（电力电子与电力传动专业论文）基于fpga技术的开关同步关合技术研究.pdf

西北。i ? 业人学硕+ 学位论文a b s l r a c t a b s t r a c t i n t e l l i g e n ts y n c h r o n o u sh i 曲v o l t a g es w i t c hc a l lb eu t i l i z e dt om i n i m i z et h e s w i t c h i n go v e r v o l t a g e sa n dh i g hi n r u s hc u r r e n t si np o w e rs y s t e m s ，a sw e l la st oi m p r o x ，e t h eo v e r a l lp o w e rq u a l i t y a f t e rs t u d y i n gt h es y n c h r o n o u ss w i t c h i n gt e c h n o l o g ya n d d e s i g no ff o r e i g nc h i pp r o d u c t ，c o m b i n i n gt h ep r e s e n t l yr i s i n ge d at e c h n o l o g ya n dt h e t r a i to fl a r g ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dap r o j e c to fd e s i g n i n g t h ew h o l ei n t e r f a c eb a s e df p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c et h e o r y o fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n gt e c h n o l o g y c o m b i n i n gs o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) d e s i g nm e t h o d ，t h e nt h ef u n c t i o n a l p a r t i t i o no f s o f t w a r e h a r d w a r ea n d t h ed e s i g np r o c e s so f t h ef u n c t i o n a lp a r t sa r e d i s c u s s e d t h ew h o l es y s t e mi sp a r t i t i o n e dn i o s l is y s t e ma n dh a r d r e a lt i m ep a r t ，t h e s y n c h r o n o u sc o n t r o lu n i tb e l o n g s t oh a r d - r e a lt i m ep a r t ，a n dn i o s l ls e t t l e sl o wr e a lt i m e t a s k ，f o re x a m l p l e ：d a t am a n a g e 、a t t e m a t i o no f m a n a n dm a c h i n e 、c o m m u n i c a t i o ne t c h a r d - r e a lt i m en a m e l yp r o g r a m m a b l el o g i cu n i t s ，a p p l yt h et o p - d o w nd e s i g n i n g m e t h o d ，a n da l s og i v e st h ed e s i g n ，s i m u l a t i o na r i dt e s to ft h ei m p o r t a n tm o d u l e s a n d t h e nd e s c r i b e dt h ed e s i g nb yv h d l ( v e r y h i g h t p e e d ，i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) ，a n di m p l e m e n ti na l t e r ac y c l o n ee p l c 6 c r i t i c a lt e c h n o l o g yi sz e r o c r o s s i n gp o i n tp r e c i s i o nd e e t e c t i o nf o rt h r e ep h a s ev o l t a g e ，a n du s e dq u a r t u s1 i 5 , 0 e m b e dl o g i ca n a l y z e rt ov a l i d a t e