基于FPGA数字化变电站合并单元设计与仿真硕士专业学位论文.doc

四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 1 工程硕士专业学位论文 题 目基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿真 作 者 张俊涛 完成日期 2015 04 10 培养单位 四川大学 指导教师 曾成碧 副教授 企业教师 胡正 高工 工程领域 软件工程 授予学位日期 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 I 基于基于 FPGAFPGA 数字化变电站合并单元设计与仿真数字化变电站合并单元设计与仿真 软件工程 领域 研究生 张俊涛 指导老师 曾成碧 随着智能电网技术的迅速发展和推广 一些数字化设备 智能化设备相继 出现并应用于实际电网工程中 伴随着电子式互感器的研发与应用 加快了数 字化 智能化变电站建设的脚步 而本文主要是针对数字化 智能化变电站电 子式互感器重要接口 合并单元的研究与设计 合并单元的研制不仅能简化 二次设备的设计 而且还能够实现数据的无缝连接和共享 本文首先描述了变电站技术的发展历程 主要包括集中式变电站自动化系 统 分散式变电站自动化系统 集中和分散结合式自动化系统 数字化变电站 智能化变电站等阶段 特别的 IEC61850 国际电力系统通信标准的颁布 奠 定了数字化变电站 智能化变电站发展的基础 对于数字化 智能化变电站的技术方案 不同的电压等级 电子式互感器 和合并单元的配置原则有所不同 结合国家电网公司推荐的数字化变电站过程 层网络结构 即 GOOSE 组网 SV 点对点方式 分析了合并单元的接口 通 过比较几种合并单元实现的几种硬件方案 本文给了以 FPGA 作为核心硬件 的方案 并且在此基础上研究了合并单元的软件功能 按功能模块可划分为数 据采集模块 数据处理模块和数据发送模块 数据同步技术是合并单元关键技术之一 数据同步包括 电子互感器同步 大多数的二次设备需要采集多个信号量 这就要求对应同一个合并单元的电子 互感器采样同步 不同变电站也要求相同的时间基准 完成站间同步 而在数 据重采样时 不免带来数字信号混叠 为此采用匹配的一个数字滤波器 最后 讨论了合并单元相位补偿技术 主要包含两方面 一是电子式互感器本身原理 引起的 一是合并单元解码 滤波器等数据处理带来的时延 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 II 针对合并单元软件设计的三大模块 本文基于 FPGA 给出了详细的设计 数据采集模块 既能采集常规互感器的模拟信号又能采集电子式互感器的数字 信号或者小信号 主要包括采集模块中 FT3 解析 1PPS 有效性判断 线性插 值 FIFO 和 A D 控制模块等子模块 数据处理模块和发送模块 充分利用 FPGA 快速数据处理的能力和丰富资源设计 主要完成数字滤波器原理 相位 补偿算法 包括数字积分器和短数据窗移相算法 以太网控制器模块等 最后 通过 Xilinx ISE13 1 Matlab 等软件对合并单元三大模块进行了功 能仿真 结果表明本文设计的三个模块都能实现其功能 并能满足数字化变电 站合并单元的要求 是一种可行的合并单元设计方案 具有一定的工程实用价 值 关键词 关键词 智能化设备 数字化变电站 接口 过程层网络 硬件方案 同步技术 相位补偿 以太网 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 III The Design And Simulation of the Merging Unit in Digital Substation Based on FPGA Software Engineering Graduate Student ZhangZhang JunTaoJunTao Adviser ZengChengBi With the rapid development and promotion of smart grid technology digital devices and intelligent devices are widely applied to practical smart grid projects The digital technologies such as the electronic transformer technology become more and more mature that speed up the digitalization and intelligent substation Therefore the research and design of MU of digital traction substation is of great importance Development of MU simplifies the design of secondary devices and also can seamlessly connect and share data First of all the paper reviews the development of substation technology