【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 控制部件來(lái)采集數(shù)據(jù)和發(fā)出控制命令為典型 [2]，如圖 12。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。 彩顯計(jì)算機(jī)鍵盤鼠標(biāo)打印機(jī)數(shù)據(jù)采集及控制部件微機(jī)保護(hù)管理單元M o d e m調(diào)度中心交直采樣Y C開關(guān)量采集Y X電能表脈沖采集Y M開關(guān)控制輸出Y K保護(hù)部件圖 1 2 集中式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)典型框圖（2）分散式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)20 世紀(jì) 90 年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的跨越式發(fā)展，集中式系統(tǒng)的可靠性，靈活性無(wú)法滿足大容量、高電壓等級(jí)變電站的要求，出現(xiàn)了分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。結(jié)合變電站信息的采集和控制需求，布置就地單元控制層（間隔層）和全站控制級(jí)（站控層）的分布控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。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?，這些獨(dú)立的單元裝置采集的數(shù)據(jù)通過(guò)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 ） 。站控系統(tǒng)具有快速的信息響應(yīng)和相應(yīng)信息處理功能，完成站內(nèi)運(yùn)行管理及控制，如事件記錄、SCADA 的數(shù)據(jù)收集功能。站監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)站內(nèi)所有運(yùn)行設(shè)備的監(jiān)測(cè)，為站控系統(tǒng)的運(yùn)行和控制提供信息。站工程師工作臺(tái)完成站內(nèi)設(shè)備的檢查，參數(shù)設(shè)定，調(diào)試等功能。（3）集中和分散結(jié)合式自動(dòng)化系統(tǒng)集中和分散結(jié)合式結(jié)構(gòu)介于集中式和分散式結(jié)構(gòu)之間，它采用面向電氣間四川大學(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3隔的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，各間隔單元的設(shè)備相互獨(dú)立，通過(guò)光纖或電纜有站控層設(shè)備進(jìn)行管理和信息交換。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。（4）數(shù)字化變電站21 世紀(jì)初期，隨著電子式互感器、智能化開關(guān)等智能一次設(shè)備技術(shù)的應(yīng)用以及 IEC 61850 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的推廣 [3]，開始向數(shù)字化變電站發(fā)展。數(shù)字化變電站典型特點(diǎn)是智能化一次設(shè)備（電子式互感器、智能化開關(guān)等） 、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層和運(yùn)行管理自動(dòng)化 [4]（程序化控制系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)故障分析系統(tǒng)等） 。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(wú)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。數(shù)字化變電站的典型結(jié)構(gòu)圖如圖 13 所示。M M SS M V保護(hù)測(cè)控計(jì)量 錄波測(cè)控 保護(hù)直采直跳 直跳直采監(jiān)控系統(tǒng) 工程師站故障信息系統(tǒng)站控層設(shè)備站控層網(wǎng)絡(luò)間隔層設(shè)備過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)合并單元 智能終端過(guò)程層設(shè)備智能終端 合并單元站控層過(guò)程層一次設(shè)備電子式互感器 開關(guān)設(shè)備 電子式互感器 開關(guān)設(shè)備G O O S E間隔層圖 1 3 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)（5）智能化變電站智能電網(wǎng) 2020 計(jì)劃，是在總結(jié)已建或在建數(shù)字化變電站試點(diǎn)工程經(jīng)驗(yàn)的四川大學(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4基礎(chǔ)上，組織相關(guān)技術(shù)人員、研究人員對(duì)智能電網(wǎng)方面的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、規(guī)范的研究。智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，為此也成為了研究的重點(diǎn)。通過(guò)研究探討，不斷明確了智能變電站的定義 [5]，即采用先進(jìn)、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(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本落腳點(diǎn)，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、計(jì)量、保護(hù)和監(jiān)測(cè)等功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)自動(dòng)控制、在線分析診斷決策、智能調(diào)節(jié)、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動(dòng)的變電站 [6]。