t h en i o s l is y s t e mi sb u i rb ys o p cb u i l d e r ，a n dt h ep r i m a r ys o f t w a r ed e s i g n b a s eo r lr e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mu c o s d li nt h en i o s l li d e a c c o m p l i s hh a r d - r e a lt i m ep a r ta n da v a l o nb u si n t e r f a c e ，s om a k en i o s l i s y s t e ma n d h a r d r e a lt i m ep a r tt ob eo n ep a r t ，s of i n i s ht h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ， f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) ， d e s c r i p t i o nl a n g u a g e h s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) v h d l ( v e r y - h i g h - p e e d 1 c h a r d w a r e 掰北j ：业人学硕士学位论文第章绪论 i i 同步控制简介1 第一章绪论 传统的高压开关的动作相位是随机的，会在系统中产生很大的浪涌电流和很 高的感应电压，降低了电力系统的供电质量，并可能对开关等设备造成损坏。智 能同步开关的基本原理就是要控制高压开关开闸、合闸的时间，使得三相主触头 分别在三相电压的过零点附近合上，在三相电流的过零点附近断开。从理论e 讲， 可以从根本上消除容性负载的浪涌电流和感性负载的感应电压。高噩智能同步j l ： 关的关键是要实现三相触头的同步操作，其基本方法是通过硬件电路，得到准确 的电压或电流的过零点，作为控制的时间基准。当操作者给出开、合闸命令后， 控制系统以相应的电压或电流过零时刻为基准，经设定的延时后发出控制命令， 驱动操作电路对开关的触头进行操作，以使得三相触头在接下来的电压或电流过 零点时刻完成操作。由于每个开关动作时闽都不同，方便地对延时参数进行涮：节t 当系统断电时，这些数据不会丢失。温度、电流大小等因素将会影响到行关的动 作时间，为保证同步操作的准确性，控制系统应熊利用温度、电流信号对，f ：、合 闸延时时间进行实时校难。此外，商压智能同步开关还具备电压、电流、功率因 素、功率的实时监测显示功能，能显示系统的当前状态，对三相不乎衡等故障进 行报警，实现遥测、遥控、自动跳闸等功能， 为实现电压控制和系统保护以及电力系统负旖调节，需要利用龋i i 开关柬投 切相应的电力设备或线路，如并联电容嚣组的投切、屯抗器的投切、空载线路的 投切、以及快速自动重合闸操作等。高压开关的这些操作过程一般伴隧着j f 关暂 态现象，产生较高的过电压和涌流。在目前的高、中压系统中。开关的合、分闻 相位是随机的，因而过电压和涌流现象更为严重，对电力系统运行和电气设餐的 性能带来负面影响，具体表现为：电气设备寿命的减少，电气设备的绝缘击穿、 故障和损坏，继电保护的误动，二：次边的电子控制元件功能失常，电能质量的降 低等。为解决此类问题，在电力系统中常用并联合闸电阻或电感、串入电抗器和 加没避雷器等方法，但这些方法受到结构设计的复杂性、经济以及运行可靠性晌 肚北 ：业人学硕：f ：学位论文 第革绪论 限制。 相控开关技术也成同步开关技术( s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g ) ，是根据线路电j t - 或电流的相位来合理控制高压开关的合分时刻，从而抑制电网中的操作过电h i 和 涌流。在电力电子系统中为了解决大功率器件的开关损耗时间，常采用软j t ：芙技 术即零电压和零电流开关技术，相控开关技术的概念与此类似，可称作高电j j i 、 夫电流下的软开关技术。 1 。2 国内外现状及其发展趋势 2 0 世纪9 0 年代a b b 公司推出了c a t ( 即具有人工智能技术的断路器，c u r o u i t b r e a k e rw it ha r t i f i c i a i n t e r i l i g e n e et e c h n o l o g y ) ：c a t 是专为e l f 型s f 6 断路器( 敝开式) 和e l k 型封闭式组合电器( g i s ) 而丌发和试验的。c a t 为一模 块式电予，它由三个独立的分相模块所组成，可使断路器在最佳投切时刻进 r 每 翱的独立操作。其效果为：减轻投切时的瞬时过f 乜压：减轻电流对没备的应力。刈 常常要使用分合闸电阻的高压断路器来说，c a t 是一种可供选择的可靠技术替代 疗案。c a t 安装在断路器的控制回路中，具有处理束自电压或电流互感器输入的 信息的功能，并在最佳操作条件的时刻发出断路器操作脉冲。