from centralized substation automation systems distributed substation automation systems combining centralized and decentralized automation systems digital substation to intelligent substation In particular published international standards of IEC61850 lay the foundation the digital substation and intelligent substation For digital intelligent substation technical configuration different voltage levels configuration of electronic transformer and merging unit is different Combine digital substation process layer network architecture that is GOOSE networking SV point mode that is recommended in power system and then analyse the the interface of MU By comparing several hardware solutions to achieve MU the paper gave the FPGA as the core of hardware Last the software features of MU is clear including data acquisition module data processing module and data transmission module Synchronization is one of the key technologies of MU one is synchronization of electronic 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 IV transformers that most secondary equipment needs to gather more than semaphores which requires a corresponding electronic transformer with the MU of sampling synchronization the other is also different substations require the same time to complete station synchronization And when the data re sample which can not help bringing signal mixing therefore that should add a digital filter Finally phase compensation technology mainly consists of two aspects that one is the principle cause electronic transformer itself the other is consolidated unit decodes filters and other data processing caused by delay of MU is discussed Three modules of software design of MU is gave a detailed design based on FPGA Data acquisition module which can capture both the conventional analog signal from conventional transformer and digital signal or a small signal from electronic transformer including the acquisition modules resolving FT3 judging the validity of 1PPS a linear interpolation FIFO and A D controlling module and other sub modules Data processing module and sending module which take full advantage of abundant resources and fast data processing FPGA to design include the main principle of the digital filter phase compensation algorithm including digital integrator and phase