【文章內(nèi)容簡介】 微 機 保 護 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(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(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（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笈渲茫?這些獨立的單元裝置 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（ 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(nèi)所有運行設(shè)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(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 3 隔的方法進行設(shè)計，各間隔單 元的設(shè)備相互獨立，通過光纖 或電纜有站控層設(shè)備進行管理和信息交換。這種結(jié)構(gòu)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(guān)等智能一次設(shè)備技術(shù)的應(yīng)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(shè)備（電子式互感器、智能化開關(guān)等）、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層和運行管理自動化 [4]（ 程序化控制系統(tǒng) 、 設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 和自動故障分析系統(tǒng) 等）。 基于 IEC 61850 通信規(guī)范基礎(chǔ)上， 它實現(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。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(shè) 備站 控 層 網(wǎng) 絡(luò)間 隔 層 設(shè) 備過 程 層 網(wǎng) 絡(luò)合 并 單 元 智 能 終 端過 程 層 設(shè) 備智 能 終 端 合 并 單 元站控層過程層一 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 計劃， 是 在總結(jié) 已建 或在建 數(shù)字化變電站試點工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，組織相關(guān)技術(shù)人員 、 研究人員對智能電網(wǎng)方面的標準、技術(shù)、規(guī)范的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(shè)計與仿真 4 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(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)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]。 近年來，變電站綜合自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展和微機保護的廣泛應(yīng)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(shè)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(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 護工作量大、 改造升級困難 等缺點 。同時變電站的高壓電氣設(shè)備保護 、測量 、監(jiān)控等二次設(shè)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(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 標準 國際 是由 電工委員會 TC57 技術(shù)委員會制定，它使變電站站內(nèi)通信協(xié)議標準化，解決 了設(shè)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(shè)備的研制與實驗測試的完 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 功能 、變 電站運行操作培訓仿真等技術(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)測量、控制和保護的重要接口，滿足同時處理多任務(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(shè)，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(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。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 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。 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(shè)計也是推動電子互感器發(fā)展的中堅力量。 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。 在實際工程實踐中，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(zhuǎn)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(guān)。 20 世紀 60 年代，有源和無源 ECT 樣機 已經(jīng)被一些科技發(fā)達的國家所研制、開發(fā) 。 即使當時技術(shù)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]。 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 6 20 世紀 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。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， 有人提出了光學原理測量電流的設(shè)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(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)展的計算機技術(shù)和通信技術(shù)融合成為可能； 3M 公司關(guān)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(chǔ)。 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(yīng)用于廣州北郊變電站。 國內(nèi)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 20xx 年開始，國內(nèi)廠家開始研發(fā)和生產(chǎn)電子式互感器，主要有西安華偉電力電子技術(shù)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、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。目前國內(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，在國內(nèi)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(shè)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(shù)。目前，國內(nèi)外 MU大多采用 GPS精密時鐘同步。20xx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(shù)又進入了新的領(lǐng)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(shè)備，如智 能斷路器、智能合并單元等 [18]。 在 國內(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驗測試 [19]。南自新寧公司從 20xx 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 20xx 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(luò)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(shù)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(chǔ)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。 20xx 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(nèi)容和方法。 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