【正文】 四川大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)與仿真 8 本課題主要內(nèi)容和安排 本文依據(jù) IEC600447/8 和 IEC6185092 標(biāo)準(zhǔn)， 在已建設(shè)的數(shù)字化變電站的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的 背景下， 對(duì)合并單元進(jìn)行了分析研究，取締了常規(guī)的FPGA+DSP+ARM 或者是 FPGA+DSP 實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了一種 基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列 FPGA 數(shù)字化 變電站 的合并單元的軟件實(shí)現(xiàn)方案。 四川大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)與仿真 9 2 數(shù)字化變電站技術(shù) 研究 變電站數(shù)字化方案 電子式互感器配置 互感器的配置主要以經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)先進(jìn)性為原則 [23]，二者統(tǒng)籌兼顧。 低壓側(cè)電壓等級(jí)為 10kV，配置常規(guī)互感器，即 3TA、 4TA 配置 2 臺(tái)常規(guī)CT，每臺(tái)含 2 個(gè)獨(dú)立輸出的二次繞組， 1 個(gè)繞組精度為 5P（保護(hù)用）、 1 個(gè)繞組精度為 （測(cè)量用）； 35kV 單母線分段上的電壓互感器 3TV、 4TV 配置 2臺(tái)采用常規(guī) PT，每臺(tái)含 2 個(gè)獨(dú)立輸出的二次繞組，精度分別為 3P（保護(hù)用）、（測(cè)量用）。這種方案可以實(shí)現(xiàn)斷路器、隔離開關(guān)量信 息共享，但 MU數(shù)據(jù)采集、傳輸同步問題仍然是技術(shù)關(guān)鍵。所以，合并單元的輸入可能是電子式互感器、常規(guī)互感器或者兩者的混合。隨著 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的修訂，其 IEC 6185091 標(biāo)準(zhǔn)被廢止，取而代之的是 IEC 6185092，其全稱為《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第 92 部分：特定通信服務(wù)映射（ SCSM）通過 GB/ 的采樣值》。網(wǎng)絡(luò)接口控制器（ NIC） 是以太網(wǎng)接口電路的核心芯片 ，如采用 Realtek 公司的 RTL8019AS 芯片，能 實(shí)現(xiàn) MU大部分功能 ，包括曼徹斯特碼解碼、校驗(yàn)、串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)組幀發(fā)送等功能。硬件框圖如圖 24 所示。 dsPIC 芯片具有大量的外圍組件、完整的 DSP 驅(qū)動(dòng)、強(qiáng) 大的開發(fā)環(huán)境等， ARM 具有很少的門電路、中斷時(shí)延小、低功耗等特性。由于外圍硬件接口可能要求的電壓不同，如有些需要 ，有些需要，這就要求 FPGA 接口能夠輸出不同的電壓， 需要考慮有豐富的 Bank 資源。數(shù)字濾波主要是消除由接收模塊發(fā)送 的多路數(shù)據(jù)重采樣出現(xiàn) 的 混疊現(xiàn)象， 相位補(bǔ)償是針對(duì) 由解碼和電子式互感器采集原理 帶來的延時(shí) 引起的 相位 偏差 。合并單元同步主要包括 4 個(gè)方面 [33]： 1）同一過程 層內(nèi)的各采樣電壓電流量同步； 2）關(guān)聯(lián)間隔層之間的同步； 3）關(guān)聯(lián)變電站間的同步； 4）廣域同步。但是，可以運(yùn)用插值算法，計(jì)算出同一采樣時(shí)刻的各采樣值，如圖32 所示，以 A 相電流為例，如果已知采樣時(shí)刻前一個(gè)采樣點(diǎn)和后一個(gè)采樣點(diǎn)的值，便可運(yùn)用插值算法計(jì)算出采樣時(shí)刻的采樣值。39。四川大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)與仿真 21 根據(jù) Lagrange 一次線性插值 算法， 通過演算得出 t 時(shí) 的值 ()xt ， 1 111( ) ( ) ( ) nnnnn n n nt t t tx t x t x tt t t t? ??????? （ 31） 線性插值有一定的誤差，從圖中可以看出誤差 x? ，其表達(dá)式為： 39。