基于FPGA构架的并行硬件合并单元实现

1、本科毕业设计（论文）说明书 合并单元及其fpga实现 学 院 电力学院 专 业 电气信息工程 学生姓名 指导教师 提交日期 2010年5月 31 日 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 兹发给 06级电气信息 班学生 毕业设计（论文）任务书，内容如下：1.毕业设计（论文）题目： 合并单元及其fpga实现 2.应完成的项目： （1）熟悉合并单元的基础知识，完成开题报告。 （2）简单介绍合并单元的定义及功能。 （3）重点研究合并单元怎样用fpga实现。 （4）完成英语文献翻译。 （5）完善毕业论文所有归档资料，进行论文答辩。 3.参考资料以及说明： （1 李红斌，刘延冰，吴伯华电子式互感器的使用

2、现状及应用前景电力设备， 2006，12:103-104 （2）赵茂泰智能仪器原理与应用北京：电子出版社,1999 （3）聂一雄，尹项根光学电压互感器设计中若干问题的探讨变压器,2001,(4)： 2023 （4）金午桥，洪宪平变电站自动化新技术的应用研究电网技术,2000,24(5)： 3842 （5）中华人民共和国国家标准gb/t 20840.8-2007互感器，第8部分：电子式 电流互感器iec 60044-8:2002 （6）中华人民共和国国家标准gb/t 20840.8-2007互感器，第7部分：电子式 电压互感器iec 60044-7:2002 （7）中华人民共和国电力行业标准dl

3、/t iec61850-9：2003变电站通信网络和 系统，第9-1部分：特定通信服务映射(scsm)通过单向多路点对点串行 通信链路的采样值4.本毕业设计（论文）任务书于2010年3月1日发出，应于2010年5月31日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）、研究所负责人 审核 年 月 日 指导教师 签发 年 月 日摘 要随着电力系统容量的日益扩大和电压运行等级的不断提高，传统的电磁式互感器暴露出越来越多的缺点，难以满足电网向自动化、数字化方向发展的需要。在这种情况下，基于电子计算机技术、光电传感技术的新一代电子式互感器应运而生，越来越多的人开始研究电子式互感器。合并单元作

4、为电子式互感器与变电站间隔层设备接口的重要组成部分，主要用于同步接收多路电子式互感器输出的数字信号以及将处理后的数据按标准规定的格式发送给间隔层设备。本文基于合并单元的研究背景，结合国际标准iec60044-7/8和iec61850-9-1，着重讨论合并单元的功能以及怎样来实现合并单元。由于合并单元要求对大量数据进行高速的接收和发送，并没有复杂的运算和逻辑判断，所以本文打破了传统的以串行方式程序控制的合并单元实现方案（基于dsp，arm等），提出了一种基于fpga(现场可编程逻辑门阵列)构架的并行硬件实现的合并单元，具有并行性高，速度快等优点。本文中以xilinx公司最新的高速，低功耗fpga

5、芯片为处理器并结合xilinx公司的各种ip核，实现了合并单元同步功能中的同步采样、个合并单元之间进行同步；多路电子式互感器输出信号接收功能中的的曼彻斯特解码，循环冗余校验(crc)、多路数据排排序；数据发送功能中的：数据帧组成、以太网数据发送。关键词：合并单元，电子式互感器，fpga，ip核。abstractwith the improvement of electric power system capacity and the increasing of the level of the running voltage,the traditionary electromagnetic t

6、ransformer is difficult to satisfy with the need of the digital and automation power system.so more and more people focus on the new electronic transformer. in this case, the electronic transformer which based on computer technology and photoelectric sensors technology has been invented as an import

7、ant component of the interface between electronic transformers and devices served in the substation bay level,a merging unit was primarily used to receive the sample values simultaneously from several electronic transformers,and then sent the pro-cessed data to the devices served in the bay level wi

8、th the standard format. in this paper,the author discusses the realization of the digital interface of the merging unit(mu). since the merging unit requires a lot of data to send and receive in high speed, and no complex algorithms and logic judge are needed.in this paper we breaked the merging unit

9、 which based on traditional way of program control by serial implementation scheme(such as dsp, arm, etc.),and proposed a new merging unit implementation scheme which based on fpga (field programmable gate array) hardware parallel architecture with advantages of parellel and fast.in his paper we use

