1、 PAGE63 / NUMPAGES73 工程碩士專業學位論文題 目基于FPGA數字化變電站合并單元設計與仿真作 者 俊濤 完成日期 2015 -04-10培養單位 大學 指導教師 曾成碧 副教授 企業教師 胡正 高工 工程領域 軟件工程 授予學位日期基于FPGA數字化變電站合并單元設計與仿真軟件工程 領域研究生 俊濤 指導老師 曾成碧隨著智能電網技術的迅速發展和推廣，一些數字化設備、智能化設備相繼出現并應用于實際電網工程中。伴隨著電子式互感器的研發與應用，加快了數字化、智能化變電站建設的腳步。而本文主要是針對數字化、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計。合并單元的研制不僅能簡

2、化二次設備的設計，而且還能夠實現數據的無縫連接和共享。本文首先描述了變電站技術的發展歷程，主要包括集中式變電站自動化系統、分散式變電站自動化系統、集中和分散結合式自動化系統、數字化變電站、智能化變電站等階段。特別的，IEC61850國際電力系統通信標準的頒布，奠定了數字化變電站、智能化變電站發展的基礎。對于數字化、智能化變電站的技術方案，不同的電壓等級，電子式互感器和合并單元的配置原則有所不同。結合國家電網公司推薦的數字化變電站過程層網絡結構，即GOOSE組網、SV點對點方式，分析了合并單元的接口。通過比較幾種合并單元實現的幾種硬件方案，本文給了以FPGA作為核心硬件的方案，并且在此基礎上研究

3、了合并單元的軟件功能，按功能模塊可劃分為數據采集模塊、數據處理模塊和數據發送模塊。數據同步技術是合并單元關鍵技術之一，數據同步包括：電子互感器同步，大多數的二次設備需要采集多個信號量，這就要求對應同一個合并單元的電子互感器采樣同步；不同變電站也要求一樣的時間基準，完成站間同步。而在數據重采樣時，不免帶來數字信號混疊，為此采用匹配的一個數字濾波器。最后，討論了合并單元相位補償技術，主要包含兩方面，一是電子式互感器本身原理引起的，一是合并單元解碼、濾波器等數據處理帶來的時延。針對合并單元軟件設計的三大模塊，本文基于FPGA給出了詳細的設計。數據采集模塊，既能采集常規互感器的模擬信號又能采集電子式互

4、感器的數字信號或者小信號，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。數據處理模塊和發送模塊，充分利用FPGA快速數據處理的能力和豐富資源設計，主要完成數字濾波器原理、相位補償算法（包括數字積分器和短數據窗移相算法）、以太網控制器模塊等。最后，通過Xilinx ISE13.1、Matlab等軟件對合并單元三大模塊進行了功能仿真，結果表明本文設計的三個模塊都能實現其功能，并能滿足數字化變電站合并單元的要求，是一種可行的合并單元設計方案，具有一定的工程實用價值。關鍵詞：智能化設備；數字化變電站；接口；過程層網絡；硬件方案；同步技術；相位補償；以太網

5、The DesignAnd Simulation of the Merging Unit in Digital Substation Based on FPGASoftware EngineeringGraduate Student： Zhang JunTaoAdviser: ZengChengBiWith the rapid development and promotion of smart grid technology,digital devices and intelligent devices are widely applied to practical smart grid p

6、rojects.The digital technologies such as the electronic transformer technology become more and more mature that speed up the digitalization and intelligent substation.Therefore,the research and design of MU of digital traction substation is of great importance.Development of MU simplifies the design

7、 of secondary devices and also can seamlessly connect and share data.First of all,the paper reviews the development of substation technology,from centralizedsubstation automation systems,distributed substation automation systems,combining centralized and decentralized automation systems,digital subs

8、tation tointelligent substation.In particular,published international standards of IEC61850,lay the foundation the digital substation and intelligent substation.For digital,intelligent substation technical configuration,different voltage levels,configuration of electronic transformer and merging uni

9、t is different bine digital substation process layer network architecture that is GOOSE networking,SV-point mode that is recommended in power system,and then,analysethe the interface of MU.By comparing several hardware solutions to achieve MU,the paper gave the FPGA as the core of hardware.Last,the

10、software features of MU is clear,including data acquisition module,data processing module and data transmission module.Synchronization is one of the key technologies of MU,one is synchronization of electronic transformers,that most secondary equipment needs to gather more than semaphores,which requi

