【文章內容簡介】 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。這種集中式變電站自動化系統(tǒng)除了有保護元件外，還配有管理單元，其接口和變電站自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制部件相連，傳輸保護裝置的各種采樣值、整定和顯示保護定值、投切信息等。 彩顯計算機鍵盤鼠標打印機數(shù)據(jù)采集及控制部件微機保護管理單元M o d e m調度中心交直采樣Y C開關量采集Y X電能表脈沖采集Y M開關控制輸出Y K保護部件圖 1 2 集中式變電站自動化系統(tǒng)典型框圖（2）分散式變電站自動化系統(tǒng)20 世紀 90 年代中期，隨著計算機技術、網(wǎng)絡通信技術的跨越式發(fā)展，集中式系統(tǒng)的可靠性，靈活性無法滿足大容量、高電壓等級變電站的要求，出現(xiàn)了分布式變電站自動化系統(tǒng)。結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（站控層）的分布控制系統(tǒng)結構。其中間隔層內一次設備（變壓器或線路等）面向對象配置，這些獨立的單元裝置采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡總線傳輸?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（EWS ） 。站控系統(tǒng)具有快速的信息響應和相應信息處理功能，完成站內運行管理及控制，如事件記錄、SCADA 的數(shù)據(jù)收集功能。站監(jiān)視系統(tǒng)對站內所有運行設備的監(jiān)測，為站控系統(tǒng)的運行和控制提供信息。站工程師工作臺完成站內設備的檢查，參數(shù)設定，調試等功能。（3）集中和分散結合式自動化系統(tǒng)集中和分散結合式結構介于集中式和分散式結構之間，它采用面向電氣間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計與仿真3隔的方法進行設計，各間隔單元的設備相互獨立，通過光纖或電纜有站控層設備進行管理和信息交換。這種結構的優(yōu)點是簡化了變電站二次部分的配置，適用于各種電壓等級的變電站中。（4）數(shù)字化變電站21 世紀初期，隨著電子式互感器、智能化開關等智能一次設備技術的應用以及 IEC 61850 國際標準的推廣 [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是智能化一次設備（電子式互感器、智能化開關等） 、網(wǎng)絡化二次設備分層和運行管理自動化 [4]（程序化控制系統(tǒng)、設備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和自動故障分析系統(tǒng)等） ?；?IEC 61850 通信規(guī)范基礎上，它實現(xiàn)站內各層間的無縫通信，滿足變數(shù)字化電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的要求。數(shù)字化變電站的典型結構圖如圖 13 所示。M M SS M V保護測控計量 錄波測控 保護直采直跳 直跳直采監(jiān)控系統(tǒng) 工程師站故障信息系統(tǒng)站控層設備站控層網(wǎng)絡間隔層設備過程層網(wǎng)絡合并單元 智能終端過程層設備智能終端 合并單元站控層過程層一次設備電子式互感器 開關設備 電子式互感器 開關設備G O O S E間隔層圖 1 3 數(shù)字化變電站結構（5）智能化變電站智能電網(wǎng) 2020 計劃，是在總結已建或在建數(shù)字化變電站試點工程經(jīng)驗的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計與仿真4基礎上，組織相關技術人員、研究人員對智能電網(wǎng)方面的標準、技術、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。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)調度等互動的變電站 [6]。近年來，變電站綜合自動化技術的迅猛發(fā)展和微機保護的廣泛應用，提高了電網(wǎng)的自動化水平和運行安全性，然而，由于變電站自動化系統(tǒng)和保護設備沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議標準，帶來了系統(tǒng)無縫連接異常困難、設備使用壽命周期短、設備與設備之間的互操作性差、維護工作量大、改造升級困難等缺點。同時變電站的高壓電氣設備保護、測量、監(jiān)控等二次設備的控制信號、采集信號發(fā)送、模擬量采集仍需要依靠大量的電纜連接來實現(xiàn)，不僅浪費了大量的資源，而且高壓設備的絕緣、高低壓設備之間的電氣隔離都增加了難度。IEC 61850 標準國際是由電工委員會 TC57 技術委員會制定，它使變電站站內通信協(xié)議標準化，解決了設備之間的互操作性差、無縫連接困難等問題，同時使變電站的通信可靠性得到極大提高。智能設備的研制與實驗測試的完成，尤其是智能化開關設備、電子式電壓/電流互感器、智能電子裝置等在變電站系統(tǒng)中的廣泛應用，在線狀態(tài)檢測功能、變電站運行操作培訓仿真等技術日益成熟，使得數(shù)字化變電站的建設具備了必要的基礎。合并單元作為數(shù)字化、智能化變電站過程層與間隔層、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測量、控制和保護的重要接口，滿足同時處理多任務、通信信息流量大、通信速度高等要求，它是一次側和二次側的橋梁，只有符合要求，才能為整個系統(tǒng)提供可靠的交流量信息，從而為保護裝置、測控裝置等可靠運行提供保證，且要求具備有較高的可靠性和實時性。在現(xiàn)有條件下，不能讓全國所有變電站都按照數(shù)字化變電站方案來建設，但是可以采用過渡方案逐步推進。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。這不僅節(jié)約數(shù)字化變電站建設成本，而且建設周期較短，更利于數(shù)字化變電站的推廣。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計與仿真5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、結構緊湊的重要體現(xiàn)。采樣值、設備狀態(tài)量采用網(wǎng)絡方式傳輸取代了傳統(tǒng)變電站模擬量接線模式，使變電站更簡約；同時，利用 FPGA 代替 FPGA+DSP+ARM 或者 FPGA+DSP 方案實現(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計也是推動電子互感器發(fā)展的中堅力量。 