10、 the xilinx's latest high-speed, low power fpga chip and combined with a variety of xilinx's ip cores.we realized first:synchronous sampling and synchronization of merging units in the function of synchronization;second:mancheste decoding,crc checking,sorting by fifo in the function of data

11、reception;third:data frame composition and transmition data by ethernet in the function of data transmition.目录摘 要iabstractii第一章 绪论11.1研究背景及课题内容的简介11.1.1合并单元的背景和简介11.1.2fpga21.2国内外的对合并单元研究现状31.3本论文要研究的内容4第二章，合并单元的定义及其组成52.1 合并单元的定义52.2 合并单元的具体功能72.3 合并单元与二次设备的通信方式82.3.1 iec 60044-8标准中规定的通讯方式82.3.2 ie

12、c 61850-9标准规定的通讯方式9三、合并单元功能设计及硬件选择133.1、合并单元所具有的功能模块133.1.1同步模块133.1.2多路数据接收和处理模块143.1.3数据通讯模块143.2 fpga实现合并单元装置的特点153.2.1现有的合并单元实现方案153.2.2 fpga实现合并单元装置的优点153.3、本设计中软硬件平台和fpga器件选择163.2.1、软件平台163.2.2、硬件平台163.3本章小结17第四章、合并单元各功能的硬件实现184.1、同步模块184.1.1、同步功能的分析184.1.2同步功能的实现204.2多路数据接收处理模块。214.2.1数据接收功能分

13、析214.2.2合并单元直接接收互感器传来的模拟量224.2.3合并单元直接接收互感器传来的数字量234.3数据通讯模块27第五章 vhdl程序讲解及仿真305.1同步模块305.2数据接收模块315.2.1合并单元直接接收互感器传来的模拟量时的a/d控制功能315.2.2合并单元直接接收互感器传来的数字量时的收据接收功能345.3数据发送功能模块375.3.1以太网输入端fifo端口介绍375.3.2以太网ip核端口介绍25375.4合并单元中fpga输入输出端口385.4本章总结40结束语41致谢42参考文献43第一章 绪论1.1研究背景及课题内容的简介1.1.1合并单元的背景和简介电力系

14、统中对电压电流的测量都会用到互感器，互感器把电网中的高电压，大电流转化成低电压（100v），小电流（5a/1a）然后送给二次侧的继电保护，故障录播，监控，远动等装置。传统的互感器是利用变压器原理的电磁式互感器，电磁式互感器虽然原理、接线都很简单，但是具有体积大、发热多、耗用铜等金属材料多、耗用传输电缆多、维护困难、造价昂贵等固有的缺点。随着电力系统传输容量的增加，运行电压等级越来越高，传统的电磁式电流电压互感器暴露出原来没有或不明显的缺点如：绝缘要求高、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小以及频带窄等一系列缺点。于是，旨在解决超高压绝缘、磁饱和等问题的电子式电流、电压互感器应运而生。近几年来，电子式电

15、流、电压互感器研究发展迅速，基于光学和rogowski空心线圈的电流互感器已进入实用阶段。1同时，随着信号采集技术、数字分析技术和计算机技术的发展使得电子式互感器的发展及实用化成为现实。网络技术和计算机技术的发展促进了变电站自动化的发展，使得具有数字接口和低功率的电子式互感器的应用成为可能。电子式互感器的应用给电力系统系统的测量和通信带来了极大地方便。主要体现在：（1）由于电子式互感器具有数字输出、接口方便、通信能力强的天然特性，它将直接改变变电站通讯系统的通信方式。利用电子式互感器输出的数字信号，使用现场总线技术实现点对点/多个点对点或过程总线通信方式，将完全取代大量的二次电缆线，彻底解决二

16、次接线复杂的现象，可以简化测量或保护的系统结构，减少误差源，有利于提高整个系统的准确度和稳定性，实现真正意义上的信息共享；（2）由于通信方式的改变，加上数字断路器控制和电子开关装置等智能电子设备的采用，使得功能不断下放，变电站自动化系统由两层结构逐渐向三层结构即过程层、间隔层、变电站层转化，简化了每一层的内容，便于电力自动化装置的设计和开发2,3 。过程层设备按照其功能主要可分为三类：a电气运行的实时电气量检测，即对电流、电压、相位及谐波分量等进行检测；b运行设备的状态参数在线检测和统计。对变压器、断路器、母线等设备的温度、压力、密度、绝缘、机械性以及工作状态的检测；b操作控制执行与驱动，包括

