签。 3.1.2 Integral circuit .................................................... 错误！未定义书签。 3.1.3 A/D circuit ......................................................... 错误！未定义书签。 3.2 A/D control module FPGA design .............................. 错误！未定义书签。 3.3 Frame coding module design group ............................ 错误！未定义书签。

3.4 Light signals to send and receive ................................. 错误！未定义书签。 3.5 Synchronous sampling ................................................. 错误！未定义书签。

3.5.1 Synchronized signal the generation of 1 ............ 错误！未定义书签。 3.5.2 The generation of 2 synchronized signal ........... 错误！未定义书签。 3.5.3 Synchronized signal of poses ............................. 错误！未定义书签。 Chapter4 With the design of the data processing unit ..... 错误！未定义书签。 4.1 Digital output standard ................................................ 错误！未定义书签。

4.1.1 IEC60044-8 standards ........................................ 错误！未定义书签。 4.1.2 Merger of the unit of communication ................ 错误！未定义书签。 4.2 The FPGA data receiving module ............................... 错误！未定义书签。

4.2.1 Decoding circuit design ..................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 CRC checking circuit ......................................... 错误！未定义书签。 4.2.3 Data buffer FIFO ............................................... 错误！未定义书签。 4.2.4 Synchronization function module ...................... 错误！未定义书签。 4.2.5 The FPGA and DSP power supply circuit ......... 错误！未定义书签。 4.3 Data processing ............................................................ 错误！未定义书签。

4.3.1 Data cache .......................................................... 错误！未定义书签。 4.3.2 Digital filter ........................................................ 错误！未定义书签。 4.3.3 Root mean square and phase operation .............. 错误！未定义书签。 4.3.4 Phase compensation ........................................... 错误！未定义书签。 4.3.5 Merge unit optical output driver circuit ............. 错误！未定义书签。 4.4 Data output module...................................................... 错误！未定义书签。

4.4.1 IEC61850-September 1 standards...................... 错误！未定义书签。 4.4.2 Hardware design ................................................ 错误！未定义书签。 Chapter5 Data output module software programming ... 错误！未定义书签。 5.1 NIC initialization ......................................................... 错误！未定义书签。 5.2 The data packets sent flow chart .................................. 错误！未定义书签。 5.3 DSP reading and writing .............................................. 错误！未定义书签。 conclusion ............................................................................. 错误！未定义书签。 Acknowledgements .............................................................. 错误！未定义书签。

reference ............................................................................... 错误！未定义书签。

VII

第1章绪论

1.1概述

互感器是电力系统中主要的保护和监控设备之一，随着电力系统向高电压、大容量发展，传统的基于电磁感应原理制成的电磁式电流互感器暴露出来越来越多的问题，这就有力地推动了电子电流互感器(ECT)的研究与应用。电子电流互感器是指利用备有电子器件的光学器件或空心线圈(带有或没有内嵌积分器)或是带有集成负载的铁心线圈的,独立的或配有电子器件的电流一电压转换器。其中利用光学器件对电流传感器的或传输信号的ECT称为光学电流互感器(OCT)。对OCT可有不同的分类方法，按照高压区分工作单元是否需要供电，通常可分为有源型和无源型两大类；按照传感机理和传感头的具体结构,又可分为全光纤型(FOCT),光学玻璃型(BGOCT),混合型(HOCT),磁场传感器型和其他传感机理型。随着光电子和光纤通信的发展，有力的推动了新型光纤电流互感器的研究与应用。与传统的电磁式电流互感器相比,光纤电流互感器有如下优点：不含油,尺寸小,绝缘结构简单,不会有安全隐患[15]；不含铁芯,不会有磁饱和现象；测量带宽和精度高；使用光纤传输信号,可以有效地防止电磁干扰；易于与数字设备连接等。由于光纤电流互感器与传统互感器的输出形式有很大的不同,因此如何选择和设计过程层与间隔层保护测量二次设备之间的接口就成了要解决的关键问题。为此,2002年国际电工委员会第38届技术委员会(IECTC38)专门负责制定了电子式电压、电流互感器制造标准IEC60044-7/8；同时,自2004年开始IECTC57又陆续推出了变电站通信体系和结构IEC61850国际标准协议,该标准面向未来,覆盖了变电站的所有接口,目的是有效地解决不同厂家生产的自动化系统的互操作性和互换性问题。

1.2 背景及意义

随着我国电网容量的不断增大和电压等级的不断提高，传统的电磁式电流互感器暴露出了一系列的缺点，从本身的设计原理来看：

1.绝缘结构复杂，造价随着电压等级的升高而成指数增加； 2.动态测量范围小，带窄；

3.大都依赖绝缘油做绝缘，易燃易爆；

4.由于大容量超高压系统中的短路电流不仅数值很大，而且含有很大的非周期分量容易引起传统电流互感器铁心过度饱和，造成励磁电流增大几十倍至几百倍，从而引起电流互感器二次侧电流数值和波形严重失真，导致系统保护误动作；另一方面从目前间隔层与过程层之间的通讯方式来看，传统互感器采用的是电缆线点对点的连接方式，传送的是模拟量存在着二次接线复杂，维修困难的状况。

鉴于传统互感器所面临的种种问题，电力系统迫切需要能克服上述缺点的新型电流互感器来代替传统的电磁式互感器。随着光纤技术，传感技术和电子技术的发展，光学电流互感器正逐渐成为研究的热点。光学电流互感器是运用了光纤传感技术和电子技术对高压电缆上的电流信号进行测量和传输的新型互感器。它有效解决了传统电流互感器中存在的问题[16]，可满足电力系统计量和继电保护中的应用要求，具有广阔的应用前景。

光学电流互感器的优点在于：

1.优良的绝缘性能，高压低压隔离，绝缘结构简单；

2.不含铁心，无磁饱和，铁磁共振和磁滞效应，暂态响应好，稳定性好； 3.抗电磁干扰性能好，低压侧无开路危险； 4.暂态响应范围大，测量精度高；

5.频率响应范围宽。频率范围受后面的信号处理电路的限制； 6.没有因充油而有易燃易爆的危险；

7.适应了电力计量和保护数字化，微机化，自动化的发展潮流；

光学电流互感器的基本装置与电压等级无关，应用于不同的电压等级时只需改变设置参数和绝缘设施，电压等级的提高不会带来设备费用的大幅增加。现在随着电子技术的发展，光纤电流互感器在整机性能可靠性和使用寿命等多方面都已经超过了传统的电流互感器。

虽然光学电流互感器有很多优点，但仍存在许多问题值得研究和改进，其中有全光纤型电流互感器的固有双折射难以处理。普通硅光纤的维尔德常数较小，光线固有双折射会倾向于淹没法拉第旋转角。增加传感光纤圈数可以提高灵敏度，但同时也会增加本征双折射和弯曲引起的线性双折射，所以就起不到增加灵敏度的效果。光纤的固有双折射和维尔德常数海域温度有关，这样就更难于控制互感器的精度。全光纤互感器自被提出近30年来，一直围绕这固有双折射和温度稳定性的问题进行研究。

1.3 国内外光学电流互感器的发展状况

1.3.1 国外发展情况

国外对光学电流互感器的研究于20世纪60年代开始，到了80-90年代，已经进入实用化和产品化的阶段，到目前大约有2000多台光纤电流互感器在挂网运运行。在这方面技术的研究中美国比较领先。

美国五大电气公司各自在1982年左右成立了光学电流互感器专题研究小组在1986-1988年实现了161kV独立式光纤电流互感器，1987年161kV的以继电保护为主的以及1989年5月-1992年的345kV,20-2000A,0.3级计量与保护的光纤电流器的挂网运行成功,其中最具代表性的是：1986年美国的田纳西州流域电力管理局在其所属的Chkamauga水坝电力编组站安装了第一台单相,高电压光学计量用的电流互感器,可靠运行两年多后拆除。西州电力流域管理局在1987年第二次安装的光学计量系统是在其所属的Moccassin电站完成的,与1986年相比,扩展为三相计量。经过六个多月的测量千瓦小时,全光学计量系统和传统互感器系统比

较,相差不到1%。西州电力流域管理局在它所属的Oglethorpe电站和石化燃烧站之间的电力编组站安装了第一个以光学电流互感器为基础的继电保护系统,到1990年9月报导之日为止,比较的结果是令人鼓舞的。仅在1990年7月8日一天,光学电流互感器系统就正确地响应了由于雷暴雨而引起的6个故障

[17]

。1991年6

月,ABB电力T&D有限公司公布了用于计量和继电保护用的345kV电站的光学电流测量系统,并在运行四个月之后,与标准CT比较所展现出来的仅是0.4%的误差。

日本也早在1981年起组织了五大电气公司对光学电流互感器理论,材料,性能等进行了研究。要求达到的l级,O.5级及零序保护级,以组合式为主,独立式为辅,现已基本达到研究目标。1996年,日本日立公司电力工业系统研究开发小组,使用了块状玻璃OCS,用于400MW抽水蓄能电站,额定电流8000A。1997年,该公司成功地开发出115kV、550kV、2000A组合式光电传感器和69kV、765kV、2000A组合式光电传感器。如今,日本研制出了用于6.6kv传输线谐波分析的OCS[18]。欧洲方面,英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感器的研究,德国著名的传感器公司也在和德国大学联合开发无源式和有源式光电电流互感器。

欧洲方面,英国利物浦大学电机系也在进行混合式光电电流互感器的研究,德国著名的传感器公司也在和德国大学联合开发无源式和有源式光电电流互感器。

1991年6月ABB电力T&D有限公司公布了用于计量和继电保护用的345kV电站的OCT系统,并在运行四个月后,与标准CT相比较误差仅为0.4％。1994年,ABB公司又推出了有源光电式电流互感器,电压等级为72.5kV-765KV,额定电流为600-6000A。3M公司在1996年开发出用于138kV的全光纤电流测量模块,据称可用于500kV电压等级。

在光CT的研究上前苏联也有较大进展。1973年苏联直流科学研究院与列宁格勒电器制造联合公司制造了750kV的频率脉冲调制式OCT,其被测电流的额定值为2000A,可提供一个测量仪表通道和三个继电保护通道。

1.3.2 国内发展情况

我国OCT,OVT的研究始于七十年代,以1982年在上海召开的激光工业应用座谈会为起步,主要研究单位有电子部26所和34所,清华大学,电力科学研究院,陕西电力局中心试验所,上海互感器厂,北方交通大学,华中科技大学等。南开大学在利用干涉原理测电压和利用布拉格光栅测电流也做了深入研究，燕山大学曾在国内首次提出利用差分式Sagnac干涉原理测高压母线电流，并在原机械工业部基金赞助下完成了样机的试制。由于差分式Sagnac干涉仪对由温度产生的热应力和外界震动产生的干扰有自动补偿功能，样机具有很高的稳定性。后来又在河北省重点基金资助下，完成了有源式光学电流互感器的研制。

最早的产品是沈阳变压器厂和四平电业局共同研制的110kV的OCT，并于80年代在四平电业局挂网试运行。1991年清华大学和中国电力科学研究院共同研制的110kV的OCT通过国家鉴定并挂网试运行。1993年华中理工大学与广东新会供电局合作研制110 kV的OCT在广东省新会供电局大泽变电站挂网运行，并在1994年通过原电力部鉴定，额定电流为100-300A，精度为O.3％。

