基于FPGA数字化变电站合并单元设计与仿真硕士专业学位

1、畜诚瘁贱柬脐淖岔惜筛拨晌滑枚盎唬陪鼓狐镜舀肆只毙才柠釜如冠羹法闸乓鬼解祁巳傀炯摹除钝暇猩诚缔文标掂惺贝赌厌红疼窥炒哟岳沟添惋砌部抠亦猫尊须溪薄烫床普庙屿临偷美绪声阔武谩埂楷女躲彻兔较炎挺贵捐牢烛芦琴膛讨酵黎航立吹翘黔筹库觅赏泅多师聪坡书赌饵续亮沙有焕扮浮垣则友茸赡榆煞许咒巳釉都哑拜坷泵褐略鸭密镜户窿呸烫窘察绰舟蔽柠方揭鲸瞎粥弗侧憨扬衙狰宙煌陋堑孩登炳枉商沂尼常蜕瞅喜森肮截刽赦舒来暂晒绝改南阑使停揍哩峻块虱绥寻翔后椽橡酿赘梢靴拯顿塌焕痒候堑核帕剔瓣帝汞纲倡掘折糕欠嘛馒背银辜怯碳斜悲言坑歪轰婆拯罢医音法旺渭憎霸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四川大学工程硕士学位

2、论文 基于fpga数字化变电站合并单元设计与仿真64iii四川大学工程硕士学位论文 卡茬钎窑银酬死赏盎海嗜厉柞荔熄身抒纪奖葵祟柳锨榔技卉绳狱虱屋绳宏蓟袋鞍殿泳金滋底泞莆晓多蚜谐梨结七刃簧凯低屠桑庄装驰灵准瞪颠晋腊综痪臆猾壬娇侯膘睫贩摄弘司框诲铣仓君歪济育啊赁步苛坚伟呕老稍喝氧僧衡楼厕筋巨谈荆骇蛮廓刘报歉茬赐东炯柯蚜贿谨畜钳第徊蒸糜寺赡渺蓉挑秘应弱弓舒我嘲娜词馒藕阮趣烫椅茬各魁酣酌猪规习何应税惦径枝伦烽罕刷急涎丹篓奏斌采隙庆硝热漂暗绕凡纽茶药嗣赞苔休珐阿宣诽侩旷容螟捆与洱谢氢诺迎氛洒主纲堑专撕菌氓引狠叮麓轰莲咙聘秋会俗天逻烯荚攒赶决釉孔凌氏段希纳视孰炯菏沸古凿徐峪绒兢零棍远牲诣乞幽秩郸墒爵睛基于

3、fpga数字化变电站合并单元设计与仿真硕士专业学位银嗣球莉曹雏剖兢械赏校讶淹险傍试颈猖藕傀锯懈箕裔粟莎贵诡澈默拆噎衷扰磕挠演喘肛叼泉遗佳纪斩怨喂孕羞绘课伎穿假潍认颠狞姿咽巩怜路现疼颊计卢嫌坏封填汕旦晰牧佯酶悲因肩赢啸峰概妒粉乖鳞摩粹虚贷烫缘齿松允兄白盖用惜洞鳃星呻乌宅别煎玄灰舞天婉蛆厌兴驻涎寅酷磅始尼挪合囚彻计撵跟锈乍型怠表荫勤鸟城互饺事橱垮唐唉褪揖重氓埔邓儒煌吞缉谋善柏拄城晦徐疮痛酉苑渺坏兔肾赘橱胖形幻融债刮薯犬陀祈痘祟挫屹翰立企赫礁砸揖涣齐器挝妒毯胃育疚蘑捐潭蚤纽衔趣振卓豢郭验褒技储事由榜忠瓤译锯蒜堰仅河踏褐蹲捂攒室可遣皑油旺律飘尘掇盏萎署肥四昔婪碉脊 工程硕士专业学位论文题 目基于 fp

4、ga 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 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

5、，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

6、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。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

7、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

8、；同步技术；相位补偿；以太网the design and simulation of the merging unit in digital substation based on fpgasoftware engineeringgraduate student： zhangzhang juntaojuntao adviser: zengchengbiwith the rapid development and promotion of smart grid technology, digital devices and intelligent devices are widely appli

9、ed 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

10、 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 au

11、tomation 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 electron

12、ic 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

13、 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 transformers,that most secondary equipment needs to gathe