17、开关跳合闸驱动等执行机构。电子式互感器虽然在原理上优于传统互感器，但是它的应用将改变二次信号的输出类型和输出形式，这将带来一系列需要解决的问题4,5：（1）设计出适用于变电站二次设备特别适用于继电保护的数字化接口。（2）如何选择二次回路的光电数字化的结构形式。（3）如何保证一、二次设备间的数字化通讯系统的可靠性和实时性。只有解决了以上的问题，电子式互感器才能真正的应用到变电站自动化系统中。为此国际电工委员会已经制定了电子式电压/电流互感器(electronic currenttransformer，简称ect/electronic voltage transformer,简称evt)的标准ie

18、c60044-7/8，并首次提出了合并单元的定义。合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，它是电流、电压互感器和保护、测控装置的中间接口，其主要功能是同步采集多路互感器输出的数字信号后，按标准规定的格式发送给保护、测控设备。合并单元输出的方式有两种，其一是在iec60044-7/8中定义的基于iec60870-5-1标准的曼彻斯特编码的串行通讯方式6,7，其二是在iec61850-9中定义的基于ieee802.3的以太网通讯方式。由于前者传输速率比较慢，限制了采样率，所以目前工程实施中最常见的方式是以太网通讯方式。1.1.2fpgafpga（fieldprogrammable gate

19、 array），即现场可编程门阵列。fpga是在pal、gal、epld等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路（asic）领域中的一种半定制电路而出现，fpga既解决了定制电路的不足，也克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。fpga内部包括可配置逻辑模块clb（configurable logic block）、输出输入模块i/ob（input output block）和内部连线（interconnect）三个部分。用户可对fpga内部的逻辑模块和i/o模块重新配置，以实现用户的逻辑，因而也被用于对cpu的模拟。用户对fpga的编程数据放在flash芯片中，通过上电加载

20、到fpga中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现系统在线重构，这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的cpu，这是当今研究的热门领域。fpga可实现绝大部分数字电路设计，将所需的功能直接整合在fpga的设计中，因此可大大减小处理器外围扩展电路数目，降低外围电路和布局布线复杂度，减少影响信号完整性的因素，提高系统的抗干扰能力。而且利用fpga的可编程性，根据不同用户的需要方便地添加各种模块，硬件扩展和升级都非常方便。而且现代大容量、高速度的fpga以及相应的sopc（system on programmable chip）技术的发展，克服了微控制器和dsp方案的诸多不足。fpga设计

21、和实现变得更加方便，用户可以灵活地进行系统硬件和软件设计，还可以在现场进行系统修改。fpga技术的目标就是试图尽可能将整个电子系统在单片芯片中实现，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、性能、开发成本、产品升级等多方面实现最优化。合并单元主要功能是同步采集多路互感器输出的数据后，经过简单的处理并按标准规定的格式发送给保护、测控设备。这些功能都可以很容易的利用fpga进行实现。1.2国内外的对合并单元研究现状自20世纪60年代以来，电子式互感器经历了原理研究、试验样机和现场挂网运行等阶段。目前，电子式互感器正处于实用化、产品化的推广应用阶段，而针对数字化输出的电子式互感器而定义的合并

22、单元也得到了国内外的广泛研究。2002年出台的电子式电流互感器标准 iec60044-8首次提出了电子式互感器数字输出的概念，电力互感器为了与符合iec61850标准的二次设备相连接实现互操作必须有一座桥梁，那就是合并单元。对于国外的研究情况，以欧洲、北美最为突出，其次是日本。美国有许多大电气公司都已介入，各自在1982年左右成立了专题研究组，并研制成功了16lkv独立式0ct(1986一1988)，161kv组合式光纤电流互感器/光学电压互感器。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，并在多个地区挂网运行。19%年3m公司开发用于

23、138kv电压等级的全光纤电流测量模块，据称也可用于500kv电压等级。此外，日本、英国、德国、法国等国也在电子互感器的研究上取得了较大的进展。为了规范各组织在变电站自动化系统领域内的研究，iec制定了变电站内通信网络和系统标准体系 iec61850标准，目前己经发布了最新的iec61850标准(2004版)。其中iec61850一9对电子互感器的输出接口定义又做了新的补充。2000年cigre会议上abb和siemens公司宣布共同支持iec61850-9，并于2001年11月在kema通过了一致性测试，2002年1月在美国进行采样值的网络传输测试1。中国有关电子式互感器及合并单元的研究也在