例如：视电网参数 4 i 同而弗，c a t 能有效地将电容器组投入时的冲击电流减低到其原有值的3 0 。对 于有并联补偿线路的自动重合闸，即使对长线路而吉，操作过电压值也能保持往 2 倍( 标么值) 以下，在切除并联电抗器的情况下，c a t 能消除在断路器内有害的 电弧重燃，因丽防止了电抗器绝缘的劣化。 国内近几年爿开始注意此项技术，只是在实验室进行理论研究和做仿真r f i 二， 并没有相应产品问世，只是引进了几套国外技术加以应用。 1 3 研究背景和研究内容 1 3 1 研究背景mm 1 断路器的同步分断与选帽合闸( 嗣步歼关) 是，f 关电器设计者一个永久的 垮。早年的高压电器教科书中还可以看到相关的研究和探索。同步分断可以人大 提高断路器的分析能力，一台低成本的小容量) f 关町分断1 0 倍以f ：的容量的i n 两北1 ：业人学硕士学位论文 第一章绪论 流；选相合闸可以避免系统的不稳定，克服容性负载的合闸涌流与过压。前人的 结论是肯定的，但当时工程实现的代价太高，；可靠性也得不到傈证。 自2 0 世纪下半叶以来，微电子技术得到了迅速发展，集成电路设计和工艺技 术水平有了很大的提高，单片集成度中每片已能包含上亿个晶体管，从而使得将 原先由许多】c 组成的电子系统集成在一个单片硅片上成为呵能，构成所谓的片卜 系统( s y s t e mo nc h i p ，8 0 c ) 。与普通的集成电路相比，系统芯片不再是种功能 单一的单元电路，而是将信号采集，处理和输入输出等完整的系统功能集成礁一 起，成为一个专用功能的电子系统芯片。而其设计思想也有别于曾通i c 。s o c 把 系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路及器件的设计紧密结合，稚! 一片或数片单片上完成整个复杂系统的功能。 因此，当今电子系统的设计已不再是利用各种通用i c 进行p c b 板级的设计和 调试，而是转向以大规模f p g a 或a s i c 为物理载体的系统芯片设计，的者称为s o p ( ； ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，简称为可编程片上系统) ，后者成为s o c 。f p ( ， 的成本不断下降，产品上市周期压力同趋严重，馒褥f p g a 在很多域将成为a s i c 的替代品。 微电子技术的近期发展成果，为s o c 的实现提供了多种途径。对f 经过验证 而又具有批量的系统芯片，可以做成专用集成电路a s i c 丽大量生产。两对r 姥 仅为小批量应用或处于开发阶段的s o c ，若马上投入流片生产，需要投入较多的 资金，承担较大的试制风险。最近发展起来的s o p c 技术则提供了另种有效的解 决方案，即用大规模可编程器件的f p g a 来实现s o c 的功能。 可编程逻辑器件产生于2 0 世纪7 0 年代。其如现最初目的是为了用较少的p i 品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在3 0 多年的发展过程中，p i ，d 的结 构、工艺、功耗、逻辑规模和工作速度等都得到了重大的进步。尤其是在2 0 世纪 9 0 年代，出现了大规模集成度的f p g a ，单片集成度由原来的数千门，发展到数 力门甚至数百万门。芯片的 oe l 也由数十个发展至，1 7 千个端口。宵的制造商还 推出了含有软核嵌入式系统的i p 。因此，完全有可糍将一个电子体统集成铡片 f p ( ；a 中，即s o p c ，为s o c 的实现提供了一种简单易行而又成本低廉的手段，饭入 地促进了s o c 的发展。 s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 即可编程的片j j 系统，或者说是基f 大规模f p g a 的单片系统。s o p c 的设计技术是现代计算枫辅助设计技术，e d a j 峨北1 业人学硕十学位论文 第一章绪论 技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。s o p c 技术的目标就是试图将邴+ 能 夫丽完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速 器系统、d s p 系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一f p g a 巾实习，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指 标一l 市时间、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优化。 s o p c 在电子设计技术上给出了一种以人的基本能力为依据的软硬件综合解 决方案。s o p c 技术使开发者更能动地在软硬件系统的综合与构建两方面有了充 分发挥自己创造性和想象力的巨大空闻，从丽使得从多角度、多因素和多结构层 幢 上大幅度优化自己的设计成为可能。事实上，诸如单片机、d s p 、或a r m 系 统等基于传统开发技术的设计流程而言，不存在严格意义上的硬件设计，f 呵只自 软件设计。