现在我国的电力行业和部分高校正在加快这方面的研究工作，并已进入实用化阶段，将形成一个新的产业。

第2章光学电流互感器传感部分的设计

2.1 传感基本原理

2.1.1 光的偏振特性

光是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的，光波为横波，具有偏振特性，有偏振光，非偏振光，部分偏振光。偏振光是指光波电矢量方向按一定的规律变化，矢量端点在空间有规则的轨迹的光。非偏振光是光波的电矢量方向在空间没有规则的轨迹不显示任何方向的光。部分偏振光世介于两者之间的光，用检偏器去检验这种光，随着检偏器角度的变化透射光的强度成交替性变化，最小透射强度不会为零，可以看作是偏振光与非偏振光的叠加。假设光沿X方向传播，因为光波是横波所以Ez=0，偏振光电矢量的大小可用Y,Z轴上的两个分量来表示的合成来表示。

EEyiEzj (2-1)

2EyEymaxcostzy式（2-2）

2EzEzmaxcostzz式中，ω—光的角频率；λ—光波长；Eymax，Ezmax分别为Y，Z方向上的最大振幅；y，z分别为X,Y分量的相位。

当Ey，Ez的相位差为0或者π时为线偏振光，当相位差为π/2或-π/2且

Ey=Ez时为圆偏振光，如果Ez比Ey引前称为左圆偏振光，反之称为右圆偏振

光，相位差为任意值并且两个分量不相等的时候为椭圆偏振光，椭圆偏振光的参数包括椭圆度，方位角和旋向。

2.1.2 法拉第效应

1845年，法拉第发现磁场作用于玻璃时，当一束线偏振光沿磁场方向通过玻璃时，其偏振面发生了旋转[19]，法拉第效应告诉我们线偏光振动平面的旋转角大小与磁场强度及光与磁场相互作用的距离成正比。即

L FV0HdL (2-3)

0式中，V0—透明介质的磁光旋转率，F—偏振面旋转的角度，L—通过的路径，H—北侧电流在dl产生的磁场。

安培定律讲了电流与该电流产生的磁场的一圈环路积分之间的关系 HdLIiN I (2-4)

LNi式中，Ni是导线的根数，I是每根导线通过的电流强度，假设只有一根导线，对于环绕N圈的光纤的闭合回路，法拉第效应表示为，

L FV0HdLv0N0N1HdL (2-5)

再结合安培定律有

FV0NI (2-6)

由此可知，通过光纤的线偏光振动平面的偏转角的大小，与光纤环路的匝数及通过导线的电流强度成正比。这就是法拉第效应光纤电流互感器的基本工作原理，法拉第磁光效应。

2.2 光学互感器光路设计

传感基本原理讲完了，接下来是传感光路的设计，图2-1为传感光路的示意图。

光源隔离器耦合器起偏器相位调制器λ/4波片导线传感光纤光电探测器反光镜信号处理器信号采集图2-1 传感部分结构原理图

反射结构的全光纤电流互感器。起偏器的方向相对于双折射光纤的双折射轴x和y成45度角。因此，两束正交的线偏振光传向传感线圈。在进入到传感线圈前，由作为延迟器的光纤λ/4波片转变为左旋和右旋的圆偏振光。在线圈尾端，圆偏振光被反射后第二次通过线圈。通过反射，偏振方向转换，例如左旋变右旋反之亦然。λ/4波片延迟器再将返回的光转变为正交线偏振光。相比于传过来了线偏振光，新的偏振方向也交换了，例如沿着X和Y轴的前向偏振变为沿着X和Y的反向偏振。最终，两束正交光在光纤偏振器出发生干涉。作为偏振交换的结果，光路径上的干扰相互抵消为0。电流引起的非互易相位跳变在Sagnac反射型中加倍。

r4F （2-7） F是给出的v0NI，v0是熔融硅光纤的维尔德常数，N是光纤的圈数，I是电流。

2.3 光学互感器光路的工作过程

2.3.1 传感部分主要元件的选择

1.光源

在光纤电流互感器中光源有很重要的作用，互感器光源有几个很重要的特性。

(1)辐射的几何特性。

光源有一定的输出功率，也就是说送入传感部分的光通量的最大值，这个量的大小与光源的波长和入射光纤的光通量的综合作用，光纤的光通量与纤芯面积和光纤的数值孔径有关，就是与光纤的几何特性有关传输。

(2)频谱特性。主要体现为中心波长，频谱宽度。中心波长应选在光纤的低损耗传输窗口，使传输损耗最小，光谱宽度由带宽决定。光谱的噪声电平也很重要，光源的最低噪声电平有散粒噪声决定，在许多光源中供给光源的电源都包含噪声，经过光电转化后电噪声变成光噪声。光源内还有谐振效应，在一些频率上产生附加频率噪声，震荡媒质结构的不规则会引起不规则的光产生，造成光源的不稳定，导致实际噪声会更大，相干性对于光源来说是一个关键参数，相干性对于干涉仪的使用有较大影响。

(3)电光转换特性。光源的电源对光的输出有影响，是多方面的。输出光功率的大小随着激励电源的增加而增加，同时器件的温度也随着升高，这就使许多光电变换器的输出功率比恒温时要低，而且光的频率也会发生变化，所以输出强度和频率都是电源的函数。

(4)环境特性。

大多数半导体光源随着使用时间的增长光输出功率开始劣化，并且受温度的影响很大，对于光源的失效机理很多人还不太清楚，在光源的设计中光源的

[20]

，对光纤系统来说

高亮度光源是很重要的，在实际中特别注意光纤的几何特性，以实现最佳功率

亮度，光谱特性，电光转换特性之间的关系需要考虑，要求光源有足够大的功率，以保证传输中光的质量，确保足够大的信噪比，此外光源的稳定性，可靠性，使用寿命，几何尺寸价格等要考虑。

光源的性能直接影响到光纤传感器的质量，常用的光源有白炽灯，激光器，半导体光源，适合用作光源的是半导体光源，半导体光源利用PN结把电能转换为光能的器件，具有体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，寿命长的特点，与光纤兼容性很好，半导体光源分为半导体发光二极管，半导体激光二极管，半导体激光二极管存在着一些缺点，如温度特性较差，工作一段时间后会退化影响稳定性和寿命，易损坏，寿命短，价格比较高，而发光二极管的寿命较长，而且输出光功率-电流特性线性非常好，使用简单。

因此，这里用惠普公司的HFBR1414型LED，发射功率高，带有AT推荐的ST插座，可通过ST连接器与多模光纤相连。 2. λ/4波片

波片的作用主要是改变光的偏振态，实现线偏振光与圆偏振光之间的转换，光纤λ/4波片是通过取1/4拍长的双折射光纤和传输光纤的光轴成45°做成的。在光纤电流互感器中偏振光在保偏光纤中传输受双折射的影响，会产生相位延迟，当入射光为线偏振光时，偏振光的偏振态变化为；线偏振光-椭圆偏振光-圆偏振光-椭圆偏振光-线偏振光。利用这一特性只要取合适长度的光纤就可以做λ/4波片，当一束线偏振光与与波片的主轴成45°入射时，两个主轴分量就会有一定的相位延迟，理想情况下相位延迟为90°就是圆偏振光。因为包括λ/4在内的光纤传感环是放在室外的，温度变化较大而且处在高压区，不能采取恒温措施，如果随着温度的变化相位延迟也较大[21]，那么系统的精度会受影响，因此选择温度特性较好的几何双折射光纤λ/4波片以提高系统的精度。 3.相位调制器

相位调制是光调制的一种，调至的是光波的相位，频率，振幅，偏振态和波长，以达到传递信息信号的目的，常用的是光纤相位调制，光纤本身属玻璃需用机械方法改变光纤的折射率，长度及一些物理参数，但是在光纤内直接调

制光信号消除了光的耦合，减少器件的插入损耗，易于连接，便于实现，价格低等优点。 4.传感光纤

传感光纤也是光纤电流互感器重要的组成部分，传感光纤的线性双折射会使得整个传感系统的相位噪声增加，影响测量的精确度，近年来主要采用扭转，退火，拉丝的方法来制作传感头的传感光纤。扭转光纤可以减小光纤内剩余应力引起的内在的线性双折射，退火光纤可以减小由于弯曲导致的线性双折射可以将两种方法结合起来，将扭转光纤经过退火处理制作的传感头，拉丝光纤这种光纤在生产的时候早期采用光纤旋转，为了形成超低双折射而抗弯曲，因此传感光纤要采用能够抗弯曲，抗温度变化的圆保偏光纤，

拉丝光纤的制作成本很高而且制作困难，所以本系统的采用扭转光纤为传感光纤，加工成本低，制造工艺简单，将一根普通的单模光纤用外力加以旋转，在力的作用下纤芯中产生的切向应力能部分消除由于制造工艺不均匀而引起的线性双折射，是的扭转光纤具有弱圆双折射特性扭转光纤的扭转率为： N为扭转圈数，扭转切应变力产生的圆形双折射率n与扭转率α成正比，表示为：

2n0 nP1P2zN9a (2-9)

2其中n0为纤芯的折射率，p1和p2为扭转时两个相反方向上的光弹系数，若扭转光

a2N弧度∕m (2-8)

纤以具有线性双折射率A，在扭转圈数很少的情况下线性双折射起主要作用，在扭转全数不是很多的时候大约是n等于A的时候，光纤中线性双折射和圆双折射共同作用成椭圆双折射，光的偏振态变为椭圆偏振态，偏振规律是很复杂的，在扭转圈数多的情况下，有扭转产生的折射率起主要作用，原有的线性双折射率近乎不起作用，此时光纤对入射的线偏振光具有偏振面旋转的作用与旋光物质的作用类似，不同的扭转光纤有不同的光纤磁光系数，是物质特性常数且与波长有关，是能充分反映光学电流互感器传感环性能的重要参数，在法拉第效应下要求材料经可能的降低双折射和尽可能的长度[22]，如果在光纤上绕S圈通电

线圈，则：

FV0NSI (2-10)

可以看出增加光线圈数和导线的缠绕圈数可以增加旋转角从而提高心痛的灵敏度。

5.光电探测器

光电探测器是以很重要的部分，特的性能指标直接影响着传感器的性能，光电探测器的作用是将光纤传来的光信号转变成电信号，实现光电转化的原理为光电效应，就是物质在光的作用下释放出电子的现象，光子打在物质表面上光子的能量被电子吸收之后改变了电子的运动规律，电子发生了跃迁运动，处于低能级的电子受激励后克服阻力脱离物质表面发生的光电效应为外光电效应，也有物质在受激励后本身的电阻发生改变称为内光电效应。

光电管和光电倍增管就是利用外光电效应原理，外光电效应的电子逸出功表达式为：

12mvhVPa (2-11) 2其中m—为电子质量，v—为逸出电子的速度，h—普朗克常数，V—为入射光的频率，pa为逸出功，产生电子的能量与光强度无关与光的频率有关，当产生电子的动能为零时对应的光子频率为：

vaPa∕h (2-12)

波长为：

achPa (2-13)

C为真空中的光速，a产生外光电效应的最大波长。

内光电效应包括广电导效应，光生伏特效应，光导管和光敏电阻是基于光导效应的光电探测器，光电池和光电二极管是利用光生伏特效应的光电探测器，这里采用的是PIN光电二极管，，对于光电系统的光电探测器系统要求其响应时间

小于10-8s，这样PN型光电二极管就不满足要求，PN的响应时间为10-7s，PIN光电二极管是在PN光电二极管基础上使N区与P区之间隔了一层本征层，改善了特性，相对N区和P区来说本征层为高阻层，外加反向电压降大部分在这里，使耗尽区加宽，增加了光电转换的有效工作区，提高了器件的灵敏度，是击穿电压不受基体材料的限制，这样光电转换主要发生在本征层和一定的扩展长度内，本征层工作在反向可以对少数电子起到加速的作用，PIN光电二极管通常工作在较高的反向电压下，它的耗尽区非常的宽，结电容很小，响应时间很短。 6.耦合器