24、进行，目前主要的研究单位有电子部26所和34所、电力科学研究院、清华大学、华中科技大学、华南理工大学等。尤其是这几年，电子式互感器及合并单元在变电站自动化系统中的应用正成为各电力系统研究单位的研究重点。目前对于基于 iec61850标准的合并单元的研究目前提出的方案多为（1）基于dsp；（2）基于fpga或cpld与dsp结合；（3）基于arm等系列的嵌入式cpu；（4）以fpga加上外围的存储、数据通信芯片的实现方案。而只基于单一fpga用纯硬件的方式来实现合并单元的研究方案还很少。因此本课题采用 iec61850标准和fpga技术来实现合并单元的功能。综上所述，基于iec61850标准的合

25、并单元控制器的研究在国内尚处于起步阶段，而开发开发新的基于fpga的合并单元符合行业的发展需要，并具有速度块、稳定性高、易扩展、便于升级更新等优点1.3本论文要研究的内容针对利用fpga技术来实现合并单元的功能，本文将做以下几个方面的研究：第一章：绪论。讲述该课题的研究背景、课题中涉及到内容简介以及本课题涉及内容的研究现状。第二章：根据iec60044-7/8和iec61850-9这两个标准详细研究合并单元的定义，功能和通讯方式。分析合并单元应具有的功能模块及其作用并初步的设计各功能模块的实现方法。第三章：了解现有的合并单元的实现方案，并与本文中fpga实现的合并单元作比较，分析fpga实现的

26、合并单元所具有的优缺点。研究合并单元应具有的功能模块，以及硬件实现所需的软硬件平台第四章：研究合并单元中每一个功能模块的原理以及利用fpga实现各个功能模块的方法。第五章：介绍编写合并单元中fpga各个功能模块的vhdl程序的端口，并对各个功能模块进行仿真验证。第二章，合并单元的定义及其组成2.1 合并单元的定义为了推动电子式互感器的实际应用,国际电工委员会制定了iec 60044-7/8和iec61850-9-1等一系列国际标准。在这些标准中,均反复涉及到电子式互感器与二次设备接口的组成部分合并单元(mu,merging unit)。合并单元是用以对来自二次转换器的电流和/或电压数据进行时间

27、相关组合的物埋单元，合并单元可以是互感器的一个组成件，也可以是一个分立单元6-8。合并单元的将各电子式电压电流互感器的数据信息进行统一处理，在时间不确定性小于几微秒的同一瞬间，把所取电流和电压瞬时值传输到测量和保护装置。因此，合并单元作为电流/电压综合的物理单元对同一个变电站间隔的各种电流、电压信号，即三相的电流、电压按一个协议规程进行传输。同时，它在一定程度上也实现了过程层数据的数字化和共享化。合并单元是随着电子式电流互感器、电子式电压互感器的出现而出现的。为了更有效利用电子式电流和电压互感器的优点，数字信号必须用统一的方式处理：同一个测量点的电流电压瞬时值，必须作为同一组数据用同一路光纤传

28、输到测量和继电保护装置，而不是像传统电磁式互感器一样用不同的金属电缆线来传输信号；各个光纤互感器输出的都是固定时间间隔的数字量采样值，这些来自不同互感器的采样数据必须保持同步性。因此，必须在电子式互感器和二次设备间设置一个合并单元，把各路信号先进性汇总、同步，再将这些数据打包校验，发送出去。针对数字化输出的电子式互感器，合并单元连接了电子式互感器二次转换器与变电站二次设备。采用一台合并单元（mu）可汇集多达12个二次转换器数据通道。一个数据通道承载一台电子式互感器或一台电子式互感器采样测量值的单一数据流。在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换器传输到合并单元。合并单元对

29、二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转换器也可从常规电压互感器或电流互感器获取信号，并可汇集到合并单元。合并单元的主要功能是同步采集三相电流电压输出的数字信息并汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备。图2.1中合并单元将7只(3只测量,3只保护,1只备用)以上的电流互感器(ta)和5只(3只测量、保护,1只母线,1只备用)以上的电压互感器(tv)合并为一个单元组,并将输出的瞬时数字信号填入同一数据帧中8。 图2.1电子式互感器配置示例注：evta的sc是a相电子式电压互感器的二此变换器，ecta的sc是a相电子式电流互感器的二此变换器由上图可看出电子式互感器的数据经过合并单元后以以