这是因为一旦方案确定，硬件系统的核心器件是现成的，功能是确定 ，结构是固定的，指令系统是不可更改的，从面导致硬件组织方案和连接万案 是限定的，用户只能被动地遵循和适应，这时的硬件“设计”只能流于拼装彝l 连 接。系统构成屠的唯一任务是依据既定的指令系统来编程，除了系统功能和算法 u 】- 以通过软件改变外，系统的性能和指标已无从改变，设计者的创新能力、想象 ，j 和优化设计能力的发挥空间已被选定的硬件巾生能所界定。没有了创造，更谈f i ：超越，进而导致了系统的综合性能基本上取决于器件原有的性能和指标。 s o p ( ；技术由美国a 1 t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的丌发 软件q u a r t u s l i 。首先，它是片上系统( s o c ) ，即由单个芯片完成整个系统的 要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、 i r 升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。s o p c 是基于f i ) g a 解决方案的so = 。， 脶f c 的s 【) c 解决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，构成s o p c 的力 案也由如下多种途径： 1 基于f p g a 嵌入i p 硬核的s o p c 系统 即存f p 6 a 中预先植入嵌入式系统处理器。目前最为常用的嵌入式系统犬多采 肖j 了含有a 附的3 2 位知识产权处理器的器件。尽管由于这些器件构成的嵌入式系 统有很强的功能，但为了使系统更为灵活完备，功能更为强大，对更多任务的完 成具有更好的适应性， 2 基于f p ( ；a 嵌入i p 软核的s o p ( ；系统 将i p 硬核直接植入f p g a 的解决方案存在如f 几种不够完美之处： 4 两- i l ：t ：业大学硕士学位论文 第章绪沦 由于此类硬核多来自第三方公司，f p g a 厂商通过无法直接控制其知以产权费 用，从而导致f p g a 器件价格相对偏高。 由予硬核是预先楗入的，设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线 规模，接口方式，乃至指令形式，更不可能将f p g a 逻辑资源构成的硬件模块以指 令的形式内置嵌入式系统的硬件加速模块，以适应更多的电路功能要求。 无法根据实际设计需求在同一f p g a 中使用多个处理器核。 无法裁减处理器硬件资源以降低f p g a 成本。 如果利用软核嵌入式系统处理器就能有效地克服解决上述不利因豢。 目前最具有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是a 1t e r a 的n i o s li 核，以及 x i l i n x 的m i c r o b i a z e 核。特别是前者，即n i o s i ic p u 系统。使上述5 方面的问 题得到很好地解决。 特别值得一提的楚，通过m a tla b 和d s pb u ii d e r ，或商接使用v h d i 等硬件 描述语言设计用户可以为n i o s l l 嵌入式处理器设计各类加速器，并以指令的形 式加入n i o s i i 的指令系统，从而成为n i o s l i 系统一个接口设备，与整个片内嵌 入系统融为一体。 3 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 通过强化s o p c 工具的设计能力，在保持f p g a 开发优势的前提一卜，0 l 入舱【( ： 的开发流程，从而对a s i c 市场形成直接竞争。这就是a 1 t e r a 推出的h a r d e ( ) p v 技术。 h a r d c o p y 就是利用原有的f p g a 丌发工具，将成功实现于f p g a 器件t ：的s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化，从而克服传统a s i c 设计中普遍存在的问 题。 h a r d c o p y 技术是一种全新s o c 级a s i c 设计解决方案，即将专用的硅片设计和 f p g a 至h a r d c o p y 自动迁移过程结合在一起的技术，首先利用q u a r t u s il 将系统 模型成功实现予h a r d c o p yf p g a f ：，然后帮助设计者可以把可编程锯决方案无缝 地迁移到低成本的a s i c 上的实现方案。这样，h a r d c o p y 器件就把大容置f p g a 的 灵活性和a s i c 的市场优势结合起来，实现对于较大批量要求并对成本敏感的电f 系统产品上。 