11、res a corresponding electronic transformer with the MU of sampling synchronization,the other is also different substations require the same timetocomplete station synchronization.And when the data re-sample,which can not help bringing signal-mixing,therefore,that should add a digital filter.Finally,

12、 phase compensation technology mainly consists of two aspects that one is the principle cause electronic transformer itself, the other is consolidated unit decodes, filters and other data processing caused by delay of MU is discussed. Three modules of software design of MU is gave a detailed design

13、based on FPGA.Data acquisition module,which can capture both the conventional analog signal from conventionaltransformer and digital signal or a small signal from electronic transformer,including the acquisition modules resolving FT3,judging the validity of1PPS,a linear interpolation,FIFO,and A/D co

14、ntrolling module and other sub-modules.Data processing module andsending module,which take full advantage of abundant resources and fast data processing FPGA to design,include the main principle of the digital filter,phase compensation algorithm (including digital integrator and phase shift short da

15、ta window algorithm),Ethernet controller module and so on.Finally,by the software of Xilinx ISE,Matlab and so on,the design of each module was simulated.The result shows that this design of each module can achieve its function,and satisfy the requirement of MU of the digital traction substation.The

16、design which this paper is referred is a feasible solution and has some practical value.Key Words:intelligent devices;digital substation;interface;network of process layer;hardware solutions;synchronization;phase compensation;Ethernet目 錄 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc4153628331 緒論 PAGEREF _Toc415362

17、833 h 1HYPERLINK l _Toc4153628341.1 本文研究背景與意義 PAGEREF _Toc415362834 h 1HYPERLINK l _Toc4153628351.2 國外研究現狀 PAGEREF _Toc415362835 h 5HYPERLINK l _Toc4153628361.3 本課題主要容和安排 PAGEREF _Toc415362836 h 8HYPERLINK l _Toc4153628372 數字化變電站技術研究 PAGEREF _Toc415362837 h 9HYPERLINK l _Toc4153628382.1 變電站數字化方案 PAG

18、EREF _Toc415362838 h 9HYPERLINK l _Toc4153628392.1.1 電子式互感器配置 PAGEREF _Toc415362839 h 9HYPERLINK l _Toc4153628402.1.2 合并單元配置 PAGEREF _Toc415362840 h 9HYPERLINK l _Toc4153628412.1.3 典型主接線配置方案 PAGEREF _Toc415362841 h 10HYPERLINK l _Toc4153628422.2 合并單元接口設計 PAGEREF _Toc415362842 h 11HYPERLINK l _Toc415

19、3628432.2.1 過程層網絡結構分析 PAGEREF _Toc415362843 h 11HYPERLINK l _Toc4153628442.2.2 合并單元接口分析 PAGEREF _Toc415362844 h 12HYPERLINK l _Toc4153628452.3 合并單元總體設計 PAGEREF _Toc415362845 h 13HYPERLINK l _Toc4153628462.3.1 數字化變電站合并單元硬件實現方案 PAGEREF _Toc415362846 h 13HYPERLINK l _Toc4153628472.3.2 數字化變電站合并單元軟件功能設計

20、PAGEREF _Toc415362847 h 17HYPERLINK l _Toc4153628482.4 本章小結 PAGEREF _Toc415362848 h 18HYPERLINK l _Toc4153628493 合并單元技術分析 PAGEREF _Toc415362849 h 19HYPERLINK l _Toc4153628503.1 數據同步技術 PAGEREF _Toc415362850 h 19HYPERLINK l _Toc4153628513.1.1 脈沖同步法 PAGEREF _Toc415362851 h 19HYPERLINK l _Toc4153628523.

21、1.2 插值同步 PAGEREF _Toc415362852 h 20HYPERLINK l _Toc4153628533.1.3 其他同步法 PAGEREF _Toc415362853 h 22HYPERLINK l _Toc4153628543.2 數字濾波器設計 PAGEREF _Toc415362854 h 23HYPERLINK l _Toc4153628553.3 相位補償技術 PAGEREF _Toc415362855 h 24HYPERLINK l _Toc4153628563.4 本章小結 PAGEREF _Toc415362856 h 26HYPERLINK l _Toc4

22、153628574 合并單元軟件設計 PAGEREF _Toc415362857 h 27HYPERLINK l _Toc4153628584.1 合并單元數據采集模塊設計 PAGEREF _Toc415362858 h 27HYPERLINK l _Toc4153628594.1.1 解碼校驗模塊設計 PAGEREF _Toc415362859 h 27HYPERLINK l _Toc4153628604.1.2 A/D控制模塊設計 PAGEREF _Toc415362860 h 30HYPERLINK l _Toc4153628614.1.3 同步模塊設計 PAGEREF _Toc4153