對(duì)于硬 件中的 A/D 采樣信號(hào)輸入，都是由此信號(hào)輸出的控制采樣信號(hào)。通過對(duì)變電 站互感器和合并單元的技術(shù)要求和配置原則闡述，以典型變電站主接線 為例，給出了 具體的 配置方案。根據(jù)數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)要求，可以將合并單元模塊化，主要分為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，如圖 26 所示： 接 收 解 析數(shù) 據(jù)處 理數(shù) 據(jù)發(fā) 送C T P T 轉(zhuǎn)換 / 濾 波電 路A / D 采 樣A D 控 制 器采 樣數(shù) 據(jù)G P S模 擬信 號(hào)FPGA9 2 數(shù) 據(jù)處 理 后信 號(hào)采 樣脈 沖小 信 號(hào)數(shù) 據(jù)接 收模 塊數(shù) 據(jù)處 理模 塊數(shù) 據(jù)發(fā) 送模 塊保護(hù)測(cè)控設(shè)備調(diào) 理電 路F T 3 報(bào) 文 圖 2 7 合并單元功能模塊 （ 1）數(shù)據(jù)接收模塊 數(shù)據(jù)接收模塊的主要功能是接收 電子式互感器發(fā)送 的 FT3 報(bào)文和小信號(hào)以及由常規(guī)互感器采集 的模擬信號(hào)。根據(jù) 前面 介紹的 典型變電站互感器和合并單元的配置方案，硬件主要包括 電源插件 、電子式互感器插件、 模擬量插件、 發(fā)送插件和主CPU板等。如圖 25 所示方案由 dsPIC 和 ARM2 個(gè)獨(dú)立的 CPU 構(gòu)成。如圖 23 所示，是基于 ARM+FPGA芯片的 MU 硬件框圖， FPGA 主要 完成 數(shù)據(jù)的接收，之后將數(shù)據(jù)保存在雙口 RAM中，最后由 ARM 讀取雙口 RAM 中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照 IEC 618509規(guī)約，將各路采用數(shù)據(jù)組幀發(fā)送到二次保護(hù)設(shè)備中。 對(duì)于對(duì)時(shí)接口，有專家建議合并單元應(yīng)具一定數(shù)量的 1PPS 光纖輸出接口，向各保護(hù)裝置轉(zhuǎn)發(fā)外部輸入的或者自產(chǎn)生的 1PPS 信號(hào)。 對(duì)于傳統(tǒng)互感器接入合并單元，電流、電壓模擬量信號(hào)并沒多大的區(qū)別，電流額定值為 1A 或 5A，電壓額定值為 或 100V，皆是經(jīng)二次電纜接入合并單元。 合并單元接口分析 合并單元的接口問題一直受業(yè)內(nèi)人士關(guān)注，如何設(shè)計(jì)研發(fā)一個(gè)更人性化、具有兼容性的產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)外各大廠家的目標(biāo)。 四川大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)與仿真 11 M U 2M U 1M U 5R o g o w s k i 型 電 流 互 感 器R o g o w s k i 型 電 流 互 感 器常 規(guī) 電 流 互 感 器電 容 分 壓 型 電 壓 互 感 器電 容 分 壓 型 電 壓 互 感 器常 規(guī) 電 壓 互 感 器常 規(guī) 電 流 互 感 器常 規(guī) 電 流互 感 器常 規(guī) 電 流 互 感 器常 規(guī) 電 電 流 互 感 器常 規(guī) 電 流互 感 器常 規(guī) 電 壓 互 感 器M U 7M U 8M U 9常 規(guī) 電 流 互 感 器M U 3M U 4M U 4M U 4M U 3M U 3饋 線 1饋 線 2饋 線 3饋 線 4M U 6M U 1 0 圖 2 1 典型變電站主接線配置圖 合并單元接口設(shè)計(jì) 過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析 電力系統(tǒng)中數(shù)字化變電站 過程層 采樣值傳輸可歸納 為 2 種方式：組網(wǎng)方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式 [24]，主要包括 ： 1） GOOSE 和 SV 均 采用 點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 方式 ； 2） GOOSE組網(wǎng)、 SV 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)； 3） GOOSE、 SV 獨(dú)立組網(wǎng)； 4） GOOSE、 SV、 IEEE 1588三網(wǎng)合一。 （ 2） 110kV 及以下變電站 1）全站各間隔合并單元宜單套配置。通過這些技術(shù)的討論，給后面的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。在 20xx 年 4 月份，國(guó)網(wǎng)南瑞科技股份有限公司研制出樣機(jī)，通過測(cè)試，其最大網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間為 ，平均延遲時(shí)間為 ，可以滿足保護(hù)控 制單元對(duì)采樣數(shù)據(jù)傳輸延遲時(shí)間的技術(shù)要求 [21]。 后來，對(duì)MU 的通信又做了進(jìn)一步的規(guī)定。 國(guó)內(nèi)對(duì)光電互感器的實(shí)用化產(chǎn)品的研制較晚，但是經(jīng)過科研人員的努力，目前研究的樣機(jī)已經(jīng)基本上達(dá)到了國(guó)際的水平。 四川大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)與仿真 6 20 世紀(jì) 80 年代中期， 隨著 激光技術(shù) 和 太陽能電池技術(shù) 的快速發(fā)展 ， 突破了使用激光器技術(shù)給有源電子式互感器供電的技術(shù)難題。 此外， 合并單元的研究與設(shè)計(jì)也是推動(dòng)電子互感器發(fā)展的中堅(jiān)力量。智能設(shè)備的研制與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的完 成，尤其是智能化開關(guān)設(shè)備、電子式電壓 /電流互感器、智能電子裝置等在變電站系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，在線狀態(tài)檢測(cè) 功能 、變 電站運(yùn)行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)日益成熟 ，使得數(shù)字化變電站的建設(shè)具備了必要的基礎(chǔ)。 基于 IEC 61850 通信規(guī)范基礎(chǔ)上， 它實(shí)現(xiàn)站內(nèi) 各層間的無縫通信， 滿足變 數(shù)字化 電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的要求。其中間隔層內(nèi)一次設(shè)備（變壓器或線路等）面向?qū)ο笈渲茫?這些獨(dú)立的單元裝置 采集的數(shù)據(jù) 通過網(wǎng)絡(luò)總線傳輸?shù)秸究貙?， 站控層包括站控系統(tǒng)（ SCS）、站監(jiān)視系統(tǒng)（ SMS）和站工程師工作臺(tái)（ EWS）。 依照 電力 行業(yè) 標(biāo)準(zhǔn) ，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)包括 63 種功能，歸納起來大致可以分為 7 類 ，即自動(dòng)化控 制功能、控制 /監(jiān)視功能、 繼電保護(hù)功能 、 與繼電保護(hù)相關(guān)功能 、 測(cè)量功能 、 系統(tǒng)功能 、 接 口功能等。synchronization。數(shù)據(jù)采集模塊，既能采集常規(guī)互感器的模擬信號(hào)又能采集電子式互感器的數(shù)字信號(hào)或者小信號(hào)，主要包括采集模塊中 FT3 解析、 1PPS 有效性判斷、線性插值、 FIFO 和 A/D 控制模塊等子模塊。特別的， IEC61850 國(guó)際 電力系統(tǒng)通信 標(biāo)準(zhǔn)的頒布，奠定了數(shù)字化變電站、智能化變電站發(fā)展的基礎(chǔ)。而本文主要 是針對(duì)數(shù)字化 、智能化 變電站電子式互感器重要接口 —— 合并單元的研究與設(shè)計(jì)。而在數(shù)據(jù)重采樣時(shí)，不免帶來數(shù)字信號(hào)混疊，為此 采用匹配的 一個(gè)數(shù)字濾波器。interface。它主要包括變壓器、斷路器、電流 /電 壓互感器、隔離開關(guān)等組成的一次設(shè)備與測(cè)控裝置、保護(hù)及一些安全自動(dòng)化裝置等組成二次設(shè)備。這種集中式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)除了有保護(hù)元件外，還配有管理單元，其接口和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制部件相連，傳輸保護(hù)裝置的各種采樣值 、 整定 和顯示保護(hù)定值 、 投切信息等。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了變電站二次部分的配置，適用于 各 種電壓等級(jí)的變電站中。 