曲北i 业大学硕十学位论文第蕈绪论 项目基于a s i c 的s o c基于f p ( ；a 的s o c基于h a r d c o p y 的 ( s o p c )s o c 单片成本低较高较低 开发周期艮( 超过5 0 周)短( 少了：1 0 周)较短( 少于2 0 瑚) 开发成本设计工程成本高设计工程成本低设计i ：程成本低 掩模成本高无掩模成本掩模成本低 软件工具成本高软件工具成本低软件 具成本低 ( 超过3 0 万美( 低于2 0 0 0 美元) ( 低于2 0 0 0 美元) 元) 一一次投片情一次投片成功率现场可配置 一次投片成功率近 况低、成本高、耗 乎1 0 0 ，成本低。 时长耗时短 集成度技术 0 2 5 u m 6 5 n m0 2 5 u m 9 0 h m0 2 5 u m 9 0 n m 可重构性不可重构 可重构不可重构 表l 一13 种s o c 方案的比较 5 0 多年的，匈牙刹数学家钮曼( j o h ny o nn e u m a n n ) 提出计算机的设计构想： 通过中央处理器从存储器中取数据，并逐处理各项任务。现在，通过采用f p g a ， s o p c 及顺序与并行方式相结合的嵌入式系统取代传统微处理器，以至于x i 】1i x 的c e ow i l l e mr o e l a n d t s 提出“由钮曼提出的汁算机构架已经走到尽头，可编 榭芯片将掀起下一轮应用高潮”。 采用n i o s1 i 的f p g a 设计方法，把各种功能模块按照用户的要求封装在一 块芯片匕，它将c p u 与p l d 的功能集于一身，既简化了电路扳设计，又_ i 存矗： 接l 1 速率的瓶颈问题，使整个系统在一块芯片上就可以完成。n i o s l l 只 用f p g a 芯片很少的e s b 和l e 资源，可以嵌入在其中一款f p g a 系列中与p l d 模块弼步 远行。具有高度的集成能力，很大程度上减小产品体积以及外部信号对系统的于 执，大大增加了系统的可靠性、稳定性和灵活性，可以很好地满足恶劣的环境要 求，并为以后的升级带来了很大的方便。 在此背景下，基于f p c , a ，s o p c 技术和玎关同步关合技术的结合，作为新型7 1 ： 美 乜器的主流研究方向，同步丌关技术对提高电力系统运行稳定性和经济住意义 珂北。f ：业大学碗士学位论文 第一章绪论 深远，且应用前景广阔。 1 3 2 研究内容 s o p c 是n i o s l i 系统+ 硬实时部分+ 逻辑电路的一个组合体，其中n i o s l l 负责 数据管理，通讯，人机交互等实时性相对较低的任务，把同步控制单元划分剑硬 实时部分，即可编程逻辑区，它则是独立于n i o s i i 系统，充分利用现有i p ，崩 h d l 语言实现的实时性可靠性要求较高的关键部分，硬实时部分可以和n l o s l l 系 统通过自定义的接口通讯。 同步控制单元用硬件描述语言设计方法应用，具体有： 1 三相电过零点的精确提取，此分稚式f i r 数字低通滤波和过零点的线性差分 运算。 2 研究了同步开关动作时闻影响因子，对外界温度和操作机构控制线圈电压进行 了采集，并设计相关的线性差分查表算法。 3 1 2 c 控制器设计与实现。 4 自定义接口部分设计，n i o s l i 系统通过自定义接口对同步控制单元进钆1 数报 管理，通讯控制等。 5 对n i o s i i 系统进行了搭建，软件部分基于u c 0 s i i 进行了初步设计。 1 4 论文的组织 本论文是按照系统设计和实现的过程来安排的，共分为五章。 第一章介绍了同步控制在电力系统中的应用前景和所研究内容。 第二章介绍了同步控制原理即所需解决的关键问题，对整体方案进 j ：了设计。 第三章同步控制单元即可编程逻辑区的设计，各个模块的划分以及实现。 第四章可编程逻辑区接口设计与实现。 第矗章对n i o s l i 系统进行了搭建，并对软件进行了初步设计。 第六章对系统进行了总结和展望。 批北l ：业大学硕士学位论文 第章l 州步关台研究，? 玎集眦； 第二章同步关合研究与方案设计 2 1 同步关合研究 n 1 2 1 1 同步关合原理 同步关合的过程有两种控制模式，歼环控制模式建立在同步丌关动作时 、日j 稳 定的基础上。此时当控制系统接收到个关合命令后，开始检测母线电压的过零 忆在检测到第一个过零点后，在个预给定的控制簸略下，经过一段延迟时州f ， 后；，控制系统给出线圈合闸命令，再经过一段固定的开关动作时间f 。后，同步j ! ：跫将完成过零关合操作，实现预定的控制策略。在实际情况f ，由于外界因索影 【1 m 例如环境温度的变化、操动线圈电压、老化、及其其它一些难以预计的因素， j f ：关的动作时问会有一定的分散性，可能选不到预期的同步关合效果。因此需要 一个闭环控制系统来补偿外界因素引起的丌关动炸时j 玎j 的变化。图2 1 所示是嗣 步闭合电容器组的动作过程。 母线电压 舍闸命令j h 同步化命令_ j j 寸 合闸线圈命令- j 触头位置广 图2 一l 同步关合过程 21 2 同步关合与异步关合对电压和电流的影响 罔2 - 2 所示为异步和同步投入情况下a 相并联电容器组的涌流。异步投入操 作是指在a 相电压经过峰值时同时投入三相电容器组。可见同步闭合电容搭缌艇 # 涌流从l o ，。( “为额定电流有效值) 减小到约2 ，。图2 3 所示为仡| 叫样的 两北一【：业大学硕十学位论文 第一审f 司步关合州究j 力案i 盐0 操作下，电潍母线1 上a 相电压波形，可见异步投入电容器组时，过电压达 1 7 8 u p x 。