30、数字报文的格式将这些信息组帧发送给二次保护、控制设备，报文内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。合并单元与互感器进行通讯的数字通信接口应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校验，以防止提供错误数据给保护测量设备。(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10。(3)通信信

31、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道一般采用光纤通信，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 3334。由于合并单元与互感器之间的数据接口具有以上特点，所以合并单元与互感器之间的数据接口也是合并单元设计的重要部分。针对非数字化输出的传统互感器和电子式互感器，合并单元接收到的就是模拟量而非数字量，此时二次转换器就应该集成在合并单元内部，接受到模拟量后经过a/d转换后直接

32、通过并行的方式发送给合并单元的数据处理部分。所以这种情况就不需要互感器与合并单元之间的数字通讯接口。2.2 合并单元的具体功能 根据iec 60044-7/8和iec61850-9-1中对合并单元的定义，经过研究合并单元应具有以下的功能。(1)数据采集。合并单元主要实现电网电流、电压等信息量的就地采集。所采集的数据可以是电压电流互感器直接提供的模拟量，也可以是经过a/d转换后的数字量。(2)同步功能。通常情况下变电站并不是只有一台合并单元，各个合并单元之间需要同步来确保所采集到的电压电流数据来自同一个时刻。其他的二次设备也需要精确的时间标签，如变压器差动保护，这就需要一个精确的统一时钟，一般这

33、个时钟是由gps发出，1秒钟一次，发出一个符合iec60044-8的光脉冲或电气脉冲，同步所有合并单元的数据采集起始点，然后由合并单元按照协议里面规定的采样速率发出采样命令，或者根据时间标签进行插值，插成协议中额定周波所需的点数，然后组帧35。(3)同步源异常警告。当同步源丢失这是非常危险的事情，这意味着各个合并单元收集到的数据将没有统一时间标准，也就意味着相位差的不到保障，这对保护设备是相当致命的。因此，当外部时钟丢失时，必须要能够警告二次保护设备，并且自身利用锁相环保持a/d采样时间间隔短期内不会漂移太远 36。(4)串行数据发送功能。合并单元接收到电压电流互感器的数据后，要把这些数据提供

34、给二次设备使用。具体的通讯方式可以按照iec 60044-8标准规定的串行数据通信方式，也可以按照iec 61850-9标准用以太网的形式进行数据通讯。2.3 合并单元与二次设备的通信方式2.3.1 iec 60044-8标准中规定的通讯方式iec 60044-8规定合并单元到二次设备可以有数字电输出和数字光输出两种。数字电输出是以铜线为基础的传输系统，系统必须与rs-485标准兼容。标准中建议使用d型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，对于数字光输出只需将数字输出按一定要求进行电/光转换。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

35、的，不同的只是物理层的传输介质，近距离传输可采用塑料光纤或双绞线，远距离可使用玻璃光纤。对于数字输出的格式标准中规定采用iec60870-5-1(远动设备及系统传输帧格式)规定的ft3数据帧格式封装，实现数据传输。合并单元和二次设备间的标准传输速度为2.5mbit/s，采用曼彻斯特编码。ft3数据帧格式分为可变长和固定长帧格式。可变长帧格式用于传输数据，或由子站向主站传输数据报文；固定长帧格式用于确认报文或询问报文。合并单元向二次设备传输数据时使用经过修改的可变帧长帧格式。具体发送数据时所用的帧格式的内容如下7： 图2.2依据ft3格式的通用帧格式iec 60044-8规定的传输规则为7：规则

36、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个八位字节用户数据由一个16循环冗余校验crc结束。需要时，帧应填满缓冲字节，以完成给定的字节数。规则4：校验序列建立一个多项式生成码：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。2.3.2 iec 61850-9标准规定的通讯方式iec 61850采用以太网接入方式。合并单元与二次设备的连接可以采用光纤传输系统。通过考虑并解决电磁兼容性