shift short data window algorithm Ethernet controller module and so on Finally by the software of Xilinx ISE Matlab and so on the design of each module was simulated The result shows that this design of each module can achieve its function and satisfy the requirement of MU of the digital traction substation The design which this paper is referred is a feasible solution and has some practical value KeyKey WordsWords intelligent devices digital substation interface network of process layer hardware solutions synchronization phase compensation Ethernet 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 V 目目 录录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 本文研究背景与意义 1 1 2 国内外研究现状 5 1 3 本课题主要内容和安排 8 2 2 数字化变电站技术研究数字化变电站技术研究 9 9 2 1 变电站数字化方案 9 2 1 1 电子式互感器配置 9 2 1 2 合并单元配置 9 2 1 3 典型主接线配置方案 10 2 2 合并单元接口设计 11 2 2 1 过程层网络结构分析 11 2 2 2 合并单元接口分析 12 2 3 合并单元总体设计 13 2 3 1 数字化变电站合并单元硬件实现方案 13 2 3 2 数字化变电站合并单元软件功能设计 17 2 4 本章小结 18 3 3 合并单元技术分析合并单元技术分析 1919 3 1 数据同步技术 19 3 1 1 脉冲同步法 19 3 1 2 插值同步 20 3 1 3 其他同步法 22 3 2 数字滤波器设计 23 3 3 相位补偿技术 24 3 4 本章小结 26 4 4 合并单元软件设计合并单元软件设计 2727 4 1 合并单元数据采集模块设计 27 4 1 1 解码校验模块设计 27 4 1 2 A D 控制模块设计 30 4 1 3 同步模块设计 31 4 1 4 排序模块 31 4 2 合并单元数据处理模块设计 31 4 2 1 FIR 滤波器设计模块 31 4 2 2 相位补偿模块 31 4 3 合并单元数据发送模块设计 31 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 VI 4 3 1 IEC 61850 9 2 通信机制 31 4 3 2 以太网发送模块设计 31 4 4 本章小结 31 5 5 合并单元功能仿真合并单元功能仿真 3131 5 1 FPGA 仿真平台简介 31 5 2 数据采集模块仿真 31 5 2 1 解码校验模块 31 5 2 2 A D 控制模块 31 5 2 3 同步模块 31 5 2 4 排序模块 31 5 3 数据处理模块仿真 31 5 3 1 FIR 滤波器设计模块 31 5 3 2 相位补偿模块 31 5 4 数据发送模块仿真 31 5 5 本章小结 31 结结 论论 3131 参考文献参考文献 3131 声声 明明 3131 致致 谢谢 3131 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 1 1 1 绪论绪论 电力系统包括电能的生产 输送 分配和消费等环节 作为电力系统的重 要枢纽 变电站是输电和配电的连接点 主要完成电压的转换和电能的再次分 配 它主要包括变压器 断路器 电流 电压互感器 隔离开关等组成的一次 设备与测控装置 保护及一些安全自动化装置等组成二次设备 数字化变电站以变电站一次设备和二次设备为数字化对象 利用高速网络 通信平台为基础 使传输数据标准化 并且实现数据信息的共享和互操作 1 1 本文研究背景与意义 20 世纪 90 年代以来 随着信息技术 网络数字通信技术 电子技术的飞 速发展 以微处理器为核心的自动化装置在电力系统中得到了广泛的应用 大 大促进了变电站综合自动化技术的迅猛发展 依照电力行业标准 变电站自动化系统包括 63 种功能 归纳起来大致可 以分为 7 类 即自动化控制功能 控制 监视功能 继电保护功能 与继电保 护相关功能 测量功能 系统功能 接口功能等 时至今日 国内外变电站发 展历程大致分为集中式变电站 分散式变电站 集中和分散结合式变电站 数 字化变电站和智能化变电站 5 个阶段 1 1 集中式变电站自动化系统 彩显 微机 就地监控系统 键盘 鼠标 打印机 RTU变压器分接头调节Modem调度中心 交直采样 YC 开关量采集 YX 电能表脉冲采集 YM 开关控制输出 YK 图图 1 1 1 1 基于基于 RTURTU 的变电站自动化系统的变电站自动化系统 国内集中式变电站自动化技术第一阶段是在 