光纤耦合器的主要功能是分光，其原理是将耦合区的光波分成两个模态的光波，对称模态和反对称模态，这两种模态的光在光纤中的传播速度有差异从而达到分光的效果，分光的效果与耦合区的长度有关，

用熔融拉锥的技术制造光耦合器是将两端剥出包层的光纤平行的贴在一起，再对耦合区加热并在光纤的一头输入光源，同时另外两端进行耦合监控，在拉伸的时候要用高精度的拉伸控制器来控制耦合区的长度，达到要求后停止加热，在两条光纤熔烧的过程中一条纤芯的模态能从纤芯跳到另外一个纤芯，在另一根光纤纤芯内传播，纤芯的功率有包层模态的相对位置决定的，光纤元器件的光纤结构不会想起他结构那样有界面或不连续的情况出现部传输的时候不会有太多的损失。 7.起偏器

偏振器在光路中起起偏和检偏的作用，用来产生和检测线偏振光，偏振器的性能主要取决于消光比，最大孔径，以及光的吸收性，选偏振器应选择通光孔径大于光束的直径，而且具有高消比和透过率。

这里起偏器采用了泰勒棱镜，消光比为10-5，透光性好，波长为定性好，易于调整。

[23]

，使光在内

2.3.2 偏振态转化过程

保偏耦合器A保偏耦合器B45度旋光器隔离器偏振器波片波片光源接收单元模拟输出传感光纤导线波片延迟线偏振分离器反射镜图2-2 偏振态转化过程图

光在整个系统中的偏振态变化过程为：由光源发出的光先经过隔离器再经过耦合器后由偏振器起偏，形成线偏振光。线偏振光由2x2保偏光纤耦合器平均分为两束。当两束沿Y方向的偏振光进入相位调制器后，其中的一路经过首先通过λ/4波片后变为圆偏振光，再由旋光器将圆偏振光的偏振面旋转了45°，因为是圆偏振光，所以当它的偏振面旋转了45°的同时它的相位也变化了45°，最后再由λ/4波片恢复为Y方向上的线偏振光。另一路光直接通过90°焊接(快轴对慢轴，慢轴对快轴的焊接)的传输光纤后，偏振面旋转了90°，变为沿X方向的线偏振光，相位不变。这样，两束光相互正交并且有了45°的相位差。当这两束正交模式的光耦合成一路后由保偏光纤传输线送入λ/4波片，通过λ/4波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。在传定的偏转角，对于圆偏振光来讲此偏转角就是相位角，所以在传输电流作用下这两束圆偏振光产生相应的相位变化。经由传感光纤端面的镜面反射后，两束圆偏振光的偏振模式互

换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)[24]，再次通过传感光纤，并再次和电流产生的磁场相互作用，使产生的相位变化加倍。这两束光再次通过λ/4波片后，恢复为线偏振光，并且X方向入射的线偏振光变成了Y方向的线偏振光，而Y方向入射的线偏振光变成了X方向的线偏振光。这两束正交模式的光再由偏振分离器分为两路后再次通过相位调制器。这时，原来经过45°相位调制的线偏振光(即原来沿Y方向，现在变成了沿X方向的线偏振光)直接通过90°焊接后重新变为沿Y方向的线偏振光。而另一路没有经过相位调制的光(即原来沿X方向，现在变成了沿Y方向的线偏振光)通过λ/4波片和旋光器的组合，受到反向45°的调制，这样两束一来一回就受到了90°的相位调制，从而使系统处在最灵敏的工作点。然后经过偏振器后，X和Y方向的偏振光分别只剩下与起偏器相同方向的分量，它们进行干涉后使得由于法拉第效应产生的光波相位的变化转变成为光强度变化的信息，而这个信息就表示了被测电流的大小。最后，携带该信息的光由耦合器耦合输出进入光电探测器。

Y圆偏振光YnyYnxXX（传播方向）Z线偏振光45°X

图2-3 线偏振光通过波片变成圆偏振光的示意图

光源Y起偏耦合Xλ/4波片 45°旋光λ/4波片 90°旋光λ/4波片镀膜反射λ/4波片λ/4波片 45°旋光λ/4波片 90°旋光

图2-4 偏振态变化过程图

2.3.3 接收单元电路的设计

接收单元由光电二极管和运放组成,图为接收单元电路，该光检测电路是有放大器A,B和反馈电阻RF和反馈电容CF组成，其交流输出电压为

U=SPRF （2-14）

其中S为光电二极管灵敏度，P为入射光功率，在检测弱光信号时，为提高增益RF尽量取的大一些，放大器的输入偏置电流和输入偏置电压对输出的电压影响分别为

IRF

V(1+RF/RS) (2-15)

RS为光电二极管内阻，由公式可以看出减小FRY可以减小以上的影响，但是同时会减小电路的增益，解决这个问题只好选用偏置电流和失调电压均很低的运算放大器，这里选用的OPA111型的高精度运算放大器，其偏置电流约为0.8pA，输入失调电压约为100μV，经计算RF在几百MΩ时上述影响可忽略，提高了精确度。

A光纤耦合器输出光B光纤耦合器输出光CFRF-+光电二极管CFRF-+光电二极管BA+-交流输出CC

图2-5 光接受单元电路

光信号经过光电二极管转化为电信号后经运算放大器放大，对输出的电流信号进行检测并进行处理之后可以得到被测电流的大小。

2.3.4 光源驱动电路的设计

图为光源的驱动电路，驱动电路中利用稳压管Dz在反向工作状态时的稳压特性来稳定运算放大器的反相输入端电压，图中Ra主要用来为稳压管分压，Fry是运放的平衡电阻，Rh,Rc及可调电阻Rb和二极管D组成了一个温度漂移的补偿电路，该电路利用二极管PN结正向压降的负温度系数(约-2mv/℃)，来补偿驱动电路的温度漂移，由电工学知识可得：

U0ReRdI21Uz (2-16) I3由式(2-16)可以看出，只要适当的调节使Uo与Uz成线性关系，当Uo恒定时，三极管的集电极就会产生恒定的电流，从而是LED稳定的发光，在实际的应用过程中，环境的温度变化会影响运算放大器的输出电流和三极管集电极电流变大，导致LED发光变强，由于电路采用了温度补偿电路，当温度升高时，式(2-16)中I2变小使输出电压Uo变小，这样就减小了温度变化对电路的影响，使LED发光对温度的变化不敏感，可通过调节Rb来控制补偿的程度。当Uo恒定时，三极管集电极会产生恒定电流，只要调试得当电路的工作非常的稳定，满足LED发光稳定的要求，LED驱动电流表示为; I1U0UBE (2-17)

Rg1VccHFBR1414LEDDRbRcI2Re-+UoT1I3光功率-15.8dBmI1RhRaRdDzUzRfRg

图2-6 光源驱动电路

式中UBE为基极与发射极间的电压，β为三极管的放大倍数。HFBR是高功率，高

稳定性的光发射机，具有ST,SMA,SC,FC四种连接头可选，工作波长820nm，满足协议的标准，他的高耦合效率可以在很低的驱动电流下正常工作，在60mA直流驱动时，耦合进光纤的功率可达到-15.8dBm，适合中长距离传输。

第3章数据采集系统设计

高压侧数据采集系统式互感器数字接口的一个部分，主要对传感元件输出的电流，电压信号同步采样并对型号编码成光信号进行传输。根据硬件电路功能的不同可分为信号处理电路，FPGA采样逻辑控制，编码电路两个部分。数据采集需要合并单元的同步信号控制。

同步采样信号信号处理电路FPGA采样控制编码电路模拟信号输入A/D转换电路电光转换

图3-1 数据采集框图

3.1 信号处理电路

3.1.1 滤波电路

为了提高测量的精度，消除噪声的影响，需要对测量的输入信号滤波。

常用的低通滤波器有巴特沃斯滤波器，车比雪夫滤波器，贝塞尔滤波器。巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带内有最大的平坦度，但通带到阻带的衰减较慢，

车比雪夫滤波器能迅速衰减，但误差值在通带内波纹性变化，贝塞尔滤波器只满足相频特性，而不考虑幅频特性，可得到相位失真较小的波形。所选滤波器的阶数不宜太高，容易导致电流电压通道的移相误差变大。设计中采用的是巴特沃斯二阶低通滤波器。

c2R1R2Vi+V0c1-R4R3 图3-2 滤波电路

滤波电路的传递函数为：

Asv2bsAoHvA0A0 iss2H2Q2HssBs1HQHH1RC Q13A vF 20

(3-1) (3-2)

(3-3)

R4 (3-4)R3

A0令Ss ∕H 则Asss21QAvFA01 (3-5)

由二阶巴特沃斯多项式Bs12ss2 (3-6)

可得Q1即R3开路得到单位增益的低通滤波器， ∕2 R4=0,同时令R3等于无穷，

由于50HZ的干扰信号较强，故采用电通滤波器滤除30HZ以上的信号，这样就能消除30HZ以上信号的干扰，所以有滤波范围可得C1=0.22μf，C2=0.1μF，可解得R1=7860Ω,R2=14648Ω,对电阻取标称值，所以滤波器的参数为C1=0.22μF，C2=0.1μf,R1=7860Ω,R2=14648Ω.

3.1.2 积分电路

模拟积分器主要有高性能的运算放大器构建，常用的积分器电路。

CR-Es+E0

图3-3理想积分器 21

积分器的时域表达式为：e0t1esdt； (3-7) RCe0j1频域变换：Hj； (3-8) eSjjRC得幅频特性，相频特性分别为：A20LgRC20Lg (3-9)

Ð1090 (3-10) j理想积分器是有条件的，1.开环增益无限大 2.输入阻抗无限大 3.输出阻抗为零 4.输入失调电压和输入失调电流为零 5.共模抑制比无限大 6.带宽无限大实际上各种原因不能实现积分功能。改进积分器电路原理图。

R2CR1-Es+E0

图3-4 改进积分器

改进积分器采用直流反馈稳定其工作点，就是在积分电路上并联一个放电电阻R2，R2为缓慢变化的积分漂移电压构成了反馈通路，有效的抑制了积分漂移，R2通常取的很大。改进积分器的传递函数

e0R111 (3-11) 2esR11R2Cs1RCs由传递函数可以看出，电路的幅频特性特点是幅值变化与频率成反比，电路对

低频信号的放大是工频信号的很多倍，因此易受低频信号的影响。

在设计积分电路时，希望积分器在整个低频段的增益都很少，并且能够起到相位补偿的作用，因此，新型积分电路是很好的选择。

R4R3-IUiR1R2U0+C1C

图3-5 新型积分器

2U00积分电路的传递函数； (3-12) k22UiSa0s0kR3R40 ；

R3R4∕R3R1cR2c1R1c1；1 ； a (3-13)

R1R2C1C0R1R2c1c改变0的大小，积分电路就可以改变工频输入，输出信号间的夹角，即完成积分移相功能。在调节电路元件参数是要考虑其对0的影响大小，也要考虑对a的影响。设计时应根据具体情况灵活选取电路元件参数。

3.1.3 A/D转换电路

A/D转换电路是数据采集系统的重要部分，不同的转换电路原理有很大的差别，性能也差别很大，转换电路的种类非常多，按原理分可以分为：并行比较型，分级流水型，逐次逼近型，积分型，压频转换型术指标：

1. 分辨率模数转换编码位数越多引入的量化误差越小，分辨率越高。 2. 量程能转换的电压的范围。 3. 精度分为绝对精度和相对精度。 4. 输入极性入信号的极性，直流或是交流。

5. 转换时间不同的输入幅度可能引起的转换时间的差异。 6. 功耗不同采样之下的能量消耗。

ADS5102是一种低功耗CMOS工艺的10位模数转换芯片，采用1.8V单电源供电，10位并行输出总线提供三态输出，ADS5102具有灵敏的供电系统，提供了一个省电模式，可以将功耗降低到336µW，使用外部参考电压时内部VREF电路可以断电，常用模式下，ADS5102的微分模拟输入提供了出色的噪音抑制功能和更好的表现性。

ADS5102主要性能特点：

1. 高速性能，转换速率达60Ms/s。

2. 差分输入。

3. 1.8V模数单电源供电。

4. 数字输出与1.8V和3.3V电压匹配。 5. 信噪比为58Db.