37、的要求，也可选择基于铜质材料的传输系统。传输的规约按照iec61850-9-1/2规定的以iso/iec8802.3协议规定的以太网帧格式和asn.1基本编码规则进行数据封装，实现数据传输11。iso/iec 8802-3帧结构如图2.3所示8。图2.3以太网数据包帧格式而以太网速率的选择在iec 61850-9标准中也有规定，具体选择方法如表2.1和2.28表2.1以太网物理层选择指南(接收节点)采样率所连接的合并单元(mu)的数目1234-510×fr10 mbps10 mbps10 mbps10 mbps12×fr10 mbps10 mbps10 mbps10 mbp

38、s16×fr10 mbps10 mbps10 mbps10 mbps20×fr10 mbps10 mbps10 mbps10 mbps40×fr10 mbps10 mbps10 mbps100 mbps48×fr10 mbps10 mbps10 mbps100 mbps80×fr100 mbps100 mbps100 mbps100 mbps200×fr100 mbps100 mbps100 mbps100 mbpsfr：额定频率(hz)注关于400×fr：100 mbps以太网可使用的带宽不足以允许3个以上的合并单元(mu

39、)向同一个接收设备传送采样值。表2.2以太网物理层选择指南(发送节点)采样率合并单元数目：1备注10×fr10 mbps12×fr10 mbps14×fr10 mbps10×fr10 mbps额定值参照iec 60044-810×fr10 mbps10×fr10 mbps额定值参照iec 60044-810×fr10 mbps额定值参照iec 60044-810×fr100mbpsfr：额定频率(hz)以太网数据速率的选择也可以按照以下公式计算：可使用的数据速率:sr×tl×nmudrdr:数据

40、速率(10mbps或100mbps).sr:采样速率(hz).tl:最大报文长度;(26字节以太网报头+4字节优先权标记+8字节以太网型pdu+2字节asn.1标记/长度+2字节块的数目+46字节通用数据集+23字节状态量=111字节x 8位=888位+96位帧间隔=984位)nmu:所连接的合并单元(mu)的数目示例:sr×tl×nmu =(400 x 60hz)×984bit×1=23,616 mbps100 mbps注：上式决定可使用的数据速率仅仅是理论上的，实际上应计及10%左右的裕度。在实际应用时可使用的数据速率通常取决于发送端或接收端内部cp

41、u的能力。第三章 合并单元功能设计及平台选择3.1、合并单元所具有的功能模块根据iec60044-7/8和iec61850-9这两个标准中的规定，合并单元是用以对来自二次转换器的电流和/或电压数据进行时间相关组合的物埋单元，合并单元可以是互感器的一个组成件，也可以是一个分立单元。经过分析，合并单元应具有以下图3.1中所描绘的几个功能模块组成12。 图3.1 合并单元模块组成3.1.1同步模块这里所指的同步包括两层含义：即同一合并单元内各信号的同步和变电站内各合并单元之间的同步。同一合并单元内各信号的同步是指来自不同设备间隔的同步的电流和电压信息必须有相同的时间标签，必须使不同协议规则的电流和电

42、压信息做到同步。合并单元通过向各路a/d转换器发送同步转换命令，以保证各路同时进行采样和a/d转换。变电站内各合并单元之间也需要同步。例如当一个二次保护设备需要多个合并单元提供的电流、电压信息时，必须使不同的合并单元之间同步工作，在多数情况下，变电站的合并单元都需要同步，可以使用一个站级同步源给所有的合并单元发送同步信号以实现采样的同步；当保护双重化时，变电站需要两个独立的同步源给两套保护设备提供同步信号。由于两套保护设备共用同一个电子式互感器，所以两个同步源之间也应实现同步13,14。由于各种原因，合并单元有可能发生同步源丢失的情况。而同步源丢失是非常危险的事情，这意味着各个合并单元收集到的

43、数据将没有统一时间标准，也就意味着相位差的不到保障，这对保护设备是相当致命的。因此，智能合并单元也具有同步源异常告警的功能，当外部时钟丢失时，会警告二次保护设备，合并单元将利用采样间隔计数器保持a/d采样时间间隔短期内不会漂移太远，直到同步源恢复在进行同步。3.1.2多路数据接收和处理模块由于现在我国的电力系统中互感器仍然以电磁式互感器为主，电子式互感器和光电互感器由于技术还不够完善，还在进行小规模的试用阶段，但将来仍是一个不可阻挡的发展方向。所以为了兼容这几种互感器，满足目前实际电力工程数据采集方式的多样性，本智能合并单元的数据采集提供两种数据采集方式。第一种情况，合并单元直接接收互感器传来