20 世纪 80 年代 变电站自动 化系统是基于 RTU 增加一台微机为中心的就地监控系统 如图 1 1 所示 当 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 2 时并没有涉及继电保护系统 第二阶段是在 20 世纪 90 年代 当时数字化保护的广泛应用 使变电站自 动化技术的发展突飞猛进 在变电站控制室内设置变电站自动化系统作为控制 中心 另外设置数据采集和控制部件来采集数据和发出控制命令为典型 2 如 图 1 2 这种集中式变电站自动化系统除了有保护元件外 还配有管理单元 其接口和变电站自动化系统的数据采集和控制部件相连 传输保护装置的各种 采样值 整定和显示保护定值 投切信息等 彩显 计算机 键盘 鼠标 打印机 数据采集及 控制部件 微机保护管 理单元 Modem调度中心 交直采样 YC 开关量采集 YX 电能表脉冲采集 YM 开关控制输出 YK 保护 部件 图图 1 1 2 2 集中式变电站自动化系统典型框图集中式变电站自动化系统典型框图 2 分散式变电站自动化系统 20 世纪 90 年代中期 随着计算机技术 网络通信技术的跨越式发展 集 中式系统的可靠性 灵活性无法满足大容量 高电压等级变电站的要求 出现 了分布式变电站自动化系统 结合变电站信息的采集和控制需求 布置就地单元控制层 间隔层 和全 站控制级 站控层 的分布控制系统结构 其中间隔层内一次设备 变压器或 线路等 面向对象配置 这些独立的单元装置采集的数据通过网络总线传输到 站控层 站控层包括站控系统 SCS 站监视系统 SMS 和站工程师工作 台 EWS 站控系统具有快速的信息响应和相应信息处理功能 完成站内运 行管理及控制 如事件记录 SCADA 的数据收集功能 站监视系统对站内所 有运行设备的监测 为站控系统的运行和控制提供信息 站工程师工作台完成 站内设备的检查 参数设定 调试等功能 3 集中和分散结合式自动化系统 集中和分散结合式结构介于集中式和分散式结构之间 它采用面向电气间 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 3 隔的方法进行设计 各间隔单元的设备相互独立 通过光纤或电缆有站控层设 备进行管理和信息交换 这种结构的优点是简化了变电站二次部分的配置 适 用于各种电压等级的变电站中 4 数字化变电站 21 世纪初期 随着电子式互感器 智能化开关等智能一次设备技术的应 用以及 IEC 61850 国际标准的推广 3 开始向数字化变电站发展 数字化变电 站典型特点是智能化一次设备 电子式互感器 智能化开关等 网络化二次 设备分层和运行管理自动化 4 程序化控制系统 设备健康状态监测系统和自 动故障分析系统等 基于 IEC 61850 通信规范基础上 它实现站内各层间的 无缝通信 满足变数字化电站内智能电气设备间信息共享和互操作的要求 数 字化变电站的典型结构图如图 1 3 所示 MMS SMV 保护 测控 计量录波 测控保护 直采 直跳直跳 直采 监控系统工程师站 故障信息系统 站控层设备 站控层网络 间隔层设备 过程层网络 合并单元智能终端过程层设备智能终端合并单元 站 控 层 过 程 层 一次设备 电子式互感器开关设备电子式互感器开关设备 GOOSE 间 隔 层 图图 1 1 3 3 数字化变电站结构数字化变电站结构 5 智能化变电站 智能电网 2020 计划 是在总结已建或在建数字化变电站试点工程经验的 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 4 基础上 组织相关技术人员 研究人员对智能电网方面的标准 技术 规范的 研究 智能变电站作为智能电网的重要环节 为此也成为了研究的重点 通过 研究探讨 不断明确了智能变电站的定义 5 即采用先进 可靠 低碳 集成 环保的智能设备 以全站信息数字化 通信平台网络化 信息共享标准化为基 本落脚点 自动完成信息采集 测量 控制 计量 保护和监测等功能 并可 根据需要支持电网自动控制 在线分析诊断决策 智能调节 协同互动等高级 功能 实现与相邻变电站 电网调度等互动的变电站 6 近年来 变电站综合自动化技术的迅猛发展和微机保护的广泛应用 提高 了电网的自动化水平和运行安全性 然而 由于变电站自动化系统和保护设备 没有统一的通信协议标准 带来了系统无缝连接异常困难 设备使用寿命周期 短 设备与设备之间的互操作性差 维护工作量大 改造升级困难等缺点 同 时变电站的高压电气设备保护 测量 监控等二次设备的控制信号 采集信号 发送 模拟量采集仍需要依靠大量的电缆连接来实现 不仅浪费了大量的资源 而且高压设备的绝缘 高低压设备之间的电气隔离都增加了难度 IEC 61850 标准国际是由电工委员会 TC57 技术委员会制定 它使变电站 站内通信协议标准化 解决了设备之间的互操作性差 无缝连接困难等问题 同时使变电站的通信可靠性得到极大提高 智能设备的研制与实验测试的完成 尤其是智能化开关设备 电子式电压 电流互感器 智能电子装置等在变电站 系统中的广泛应用 在线状态检测功能 变电站运行操作培训仿真等技术日益 成熟 使得数字化变电站的建设具备了必要的基础 合并单元作为数字化 智能化变电站过程层与间隔层 站控层的重要数据 接口 它的研究具有以下意义 合并单元是电子互感器和二次侧测量 控制和保护的重要接口 满足同时 处理多任务 