6. 伪自由动态范围为71dB。

7. 电源功耗105mW，断电模式下功耗为336µW。

[14]

。模数转换器的主要技

AVDDCLKsTBYDRDDDVDD时序电路AIN+D[0..9]采样保持AIN10位ADC三态输出缓冲OECMNCRBLASNC内部参考电路AGNDPDREFBGREFREFBCMLDRGND

图3-6 ADS5102内部结构图

引脚功能介绍：

AVDD 模拟电源1.8V CLK 时钟输入 AGND 模拟地 DGND 数字地 REFT 基准电压输入（顶） DVDD 数字电源1.8V REFB 基准电压输入（低） DRDD驱动数字电源

CML 共模电平输出，正常情况下为1.0V D[0..9] 数字信号输出 BG 带隙耦合端 DRGND驱动数字地 PDREF 电源参考 AIN+ 差分模拟输入正极 RBIAS 偏执电阻 AIN- 差分模拟输入负极

OE 数据输出使能 NC 空脚 sTBY 电源模式选择

s1Analogs2s3CLK123Td(latency)D[0-9]T(en)Td(o)s1s2tdiss345678910

图3-7 ADS5102工作时序图

ADS5102的传输通道结构分为10级来实现，每一级产生一个数据位，因而能支持更高的转换速率和更低的功耗，既使用时钟的上升沿又使用时钟的下降沿，使信号传播时通过这个传输通道只用半个时钟，即10级一共5个时钟，数字误差修正需要另外半个时钟，因而整个传输通道至延迟了5.5个时钟[11]。

3.2 A/D控制模块的FPGA设计

CLKOEADS5102FPGA同步采样脉冲接受 FPGA Dout数据编码组帧图3-8 ADS5102与FPGA接口电路

采用ALTER公司的ACEX1K系列的FPGA器件做AD采样转换器件。该系列的器件包含一个嵌入式阵列和一个逻辑阵列，嵌入式阵列用来实现存储器和专用逻辑功能，逻辑阵列用来实现对AD的控制。

D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9363534333231302928272625JIN12345THS4501R3R4R51VIN-+52VOCM3VS+4VOUT+R8C2VIN+87C1PD6VS-VOUT5-R6R7NCNCNCAGNDNCBGCMLREFBREFTAGNDAVDD37381.8V39401.8VAVDD41AGND42434445464748DGNDR12NCNCD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9R1R23.3V242322212019181716151413R241.8VDGNDADCLKDRGNDNCDVDDDGNDAVDDAGNDAIN-AIN+AGNDAVDDNCNCADS5102DRVDDNCDVDDDGNDCLKsTBYOEPDREFNCNCRBIASNCR25R11R9R101.8VAVDDC3C4C5C612AGND3456789AGND101112ADS5102R26R131.8VAVDDC7图3-9 ADS5102与FPGA的连接图

3.3 组帧编码模块设计

组帧编码模块主要功能是对采样数据进行组帧和编码，即产生CRC校验码，

对数据帧加上相应的起始和终止位，进行曼彻斯特编码，CRC是线性分组码的一种，编码解码方法简单，检错纠错能力强，是在严密的代数理论基础上建立起来的，CRC检错过程可是在发送端，根据要发送的A位二进制码序列，根据一定的规则产生一个校验用的B位监督码，附在原始信息后边，成了一个新的二进制码序列供A+B位，在发送出去；在接收端根据信息码和监督吗之间遵循的规则进行校验，确定传输是否出错。计算中主要用到两个多项式f(x),g(x),f(x)是一个A-1阶多项式，系数是待发送的A个比特序列；g(x)是一个B阶生成的多项式，由发收双方预先约定，g(x)的选择并不是随意的，用模2除法进行XB*f(x)/g(x)运算，的R(x),该多相式的系数为数据比特序列的CRC校验码，FPGA通常以移位算法来实现CRC的编码，移位算法可以表示成一些异或门和移位器组成的除法电

路，原理简单硬件易于实现，实现起来方便并且迅速[25]。

曼彻斯特编码可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，有利于在接收端提取位同步信号，解决了传输数据没有时钟的问题。其码方式是：将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1 是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。码元0 则正好相反，从低电平变到高电平。编码电路可由一个异或门实现，即将原始的NRZ 码与其位率时钟异或而得。曼码流直接进入E/O 单元，通过光纤发送到低压侧的合并单元[8]。

G1G2G3R0f(X)R1R2R3G7R(X)R7R6G6G5G4R5R4

图3-10 CRC码生成图

为了提高传输效率，采用了常见的CRC-8，图中R0-R7构成了CRC寄存器是一个8位移位寄存器组，用来储存8位CRC校验码，运算控制开关g1„.g7的位置与生成多项式的系数相关，系数1的开关接通反馈之路，否则接地，编码解码前需要清零CRC寄存器。在时钟驱动下待f(x)经运算处理逐位移入CRC寄存器中，CRC寄存器中的值即为生成的CRC码。

3.4 光信号的收发

选用Agilent公司的HFBR1414光信号好发送器和HFBR2416光信号接收器,

以太网控制模块部分光信号收发器用的是HFBR1312,采用MAX3976驱动芯片。与光纤以ST接口连接数据传输速度可到5Mb/s，距离为2000米，误码率为10-9。光信号的传输距离与发送器的驱动电流有关，HFBR是使用的发光二极管完成的电光转换，只要缩短导通时间就能降低发送功耗，也能延长发光器件的使用寿命。光发射机驱动电路的设计。

HFBR1414光信号发送器是使用二极管完成的电光转换，所以必须提供足够的正向驱动电流If，图中串行数据从与非门输入端输入，反向后有三个与非门并联输出，为避免驱动器的电流特性对发光器的开关特性造成影响，给发送器提供

一个外加偏置电压来减小船舶延迟误差，引起的脉宽失真。

+5v4.7μFR5R2串行数据R1R3CR4HFBR1414

图3-11 光发射机驱动电路参数计算公式如下：

R5vccvF3.91vccvF1.6vIF (3-14)

1RR1523.97R2R3R43R11C2000sPFR1 光接收电路的设计

光接收器将接收到的光信号转换成模拟信号，然后进入比较器的两端，经比较后恢复发射时的信号，以相反极性输出。

VCCR8R6R9输出+R1LT1016CS8R5R2HFBRR3R4R7输出-

图3-12 光接收电路

3.5 同步采样

IEC61850-9-1规定了合并单元的时钟要求[15]。

同步信号1同步信号2光学电流互感器A/D合并单元A/D串口线路保护光学电压互感器间隔层控制同步信号2

图3-13 同步采样图

同步信号1是用来控制不同合并单元间同步的外部时钟输入信号，合并单元在收到同步信号1后给各路A/D发送转换同步信号2，同步信号1 是由全球卫星定位系统提供的，具有时间精度高，价格低的优点。

3.5.1 同步信号1的产生

同步信号1是用来同步各不同合并单元的时钟，是的各合并单元的采样节拍相同，时钟输入采用光纤接口，IEC60044-7/8标准对同步信号1做了要求：

1. 时间触发：同步时刻选信号上升沿； 2. 时钟速率：每秒一个脉冲； 3. 触发水平：最大光量的50%；

4. 脉冲宽度大于10μs，脉冲间隔大于500ms； 5. 采用与数据输出相同的光纤连接器。

GPS接收机输出的秒脉冲时钟信号CLKFPGAI/O同步信号电光转换光信号光纤传输

图3-14 同步信号1图

图中，FPGA芯片所接的频率将其进行分频后才能得到周期为1s的频率信号，同时同步信号1好要求脉冲宽度大于10μs脉冲间隔大于500ms，从而确定高电平脉冲宽度是范围是多少个周期。

3.5.2 同步信号2的产生

合并单元有检测同步信号1的合理性的功能，根据IEC60044-8合并单元正确识别同步信号1有两个依据：1）相邻脉冲上升沿间隔为1s，当相邻脉冲上升沿时间间隔大于10μs的时候判定同步信号1输入异常。2）脉冲宽度大于10μs脉冲间隔大于500ms，当测量到脉冲宽度小于10μs，或脉冲间隔小于500ms时认为同步信号1输入异常。FPGA识别信号1的过程：1）初始状态计数器清零，检测同步信号1的上升沿是否到来，如果有上升沿进入下一步骤，2）

计数器开始计数，测量同步信号1的宽度，当测的脉冲宽度大于10μs且间隔脉冲大于500ms时进入下一步骤，相反的化则返回步骤1，3）计数器清零，检测同步信号1是否到来，如果有上升沿进入步骤4如果在1s之后未检测到上升沿，就发送同步信号1异常信号，返回步骤1，4）计数器开始计数，当1s后再次检测到同步信号1的上升沿时进入步骤5，同时发送同步信号1正常信号，相反发送异常信号并且返回步骤1，5）测量脉冲宽度是否大于10μs，脉冲间隔是否大于500ms，脉冲周期是否为1s，如果同时满足则同步信号1正常，否则异常发送异常信号。合并单元接到同步信号1之后，就准备向高压侧各路A/D发送同步信号2，理想情况下合并单元是按照采样间隔信号发送同步信号2，高压侧数据采集器接收

同步信号2后才会向各路A/D发出信号采集命令，避免可能出现的干扰脉冲对同步采样的影响，但是由于误差的存在，同步信号2不能做到等时间间隔发送，随着时间推移不同信号2之间的误差会变大，这是同步信号起到了作用，同步信号1的周期是1s因此不同的合并单元每个1s会被强制同步一次，而使同步信号2的误差变小。

3.5.3 同步信号异常时的动作

合并单元在检测同步信号1的时候如果发现丢失或异常，会立即通知二次侧设备及高压数据采集器，使二次设备继续实时跟踪同步信号1判断其是否恢复正常，若发现已恢复正常会及时发送恢复正常标致信号。

在发送同步信号2的时候当高压侧数据采集器中的控制电路检测到同步信号2异常，会及时相低压测合并单元报警，并告知此次采样无效，合并单元将从新发送同步信号2，等待下一轮的采样数据。

第4章数据处理合并单元的设计

4.1 数字输出标准

4.1.1 IEC60044-8标准

IEC60044-8国际电工委员会为电子式电流互感器专门制定的一个标准。该标准不但对电子式电流传感器的各个部分，包括传感头，合并单元与二次设备之间的通讯等都作了详细的规定，而且还对电子式电流互感器的使用环境，测量精度，绝缘水平，电磁兼容，信噪比，耐热性，过电压能力，可靠性，装置接地和机械特性等方面做出了明确的规定。根据标准，在对数字接口的设计中，物理层应采用曼码编码方案，并通过基于光纤或铜缆的传输系统来实现物理连接。通讯时，使用插值计算法或同步脉冲法得到输出信号，按照IEC60870-5-1规定的FT3数据帧格式封装，实现数据传输[10]。

