【正文】 驅(qū)動、強 大的開發(fā)環(huán)境等， ARM 具有很少的門電路、中斷時延小、低功耗等特性。網(wǎng)絡接口控制器（ 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 實現(xiàn) MU大部分功能 ，包括曼徹斯特碼解碼、校驗、串并轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)組幀發(fā)送等功能。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。 低壓側(cè)電壓等級為 10kV，配置常規(guī)互感器，即 3TA、 4TA 配置 2 臺常規(guī)CT，每臺含 2 個獨立輸出的二次繞組， 1 個繞組精度為 5P（保護用）、 1 個繞組精度為 （測量用）； 35kV 單母線分段上的電壓互感器 3TV、 4TV 配置 2臺采用常規(guī) PT，每臺含 2 個獨立輸出的二次繞組，精度分別為 3P（保護用）、（測量用）。 四川大學工程碩士學位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計與仿真 8 本課題主要內(nèi)容和安排 本文依據(jù) IEC600447/8 和 IEC6185092 標準， 在已建設(shè)的數(shù)字化變電站的相關(guān)經(jīng)驗和技術(shù)的 背景下， 對合并單元進行了分析研究，取締了常規(guī)的FPGA+DSP+ARM 或者是 FPGA+DSP 實現(xiàn)的實現(xiàn)方案，設(shè)計了一種 基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列 FPGA 數(shù)字化 變電站 的合并單元的軟件實現(xiàn)方案。其中 廣州偉鈺、南自新寧、四川大學工程碩士學位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計與仿真 7 南瑞繼保、西安華偉主推產(chǎn)品為電原理的羅氏線圈互感器，南京南瑞科技股份有限公司、廣州偉鈺提供光纖電子互感器，西安同維、北京許繼生產(chǎn)磁光玻璃型電子式互感器。 合 并單 元C TE V T同 步 信 號電 源I E DE C TP T 圖 1 4 合并單元接口 作為電子式互感器的數(shù)字接口，合并單元的研制和電子互感器的發(fā)展息息相關(guān)。通過研究探討，不斷明確了智能變電站的定義 [5]，即 采用先進、可靠、低碳、集成、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本落腳點，自動完成信息采集、測量、控制、計量、保護和監(jiān)測等功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)自動控制、在線分析診斷決策、智能調(diào)節(jié) 、協(xié)同互動等高級功能，實現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動的變電站 [6]。 在變電站控制室內(nèi) 設(shè)置變電站自動化系統(tǒng)作為控制中心 ，另 外 設(shè)置數(shù)據(jù)采集和控制部件來采集數(shù)據(jù)和發(fā)出控制命令為典型 [2]，如圖 12。digital substation。伴隨著 電子式互感器的研發(fā)與應用，加快了數(shù)字化、智能化 變電站建設(shè)的腳步。數(shù)據(jù)處理模塊和發(fā)送模塊，充分利用 FPGA快速數(shù)據(jù)處理的能力和豐富資源設(shè)計，主要完成數(shù)字濾波器原理、相位補償算法（包括數(shù)字積分器和短數(shù)據(jù)窗移相算法）、以太網(wǎng)控制器模塊等。時至今日，國內(nèi)外變電站 發(fā)展歷程 大致 分為 集中式變電站、分散式變電站、集中和分散結(jié)合式變電站、數(shù)字化變電站和智能化變電站 5 個階段 [1]。數(shù)字化變電站的 典型 結(jié)構(gòu) 圖 如 圖 13 所示。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 合并單元是伴隨著電子互感器的研制而出現(xiàn)的，它是將二次轉(zhuǎn)化的電流 /電壓等數(shù)據(jù)進行與時間相關(guān)的物理設(shè)備 [8][9]，再將 同步 的數(shù)據(jù)按 IEC61850 規(guī)定的格式發(fā)送給 過程層 保護、測量等 IED 裝置等。 20 世紀 80 年代開始，有清華大學、西安交大、燕山大學、電子部 26 所，沈變互感器廠等多家大學、研究所和公司研究電子式互感器。南京南瑞繼保電氣有限責任公司生產(chǎn)出的 PCS221 系列合并單元，在完成合并單元基本功能的基礎(chǔ)上，還開發(fā)了擴展功能，如具備計算及錄波等功能 [22]。 典型主接線配置方案 遵循電子式互感器、常規(guī)互感器以及合并單元的技術(shù)規(guī)范和配置原則，圖21 為某典型的數(shù)字化變電站接線圖互感器、合并單元配置圖。按功能劃分 ， MU 的接口有輸入接口、輸出接口、人機交互接口、調(diào)試接口、對時接口、 GOOSE 接口等，以下簡單闡述其部分接口。工程中要求間隔MU 有 2 個 1PPS 輸出接口，分別給線路差動保護 和母差保護，保護裝置則按MU 接口數(shù)量分別配置 1PPS 輸入接口（最多 3 個）。 dsPIC 處理的數(shù)據(jù)包括電壓、電流和開關(guān)量，并能處理一些簡單的開關(guān)操作。首先，解碼還原數(shù)字信號。 在 IEC600447/8 中明確規(guī)定了 時鐘信號為光信號和電信號中的一種， 每秒發(fā)送一個時間脈沖，并且秒脈沖觸發(fā)時刻為上升沿。39。 四川大學工程碩士學位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計與仿真 19 3 合并單元技術(shù)分析 數(shù)據(jù)同步技術(shù) 由于合并單元的輸入從多個非常規(guī)互感器或者常規(guī)互感器而來，不免存在采樣時刻不一致的情況，因此首先要保證采樣數(shù)據(jù)同步。 1 P P SF P G A間 隔 層 設(shè) 備 （ 保護 、 測 量 、 錄 波 器等 ）、模 擬 量 插 件電 源 插 件電 子 式 互 感 器 插 件發(fā) 送 插 件電 子 式 互 感 器數(shù) 字 輸 出 / 電壓 M U 輸 出光 纖聯(lián) 接 器I E C 6 0 0 4 48多 模 光 纖調(diào) 理 電 路常 規(guī)P T / C T電 子 式 互 感 器小 信 號 輸 出P T / C T轉(zhuǎn) 換 器濾 波電 路A D C( A D 7 6 5 6 )調(diào) 理電 路濾 波電 路主 C P U 板以 太 網(wǎng) 接口I E C 6 1 8 5 0 9 2X C 6 S L X 1 5 0 圖 26 基于 FPGA 的合并單元硬件框圖 FPGA 芯片型號規(guī)格的選取，直接影響著系統(tǒng)的擴展性、處理數(shù)據(jù)的速度。合并單元硬件部分主要由 2 部分構(gòu)成，一部分是電源模塊；另一部分是 CPU 板，主要包括遙信開入量插件 DI、智能IO 插件、 FLASH 存儲器、 DSP、 SDRAM 存儲器、 USB 端口、 10M/100M 以太網(wǎng)接口和光纖接口等部分組成。這兩種接口標準的物理層、鏈路層不同，但是應用層都是相同的。