國內外研究現(xiàn)狀合并單元是伴隨著電子互感器的研制而出現(xiàn)的，它是將二次轉化的電流/電壓等數(shù)據(jù)進行與時間相關的物理設備 [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。在實際工程實踐中，二次轉化的電壓/電流可能是由電子式電壓/電流互感器轉換而來的，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轉數(shù)字信號的接口模塊，將模擬量和數(shù)字量同時進行時間整合，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。20 世紀 60 年代，有源和無源 ECT 樣機已經(jīng)被一些科技發(fā)達的國家所研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計與仿真6制、開發(fā)。即使當時技術一般，但是已經(jīng)是當時的先進水平。1964 年，Traser System 的有源 ECT 被一家美國變壓器制造公司研制 [10][11][12]。20 世紀 80 年代中期，隨著激光技術和太陽能電池技術的快速發(fā)展，突破了使用激光器技術給有源電子式互感器供電的技術難題。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)磁光效應的 49 年后，即 1894 年，有人提出了光學原理測量電流的設想 [13]；1967 年，東京大學的 Saito 等人研制成激光電流互感器的樣機 [14]；70 年代初，光纖技術革新了高壓環(huán)境下的信息傳輸技術，也使電流互感器與迅速發(fā)展的計算機技術和通信技術融合成為可能；3M 公司關于無偏光纖研制的申明，奠定了光纖電流互感器實用化的基礎。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。典型實例有：日本 NGK 公司在 1986 年研制了光學電壓電流互感器樣機，1991 年 1 月報道了他們研究并掛網(wǎng)運行的組合式光學電壓電流互感器的情況。1995 年，法國 GEC ALSTHOM 公司在美國 Bonneville 安裝了 525 千伏的組合式光學電壓電流互感器，此后，在荷蘭、加拿大和法國的變電站陸續(xù)掛網(wǎng)運行。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)在全球投入運行。SIMENS 的 OCT 產(chǎn)品—— 500 千伏光電互感器應用于廣州北郊變電站。國內對光電互感器的實用化產(chǎn)品的研制較晚，但是經(jīng)過科研人員的努力，目前研究的樣機已經(jīng)基本上達到了國際的水平。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。當時最早報道的掛網(wǎng)運行的有 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)運行，后被拆除；1991 年，清華大學和中國電力科學研究院聯(lián)合研制的 110 千伏 OCT 掛網(wǎng)試運行；1993 年，華中理工大學和廣東省新會電業(yè)局合作研制的單相全玻璃 110 千伏光學電壓電流互感器和光學電流互感器在新會電網(wǎng)運行。從 2022 年開始，國內廠家開始研發(fā)和生產(chǎn)電子式互感器，主要有西安華四川大學工程碩士學位論文 基于 FPGA 數(shù)字化變電站合并單元設計與仿真7偉電力電子技術有限公司、南京新寧光電自動化有限公司、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。目前國內廠家已經(jīng)由有源向無源轉變， 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，在國內的數(shù)字化變電站中已投入運行。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采集電子式互感器的電流 /電壓數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行時間組合以規(guī)定的幀格式發(fā)送給間隔層設備的物理單元。后來，對 MU 的通信又做了進一步的規(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 標準通信 [16]。同步是合并單元核心技術。目前，國內外MU大多采用GPS精密時鐘同步。2022年，隨著安捷倫實驗室提出的IEEE 1588協(xié)議正式被IEEE批準通過和出版，MU同步技術又進入了新的領域 [17]。在國外，ABB 、SIMENS等企業(yè)巨頭早已經(jīng)有產(chǎn)品問世，并基于 IEC 61850標準研發(fā)了一系列數(shù)字化、智能化變電站過程層設備，如智能斷路器、智能合并單元等 [18]。在國內，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驗測試 [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 千伏六合變投入運行，之后通過不斷的完善其功能，使合并單元不僅可以接收并處理來自多個電子式互感器的數(shù)字信號外，而且還可以同時接收并處理傳統(tǒng)電磁式互感器的模擬信號 [20]。在 2022 年4 月份，國網(wǎng)南瑞科技股份有限公司研制出樣機，通過測試，其最大網(wǎng)絡延遲時間為 ，平均延遲時間為 ，可以滿足保護控制單元對采樣數(shù)據(jù)傳輸延遲時間的技術要求 [21]。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上，還開發(fā)了擴展功能，如具備計算及錄波等功能 [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。四川大學工程碩士學位論文 基于 FPGA 數(shù)字化變電站合并單元設計與仿真82022 年 1 月 4 號，國家能源局發(fā)布了《合并單元測試規(guī)范》 ，規(guī)范中更加明確了合并單元測試內容和方法。 本課題主要內容和安排本文依據(jù) IEC600447/8 和 IEC6185092 標準，在已建設的數(shù)字化變電站的相關經(jīng)驗和技術的背景下，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。論文的主要內容安排如下：首先，介紹了變電站技術的發(fā)展歷程，從總體上了解了 IEC6850 的內容以及與數(shù)字化變電站的關系，闡述合并單元的研究與實現(xiàn)對于實現(xiàn)數(shù)字化變電站的重要性，并且簡單介紹電子式互感器、合并單元國內外的研究現(xiàn)狀。通過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題；最后討論合并單元的總體設計方案，包括