( u 为额定电压峰值) 丽同步投入电容器组时，电压波形基本没有 振荡。 s 避 脚 2 薹l 裔0 母1 2 时间m s ( a ) 异步投入 量； 鎏：! 一3 时间m s ( b ) 同步投入 图2 - 2 电容器组异步和同步投入时a 相电流 时间m s 时问m s ( a ) 异步投入 ( b ) 同步投入 图2 3 电容器组异步和同步投入时a 相电压 图2 - 4 总结了同步投入误差弓最大过电压的关系，图中横坐标表示电容器毋 实际投入时刻与理想的最佳投入时刻( 郎同步投入时刻) 的偏差，纵啦标表示浚 时问偏差下电容器组所在母线上的最大过电压。同步控制误差在l m s 以内嬲+ j 能达到较高的精度。 时间偏移m s 图2 - 4 同步投入时间偏差与过电压的关系 9 羞n 赳啦 哺北 ：业人学硕士学位论文 第章h 步关台研究- o 方嶷戳； 2 1 3 关键技术难题 出同步开关的工作原理可知，梢控开关的成功与否，关键在于丌关相位的h e 确控制。而影响同步控制准确度的因素，以合闸过程为例，包括控制单元的数捌 处理和控制时间、开关的关台时问等。其中同步控制单元的数据处理和控制州削 【b 微机完成，准确度可在微秒级以内。但是，作为同步过程时间起点，t 槲电爪 过零点的检测方法，其准确度将严熏影响同步，f ：关技术的实施，特别是在系统电 眶波形中含有较大的背景噪声、谐波分量、瞬态脉冲干扰等情况时。开关的关合 和分断时间由于受多种因素的影响，表现为较大的分散性，是束缚同步开荚技术 至今不能广泛应用的重要瓶颈。由此可见，目前急需解决的两大难题为：1 ) ：二i 棚 电压过零点的准确检测方法，2 ) 相控开关的荚合和分断时间分散性的处理技术。 2 ，1 3 1 三相电压过零点的检测方法 ：相电压为严格的工频正弦信号，u 。为电压峰值，口为初相位。根据 “= u ，s i n ( t o t + 毋) ( 1 ) 鲁= 姒c o s ( 埘删 ( 2 ) 舀i 三相电压的过零点电压的变化率最大( 甜u ) ，据此可以检测过零点f ，为： 叫剖，；一且腻蜘 其中k 为常系数。在实际测量中获取的是参考电压的采样序列，采样点一般 4 i 能正好落在过零点上，需要采用线性插值法求得过零点。 在实际中，由于开关一般安装在变电站内，易于遭受较强的噪声干扰、脉冲 二f 扰和谐波影响等，三相电压波形不会是严格的正弦关系，因此上述检测算法需 要改进。 不失一般性并突出问题，假设参考电压波形中含有较强的3 次( 1 0 ) 和5 次( 1 0 ) 谐波，此时，三相电压导数的波形具有多蜂值特点，即在电压过零附 近，过零点不唯一。若用线性插值法求过零点，不易判别。为此本文提出一日先采 用滤波技术以平滑三相电压采样点，滤波后的电压其过零附的近过零点唯再 用线性插值法求过零点非常容易。 0 曲| 匕j l 业大学硕士学位论文 第二孽f 耐步关台研究j 乃察世钳 2 1 3 2 同步开关的关合和分断时间分散性的处理技术 束缚同步开关技术进一步发展的瓶颈是关合或开断时间的分散性。以关合过 程为例，同步开关的关合时间受诸多因素的影响，可以表示为温度、湿度、海拔 高度、污染度、操动机构控制线圈电压、开关老化等影响。同步开关技术要想实 用化。关合时间的分散性必需在0 5 毫秒以内才有可能比较精确地控制合闸相位。 一般中高压开关的合闸时间在几十毫秒量级，把分散性控制在o 5 毫秒以内较闲 难。因此，对开关的时间分散性研究必需加以模型化处理。 温度t e 、操动机构控制线圈电压t u 、开关的机械损耗时间( 即老化时间) t 1 ) 三因素对同步开关的关舍和分断时间分散性影响最大。开关的老化是由7 f 关动作 次数的增加机械损耗所引起的，随使用次数所增大。而实验室在不考虑开关的老 化的因素下开关动作时b j l 是对一组温度、操动机构控制线圈电压所生成的非线 性数据即瓦= f ( t e ，t u ) ，因此，对于同步开关的关合和分断时间分散件处理为 根据采样得来的外界温度和操动机构控制线圈电压对应的，r 关动作时i o i d n 上r 是 的机械损耗时问，为乃= f ( t e ，t u ) + t d 。 2 2 设计思想3 1 2 2 。1 软硬件协同设计簧略 与传统嵌入式系统设计不同，软硬件协同开发分为硬件开发和软件开发两个 流程，硬件开发过程包括由用户系统硬件构建，然后出计算机完成硬件系统和对 应的”发软件系统生成，软件设计则与传统比较接近。 在软硬件协同开发时可以分解为硬件和软件两个部分。在实际设计过程中， 往往会遇到这样一种情况：所需要的功能既可以用软件的方式柬实现，也可以硐 纯硬件逻辑来实现。例如，在系统中需要8 位7 段数码管显示，既可以熠f l ，( ；a 中的可编程逻辑设计一个动态扫描逻辑来显示，也可以通过编写动态扫描襁序对 p i o 进行操作来宠成上述功能。若用硬件方式来实现，显然需要占用额外的硬件 资源，但是可以保证系统工作速度不受影响，特别是在f p g a 的资源比较充裕时， 这种方案更为可取；反之，用软件方式来实现，可以4 i 增加硬件逻辑，似动态 j 描需要占用c p u 的处理时间，增加了软件结构和编写的复杂度，若对系统的速度 心北1 ) l k 大学硕士学位论文 旃章问步关仑研究t l 方案【生 没有特殊要求，则可考虑用软件方式承担更多的功能。