IEC60044-8允许电子式互感器选择模拟或数字输出，但数字信号是主要输出形式，这也符合现代化变电站的发展需要。在这一标准在中首次提出合并单元的定义，标准中以合并单元的方式实现互感器与二次设备的连接，将所有测量量转换为数字量串行输出。 (1) 物理层

合并单元到二次设备的输出可以有数字光信号和电信号，对应的传输介质也有光纤或铜线两种。数字电输出是以铜线为基础的传输系统，系统必须与EIARS-485标准兼容。标准中建议使用D性9帧连接器，屏蔽双绞线电缆，长度为250米。也可以使用带屏蔽的RJ-45连接器代替。数字光输出和数字电输出在链路层和应用层的规定上是完全一致的，不同的只是物理层的传输介质。光纤连接器采用BFOC/2-5，近距离传输可采用塑料光纤，远距离可使用玻璃光纤。标准传输采用通用帧格式，速率2.5Mbps，采用曼彻斯特编码，最高有效位先送。

(2) 链路层

链路层采用IEC60870-5-1规定的FT3帧格式。这类帧的优点是数据完整性好，可用于高速多支路同步数据链。连接服务类是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。传输规则：

规则1—行空位是二进制1。两帧之间按曼彻斯特编码连续传输此值，为了使接收器的时钟易同步，由此提高通讯链接的可靠性，两帧之间应传输最少70个空位比特。

规则2—帧的最初两个八位字节代表起始符。

规则3—16字节的数据码后跟一个16位的校验序列，如果所分的字节数有空余，必须用填充字节把帧填满，填充字节为00000000。

规则4—校验序列建立一个多项式生成码： X16+X13+X12+X11+X10+X8+X6+X5+X2+1

规则5—接收器检验信号品质，起始符，各校验序列和帧长度。如果这些校验中任一项有误，该帧将废弃，否则交给用户。

表4-1 FT3 帧结构

字节 1-2 起始字节字节 3-18 用户数据1 字节 19-20 核对序列1 字节 21-36 用户数据2 字节 37-38 核对序列2 字节 39-54 用户数据3 字节 55-56 核对序列3

(3)应用层

在应用层规定中对模块数，模块长度，数据组数目，数据集识符，额定电流，额定电压，额定延时，各相测量保护的数据以及状态值等各项参数都有明确规定。在表中列出了通用数据帧的格式，其中的用户数据1，2，3即为FT3帧中的用户数据序列，也就是说将上表中FT3帧中的3个用户数据细化，即得到表中得内容。从表中可以看到，每帧数据由2个状态字，每个状态字占用2个字节，

表3.3分别注释了状态字得每一位的意义。若互感器故障，则相应的无效和维修请求标志要置位。在应用层设计时必须按照标准的规定，将数据整理成规约所规定的帧格式，再经过链路层设计最后送二次设备处理。

表4-2 数据帧内容表

字节 1-2 3-4 5 6 7-8 9-10 11-12 13-14 15-16 一般数据表头块1 数据集1 模块数模块长度数据组数据集识别符源标识符额定相电流额定相电压额定延时时间数据集2 保护A相电流保护B相电流保护C相电流中性点电流测量A相电流测量B相电流 A相电压备用数据集3 B相电压 C相电压中性点电压母线电压状态字状态字计数器备用备用额定中性点电流测量C相电流表4-3 状态字表位 0 1 2 3 4 计量单元同步方法同步计量单元 0：无插入的数据置位法 1：有插入法 0：时间同步 1：同步丢失 5-7 A.C相电流数据 0：正常 B保护

状态字1定义维护要求(MR) 测试状态位启动期间的数据有效性状态字1备注 0：无需维护 1：需要维护 0：正常运行 1：测试状态字2定义状态字2备注 A相电压数据 B相电压数据 0：正常 1：无效 0：正常 1：无效 0：正常 1：无效中性点电压数据总线电压数据 0：正常 1：无效 0：正常 1：无效 0：正常运行有效 1：启动期间无效 C相电压 1：无效 36

8 9-11 12 13-15 中性点电流数据 B测量 TA输出类型备用 0：正常 1：无效 1：无效 0：i(t) 1:di/dt A.C相电流数据 0：正常备用

物理层的合并单元与二次设备之间可以用光纤传输连接也可以用铜线传输连接，在物理电路上的数据传输编码方式采用曼码编码，先传最高有效位[12]。

要传输的NRZ码信号10110高电平曼码编码后信号低电平400ns200ns400ns400ns400ns200ns

图4-1 曼码编码原理图

上升沿为高电平，下降沿为低电平，曼码传输能够有效的提高数据的准确度。链路层采用基于ISO/IEC802-3协议，以太网物理层传输帧为： PR 56b SD 8b DA 48b SA 48b TPID 16b TCI 16b TYPE 16b PDU 64b

APDU 584b FCS 32b

PR:前导同步码，用于收发双方的时钟同步，是56位的二进制数。 SD:帧首界定符，是8位的10101011二进制数，后两位是11表示跟随的是真正的数据。

DA:目的地址，标准建议默认值为广播地址，即16进制的FFFFFFFFFFFF，48位。

SA:源地址，可以自己定义，但在局域网内应为唯一的标志，48位。 TPID:协议检验标志，16位。 TCI:控制信息标志，16位。 TYPE:帧的数据类型，16位。 PDU:协议数据单元，64位。

APDU:应用协议数据单元，由应用协议控制信息和应用服务数据单元组成，应用服务数据单元分通用数据段和状态标致数据段，通用数据段采用IEC60044-8定义的一般帧的内容。 FCS:32位数据校验位。

IEC61850-9-1描述的应用层信息交换是通过应用服务数据单元实现的，是基于严格规定的标准化传输应用。

4.1.2 合并单元的通信

变电站自动化系统各层之间的数据交换量非常大，IEC61850标准定义的间隔层和过程层需要交换的数据有互感器的电流，电压采样实时数据，对设备的控制命令，对设备的监测和诊断数据等，这两层之间的数据通信频繁，每次传送的报文短，而通信量大，而且对实时性要求很严格。因此，电子式互感器与测量，保护设备的通信接口设计必须满足实时性要求[7]。

合并单元作为电子式互感器的数字输出接口的重要部分具有以下几个重要特

点：

(1) 同时处理的任务多合并单元需同时接收各自独立的多路数据，并对各路数据在传输过程中是否发生畸变进行检验，以防止提供错误数据给保护，测控设备。

(2) 高可靠性和强实时性合并单元所接收的电流，电压信息是保护动作判据需要的信息，接口通信处理时间的快慢将直接影响到保护的动作时间。此数据通信位于开关附近，故对其抗干扰性要求很高，需保证数据安全可靠地传输给保护等设备。

(3) 通信信息流量大合并单元需要采集三相电流，电压信息，电流信息又分保护和测量两种，这些信息均是周期性的，接口通信流量较大。在对采样率要求较高的线路差动保护和计量等应用中，通信流量会更大。

(4) 通信速度较高由于接口的通信环境恶劣，故合并单元与各路数据通信一般采用光纤通信，选择串行通信的方式更为合理，这就对通信速度提出了较高的要求。

合并单元的功能要求：

(1) 能够实时接收从高压侧数据采集系统传送的采样数据并对其进行相应的处理。

(2) 能够接收站端同步时钟输入信号从而向高压侧各路A/D发送同步转换信号。

(3) 接收并处理采样数据后通过以太网卡接口向二次设备提供数据采集信号。

(4) 内部应有备用的CPU在安装相应的保护器件后可扩展保护或测控等功能。

要实现IEC61850-9-1中所定义的合并单元功能[6]，首先应清楚标准对电流，电压采样值信息的报文性能要求。变电站报文类型可分为7类，包括快速报文，中速报文，低速报文，原始数据报文，文件传输报文，时间同步报文和具有访问控制命令报文等。报文性能分组，一组是与保护及控制相关的；另一组是与测

量仪表及电能计量相关的。其中与保护控制相关的性能级分为P1，P2，P3，P3等级要求最高，它应用于传输线路的间隔层保护控制功能，具有极高的时钟同步性能。电流、电压采样值信息是变电站原始数据报文类型的信息，对于此报文的不同性能分类，其信息性能要求差异也比较大，如对于保护的性能级P1，要求其采样率为480点/s,同步采样准确度是±25µs，而对于性能级P3，要求其采样率为1920点/s，同步采样准确度是±1µs。

外部同步信号PC串口同步采样命令同步功能模块数据处理模块数据接收模块数字定标通讯模块以太网通讯模块DSPA/D转换信号以太网通讯模块以太网NIC

FPGA

图4-2 合并单元结构框图

4.2 FPGA数据接收模块

数据接收模块由解码校验模块，同步功能模块及数据排序模块组成。设计选用的是ALTERA公司的FLEX10K系列，它包含一个嵌入式阵列，能够实现各种存储功能和复杂逻辑功能，还能够外部配置EPPROM，提供多电压I/O口操作。

4.2.1 解码电路的设计

IEC 60044-7/8中规定，二次转换器与合并单元之间的数据传输采用曼彻

斯特码编码形式，两者间的通信实际上相当于同步串行通信异步收发器，UART主要完成的任务是是从数据通道内读出异步串行数据流中的UART帧内8为有效数据并进行串并转换[5]，UART是一种NRZ码进行传输的电路。在数字通信系统中，信息是由一串码元传递的，这些码元通常具有相同的持续时间。接收端在用取样器对信号进行取样判决时，一般均应对准每个码元最大值的位置，我们把在接收端产生的与接收码元速率相等且相位一致的定时脉冲序列称为码元同步或位同步。要从输入的串行数据码流中提取位同步信号，解码电路一般采用数字锁相环或计数器算法。数字锁相环法大都用于环形拓扑网络，而计数器算法则多用于点对点通信连接。实际工作中是采用计数器算法。位定时信号通过计数器算法提取出来后，就可以确定每个输入码的的起始和结束位置了，但是由于曼彻斯特编码将数据“1”编码为“01”，数据“0”编码为“10”，即原始NRZ码的一个位经过编码后变成了两个电平信号。所以即便确定了每个电平信号的起始、结束位置，对于连续收到的“01”，信号也有可能出现以下两种情况：

(1)收到的“01”恰好是由原始NRZ码“1”编码得到的；

(2)收到的“01”中的“0”是原始NRZ码“0”编码成“10”后的后半部分，“1”

是下一个原始NRZ码“0”编码成“10”后的前半部分。

因此，从输入码流中提取出位定时信号之后，并不能由此恢复出原始的NRZ码。

因此还需要确定收到的连续码流是上述第一种情况还是第二种情况。这就需要利用两个采样点数据传输之间的线路空闲状态(连续发“1”)来进行判断。因为在线路空闲状态发送方连续不断地发“1”(编码之后是“01”)，而且要求空闲状态所发的“1\"的个数必须大于70。设每次发送的数据位数为N，那么如果是第一种情况的话，接收方会收到N个连续的“01”，据此就可以正确地接收后面的采样数据了；如果是第二种情况，接收方在这时会收到N个连续的“10”，还原成NRZ码就是N个连续的“0”，这时接收方将后面收到的数据码流作一个移位之后再将其恢复成NRZ码就是正确的采样数据了。