通信信息流量大 通信速度高等要求 它是一次侧和二次侧的桥 梁 只有符合要求 才能为整个系统提供可靠的交流量信息 从而为保护装置 测控装置等可靠运行提供保证 且要求具备有较高的可靠性和实时性 在现有条件下 不能让全国所有变电站都按照数字化变电站方案来建设 但是可以采用过渡方案逐步推进 过渡方案是电子式互感器取代部分常规互感 器 保留部分常规电压 电流互感器 通过改造使变电站实现数字化 这不仅 节约数字化变电站建设成本 而且建设周期较短 更利于数字化变电站的推广 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 5 然而 也带来一些问题 合并单元必须具有一定的兼容性 7 能够处理电子式 互感器和传统互感器的数据 并保证数据采用同步 它是变电站数据数字化 功能集成化 结构紧凑的重要体现 采样值 设 备状态量采用网络方式传输取代了传统变电站模拟量接线模式 使变电站更简 约 同时 利用 FPGA 代替 FPGA DSP ARM 或者 FPGA DSP 方案实现合并 单元功能 使变电站更紧凑 此外 合并单元的研究与设计也是推动电子互感器发展的中坚力量 1 2 国内外研究现状 合并单元是伴随着电子互感器的研制而出现的 它是将二次转化的电流 电压等数据进行与时间相关的物理设备 8 9 再将同步的数据按 IEC61850 规 定的格式发送给过程层保护 测量等 IED 装置等 在实际工程实践中 二次转化的电压 电流可能是由电子式电压 电流互感 器转换而来的 也有使用传统的电压 电流互感器 为此 合并单元需要有模 拟信号转数字信号的接口模块 将模拟量和数字量同时进行时间整合 以数字 量发送出去 如图 1 4 合并 单元 CT EVT 同步信号 电源 IED ECT PT 图图 1 4 合并单元接口合并单元接口 作为电子式互感器的数字接口 合并单元的研制和电子互感器的发展息息 相关 20 世纪 60 年代 有源和无源 ECT 样机已经被一些科技发达的国家所研 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 6 制 开发 即使当时技术一般 但是已经是当时的先进水平 1964 年 Traser System 的有源 ECT 被一家美国变压器制造公司研制 10 11 12 20 世纪 80 年代中期 随着激光技术和太阳能电池技术的快速发展 突破 了使用激光器技术给有源电子式互感器供电的技术难题 在 1985 年 400 千 伏的输电线路使用了这种 ECT 并且这种 ECT 由 ABB 公司研制 在 Michael Faraday 发现磁光效应的 49 年后 即 1894 年 有人提出了光 学原理测量电流的设想 13 1967 年 东京大学的 Saito 等人研制成激光电流互 感器的样机 14 70 年代初 光纤技术革新了高压环境下的信息传输技术 也 使电流互感器与迅速发展的计算机技术和通信技术融合成为可能 3M 公司关 于无偏光纤研制的申明 奠定了光纤电流互感器实用化的基础 经过多年的发展 美国 日本 法国等国的产品已经在电网上运行 ABB SIMENS 15 等公司的 OCT 产品已经进入了中国市场 典型实例有 日本 NGK 公司在 1986 年研制了光学电压电流互感器样机 1991 年 1 月 报道了他们研究并挂网运行的组合式光学电压电流互感器的情况 1995 年 法国 GEC ALSTHOM 公司在美国 Bonneville 安装了 525 千伏的 组合式光学电压电流互感器 此后 在荷兰 加拿大和法国的变电站陆续挂网 运行 ABB 公司已经成功开发了各种形式的 OCT OVT 产品 ABB 公司研制 的有源电子式互感器已经在全球投入运行 SIMENS 的 OCT 产品 500 千伏光电互感器应用于广州北郊变电站 国内对光电互感器的实用化产品的研制较晚 但是经过科研人员的努力 目前研究的样机已经基本上达到了国际的水平 20 世纪 80 年代开始 有清华大学 西安交大 燕山大学 电子部 26 所 沈变互感器厂等多家大学 研究所和公司研究电子式互感器 当时最早报道的 挂网运行的有 3 家单位 70 年代 沈变互感器厂与四平供电局共同研制的 110 千伏空心线圈电流互感器在四平电网运行 后被拆除 1991 年 清华大学和 中国电力科学研究院联合研制的 110 千伏 OCT 挂网试运行 1993 年 华中理 工大学和广东省新会电业局合作研制的单相全玻璃 110 千伏光学电压电流互感 器和光学电流互感器在新会电网运行 从 2000 年开始 国内厂家开始研发和生产电子式互感器 主要有西安华 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 7 伟电力电子技术有限公司 南京新宁光电自动化有限公司 南瑞继保 西安同 维科技发展有限公司 北京许继电气有限公司等厂家 其中广州伟钰 南自新 宁 南瑞继保 西安华伟主推产品为电原理的罗氏线圈互感器 南京南瑞科技 股份有限公司 广州伟钰提供光纤电子互感器 西安同维 北京许继生产磁光 玻璃型电子式互感器 目前国内厂家已经由有源向无源转变 千伏系列10 75 的电子式电压互感器 电流互感器 组合互感器 在国内的数字化变电站中已 投入运行 IEC 6185 9 1 的制订 加剧了电子式互感器接口 合并单元的发展 初 期 IEC 60044 7 8 中定义合并单元是来采集电子式互感器的电流 