近年來，變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展和微機(jī)保護(hù)的廣泛應(yīng)用，提高了電網(wǎng)的自動(dòng)化水平和運(yùn)行安全性，然而，由于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和保護(hù)設(shè)備沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， 帶來了 系統(tǒng)無縫連接 異常 困難、 設(shè)備使用 壽命周期短、 設(shè)備與設(shè)備之間的 互 操作性差、 維 護(hù)工作量大、 改造升級(jí)困難 等缺點(diǎn) 。然而，也帶來一些問題，合并單元必須具有一定的兼容 性 [7]，能夠處理電子式四川大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)與仿真 5 互感器和傳統(tǒng)互感器的數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)采用同步。 20 世紀(jì) 60 年代，有源和無源 ECT 樣機(jī) 已經(jīng)被一些科技發(fā)達(dá)的國(guó)家所研制、開發(fā) 。 1995 年，法國(guó) GEC ALSTHOM 公司在美國(guó) Bonneville 安 裝了 525 千伏 的組合式光學(xué)電壓電流互感器，此后，在荷蘭、加拿大和法國(guó)的變電站陸續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)廠家已經(jīng)由有源向無源轉(zhuǎn)變， 10~75 千伏 系列的電子式電壓互感器、電流互感器、組合互感器，在國(guó)內(nèi)的數(shù)字化變電站中已投入運(yùn)行。 在國(guó)外， ABB、 SIMENS等企業(yè)巨頭早已經(jīng)有產(chǎn)品問世，并基于 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)了一系列數(shù)字化、智能化變電站過程層設(shè)備，如智 能斷路器、智能合并單元等 [18]。論文的主要內(nèi)容安排如下： 首先， 介紹了變電站技術(shù)的發(fā)展歷程，從總體上了解了 IEC6850 的內(nèi)容以及與數(shù)字化變電站的關(guān)系，闡述合并單元的研究與實(shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化 變電站的重要性 ，并且簡(jiǎn)單介紹電子式互感器、 合并單元國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀?；ジ衅鞯呐渲迷瓌t為： （ 1） 220kV 變電站 1） 110(66)～ 220kV 電壓等級(jí)宜采用電子式互感器； 2） 35kV 及以下宜采用常規(guī)互感器或模擬小信號(hào)輸出互感器，可采用帶模擬量插件的合并單元進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn) 換； 3）主變 壓器 差動(dòng)保護(hù)各側(cè)宜采用特性相同的電子式互感器；主變中性點(diǎn)（或公共繞組）宜設(shè)置電子式電流互感器，其余套管電流互感器根據(jù)實(shí)際需求可設(shè)置或取消； 4）線路、主變間隔若設(shè)置三相電壓互感器，可采用電流電壓組合型互感；5）在具備條件時(shí)，互感器可與隔離開關(guān)、斷路器進(jìn)行組合安裝。兩臺(tái)變壓器低壓側(cè)各配置 2 臺(tái)合并單元 MU MU4 、 MUMU6，單母線上配置電壓合并單元 MU MU4，可實(shí)現(xiàn)電壓共享。隨著時(shí)鐘同步技術(shù)發(fā)展， GOOSE、 SV、 IEEE1588 三網(wǎng)合一方案將成為以后變電站智能化發(fā)展的方向。但是，合并單元與互感器的接口并不是以互感器的類型分類的，通常是利用光纖串口輸入數(shù)字量，具體的通信協(xié)議各個(gè)廠家都 不盡相同，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)在數(shù)字化變電站中合并單元的輸出接口采用 Q/GDW 44120xx 中規(guī)定的兩種形式： IEC 600448 擴(kuò)展協(xié)議接口和 IEC 6185092 標(biāo)準(zhǔn)接口。數(shù)字信號(hào)四川大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計(jì)與仿真 14 處理功能可以采用德州儀器公司的 TMS320F206，除了完成采樣、同步等功能，還要用它來控制 NIC，如圖 22。這種硬件方案雖然能提高