44、的模拟量。智能合并单元提供a/d采集功能，包括小ct/pt转换回路（对于电子式互感器，可不包含此回路）、有源低通滤波回路、高精度高速率的a/d转换回路等电路，将互感器传来的模拟量转换成相对应的数字量。第二种情况，合并单元接收互感器经过a/d转换后的数字量，这时智能合并单元提供a/d采样信号生成回路、数字数据接收回路等电路。虽然iec60044-7/8及iec61850-9-1标准均未对电子式互感器高压侧采集器与合并单元之间的数据传输方式进行定义，但是现在普遍使用的是一般彻斯特编码形式编码并组成数据帧通过rs-485接口以串行的方式经铜线电缆传输，具体数据帧的格式在第四章中介绍。由于互感器到合并

45、单元之间的处于强电磁场的环境中，通信环境恶劣干强，必须采用较强检错、纠错功能的校验码来保证可靠通讯，帧格式中的校验码采用iec60044-8标准中规定使用的crc校验码。为此智能合并单元提供crc校验模块来完成校验功能。除此之外智能合并单元采集数据时还有对各路数据进行排序的功能。由于各路通道数据相互独立，其数据信息到达合并单元的时间各不相同，且前后关系也不固定，所以在将各路路数据进行处理前，利用先进先出(fifo)队列对各路数据进行正确排序，即在第 k- 1路数据写入fifo后，才写入第k路数据。这样从 fifo输出的数据将是按照第1,2,k路正确排序15-17。3.1.3数据通讯模块该模块将

46、各路采样值数据进行组帧并发送给二次保护测控装置。此功能在iec60044-7/8和iec61850-9-1中分别采用了不同的发送方式。前者是基于曼彻斯特编码的ft3格式进行曼彻斯特编码发送，编码前传送速率为2.5mbit/s，限制了采样率，不适用于对采样率要求较高的计量和差动保护等；后者是基于ieee8802-2和iso/iec8802-3标准的通讯方式，即通过以太网进行发送，速度可达100mbit/s，甚至更高，完全可以满足现在各种测量、保护和录波等装置的要求，所以相对于iec60044-7/8其应用更为广泛。本设计中采用以太网的形式进行数据通讯，在进行以太网通讯时采用xilinx公司提供的

47、以太网ip核来实现。3.2 fpga实现合并单元装置的特点3.2.1现有的合并单元实现方案由于合并单元将在未来的电力系统中占有重要的地位，现在出现了许多关于合并单元的研究，也有许多合并单元的实现方案，按数据处理单元所用到的核心分类大概有以下几种实现方案（1）以dsp为数字处理核心的实现方案；（2）以arm或其他类cpu为数字处理核心的实现方案；（3）以dsp+fpga为数字处理核心的实现方案；（4）以fpga加上外围的存储、数据通信芯片的实现方案。3.2.2 fpga实现合并单元装置的优点随着现代电子技术的发展，fpga芯片的技术也在不断的发展，现在出现了千万门级的fpga芯片，单个fpga芯

48、片中可以装入数个功能强大的ip核。原来完成原本需要数个芯片才能完成的功能，现在都可以用单个的fpga芯片完成，不仅减小了整个电路板的体积，也大大缩减了设计和调试的难度。本设计就利用单一fpga芯片加上ad转换电路来完成合并单元的功能，这样的实现方案相比其他的实现方案具有以下的优点。（1）设计简便。用一个fpga芯片代完成了需要几个芯片才能完成的功能，减小设计的工作量。合并单元的各种功能都可以通过电脑编写fpga的程序来实现，并且各种功能的设计大多可以在电脑上通过仿真得到验证，这样一来也减小了调试的工作量而且返工的几率小减少研发投入。（2）灵活性高。由于fpga芯片实现各种功能是通过烧入其中的不

49、同的硬件描述语言程序来完成的，所以fpga的功能可以随时改变，比如当合并单元装置用于不同的二次设备时为适应二次设备则需要的不同的电压电流采样率和不同的数据发送速率。这是我们可以在同一套合并单元装置中通过改变fpga数据采集部分的vhdl程序内容来设置不同的采样率；通过改变fpga中以太网ip核的配置或者更换新的ip核来提高或降低以太网的发送速率从而使同一套合并单元装置来适应不同的应用场合。这样的高灵活性是其他如dsp或者cpu等方式来实现的合并单元装置所远不能达到的。（3）高速高可靠性。fpga对电子式互感器数据的处理以及把数据通过以太网发送给二次设备的整个过程都是直接通过硬件来实现的。而若合