电压数据 并对数据进行时间组合以规定的帧格式发送给间隔层设备的物理单元 后来 对 MU 的通信又做了进一步的规定 目前 新建的数字化 智能化变电站工 程中 MU 大多采用 IEC 6185 9 2 标准通信 16 同步是合并单元核心技术 目前 国内外MU大多采用GPS精密时钟同步 2002年 随着安捷伦实验室提出的IEEE 1588协议正式被IEEE批准通过和出版 MU同步技术又进入了新的领域 17 在国外 ABB SIMENS等企业巨头早已经有产品问世 并基于IEC 61850 标准研发了一系列数字化 智能化变电站过程层设备 如智能断路器 智能合 并单元等 18 在国内 也有不少科研单位 企业也完成了包含合并单元接口的电子式互 感器全部型实验测试 19 南自新宁公司从 2001 年开始研制的 OET70 系列电 子式互感器 03 年开始在南京 220 千伏六合变投入运行 之后通过不断的完 善其功能 使合并单元不仅可以接收并处理来自多个电子式互感器的数字信号 外 而且还可以同时接收并处理传统电磁式互感器的模拟信号 20 在 2007 年 4 月份 国网南瑞科技股份有限公司研制出样机 通过测试 其最大网络延迟 时间为 0 6ms 平均延迟时间为 0 5ms 可以满足保护控制单元对采样数据传 输延迟时间的技术要求 21 南京南瑞继保电气有限责任公司生产出的 PCS 221 系列合并单元 在完成合并单元基本功能的基础上 还开发了扩展功能 如具 备计算及录波等功能 22 还有北京四方公司的 CSC 188 系列合并单元 许继 股份有限公司的 DMU800 系列等 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 8 2012 年 1 月 4 号 国家能源局发布了 合并单元测试规范 规范中更加 明确了合并单元测试内容和方法 1 3 本课题主要内容和安排 本文依据 IEC60044 7 8 和 IEC61850 9 2 标准 在已建设的数字化变电站 的相关经验和技术的背景下 对合并单元进行了分析研究 取缔了常规的 FPGA DSP ARM 或者是 FPGA DSP 实现的实现方案 设计了一种基于现场 可编程逻辑门阵列 FPGA 数字化变电站的合并单元的软件实现方案 论文的 主要内容安排如下 首先 介绍了变电站技术的发展历程 从总体上了解了 IEC6850 的内容 以及与数字化变电站的关系 阐述合并单元的研究与实现对于实现数字化变电 站的重要性 并且简单介绍电子式互感器 合并单元国内外的研究现状 通过阐述电子式互感器和合并单元的配置原则 给出典型变电站主接线图 电子式互感器和合并单元的配置方案 在数字化变电站过程层数据传输方式讨 论的前提下 引出合并单元接口问题 最后讨论合并单元的总体设计方案 包 括合并单元硬件方案和软件设计方案 基于 FPGA 合并单元的软件设计有若干关键技术 如数据同步技术 数 字滤波器设计 相位补偿技术等 通过这些技术的讨论 给后面的详细设计奠 定基础 合并单软件设计主要分为三大模块即数据采集模块 数据处理模块和数据 发送模块 充分利用 FPGA 管脚丰富 处理数据速度快的优点 在介绍一些 原理的基础上 本章对这三大模块进行详细的设计 在前面章节对合并单元三大模块详细分析及设计的基础上 本章主要利用 Xilinx 提供的 ISE 设计平台实现硬件电路 并通过 Matlab Xilinx 自带的仿真 平台 XST 验证合并单元三大模块中各子模块的功能 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 9 2 2 数字化变电站技术数字化变电站技术研究研究 2 1 变电站数字化方案 2 1 1 电子式互感器配置 互感器的配置主要以经济性和技术先进性为原则 23 二者统筹兼顾 互 感器的配置原则为 1 220kV 变电站 1 110 66 220kV 电压等级宜采用电子式互感器 2 35kV 及以下宜采用常规互感器或模拟小信号输出互感器 可采用带模 拟量插件的合并单元进行数字转换 3 主变压器差动保护各侧宜采用特性相同的电子式互感器 主变中性点 或公共绕组 宜设置电子式电流互感器 其余套管电流互感器根据实际需求 可设置或取消 4 线路 主变间隔若设置三相电压互感器 可采用电流电压组合型互感 5 在具备条件时 互感器可与隔离开关 断路器进行组合安装 2 110kV 及以下变电站 1 110 66 kV 电压等级宜采用电子式互感器 2 35kV 及以下宜采用常规互感器或模拟小信号输出互感器 可采用带模 拟量插件的合并单元进行数字转换 3 主变差动保护各侧宜采用特性相同的电子式互感器 主变中性点 或 公共绕组 宜设置电子式电流互感器 其余套管电流互感器根据实际需求可设 置或取消 4 线路 主变间隔若设置三相电压互感器 可采用电流电压组合型互感 器 5 在具备条件时 互感器可与隔离开关 断路器进行组合安装 2 1 2 合并单元配置 合并单元配置主要考虑到保护配置的双重化 合并单元安装方式等因素 以下为合并单元配置原则 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 10 1 220kV 变电站 1 220kV 各间隔合并单元宜冗余配置 2 110kV 及以下各间隔合并单元宜单套配置 3 主变各侧 中性点 或公共绕组 合并单元宜冗余配置 各电压等级 