23、62861 h 31HYPERLINK l _Toc4153628624.1.4 排序模塊 PAGEREF _Toc415362862 h 31HYPERLINK l _Toc4153628634.2 合并單元數據處理模塊設計 PAGEREF _Toc415362863 h 31HYPERLINK l _Toc4153628644.2.1 FIR濾波器設計模塊 PAGEREF _Toc415362864 h 31HYPERLINK l _Toc4153628654.2.2 相位補償模塊 PAGEREF _Toc415362865 h 31HYPERLINK l _Toc4153628664.3

24、 合并單元數據發送模塊設計 PAGEREF _Toc415362866 h 31HYPERLINK l _Toc4153628674.3.1 IEC 61850-9-2通信機制 PAGEREF _Toc415362867 h 31HYPERLINK l _Toc4153628684.3.2 以太網發送模塊設計 PAGEREF _Toc415362868 h 31HYPERLINK l _Toc4153628694.4 本章小結 PAGEREF _Toc415362869 h 31HYPERLINK l _Toc4153628705 合并單元功能仿真 PAGEREF _Toc415362870

25、h 31HYPERLINK l _Toc4153628715.1 FPGA仿真平臺簡介 PAGEREF _Toc415362871 h 31HYPERLINK l _Toc4153628725.2 數據采集模塊仿真 PAGEREF _Toc415362872 h 31HYPERLINK l _Toc4153628735.2.1 解碼校驗模塊 PAGEREF _Toc415362873 h 31HYPERLINK l _Toc4153628745.2.2 A/D控制模塊 PAGEREF _Toc415362874 h 31HYPERLINK l _Toc4153628755.2.3 同步模塊 P

26、AGEREF _Toc415362875 h 31HYPERLINK l _Toc4153628765.2.4 排序模塊 PAGEREF _Toc415362876 h 31HYPERLINK l _Toc4153628775.3 數據處理模塊仿真 PAGEREF _Toc415362877 h 31HYPERLINK l _Toc4153628785.3.1 FIR濾波器設計模塊 PAGEREF _Toc415362878 h 31HYPERLINK l _Toc4153628795.3.2相位補償模塊 PAGEREF _Toc415362879 h 31HYPERLINK l _Toc41

27、53628805.4 數據發送模塊仿真 PAGEREF _Toc415362880 h 31HYPERLINK l _Toc4153628815.5 本章小結 PAGEREF _Toc415362881 h 31HYPERLINK l _Toc415362882結論 PAGEREF _Toc415362882 h 31HYPERLINK l _Toc415362883參考文獻 PAGEREF _Toc415362883 h 31HYPERLINK l _Toc415362885聲明 PAGEREF _Toc415362885 h 31HYPERLINK l _Toc415362886致 PAG

28、EREF _Toc415362886 h 311 緒論電力系統包括電能的生產、輸送、分配和消費等環節。作為電力系統的重要樞紐，變電站是輸電和配電的連接點，主要完成電壓的轉換和電能的再次分配。它主要包括變壓器、斷路器、電流/電壓互感器、隔離開關等組成的一次設備與測控裝置、保護與一些安全自動化裝置等組成二次設備。數字化變電站以變電站一次設備和二次設備為數字化對象，利用高速網絡通信平臺為基礎，使傳輸數據標準化，并且實現數據信息的共享和互操作。1.1 本文研究背景與意義20世紀90年代以來，隨著信息技術、網絡數字通信技術、電子技術的飛速發展，以微處理器為核心的自動化裝置在電力系統中得到了廣泛的應用，大

29、大促進了變電站綜合自動化技術的迅猛發展。依照電力行業標準，變電站自動化系統包括63種功能，歸納起來大致可以分為7類，即自動化控制功能、控制/監視功能、繼電保護功能、與繼電保護相關功能、測量功能、系統功能、接口功能等。時至今日，國外變電站發展歷程大致分為集中式變電站、分散式變電站、集中和分散結合式變電站、數字化變電站和智能化變電站5個階段。（1）集中式變電站自動化系統圖 1 - SEQ 圖_1_- * ARABIC 1基于RTU的變電站自動化系統國集中式變電站自動化技術第一階段是在20世紀80年代，變電站自動化系統是基于RTU增加一臺微機為中心的就地監控系統，如圖1- SEQ 囧_1_- * A