4.2.2 CRC校验电路

处理模块接收到的数据由两部分组成，前部分使系统的采集结果，后部分是附加的前一部分的CRC校验码，处理模块按照与采集模块相同的算法对前部分数据进行再次运算，并于CRC校验码进行比较，比较结果由校验电路写入校验标志寄存器中，当传输正确时向其中写入0，传输错误时写入1，系统初始化时写入0作为默认值，DSP进行数据处理时，首先检验校验标志位，判断数据的传输状态，根据状态选择进入何种数据流程。

4.2.3 数据缓冲FIFO

FIFO是一种特殊功能的寄存器，数据按到达FIFO输入端口的顺序储存在寄存器中，并以相同的顺序输出，所以FIFO内的读写控制只由读写请求信号控制，不需要读写地址。当第(n-1)路数据写入FIFO后，才能写入第n路数据，因此输出的数据是按正向的顺序的，对各路数据进行排序是还要考虑一种特殊状态，那就是当合并单元与ECT/EVT之间的传输介质出现故障导致某路数据无法传送给合并单元时，不影响其他路的数据传送给保护测控设备，通过设置长等待时间限定值(Tmax)来解决问题，当合并单元等待时间大于Tmax时如果没有收到采样值处理单元传过来的有效数据，则认为此路数据通信故障，并通过状态信息告知二次设备此路信息故障，准备下一路数据进入FIFO，Tmax值主要有ECT/EVT中数据采集，模数转换，通道传输等时间决定的，各通道的Tmax成递增的关系。

4.2.4 同步功能模块

根据IEC60044-7/8标准中规定,同步信号可由GPS接收机输出的秒脉冲产生

[4]

。

GPS接收机输出的秒脉冲时钟信号CLKFPGAI/O同步信号电光转换光信号光纤传输

图4-3 同步信号1的产生

图中，FPGA芯片所接的频率将其进行分频后才能得到周期为1s的频率信号，同时同步信号1好要求脉冲宽度大于10μs脉冲间隔大于500ms，从而确定高电平脉冲宽度是范围是多少个周期。同步信号的要求，上升沿触发，每秒钟发出一个同步脉冲，无论脉冲是否正常合并单元都要对同步脉冲做真实性核查。

4.2.5 FPGA与DSP的电源电路

图4-4为供电电源电路，可提供3.3V,1.8V,1.5V.

+5V1Vm+3.3V33.3V4V/68μFTPS76318DBVT51INOUT1.8VGNDGNDGND3EN1μF0.1μFNC40.1μF24210V/4.7μF+5V3.3V1Vm+3.3V34V/68μFVm4Vm0.1μF2ENGNDRST8/MR1.5VGNDGND1μFVout5Vout60.1μF240.1μF1

图4-4 电源电路

图中的电容主要是抗干扰，以及稳压的作用。

4.3 数据处理部分

接收模块完成高速数据还原之后，将数据传入DSP中进行数据处理，数据处理模块利用DSP处理器对接收的数据信号进行相应的数字滤波，然后对接收到的数据进行均方根值、相角的有关计算，同时由于输出的数字量和真实的电流值之间存在相位和幅值两个方面的误差。有效频段内的幅值误差，在设计滤波器和确定变比系数等参数时能够考虑到，所以相位误差相对幅值误差而言影响较大，因此必须对信号进行相位补偿，从而给数据包打上正确的时标。’

数据接收模块数据缓存数字滤波均方根值及相角计算相位补偿数据输出模块

图4-5 处理部分原理图

4.3.1 数据缓存

由于FPGA和DSP具有各自的全局时钟，将FPGA中的数据传递给DSP时，也就是将数据从一个时钟域传递到另一个时钟域，并且目标时钟域与源时钟域是不相关的，因此这些域中的动作也是不相关的，从而消除了同步操作的可能性，并使系统重复地进入亚稳定状态。亚稳态也就是触发器工作在一种不确定

的状态，这种不确定的状态将会影响到下一级触发器，最终导致连锁反应，从而使整个系统功能失常。当有大量的数据需要进行跨时钟域传输且对数据传输速度要求比较高的场合，克服亚稳态实现数据的高速稳定传输，异步FIFO是一种简单,快捷的解决方法。

4.3.2 数字滤波器

数字滤波器有着模拟滤波器不可比拟的优点：1）精度高模拟电路很难达到10-3以上而数字滤波器可以达到10-5，2）灵活性大数字滤波器的主要性能与乘法器的个系数有关，而这些系数是存放在系数存储器中的，只要改变存储器中的系数就能得到不同的系统，方便很多[3]，

3）可靠性高因为数字系统只有两个电平信号0和1，受噪声影响小。4）易于大规模集成因为数字器件具有高度的规范性，便于大规模集成生产，而且数字电路主要工作在截止和饱和状态下，对电路参数要求不严格，成品率很高价格比较低。5）并行处理数字滤波器还有以个优点就是并行处理，数字滤波器可采用DSP来实现并行处理。

在数字信号处理中，滤波占有极其重要的作用，数字滤波有很高的可编程性和滤波性。

这里采用的是FIR滤波器，FIR滤波器的结构图。

输入 x(n)hn-1hn-2„„„.h1h0D...DD输出y(n)

图4-6 FIR滤波器原理图

FIR滤波器的方程表达式为

ynhixni （4-1）

i0N1其中N为FIR滤波器的阶数，FIR滤波器的单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列，在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位滤波器，FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求时，很容易做到严格的线性相位特性，为了是滤波器满足线性相位特性，要求其单位脉冲响应h(n)为实序列，且满足奇对称或偶对称条件，，这样，当N为偶数时，FIR的方程表达式为

ynN12i0ixnhix1Nn i （4-2）

FIR不断的对输入样本x(n)延时（图中的延迟单元D），再做乘法累加运算，将滤波结果y(n)输出。

FIR滤波器有以下特点：

1. 系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零；

2. 系统函数H(z)在|z|>0 处收敛，在|z|>0 处只有零点，有限z 平面只有零

点，而全部极点都在z=0处；

3. 结构主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈。反应到本设计中，采

用FIR数字滤波器具有如下优点：

(1) 可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确,严格的线性相位； (2) 由于FIR滤波器的单位脉冲响应h(n)是有限长序列，因此FIR滤波器

没有不稳定的问题；

(3) 由于FIR滤波器一般为非递归结构,因此在有限精度运算下,不会出现递归型结构中的极限振荡等不稳定现象,误差较小。 (4) FIR滤波器可采用FFT算法实现,从而提高运算效率。

4.3.3 均方根及相位运算

均方根值也称作为效值,设被测三相电流信号为：

iatAacosta ibtAbcostb （4-3）

iCtAccostC 以A,B相为例,ω=2πf,f被测信号频率,设N为正数N≥3,ωs=2πfs=2π/Ts.若以fs=Nf对上述电流采样，则采样后的信号表示：

ianAacos2fTsnaibnAbcos2fTsnb （4-4）

那么被测电流信号的均方根的值为： kn0inNN12 （4-5）

定义两相之间的相位差：φ=θ1-θ2取样本点数为N1 = MN,由于N为被测信号一个周期内所包含的样本点数,故M为样本中所包含被测信号的周期数。如果被测信号频率f 是已知且是准确的，或者是能够精确测量出来的，则对信号的整周期采样是容易做到的。求两被测信号相位差的公式可由下式推导得出：

A1A2A1A21N11 inincos1212N1n022N1N11n0cos4n∕N1 2 （4-6）

级数cos4n∕N12在N 1=MN情况下的有限和为0,因此,相位差的计算公式为：

2 2karccosN1A1A2N11 itit12 （4-7）

n0对于平方根的求取，由于DSP没有专用的开平方指令,有专用的平方运算指令,所以采用逐次逼近的算法：即先令输出信号为输入信号最大可能值的一半(用二进制数表示则为最高位为1,其余位为0),然后把反馈信号(输出信号的平方)同输入信号比较，如果反馈信号比输入信号小,则保留原输出的二进制数的最高位,若反馈信号大于输入信号,则该位置为0。然后再令输出信号的次高位为1,重复上述过程,按上述方法重复N次(N=16为数据的二进制宽度),即得到被开方数的开方结果整数部分，当数据位宽度足够宽的时候,开方结果的小数部分可以忽略。采用该方法,能够迅速计算整数的开,并且算法简,容易用汇编语言编程实现。

4.3.4 相位补偿

高压侧逻辑控制电路对调整后的采样信号进行组帧编码处理,然后经过电光转换将电信号转为光信号并通过光纤传输给低压侧合并单元,合并单元再经过相应的光电转换,解码处理,这一系列过程将产生一定延时。因此在合并单元将数据发送给二次设备之前,必须对信号进行移相,以达到减小误差的目的[2],这一过程在基于DSP技术的数据处理模块中进行处理。移相算法的选择主要基于两个方面,一是对采样频率的要求,二是所需要数据窗时间的长度。经过对这两方面的考虑,可采用短数据窗移相算法。

分析t时刻电流可表示为：itImsint （4-8）则超前∂角度的电流可表示为：itImsinwt （4-9）以相量表示它们分别为I,Ie同时令itTsImsintTs，以相量表示

Ð2。N为每工频周期采样点数 ÐI，即IIsN可做出相量图。

Ia2bIN2INI2N2IN2NaI2NI2N2bINaII

图4-7 超前移相相量图图4-8 滞后移相相量图

aIbIÐ2其中a,b为系数在超前移相相量图中，IÐ2，aI组，bI设INN成的三角形中由正弦定理：

2bIÐIaIN （4-10） 22sinsinsinNN2sinN由I旋转得到，所以两者幅度相等，得到系数a、b 为a因为I2sinN

，

bsin 2sinN一次侧信号在高压侧积分还原后，经过光电转换、光纤传输，再在合并单元

数据还原模块中解码的时间基本确定，因此需要补偿的相角可预先估计,在采样

(t)又可以改写为频率一定的情况下,可离线计算出系数a、b，ItaImsintbImsintTs (4-11) I 于是转为采样值计算可得到算式：inainbin1由上式可通过相邻两个i(t)的采样值获得超前i(t)相角∂的电流采样值，实现超前运算。移相后的电流幅值保持不变,时间窗长度只要一个采样周期的时间。类似的运算方法可得到滞后移相运算，作出滞后相量图可得到滞后移相算式为：

inainbin1 （4-12）

其中a、b表示意义与超前运算式中相同。

以上算法实现简单,且较为灵活,移相角度可根据需要任意调节。计算所用的DSP，TMS320VC5409,它具有16位定点DSP内核和指令集，该指令源码向下兼容TMS320CX系列,有良好的可移植性,指令周期33ns,运算能力30MIPS,独立的数据读写总线地址总线,支持并行的程序和双数据操作数寻址,支持并行的算数逻辑运算和乘法运算,硬件堆栈加快中断处理。

4.3.5 合并单元光纤输出驱动电路

以太网格式的数据光纤输出采用的是HBFR-1312光电转换器，用MAX3967来驱动，最高为270Mbps数据速率的发光器，工作在+3.3V电源电压。图4-9为驱动电路.