近年來(lái)，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(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，帶來(lái)了系統(tǒng)無(wú)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)。同時(shí)變電站的高壓電氣設(shè)備保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控等二次設(shè)備的控制信號(hào)、采集信號(hào)發(fā)送、模擬量采集仍需要依靠大量的電纜連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅浪費(fèi)了大量的資源，而且高壓設(shè)備的絕緣、高低壓設(shè)備之間的電氣隔離都增加了難度。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際是由電工委員會(huì) TC57 技術(shù)委員會(huì)制定，它使變電站站內(nèi)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，解決了設(shè)備之間的互操作性差、無(wú)縫連接困難等問(wèn)題，同時(shí)使變電站的通信可靠性得到極大提高。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)。合并單元作為數(shù)字化、智能化變電站過(guò)程層與間隔層、站控層的重要數(shù)據(jù)接口，它的研究具有以下意義：合并單元是電子互感器和二次側(cè)測(cè)量、控制和保護(hù)的重要接口，滿足同時(shí)處理多任務(wù)、通信信息流量大、通信速度高等要求，它是一次側(cè)和二次側(cè)的橋梁，只有符合要求，才能為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的交流量信息，從而為保護(hù)裝置、測(cè)控裝置等可靠運(yùn)行提供保證，且要求具備有較高的可靠性和實(shí)時(shí)性。在現(xiàn)有條件下，不能讓全國(guó)所有變電站都按照數(shù)字化變電站方案來(lái)建設(shè)，但是可以采用過(guò)渡方案逐步推進(jìn)。過(guò)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(guò)改造使變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。這不僅節(jié)約數(shù)字化變電站建設(shè)成本，而且建設(shè)周期較短，更利于數(shù)字化變電站的推廣。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然而，也帶來(lái)一些問(wèn)題，合并單元必須具有一定的兼容性 [7]，能夠處理電子式互感器和傳統(tǒng)互感器的數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)采用同步。它是變電站數(shù)據(jù)數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊的重要體現(xiàn)。采樣值、設(shè)備狀態(tài)量采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸取代了傳統(tǒng)變電站模擬量接線模式，使變電站更簡(jiǎn)約；同時(shí)，利用 FPGA 代替 FPGA+DSP+ARM 或者 FPGA+DSP 方案實(shí)現(xiàn)合并單元功能，使變電站更緊湊。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。 國(guó)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(jìn)行與時(shí)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(guò)程層保護(hù)、測(cè)量等 IED 裝置等。在實(shí)際工程實(shí)踐中，二次轉(zhuǎn)化的電壓/電流可能是由電子式電壓/電流互感器轉(zhuǎn)換而來(lái)的，也有使用傳統(tǒng)的電壓/電流互感器。為此，合并單元需要有模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)的接口模塊，將模擬量和數(shù)字量同時(shí)進(jìn)行時(shí)間整合，以數(shù)字量發(fā)送出去，如圖 14。合并單元C TE V T同步信號(hào)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)。20 世紀(jì) 60 年代，有源和無(wú)源 ECT 樣機(jī)已經(jīng)被一些科技發(fā)達(dá)的國(guó)家所研四川大學(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制、開發(fā)。即使當(dāng)時(shí)技術(shù)一般，但是已經(jīng)是當(dāng)時(shí)的先進(jìn)水平。1964 年，Traser System 的有源 ECT 被一家美國(guó)變壓器制造公司研制 [10][11][12]。20 世紀(jì) 80 年代中期，隨著激光技術(shù)和太陽(yáng)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。在 1985 年，400 千伏的輸電線路使用了這種 ECT，并且這種 ECT 由 ABB 公司研制。