50、并单元装置中有dsp或者arm类cpu时则必定会涉及到软件对数据的处理。由于在fpga中各种功能的实现和进程的运行是通过并行的方式，也就是说合并单元中fpga在进行对电子式互感器数据采集和处理的同时也可以进行对二次设备数据的发送，这样实现各种功能时就比软件具有更高的可靠性和更高的速度，所以以fpga实现的合并单元装置比其他方式实现合并单元装置又跟高的速度和可靠性。可靠性是电力系统装置的最重要的要求，合并单元高速可靠的运行对二次设备的可靠和准确运行也有很大的帮助。（4）升级换代方便成本低。目前altera、xilinx等fpga生产商不但会及时推出规模更大更高速的fpga芯片，也会经常向客户免费

51、提供最新的功能最强大的ip核，用户可以方便的申请到这些资源，除此之外许多其他的团体或个人也会开发出各种各样的ip核，这就使得我们用fpga实现的系统可以随时的更新。比如当以fpga实现的合并单元装置需要在性能和功能上进行小规模的更新时，我们就可以给fpga芯片装入新的ip核或者其他的功能模块而不需要对装置中其他的部分做任何的改动；当需要进行大规模更新时，可以更换新一代的fpga芯片，并加入最新的ip核，而其他的部分只需要做很小的改动而不需要像更换dsp或者cpu那样对外围的支持类芯片以及软件做彻底的改动。3.3、本设计中软硬件平台和fpga器件选择3.2.1、软件平台本设计中使用xilinx公

52、司的fpga产品，其中软件平台采用xilinx公司的xilinx -ise11.1编写和调试fpga的vhdl程序。用modelism6.2进行vhdl程序的仿真。同时由于xilinx -ise11.1仿真时较为复杂，在一些简单的程序块开发时采用quartusii进行调试和仿真，当验证通过后再移植到xilinx -ise11.1中。3.2.2、硬件平台在硬件方面xilinx的主流fpga分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如spartan系列；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如virtex系列。由于virtex系列的fpga芯片价

53、格较高，基于成本的原因我们在这里选择spartan系列的fpga芯片。又由于合并单元在电力系统的测量，保护和录波等二次设备中占有非常重要的地位可以说是这些装置的眼睛，需要非常快速和准确的接收来自电压电流互感器的数据并经过处理后并发送给二次设备。因此就要求合并单元中用到的fpga芯片具有较高的运行速度和较高的可靠性，所以我们选择使用spartan系列最新的面向高速串行通讯功能的spartan-6 lxt fpga芯片。3.3本章小结在这一章中，首先根据iec标准中的规定又结合实际情况分析了合并单元应具有那些功能模块以及每个功能模块需要完成的任务，然后又分析了本设计中利用fpga 实现合并单元时有

54、哪些优点，并对实现合并单元时所用的软件和fpga芯片进行了选择和说明第四章、合并单元各功能的具体实现4.1、同步模块合并单元的同步包括两部分：第一保证合并单元对各路电压电流a/d采集数据时同步；第二保证变电站内的合并单元或者进行差动保护的两个合并单元采样时的同步。4.1.1、同步功能的分析图4.1为一个合并单元在保证对各路互感器采集数据时同步的过程，图中合并单元在收到外部同步时钟输人信号gps秒脉冲后，给各路a/d发送同步采样信号。图4.1、合并单元采集数据时的同步合并单元的同步对于差动保护而言非常重要，图4.2为多个合并单元实现同步的过程，图中只画出了一路a/d与合并单元(mu)的连接，实际情况应是多路，图中两个合并单元使用相同的同步信号gps秒脉冲， 然后产生同步信号a和同步信号b，由于这两个同步信号产生自同一个秒脉冲，所以同步信号2a和同步信号2b应能够保持足够的同步精度，这样就可以保证两个合并单元所采集到的电压电流来自同一个时刻。对于不同应用情况下电流、电压同步采样的精度，标准中有明确要求，例如对于计量，同步精度是1us 一般的传输线路保护，同步精度为1us18。图4.2、多个合并单元的同步图4.3是通过光纤传输同步时钟波形，此同步信号可由gps接