3.3V3.3V1K3.3V18MODSET19OUT0-OUT0+20211716NC15VCC14VCCOUT13VCCOUTMONVCCIN-IN+NCOUT-OUT-OUT+OUT+1211109871234NCNCANNCCATHANNCNCHFBR131287653.3VS2TC3PB14PB25PB36VEEOUT1TCNOM22TX-DIS23VEE24TCMINMAX3976VEEOUT 图4-9 HBFR-1312驱动电路

将合并单元处理的信息转变成光信号发送至以太网中，供其他部分。

4.4数据输出模块

4.4.1 IEC61850-9-1 标准

IEC61850协议主要围绕五个方面展开：

① 功能模型从通信信息概念出发，定义了系统的功能模型和通信要求。 ② 系统工程基于XML定义了系统和配置参数交换文件格式，一次系统单线图和

IED能力等。

③ 信息模型及服务采用面向对象的方法，定义了逻辑节点类，数据类和数据

属性等，并定义了相应的抽象通信服务接口来实现数据交换。

④ 特定通信服务映射定义了由ACSI向通信协议栈的映射。

⑤ 一致性测试定义了一致性测试规则，抽象测试集和测试设备要求等。

与传统通信协议体系相比，IEC61850在技术上有如下突出特点： (1) 面向对象的分层，统一建模

定义了基于客户机/服务器结构的数据模型。每个IED由服务器和应用组成，将服务器分为逻辑设备→逻辑节点→数据对象→数据属性。 (2) 数据自描述

提供了一整套面向对象的数据自描述方法：定义完整的数据对象，逻辑节点和逻辑设备的代码；定义用这些代码组成的完整地描述数据对象地方法；定义一套面向对象地服务。 (3) ACSI和SCSM技术

总结了变电站内信息传输所必需的服务，定义了独立于网络和应用层协议ACSI，包括通信服务，通信对象及参数，这些抽象信息模型通过SCSM映射到常用的通信协议栈。通过使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动SCSM，而不需要修改ACSI。IEC61850标准系列覆盖了变电站的所有接口通讯。按照变电站自动化系统所要完成的监测，控制和继电保护三大功能，从逻辑上将变电站通信系统分为三层：变电站层，间隔层，过程层。站级总线处理变电站层和间隔层的通讯，过程级总线处理间隔层和过程层的通讯。IEC61850－9详细的定义了间隔层和过程层之间特定通讯服务的映射。这个部分详细说明了一个串行单相多支路点对点连接的映射。它在变电站中主要应用于电流/电压传感器与间隔层设备之间的连接。在IEC61850-9-1中定义的合并单元很大程度上参考了IEC60044-7/8，合并单元与二次保护测控设备的接口是串行单向多路点对点连接。合并单元发送给保护、测控设备的保文里主要包括了各路电流、电压量及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息。

以下为IEC61850协议下各层的标准要求： (1) 物理层：

合并单元与二次设备之间的连接可以时光纤传输系统IEEE802-3 100base-FX或10base-FL。也可以替换为铜线传输系统IEEE802-3 10base-T。数

据报文通过以太网传输，速度大小为10M或100M。一般情况下，报文固定长度为103个字节，考虑以太网帧间隙位和帧前导位等，其字节数为123，故报文长度是984位。以50HZ工频、每周波24点采样为例，（24×50）×984＝1.1808Mbps<10Mbps,即报文传输速度可以选择10M以太网。 (2) 链路层：

IEC61850-9-1采用了ISO/IEC8802-3和IEEE802-1Q。其中ISO/IEC8802-3规定了以太网的帧结构，包括前同步信号，起始帧界定符，目的地址，源地址，长度字段，数据字段和帧校验序列字段等。IEEE 802-1Q 要求报文的源地址和长度字段之间增添4个字节的优先级标签和虚拟局域网信息。 (3) 应用层：

IEC61850-9-1描述的信息交换是通过应用服务数据单元ASDU实现的，它是基于严格规定的“标准化”报文传输应用，其类型标识和特定的应用条目联系在一起。实际上，它的通用数据段与IEC60044-8定义的通用数据帧内容一致，包含了三相电压和电流、中性电压和电流，额定相电压和相电流，额定中性电流，额定延时时间，状态字，采样率，采样计数器等信息。

在与二次保护控制设备的通信网络上，IEC61850-9-1采用了以太网的连接方式，IEC61850-9-1中规定了间隔层与过程层之间的特殊通信映射，是建立在与IEC60044-8一致的单向多路点对点映射，适用于光学电流互感器的合并单元与间隔层设备之间的通信，IEC61850-9-1和IEC60044-8两者相似，IEC61850-9-1下的合并单元发送给间隔层设备的数据包为电流，电压的采样值信息，还有一些反映开关状态的信息以及时间标签信息。

IEC61850-9-1阐述了间隔曾与过程层之间的通信[1]，合并单元与二次设备之间的串行单向多点通信，定义了通讯栈的结构，包括应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，链路层，物理层。

以太网是一种具有尽最大努力投递含义和发布式总线网络。总线方式体现在所有节点共享同一通信信道,广播方式体现所有收发器都能收到每次发送。以太网之所以采用尽最大努力投递机制,是因为硬件没有向发送者提供任何信息

来判断所要发送的分组是否已被接收,例如,如果目的主机偶尔掉电,那么发送给它的分组将丢失,而发送者不会得到通知,TCP/IP协议族采取了一系列措施来适应尽最大努力投递的硬件。以太网的接入控制是分布式的,因为不像某些网络技术,以太网没有任何中央权利机构来授权接入,以太网的接入方式叫做多路访问/载波监听-CSMA/CD。多个节点可以同时访问以太网,而且各节点通过探测是否存在载波来决定网络是否空闲,当某个节点要发送一个分组时,它首先执行载波监听,看是否有报文正在发送,当没有监听到发送时,节点开始发送,每次发送都在一个限定的时间内完成；另外,硬件必须在两次发送之间保持一个最小的空闲时间,也就是说没有任何一个正在通信的节点可以连续使用网路而不给其他节点接入网络的机会。因为以太网采用CSMA/CD接入方式,所以某些节点发送时间带有随机性,这在实时性要求很高的一,二次设备之间的通讯时不允许的，所以IEC61850-9-1采用了点对点的方式，即只有一个发送点，这样就不存在冲突的问题了。

4.4.2 硬件设计

在仔细研究分析IEC61850-9-1和IEC60044-7/8标准协议后,根据实际要求,选用RTL8019AS网卡芯片接入以太网。RTL8019AS是台湾REALTEK半导体公司生产的以太网控制器,其特点有：

(1) 支持EthernetII 和IEEE802-3标准； (2) 全双工,收发同时达到10Mbps； (3) 支持BNC, AUI，UTP介质； (4) 与NE2000兼容,软件移植性好； (5) 接口简单,不用转换芯片如PCI-ISA桥； (6) 价格便宜；

(7) 带宽充裕(针对DSP)； (8) 较长一段时间内不会停产；

(9) 可提供100脚的TQFP封装,减少PCB而积,更适合于嵌入式系统。

RTL8019AS有3种配置模式：跳线方式,即插即用P&P方式,串行Flash配置方式。

跳线模式与早期的网络控制器兼容,需要开关和跳线器,板上的资源如I/O端口,IRQ都由开关的状态来决定。RTL8019AS上电时检测引脚65“JP”是否为高电平，若是则认为目前处于跳线模式。在这种模式下,上电后即可对相应的资源编程,使用起来非常方便,唯一的缺点是需要跳线器或开关,电路板比较大,更改资源比较麻烦。PnP技术提供了对于底层硬件资源包括I/O端口,IRQ,DMA通道以及内存等的智能管理能力。

PnP模式不需要手工改变设备的开关或跳线,板上的资源需要用软件配置；当同时使用多块PnP接口芯片时,首先还必须进行PnP芯片的识别,然后才能对相应的接口芯片进行资源配置。RT模式是为了避免PnP模式下的PnP芯片识别和配置过程而产生的。

在RT模式下,RTL8019AS的端口基地址,中断口等都是由EEPROM93C46设定的。RT模式的核心在于realtek公司提供的RT Initiation Key,该32字节的Key为：

DA,6D,36,8D,46,23,91,48,A4,D2,69,34,9A,4D,26,13,89,44,A2,51,28,94,CA,65,3

2,19,0C,86,43,A1,50。在嵌入式系统中一般使用跳线配置模式，使用TMS320VC5409对RTL8019AS进行控制的接线图如图所示：

TMS320VC5409D0-D15A0-A4RTL8019ASSD0-SD15SA0-SA4TPRX-20F001NRJ45RX-RX+TX-TX+A15A14IOSTRISRWINT0READYISPLS12128VEIOWTPRX+TPTX-IORIRQ2/9RESETDRYIOCHRDYTPTX+

图4-8 网卡芯片与DSP的连接线图

DSP与RTL8019AS硬件电路连接如图，RTL8019AS的工作电压为+5V实际上可以正常工作在3.3V的电压下，而DSP的芯片的工作电压为3.3V，因此RTL8019AS可以与DSP直接接口。

DSP的振荡电路稳定后,将/RS驱动为低,使DSP停止执行程序，初始化片内寄存器和状态位。为使系统在加电后能正常工作,RS的有效时间至少需要6个时钟周期,DSP 锁存复位脉冲,以确保器件复位,在RS上升沿16个周期后,DSP取出它的第一条指令,处理器从程序地址0000H开始执行。因为是采用跳线模式，所以需要把RTL8019AS的JP引脚通过上拉电阻接至＋5V。ISO0、ISO1、ISO2、ISO3 接地，复位时基地址300H。对应外部A19-A引脚为000000000011000，所以在电路中将A19-A10，A7-A5接地，A9-A8接高电平。RTL8019AS的SA4-SA0引脚与DSP的A4-A0相连，用于寻址RTL8019AS内部00-1F的32个偏移地址。

PL0、PL1接地(GND)，选择通信介质为双绞线。TPRX+、TPRX-接双绞线的差分输入端，TPTX+、TPTX-接双绞线的差分输出端。20F001 是双绞线驱动/接收器，内部有2个传输变压器。TPRX+、TPRX-、TPTX+、TPTX-通过20F001N中的传输变压器接到RI45接口，即接至以太网。

IRQS0、IRQS1、IRQS2接地(GND)，使DSP的IRQ2/9为中断输出端，其它

中断输出端无效，IRQ2/9通过反向器接到DSP 的/INT2（可通过可编程逻辑器件GAL16V8 实现）。

DSP无DMA控制器，因此将RTL8019AS的AEN接地(GND)。 /IOCS16通过上拉电阻接＋5V，即采用16 位数据总线方式。

IOCHRDY 接DSP 的READY,用以插入等待周期，解决DSP 快速读写与慢速外设I/O 的矛盾。

/IOR、/IOW信号线可通过/IS、/STRB、/RD、/WE 这4根信号线经由GAL16V8 译码得到。生成/IOR、/IOW的译码逻辑关系如下：

/IOR=/IS+/STRB+/RD，/IOW=/IS+/STRB+/WE，/INT2=NOT(IOR2/9)。 RSTDRV接DSP的一个输出端(XF)端，便于DSP对RTL8019AS的复位。 /SMEMR 和/SMEMW引脚接高电平，屏蔽了远程自举功能。

第5章数据输出模块软件程序设计

5.1 NIC初始化

为了是RTL8019AS处于准备发送数据状态必须对相关寄存器做初始化，图为NIC初始化流程图

NIC初始化子程序入口停止网卡工作设置接收缓冲区起始页地址设置接收缓冲区结束页地址设置发送缓冲区起始页地址设置发送字节数设置接受配置寄存器设置发送配置寄存器设置数据配置寄存器设置中断屏蔽寄存器设置组发地址网卡工作返回图5-1 NIC初始化流程图

NIC的初始化程序

为了能够使RTL8019AS 启动并处于准各发送数据的状态,必须对相关的寄存器进行

初始化。这些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、 PSTOP、ISR、IMR、 PARO～PAR5、MARO～MAR7、CURR、 TCR、 RCR 等。初始化程序