母线电压互感器合并单元宜冗余配置 2 110kV 及以下变电站 1 全站各间隔合并单元宜单套配置 2 1 3 典型主接线配置方案 遵循电子式互感器 常规互感器以及合并单元的技术规范和配置原则 图 2 1 为某典型的数字化变电站接线图互感器 合并单元配置图 由于高压侧电网电压等级为 110kV 电子式互感器和合并单元都采用单套 配置方案 其中高压侧 1TV 2TV 按 A B C 三相配置 3 台电容分压式 EVT 每台带一路输出回路 精度为 0 2 3P 保护 测量和计量用 高压侧 1TA 2TA 按 A B C 三相配置 1 台 Rogowski 线圈原理的 ECT ECT 带一 路输出回路 精度为 0 2S 5TPE 保护 测量和计量用 两台变压器高压侧 各配置一台合并单元 MU1 和 MU2 低压侧电压等级为 10kV 配置常规互感器 即 3TA 4TA 配置 2 台常规 CT 每台含 2 个独立输出的二次绕组 1 个绕组精度为 5P 保护用 1 个绕 组精度为 0 5 测量用 35kV 单母线分段上的电压互感器 3TV 4TV 配置 2 台采用常规 PT 每台含 2 个独立输出的二次绕组 精度分别为 3P 保护用 0 2 测量用 两台变压器低压侧各配置 2 台合并单元 MU3 MU4 MU5 MU6 单母线上配置电压合并单元 MU3 MU4 可实现电压共享 馈线回路上电流互感器 5TA 6TA 7TA 8TA 采用常规 CT 每台含 2 个独立输出的二次绕组 精度分别为 5P 保护用 0 5 测量用 每条出线 各配置一合并单元 MU7 MU8 MU9 MU10 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 11 MU2 MU1 MU5 Rogowski型电流互感器 Rogowski型电流互感器 常规电流互感器 电容分压型电压互感器 电容分压型电压互感器 常规电压互感器 常规电流互感器 常规电流 互感器 常规电流互感器 常规电电流互感器 常规电流 互感器 常规电压互感器 MU7 MU 8 MU9 常规电流互感器 MU3 MU4 MU4 MU4 MU3 MU3 馈线1馈线2 馈线3馈线4 MU6 MU10 图图 2 2 1 1 典型变电站主接线配置图典型变电站主接线配置图 2 2 合并单元接口设计 2 2 1 过程层网络结构分析 电力系统中数字化变电站过程层采样值传输可归纳为 2 种方式 组网方式 和点对点方式 24 主要包括 1 GOOSE 和 SV 均采用点对点方式 2 GOOSE 组网 SV 点对点 3 GOOSE SV 独立组网 4 GOOSE SV IEEE 1588 三网合一 SV 采用点对点方式组网 不仅采样通道配置灵活 互操作性强 而且可 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 12 以克服组网方式必须依靠全站时钟同步的缺点 25 在兰溪智能化变电站改造 工程中这种传输方式的优势都得到了充分的体现 目前 国家电网公司推荐 GOOSE 组网 SV 采用点对点为过程层数据传输方式 这种方案可以实现断 路器 隔离开关量信息共享 但 MU 数据采集 传输同步问题仍然是技术关 键 随着时钟同步技术发展 GOOSE SV IEEE1588 三网合一方案将成为 以后变电站智能化发展的方向 数字化变电站间隔层一般有主变主保护 主变后备保护 馈线保护 测控 装置 计量装置 录波装置等 本文针对 SV 传输选取 GOOSE 组网 SV 点 对点方式设计 MU 就得合理的配置 MU 的输出接口 向间隔层设备传输采样 值 2 2 2 合并单元接口分析 合并单元的接口问题一直受业内人士关注 如何设计研发一个更人性化 具有兼容性的产品 是国内外各大厂家的目标 按功能划分 MU 的接口有输 入接口 输出接口 人机交互接口 调试接口 对时接口 GOOSE 接口等 以下简单阐述其部分接口 1 合并单元输入接口 26 从严格意义上讲 合并单元是电子式互感器的一部分 但是它与电子式互 感器又具有独立性 在常规变电站改造成数字化变电站的工程中 合并单元将 采样模拟量转换成数字量输出 这使合并单元是一个完全独立的设备 所以 合并单元的输入可能是电子式互感器 常规互感器或者两者的混合 但是 合 并单元与互感器的接口并不是以互感器的类型分类的 通常是利用光纤串口输 入数字量 具体的通信协议各个厂家都不尽相同 并没有统一的标准 国家电 网公司企业标准 智能变电站继电保护通用技术条件 中 推荐采用 IEC60044 8 标准中的 FT3 桢格式作为同步串行接口 虽然电子式互感器输出可以使模拟小信号 但由于其小信号互感器技术性 能和经济性不高 在工程实践中也不广泛 因此不推荐使用小信号输出 对于传统互感器接入合并单元 电流 电压模拟量信号并没多大的区别 电流额定值为 1A 或 5A 电压额定值为 57 74V 或 100V 皆是经二次电缆接 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 13 入合并单元 2 合并单元输出接口 合并单元数字量输出接口 先后经过四种接口标准 最早是在 IEC 60044 8 电子式电流互感器 技术标准中发布的采用 IEC 60870 5 1 中 FT3 链路帧 格式的同步串行接口 还有一种是采用 IEC 61850 9 1 所述的以太网 这两种 