因此，具体采用什么方式 j 系统设计要求有关。在设计规划这一步，就要综合考虑确定哪些功能_ 肆j 硬件实 现，哪些功能用软件实现。 2 2 2 软硬件划分概念 一般情况下，硬件比软件提供更好的性能、而软件更容易开发和修改，因此 成本较丌发时间较短。系统设计者的目标就是在使用最少硬件的情况下满足所有 的性能约束低，对于n i o s l i 等可编程片上系统来说，f 面几个是考虑的闲素： 1 ) 对那些适合于采用软件完成的任务，就以运 j ：于n i o s l i 处理器上的软件柬实现， 把软件和数据存放在f l a s h 中。 2 ) 对于软件实现过程中的一些关键并且重复出现，占用指令周期较多的功能函数 应该用n i o s i i 所提供的用户逻辑来进行实现。因为在n i o s l l 处理器中可以嵌入5 个用户逻辑，这些用户逻辑均可以由相应的 f ：编指令调用，这样增加了用户) r 发的灵活度，也是s o p c ( 可编程片上系统) 的一个具体体现，更主要的是这种方 式速度很快。 ： ) 对于时问有较高要求的任务，使用f p g a 的可编程逻辑来实现。 2 2 2 1 硬件部分设计实现 根掘n i o s i i 和开发板的特点，所开发系统地所需的功能，柬选择相应的处理 器，然后选择后根据丌发需要确定处理器的数掘宽度等因索，然后确定相应的外 黼设备的i p 模块，例如u a r t ，r o m ，r a m ，f l a s i t 等，然后对相麻的硬件设霹拥应的 数据宽度、速率等参数。 用h d l ) ：发相应的用户硬件模块，使用n i o s i l 丌发工具把用户编写的硬件模块 加入到系统中。如桑是s o c 系统那么必须使用独立的硬件来实现，并要通过总线或 d m a 平h c p u 交互运算结果，这个硬件町以选择协处理器，d s p 等。 对于基于f p g a 的s o c ，就是s o p c 来说，可选的方案比较多。不但可以使辟j s ( ) ( ： 的方案，也可以使用f p g a 上的可编程逻辑来实现，同时也可以通过嵌入式处理器 的用户逻辑来实现。 对于n i o s i 来说硬件实现的软件部分： 】j 可以通过n i o s 提供的5 个用户指令柬实现，这样可以大大减少 发人员的i 作 曲j b i ：业大学硕士学位论文 第二章同步关台研究，与案i f 量，提高系统的运行速度，减少运行时闯，减少总线负担。 2 ) 另外对于n i o s i i 系统，完全可以在系统架构时为系统添加数据协处理器的软核。 3 ) 或使用多个n i o s l ic p u 软核来协同实现数据处理，这样做完全不蠲增加额外的 硬件费用，但是要考虑的是芯片的容量。 4 ) 可以使用片上的f p g a 来实现所需要的用户逻辑，并用n i o s li 丌发工具来集成。 2 2 2 2 软件设计实现 n i o s l i 的软件开发工具( s o f t w a r ed e v e l o pk i t ) 由r e d h a t 公司提供，选择孵 应的玎发工具进行开发。并且在硬件设计开发过程中将会生成软件开发中所需要 的文件和设备的一些接口定义和接口函数，对所有牵涉到硬件接口的软件玎发， 都应该在硬件环境搭建起来后进行，这样大大方便了软件”发人员对硬件的操作， 加快了开发速度，减少了工作量。要注意的是歼发过程中硬件的改动也将影响软 件相应的接口定义和接口函数。这意昧蓿软件开发人员必须应该经常更新自己的 软件模块，保持和硬件开发人员的开发嗣步。 2 2 2 3 软硬件开发流程 确定好软硬件模块的划分，就可以开始具体的设计过程。对于常用的嵌入式 系统硼：发，c p u 的硬件不可更改的，因而外围设备的变动也受c p u 的限制，县至 整个嵌入系统的硬件已经固定，难以更改，而通常的嵌入式开发更多的是p c b 设 计及软件歼发，换言之，通常的嵌入式系统开发主要是软件爿：发。然而n ；o s l i 系统 发则不同，n i o s i i 是一个司灵活定制的c p u ，它的外漫是可选的i p 饮或是 自定义逻辑，可以根据系统开发要求，通过s o p cb u i l d e r 向导式界面定制裁剪得 当的s o p c 系统。在设计划分后，分为硬件开发与软件开发两个流程。 n i o s l i 的硬传设计流程就是为了定制合适的c p u 和外设，然后在s o p c b u i l d e r 和q u a r t u s i i 中实现。如图所示。硬件设计流程中，可以灵活定制n o s 【l c p u 的许多特性甚至指令，可以使用a i t e r a t 提供的i p 核来加快设计者丌蔓乏 n i o s l l 外设的速度，提高外设的性能，可以使用v h d l ，v e r i l o g 来自己定制外设。 曲北l ：业久学颂十学位论文 籀：辛心步关合研究，方嶷雌 定义n i o s i i 系统 | 模块( s o p cb u i l d e r ) ； l ，、j r 、百蕊i 一l 软件开发 f 开发归定制硬件模块的 i 驱动或子挥序( s o p ( 、 b u i l d e r ) 的移植( s o f ，c b u jl d e f ) 编写应用稃序 s o p cb u i l d e r ) 编译、连接、调试 ( $ o p cb u i l d er ) l 一 图2 一jn j o st i 软硬件丌发流稳豳 硬件丌发的步骤如下：用s o p cb u i l d e r 生成n i o s it 嵌入式处理器，用 【 l m r t u s i 将n i o s l i 嵌入式处理器和其它逻辑电路进行结合设计输入。 