Void init_NIC() {

CR=0x0021; /*设置页0为当前页*/

DCR=0x00c9;/*初始化数据配置寄存器DCR*/ RBCR0=0x0000;/*初始化远程字节计数寄存器*/ RBCR1=0x0000;/*初始化远程字节计数寄存器*/ RSAR0=0x0000;/*初始化远程字节地址寄存器*/ RSAR1=0x0000;/*初始化远程字节地址寄存器*/ RCR=0x00cc; /*初始化接收配置寄存器*/ TCR=0x00f0; /*初始化发送配置寄存器*/ PSTRAT=0x004c;/*初始化页起始地址寄存器*/ PSTOP=0x004f; /*初始化页终止地址寄存器*/

BNRY=0x004c; /*界限指针寄存器BNRY的值为0x4c,即BNRY=PSTRAT*/ IMR=0x00ff; /*设置中断屏蔽寄存器IMR的值为0xff,以便允许产生中断*/ ISR=0x00ff; /*设置中断状态寄存器ISR的值为0xff,以便清除ISR*/ CR=0x0061; /*将页1设置为当前页*/ PAR0=local_MAC[0] PAR1=local_MAC[1] PAR2=local_MAC[2] PAR3=local_MAC[3] PAR4=local_MAC[4]

PAR5=local_MAC[5] /*设置物理地址寄存器PAR0-PAR5的值*/

CURR=0x004d; /*当前页地址寄存器CURR的值设置为

0x4d,CURR=PSTRAT+1*/

Next_pkt=0x004d; /*将当前页地址寄存器CURR的值保存在next_pkt中*/ CR=0x0022; /*将NIC置于开始工作模式*/ ｝

5.2 数据包的发送流程图

与硬件相对应的软件是网卡驱动程序。所谓驱动程序是指一组子程序，它们屏蔽了底层硬件处理细节，同时向上层软件提供与硬件无关的接口。驱动程序可以写成子程序嵌入到应用程序里，也可以放在动态链接库里，需应用的时候再动态调入，以便节省内存。在这里用到的驱动程序特指实模式下的一组硬件芯片驱动子程序。从程序员的角度看，RTL8019AS工作流程非常简单：驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令,RTL8019AS会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输；反之RTL8019AS收到物理信号后将其还原成数据按指定格式存放在芯片RAM中以便主机程序取用。简言之就是RTL8019AS完成数据包和电信号之间的相互转换：数据包电信号。以太网协议由芯片硬件自动完成,对程序员透明。驱动程序有3种功能：芯片初始化,收数据包,发数据包。物理信道上的收发操作均使用固定帧格式。其中,前导序列,帧起始位,CRC校验由硬件自动添加/删除,与上层软件无关。值得注意的是,收到的数据包格式并不是上述帧的真子集,而是由RTL8019AS自动添加了“接收状态,下一页指针,以太网帧长度(以字节为单位)三个数据成员(共四字节)。根据协议，合并单元只需要发送数据包,因此设计软件时忽略接收数据包部分。首先将待发送的数据包存入芯片RAM,给出发送缓冲区首地址和数据包长度(写入TPSR,TBCRO,1),启动发送命令(CR=Ox3E)即可实现RTL8019AS发送功能。RTL8019AS会自动按以太网协议完成发送并将结果写入状态寄存器。整个DSP

控制网卡芯片的软件流程如图所示。

初始化远程起始地址寄存器RSAR初始化远程字节寄存器RBCR发送字节计数器赋值启动远程DMA启动本地DMA数据写入缓冲区发送缓冲区数据到网上N发送完毕Y初始化发送页起始地址寄存器TPSR发送完毕NY返回

图5-2 发送数据流程图

5.3 DSP的读写

DSP可以对FIFO进行数据的读写,还可以读空满两个状态,DSP往FIFO每写一个数据前,先要确认该被写FIFO是否被写满,如果未被写满,则能往FPGA里面写数据,否则不可以写；DSP从FIFO每读一个数据前,也首先要确认该FPGA是否被读空,如果未被读空,则可以从FIFO里面读取数据,否则不能读取。

DSP提供以下信号：

片选CS、读使能ARE、写使能AWE、地址Addr（位宽：2 bits）、写数据WData（位宽：16 bits）和读数据RData（位宽：16 bits）。 DSP写FIFO时序：

片选CS(低电平有效)地址Addr[1:0]Address写数据WData[15:0]写使能AWE(低电平有效)Write Data

读使能ARE(高电平)

DSP读FIFO时序：

片选CS(低电平有效)地址Addr[1:0]Address读数据RData[15:0]Read Data写使能AWE(高电平)读使能ARE(低电平有效)开始准备数据数据准备好

DSP写FIFO流程图：

空闲启动写FIFO工作DSP读被写FIFO的状态地址线送地址：“11”被写FIFO是否已被写满？即TO_DSP[1]=1?是否DSP写给被写FIFO一个16位的数据是是否继续写？否

DSP先读取被写FIFO的状态，如果被写满，则DSP不能写该FIFO，在第①步循环；如果FIFO的状态字显示没有被写满或已经被读空，则执行第②步；

DSP和FPGA连线信号时序：

片选CS地址Addr[1:0]11读数据RData[15:0]状态字写使能AWE(高电平) 读使能ARE开始准备数据数据准备好

DSP在数据准备好的时刻读取状态字，如果状态子的第二位是1，表示FIFO被DSP写满，否则未被写满；如果状态字的第一位是1，表示FIFO已被FPGA的其他模块读空，否则未被读空。

DSP写FIFO

DSP和FPGA连线信号时序：

片选CS地址Addr[1:0]00写数据WData[15:0]Write Data写使能AWE读使能ARE(高电平)

然后再回到第①步，依次循环。

（１） DSP读FPGA中的FIFO流程图：

空闲启动读FIFO工作DSP读被读FIFO的状态地址线送地址：“01”被读FIFO是否已被读空？即TO_DSP[0]=1?是否DSP从被读FIFO读一个16位的数据是是否继续读？否

① DSP先读取被读FIFO的状态，如果被读空，则DSP不能读该FIFO，在第①

步循环；如果FIFO的读空状态显示没有被读空，则执行第②步； DSP和FPGA连线信号时序：

片选CS地址Addr[1:0]01读数据RData[15:0]状态字写使能AWE(高电平) 读使能ARE开始准备数据数据准备好

DSP在数据准备好时刻读取状态字，如果状态字第一位1,表示FIFO被读空，否则未被读空。

② DSP读FIFO

DSP和FPGA连线信号时序

片选CS地址Addr[1:0]10读数据RData[15:0]Read Data写使能AWE读使能ARE开始准备数据数据准备好

然后再回到第①步，依次循环

结论

论文基于IEC61850,IEC60044-7/8标准协议，对光学电流互感器进行了设计，能完成从光学测量，模拟量的采集，转换，打包传输，处理等工作，论文的主要内容及结论如下：

1.介绍了光学电流互感器国内外的发展现状和前景，简单分析了几种光学电流互感器，并介绍了光学电流互感器的设计方案，在此基础上，对光学互感器进行了分块的设计。

2.对光学电流互感器的传感部分电路进行了设计，传感部分采用Sagnac干涉型反射结构的互感器，反射干涉可以消除光线内部的线性双折射，提高了互感器的灵敏度，并且对互感器的光接受单元点进行了设计。

3.对高压测数据采集部分进行了分析，使用FPGA技术对A/D单元进行控制的硬件构成方法，对其中的采样模块，逻辑控制模块进行了硬件设计。

4.介绍了合并单元的通信功能，合并单元应具有并行处理多重任务，高可靠性，实时性的特点，将合并单元分为三个功能模块进行设计，基于FPGA的数据还原模块，基于数字信号处理DSP技术的处理模块，基于IEC61850的数据输出模块，采用了FPGA+DSP的设计方法。

5.对数据输出模块的工作过程进行了分析，并且进行了响应的软件设计。基本达到了预期的设计要求。

致谢

最后要感谢在整个论文写作过程中帮助过我的人。

首先，也是最主要的要感谢我的指导老师高柏臣老师，在整个过程中他给了我很大的帮助，在论文题目制定时他肯定了我的大方向，并且又帮我具体分析了题目的范围使以后我再写作时有了具体的方向，在论文大纲制定时，我的思路不是很清晰，经过老师的帮忙，让我在集体写作时思路清晰了许多，在完成初稿之后，老师认真的查看了我的文章给我指出了许多的问题，再次十分感谢老师的指导，才能顺利完成毕业论文。

其次，要感谢帮我查过资料的同学，谢谢同学一直以来的帮助。

参考文献

[1]曾庆禹电力系统数字光电量测系统的原理及技术,电网技术,V01.25,No.4,Apr.2001．

[2]曾庆禹电力系统数字光电量测系统的应用及效益分析,电网技术,V01.25,No.5,May.2001．

[3]管喜康光纤技术在电工领域中的应用.北京水利电力出版社,1992． [4]靳伟,廖延彪,张志鹏等.导波光学传感器,原理与技术,北京科学出版社.1998．

[5]平绍勋黄仁山.光电式电流互感器的现状和发展,高压电器.2001.6. [6]尚秋峰,王仁洲,杨以涵.光学电流互感器及其在电力系统中的应用.华北电力大学学报,V01.28,No.2,2001．

[7]乔卉刘会金,王群峰,陈允平.基于Rogowski线圈传感的光电电流互感器的研究.继电器,V01.30,No.7,July,2002．

[8]尚鸿雁田广军,史锦珊.光纤光推动高压电流测量仪的研制.传感技术学报,2001年6月．

[9]瞿刚罗海云.混合光学直流测量系统的应用.电力自动化设备V01.21,No.3.Mar.2001．

[10]曾庆禹电力系统数字光电量测系统的原理及技术,电网技术,V01.25,No.4,Apr.2001．

[11] 江毅黄尚廉,光学电流互感器的原理及其方案评述,传感器技术,1995年.

[12] 沈悦刘延冰,实用化光学电流互感器,电子测量与仪器学报,V01.10，No.2,l996．

[13] 烛罗承沐.电子式电流互感器的新进展.电力系统自动化.v01.25，No.22.Nov.25.2001．

[14] 张沛云电力系统中光电电流互感器分析,山东电力技术,2001年． [15] H.Lin.S.C.Huang,Fiber-optics multiplexed interfere metric current

sensors．Sensors& Actuators：A.Physical,V01.121,No.2,2005，PP.333—338 [16]IEC61850-9-2：Specific Communication Service Mapping(SCSM) Sampled values over ISO/IEC 8802-3,2004.

[17] 曾庆禹电力系统数字光电量测系统的应用及效益分析,电网技术, 2001. [18] kojovic L.Rogowski coils suit relay protection and measurement. IEEE Computer Applications in Power, 1997.

[19] Emerging Technologies Working Group,Fiber Optic Sensors Working Group.Optical Current Transducers for Power Systems;A.Review.IEEE Trans.Power Delivery,1997.

[20] 张霁电容式互感器的特点及存在的问题.江苏电机工程,2000.

[21] 贺家李宋从矩.电力系统继电保护原理(增订版).北京:中国电力出版社,2004.

[22] Katsukawa Development of an optical current transducer with a bulk type farady sensor for metering. IEEE Transactiongs on Power Delivery,1994.

[23] NE2000Net Card User’s Menu.Novell,1996.

[24] M.Kezunovic, L.Kojovic, Skendzic, etc.Digital Medels of Coupling Capacitor Voltage Transformers for Protective Relay Transient Studies. IEEE Transaction on Power Delivery,1992.

[25] 钱政梅志刚,罗承沐.电子式互感器中数据采集系统的实现与误差补偿.高压电器,2004.

[26] 许明圣钱政,罗承沐.电子式互感器中数据采集系统的设计与实现.高电压技术,2003.

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