接口标准的物理层 链路层不同 但是应用层都是相同的 随着 IEC 61850 标 准的修订 其 IEC 61850 9 1 标准被废止 取而代之的是 IEC 61850 9 2 其全 称为 变电站通信网络和系统 第 9 2 部分 特定通信服务映射 SCSM 通过 GB T15629 3 的采样值 现在数字化变电站中合并单元的输出接口采用 Q GDW 441 2010 中规定的 两种形式 IEC 60044 8 扩展协议接口和 IEC 61850 9 2 标准接口 3 对时接口 合并单元对时接口形式有三种 1PPS 或者 1PPM 对时接口 IRIG B 码同 步对时接口和在 IEC 61850 9 2 组网网口上完成 IEEE 1588 协议对时功能 目 前暂不建议实现 IEEE 1588 对时 对于对时接口 有专家建议合并单元应具一定数量的 1PPS 光纤输出接口 向各保护装置转发外部输入的或者自产生的 1PPS 信号 工程中要求间隔 MU 有 2 个 1PPS 输出接口 分别给线路差动保护和母差保护 保护装置则按 MU 接口数量分别配置 1PPS 输入接口 最多 3 个 4 调试接口 调试接口可专门设计 如 FPGA 的实现功能的调试可以选择 JTAG 端口 还可以复用网络接口调试 2 3 合并单元总体设计 2 3 1 数字化变电站合并单元硬件实现方案 提高多路采集数据的处理能力 并且稳定性高是 MU 的主要硬件要求 目 前国内外 MU 主要有 5 种硬件方案 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 14 1 基于网络控制芯片 DSP 27 网络接口控制器 NIC 是以太网接口电 路的核心芯片 如采用 Realtek 公司的 RTL8019AS 芯片 能实现 MU 大部分 功能 包括曼彻斯特码解码 校验 串并转换 数据组帧发送等功能 数字信 号处理功能可以采用德州仪器公司的 TMS320F206 除了完成采样 同步等功 能 还要用它来控制 NIC 如图 2 2 虽然 DSP 数据处理能力很强 可以调用 自身的函数 功能实现简单 但是这种芯片执行程序时是顺序执行的 主要以 串行处理为主 这不免在处理速度上有所限制 而且 DSP 接口有限 不易于 扩展 TMS30F206RTL8019AS GAL16V8 20F001NRJ 45 TPRX TPRX TPTX TPTX TPIN TPIN TPOUT TPOUT INT0 RSTDRV AEN SDO0 15 SA0 5 IOCHRDY IOWB IORB RST INT3 A13 A14 A15 IS RD WE READY A0 5 D0 15 图图 2 2 2 2 以太网电路接口框图以太网电路接口框图 2 基于 ARM FPGA 实现方案 28 如图 2 3 所示 是基于 ARM FPGA 芯片的 MU 硬件框图 FPGA 主要完成数据的接收 之后将数据保存在双口 RAM 中 最后由 ARM 读取双口 RAM 中的数据 进行数据处理 并按照 IEC 61850 9 规约 将各路采用数据组帧发送到二次保护设备中 ARM 虽然移植 性好 实时操作性强 能提高系统的响应时间 适用于海量数据的分析处理 但是是顺序执行且稳定性有待提高 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 15 ARM 双口 RAM FPGA ECT ECT EVT EVT 电源 二 次 设 备 同步 信号 图图 2 2 3 3 采用采用 ARM FPGAARM FPGA 实现合并单元硬件框图实现合并单元硬件框图 3 基于 DSP FPGA 实现方案 29 合并单元硬件部分主要由 2 部分构成 一部分是电源模块 另一部分是 CPU 板 主要包括遥信开入量插件 DI 智能 IO 插件 FLASH 存储器 DSP SDRAM 存储器 USB 端口 10M 100M 以 太网接口和光纤接口等部分组成 硬件框图如图 2 4 所示 这种硬件方案虽然 能提高合并单元并行数据计算 处理能力 易于系统维护和扩展 但是这种多 芯片方案接口较多 不利于调试 CPU 以太网 接口 FPGA USB FLASH SDRAM DI IO 图 2 4 采用采用 DSP FPGADSP FPGA 实现合并单元硬件框图实现合并单元硬件框图 4 基于双独立 CPU 实现方案 30 文献 31 采用单独的 ARM 作为合并单 硬件电路的核心 CPU 显然外围接口有限 而且电子式互感器的采样数据必 须经过 A D 转换才能处理 如图 2 5 所示方案由 dsPIC 和 ARM2 个独立的 CPU 构成 dsPIC 处理的数据包括电压 电流和开关量 并能处理一些简单的 开关操作 ARM 主要负责与以太网信息交换和通信 这种实现方案使数据处 理和通信相互独立 dsPIC 芯片具有大量的外围组件 完整的 DSP 驱动 强 大的开发环境等 ARM 具有很少的门电路 中断时延小 低功耗等特性 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 16 ARM RAMdsPIC 模拟量输入 数字量输入 开关量输入 时钟 GOOSE报文 SMV报文 常规互感器 非常规互感器 开关 以太网 IEEE1588 以太网 以太网 IEC61850 8 1 IEC 61850 9 图图 2 2