软件开发步骤如下：利用s o p cb u i l d e r 生成的软件文件，用交本编辑器写汇 编或c c + + 源程序，用n i o s tt d e 进行设计开发。可以看出：硬件丌发和软件， 发的步骤很相似。 系统性能 系统成本 图2 - 6 软硬件划分 用软件或硬件实现系统功能，在性能和成本卜差j ；i j 显著。软硬件混合实脱乃 式往往能够达到系统设计目标的最佳乎簿点。如图2 6 所示。软硬f ”t 剐分 西北，i ：业大学硕士学位论文 蚺錾步关台研究b 力集啦i f ( h a r d w a r e s o f t w a r ep a r t i t i o n ) 的任务是把系统功能划分为软硬件协同设计中 一个重要课题，划分结果力求保证速度、较小成本等。 2 3 整体设计方案概述8 1 4 1 2 们 本设计是基于f p g a ，f p g a 是以纯硬件的实现方式较之传统的c p u ( 荦片机或 d s p ) 为核心的软件实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为以软件运 行为核心的c p u 的指令地址指针在外部环境干扰下，容易发生不可预测的变化 而使系统陷入不可预测的非法循环中，从而使系统瘫痪，丽采瑁e d a 投术的令硬 件实现方式则出于非法状态的可预测性以及进入非法状态的可判断性从而确保 了恢复正常状态的各种措施的绝对可行性。 本设计考虑到实时滤波，温度电压采集，电压温度差分计算等设计，实嘲一n ： 要求很高，并有几个任务需要并行工作，因此，考虑到以j ：要求，结合当今最新 技术s o p c ，对于实时性和需可靠性高的任务即同步控制单元用f p g a 蚪j 户t 叮编程 逻辑单元进行设计：对数据打包、解包、t 传任务和一些数据处理任务可以州 n o s i ic p u 进行处理。如图2 7 所示 f p ga 图2 7 整体方案设计 i 1 l1 业入学硕一卜学位论文 第章| 司步兑台 究tj h 棠泣 2 3 1 软硬件划分 其基本方案是通过f p g a 中可编程逻辑与n i o s 系统组合完成，叮编程逻辑 区接口是它们连接的桥梁。可编程逻辑区t 要是智能同步歼关控制单元的实现也 i r 以看作是a v a l o n 总线的个外设。可编程逻辑区用v l i d l 语音编写，设计思想 足基于自顶向下设计方法。包括一f 主要功能： 1 电压、温度采集与处理； 2 三帽电压滤波与过零电提取； ： 电压温度线性差分查表运算； 4 开关动作时间自适应补偿； 5 接收近程开合闸命令与同步处理； 6 可编程逻辑区接口实现以下功能： 寄存着温度量，电压镀，丌关动作时间等数据， n i o s i c p i 从f f j 取数据进行处理； 接收n i o s i i 命令发送给同步控制睢元实现远程) r 合闸控制： 软件足基于n o s i 系统，主要完成与上位枫的通讯设计和处理远程开台闸命令 1 从可编程逻辑区接口收取数掘并处理： 2 把数据打包上传给上位机； 3 从上位机接收远程歼合闸命令。 2 3 2 基于f p g a 的设计方法 2 3 1 1 自顶向下设计方法 传统的电子设计流程通常是自低向卜的，即酋先确定构成系统的最低层的r b 路模块或元件的结构和功能，然后根据主系统的功能要求，将它们组合成更人的 j 自能块，使它们的结构和功能满足高层系统的要求。以此流程，逐步向 ：递推， 强至完成整个目标系统的设计。例盘班，对丁 一般电子系统的设计，使用自低向 的设计方法，必须首先决定使用的器件类别和规格如7 4 系列的器件、某种i c a m 和r o m 、某类c p u 或单片机以及某些专用功能芯片等；然后是构成多个功能模块， 如数据采集模块、信号处理模块、数据交换和接u 模块等，直至最后刹川它”屯 成整个系统的设计。 西北，j ：业夫学硕士学位论文 第二章同步关台研究矗椠改 自低向上的设计方法的特点是必须首先关注并致力于解决系统最低层硬件的 可获得性，以及它们的功能特性方面的诸多细节问题：在整个逐级设计和测试过 程中，始终必须顾及具体目标器件的技术细节。在这个设计过程中的任一时刻， 最底层目标器件的更换，或某些技术参数不满足总体要求，或缺货，或由于市场 竞争的变化，临时提出降低系统成本，提高运行速度等不可预测的外部因素，都 将可能使前面的工作前功尽弃。 由此可见，在某些情况下，自底向上的设计方法是一种低效、低可靠挂、费 时费力，且成本高昂的设计方法。 在电子设计领域，自顶向下设计方法只有在e d a 技术得到快速发展和成熟应 用的今天才成为可能。自顶向下设计方法的有效应用必须基于强大的e d a 工具、 具备集系统描述、行为描述和结构描述功能为一体的v h d l 硬件描述语高以及先 进的f p g a 开发技术。当今，岛顶向下的设计方法已经是e d a 技术的