在 Michael Faraday 發(fā)現(xiàn)磁光效應(yīng)的 49 年后，即 1894 年，有人提出了光學(xué)原理測(cè)量電流的設(shè)想 [13]；1967 年，東京大學(xué)的 Saito 等人研制成激光電流互感器的樣機(jī) [14]；70 年代初，光纖技術(shù)革新了高壓環(huán)境下的信息傳輸技術(shù)，也使電流互感器與迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融合成為可能；3M 公司關(guān)于無(wú)偏光纖研制的申明，奠定了光纖電流互感器實(shí)用化的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，美國(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)的產(chǎn)品已經(jīng)在電網(wǎng)上運(yùn)行，ABB，SIMENS [15]等公司的 OCT 產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)。典型實(shí)例有：日本 NGK 公司在 1986 年研制了光學(xué)電壓電流互感器樣機(jī)，1991 年 1 月報(bào)道了他們研究并掛網(wǎng)運(yùn)行的組合式光學(xué)電壓電流互感器的情況。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。ABB 公司已經(jīng)成功開發(fā)了各種形式的 OCT、OVT 產(chǎn)品，ABB 公司研制的有源電子式互感器已經(jīng)在全球投入運(yùn)行。SIMENS 的 OCT 產(chǎn)品—— 500 千伏光電互感器應(yīng)用于廣州北郊變電站。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(guò)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。20 世紀(jì) 80 年代開始，有清華大學(xué)、西安交大、燕山大學(xué)、電子部 26 所，沈變互感器廠等多家大學(xué)、研究所和公司研究電子式互感器。當(dāng)時(shí)最早報(bào)道的掛網(wǎng)運(yùn)行的有 3 家單位：70 年代，沈變互感器廠與四平供電局共同研制的 110千伏空心線圈電流互感器在四平電網(wǎng)運(yùn)行，后被拆除；1991 年，清華大學(xué)和中國(guó)電力科學(xué)研究院聯(lián)合研制的 110 千伏 OCT 掛網(wǎng)試運(yùn)行；1993 年，華中理工大學(xué)和廣東省新會(huì)電業(yè)局合作研制的單相全玻璃 110 千伏光學(xué)電壓電流互感器和光學(xué)電流互感器在新會(huì)電網(wǎng)運(yùn)行。從 2022 年開始，國(guó)內(nèi)廠家開始研發(fā)和生產(chǎn)電子式互感器，主要有西安華四川大學(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7偉電力電子技術(shù)有限公司、南京新寧光電自動(dòng)化有限公司、南瑞繼保、西安同維科技發(fā)展有限公司、北京許繼電氣有限公司等廠家。其中廣州偉鈺、南自新寧、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。目前國(guó)內(nèi)廠家已經(jīng)由有源向無(wú)源轉(zhuǎn)變， 千伏系列10~75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。IEC 618591 的制訂，加劇了電子式互感器接口——合并單元的發(fā)展。初期，IEC 600447/8 中定義合并單元是來(lái)采集電子式互感器的電流 /電壓數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間組合以規(guī)定的幀格式發(fā)送給間隔層設(shè)備的物理單元。后來(lái)，對(duì) MU 的通信又做了進(jìn)一步的規(guī)定。目前，新建的數(shù)字化、智能化變電站工程中，MU 大多采用 IEC 618592 標(biāo)準(zhǔn)通信 [16]。同步是合并單元核心技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外MU大多采用GPS精密時(shí)鐘同步。2022年，隨著安捷倫實(shí)驗(yàn)室提出的IEEE 1588協(xié)議正式被IEEE批準(zhǔn)通過(guò)和出版，MU同步技術(shù)又進(jìn)入了新的領(lǐng)域 [17]。在國(guó)外，ABB 、SIMENS等企業(yè)巨頭早已經(jīng)有產(chǎn)品問(wèn)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(guò)程層設(shè)備，如智能斷路器、智能合并單元等 [18]。在國(guó)內(nèi)，也有不少科研單位、企業(yè)也完成了包含合并單元接口的電子式互感器全部型實(shí)驗(yàn)測(cè)試 [19]。南自新寧公司從 2022 年開始研制的 OET70 系列電子式互感器，03 年開始在南京 220 千伏六合變投入運(yùn)行，之后通過(guò)不斷的完善其功能，使合并單元不僅可以接收并處理來(lái)自多個(gè)電子式互感器的數(shù)字信號(hào)外，而且還可以同時(shí)接收并處理傳統(tǒng)電磁式互感器的模擬信號(hào) [20]。在 2022 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(guò)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]。南京南瑞繼保電氣有限責(zé)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(kuò)展功能，如具備計(jì)算及錄波等功能 [22]。還有北京四方公司的 CSC188 系列合并單元；許繼股份有限公司的 DMU800 系列等。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82022 年 1 月 4 號(hào)，國(guó)家能源局發(fā)布了《合并單元測(cè)試規(guī)范》 ，規(guī)范中更加明確了合并單元測(cè)試內(nèi)容和方法。 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。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。通過(guò)闡述電子式互感器和合并單元的配置原則，給出典型變電站主接線圖電子式互感器和合并單元的配置方案；在數(shù)字化變電站過(guò)程層數(shù)據(jù)傳輸方式討論的前提下，引出合并單元接口問(wèn)題；最后討論合并單元的總體設(shè)計(jì)方案，包括