目前，國家電網(wǎng)公司 推薦GOOSE組網(wǎng)、 SV采用點對點為 過程層數(shù)據(jù)傳輸方式。 在前面章節(jié)對合并單元三大模塊詳細分析及設(shè)計的基礎(chǔ) 上，本章主要利用Xilinx 提供的 ISE 設(shè)計平臺實現(xiàn)硬件電路，并通過 Matlab、 Xilinx 自帶的仿真平臺 XST，驗證合并單元三大模塊中各子模塊的功能。目前，國內(nèi)外 MU大多采用 GPS精密時鐘同步。 經(jīng)過多年的發(fā)展，美國、日本、法國等國的產(chǎn)品已經(jīng)在電網(wǎng)上運行， ABB，SIMENS[15]等公司的 OCT 產(chǎn)品已經(jīng)進入了中國市場。過渡方案是電子式互感器取代部分常規(guī)互感器，保留部分常規(guī)電壓 /電流互感器，通過改造使變電站實現(xiàn)數(shù)字化。站工程師工作臺完成站內(nèi)設(shè)備的檢查，參數(shù)設(shè)定，調(diào)試等功能。 聲 明 .......................................... 63 致 謝 .......................................... 65 四川大學工程碩士學位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計與仿真 1 1 緒論 電力系統(tǒng) 包括電能的生產(chǎn)、輸送、分配和消費等環(huán)節(jié) 。通過比較 幾種合并單元實現(xiàn)的幾種硬件方案，本文給了以 FPGA 作為核心硬件的方案，并且在此基礎(chǔ)上研究 了 合并單元的軟件功能， 按功能模塊可劃分為 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。結(jié)合 國家電網(wǎng)公司 推薦的數(shù)字化變電站過程層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即 GOOSE 組網(wǎng)、 SV 點對點 方式，分析了合并單元的接口。Ether 四川大學工程碩士學位論文 基于 FPGA數(shù)字化變電站合并單元設(shè)計與仿真 V 目 錄 1 緒論 .......................................... 1 本文研究背景與意義 ............................................................................................ 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................................................................... 5 本課題主要內(nèi)容和安排 ........................................................................................ 8 2 數(shù)字化變電站技術(shù)研究 ............................ 9 變電站數(shù)字化方案 ............................................................................................... 9 電子式互感器配置 ........................................................................................ 9 合并單元配置 ............................................................................................... 9 典型主接線配置方案 ................................................................................... 10 合并單元接口設(shè)計 ............................................................................................. 11 過程層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析 ................................................................................... 11 合并單元接口分析 ...................................................................................... 12 合并 單元總體設(shè)計 ............................................................................................. 13 數(shù)字化變電站合并單元硬件實現(xiàn)方案 .......................................................... 13 數(shù)字化變電站合并單元軟件功能設(shè)計 .......................................................... 17 本章小結(jié) ........................................................................................................... 18 3 合并單元技術(shù)分析 .............................. 19 數(shù)據(jù)同步技術(shù) .................................................................................................... 19 脈沖同步法 ................................................................................................. 19 插值同步 .................................................................................................... 20 其他同步法 ................................................................................................. 22 數(shù)字濾波器設(shè)計 ................................................................................................. 23 相位補償技術(shù) .................................................................................................... 24 本章小結(jié) .............................................