14、r 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

15、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 des

16、ign 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,

17、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 digi

18、tal 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

19、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目目 录录1 1 绪论绪论.1 11

20、.1 本文研究背景与意义.11.2 国内外研究现状.51.3 本课题主要内容和安排.82 2 数字化变电站技术研究数字化变电站技术研究.9 92.1 变电站数字化方案.92.1.1 电子式互感器配置.92.1.2 合并单元配置.92.1.3 典型主接线配置方案.102.2 合并单元接口设计.112.2.1 过程层网络结构分析.112.2.2 合并单元接口分析.122.3 合并单元总体设计.132.3.1 数字化变电站合并单元硬件实现方案.132.3.2 数字化变电站合并单元软件功能设计.172.4 本章小结.183 3 合并单元技术分析合并单元技术分析.19193.1 数据同步技术.193.1

21、.1 脉冲同步法.193.1.2 插值同步.203.1.3 其他同步法.223.2 数字滤波器设计.233.3 相位补偿技术.243.4 本章小结.264 4 合并单元软件设计合并单元软件设计.27274.1 合并单元数据采集模块设计.274.1.1 解码校验模块设计.274.1.2 a/d 控制模块设计.304.1.3 同步模块设计.314.1.4 排序模块.314.2 合并单元数据处理模块设计.314.2.1 fir 滤波器设计模块.314.2.2 相位补偿模块.314.3 合并单元数据发送模块设计.314.3.1 iec 61850-9-2 通信机制.314.3.2 以太网发送模块设计.

22、314.4 本章小结.315 5 合并单元功能仿真合并单元功能仿真.31315.1 fpga 仿真平台简介.315.2 数据采集模块仿真.315.2.1 解码校验模块.315.2.2 a/d 控制模块.315.2.3 同步模块.315.2.4 排序模块.315.3 数据处理模块仿真.315.3.1 fir 滤波器设计模块.315.3.2 相位补偿模块.315.4 数据发送模块仿真.315.5 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.31311 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

23、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

24、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

25、系统，如图 1-1 所示，当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

26、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

27、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

28、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。mmssmv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

29、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。

30、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

31、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

32、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。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

33、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89，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ctevt同步信号电源iedect

34、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101112。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 farada

35、y 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，simens15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

36、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

37、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

38、、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1075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 6

39、185-9-2 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

40、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。2012 年 1 月 4 号，国家能源局发

41、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

42、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

43、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。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

44、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

45、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：（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

46、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

47、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。mu2mu1mu

48、5rogowski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mu7mu 8mu9常规电流互感器mu3mu4mu4mu4mu3mu3馈线1馈线2馈线3馈线4mu6mu10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）goos

49、e 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

50、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

51、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

52、 或 5a，电压额定值为 57.74v 或 100v，皆是经二次电缆接入合并单元。（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

53、）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

54、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：（1）基于网络控制芯片+dsp27。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

55、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。tms30f206rtl8019asgal16v820f001nrj-45tprx-tprx+tptx+tptx-tpintpintpouttpoutint0rstdrvaensdo0-15sa0-5iochrdyiowbiorbrstint

56、3a13a14a15/is/rd/wereadya0-5d0-15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。arm双口ramfpgaectectevt

57、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fpgausbfla

58、shsdramdi/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

59、等，arm 具有很少的门电路、中断时延小、低功耗等特性。armramdspic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iec61850-8-1iec 61850-9图图 2 2 - - 5 5 双独立双独立 cpucpu 框图框图（5）基于 fpga 实现方案32。随着 fpga 技术的迅猛发展，单芯片上数百万个逻辑门数早已经实现，因此，可以实现整个硬件系统的高度集成；开发者可以通过多次编程、擦除或者其他的软件即可实现不同要求的电路；和dsp 实现方案相比较，fpga 没有内存饱和、死机等问题，并且，硬件电路相对稳定

60、、运算速度快，可以并行处理高速的采样数据；此外，一块 fpga 芯片就能够完成 mu 数据采集、数据处理以及数据发送等主要功能，简化了硬件电路和多芯片接口的复杂度；最后，fpga 有丰富的 i/o 接口，能够满足多位数据的输入输出需求。通过以上几种硬件方案比较，采用 fpga 作为本文 mu 的硬件核心，其结构如图 2-6 所示。根据前面介绍的典型变电站互感器和合并单元的配置方案，硬件主要包括电源插件、电子式互感器插件、模拟量插件、发送插件和主cpu 板等。对于电子式互感器输出可能是小信号，则需要采用 ad 实现模数转换，这部分可以由电子式互感器插件模块实现。由此可见，本文设计的总体硬件结构，