30、RABIC 1所示，當時并沒有涉與繼電保護系統。第二階段是在20世紀90年代，當時數字化保護的廣泛應用，使變電站自動化技術的發展突飛猛進。在變電站控制室設置變電站自動化系統作為控制中心，另外設置數據采集和控制部件來采集數據和發出控制命令為典型，如圖1- SEQ 囧_1_- * ARABIC 2。這種集中式變電站自動化系統除了有保護元件外，還配有管理單元，其接口和變電站自動化系統的數據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。圖 1 - SEQ 圖_1_- * ARABIC 2 集中式變電站自動化系統典型框圖（2）分散式變電站自動化系統20世紀90年代中期，隨

31、著計算機技術、網絡通信技術的跨越式發展，集中式系統的可靠性，靈活性無法滿足大容量、高電壓等級變電站的要求，出現了分布式變電站自動化系統。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）的分布控制系統結構。其中間隔層一次設備（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據通過網絡總線傳輸到站控層，站控層包括站控系統（SCS）、站監視系統（SMS）和站工程師工作臺（EWS）。站控系統具有快速的信息響應和相應信息處理功能，完成站運行管理與控制，如事件記錄、SCADA的數據收集功能。站監視系統對站所有運行設備的監測，為站控系統的運行和控制提供信息。站工程師

32、工作臺完成站設備的檢查，參數設定，調試等功能。（3）集中和分散結合式自動化系統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與IEC 61850國際標準的推廣，開始向數字化變電站發展。數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）、網絡化二次設備分層和運行管理自動化（程序化控制系統、設備健康狀態監測系統和自動故

33、障分析系統等）。基于IEC 61850通信規基礎上，它實現站各層間的無縫通信，滿足變數字化電站智能電氣設備間信息共享和互操作的要求。數字化變電站的典型結構圖如圖1- SEQ 囧_1_- * ARABIC 3所示。圖 1 - SEQ 圖_1_- * ARABIC 3數字化變電站結構（5）智能化變電站智能電網2020計劃，是在總結已建或在建數字化變電站試點工程經驗的基礎上，組織相關技術人員、研究人員對智能電網方面的標準、技術、規的研究。智能變電站作為智能電網的重要環節，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，即采用先進、可靠、低碳、集成、環保的智能設備，以全站信息數字化、

34、通信平臺網絡化、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、保護和監測等功能，并可根據需要支持電網自動控制、在線分析診斷決策、智能調節、協同互動等高級功能，實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站。近年來，變電站綜合自動化技術的迅猛發展和微機保護的廣泛應用，提高了電網的自動化水平和運行安全性，然而，由于變電站自動化系統和保護設備沒有統一的通信協議標準，帶來了系統無縫連接異常困難、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、監控等二次設備的控制信號、采集信號發送、模擬量采集仍需要依靠大量的電纜連接來實現

35、，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，它使變電站站通信協議標準化，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中的廣泛應用，在線狀態檢測功能、變電站運行操作培訓仿真等技術日益成熟，使得數字化變電站的建設具備了必要的基礎。合并單元作為數字化、智能化變電站過程層與間隔層、站控層的重要數據接口，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、

36、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。在現有條件下，不能讓全國所有變電站都按照數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互感器，保留部分常規電壓/電流互感器，通過改造使變電站實現數字化。這不僅節約數字化變電站建設成本，而且建設周期較短，更利于數字化變電站的推廣。然而，也帶來一些問題，合并單元必須具有一定的兼容性，能夠處理電子式互感器和傳統互感器的數據，并保證數

37、據采用同步。它是變電站數據數字化、功能集成化、結構緊湊的重要體現。采樣值、設備狀態量采用網絡方式傳輸取代了傳統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展的中堅力量。1.2 國外研究現狀合并單元是伴隨著電子互感器的研制而出現的，它是將二次轉化的電流/電壓等數據進行與時間相關的物理設備，再將同步的數據按IEC61850規定的格式發送給過程層保護、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

38、傳統的電壓/電流互感器。為此，合并單元需要有模擬信號轉數字信號的接口模塊，將模擬量和數字量同時進行時間整合，以數字量發送出去，如圖1- SEQ 囧_1_- * ARABIC 4。圖1 - SEQ 圖_1_- * ARABIC 4合并單元接口作為電子式互感器的數字接口，合并單元的研制和電子互感器的發展息息相關。20世紀60年代，有源和無源ECT樣機已經被一些科技發達的國家所研制、開發。即使當時技術一般，但是已經是當時的先進水平。1964年，Traser System的有源ECT被一家美國變壓器制造公司研制。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展，突破了使用激光器技術給有源電

39、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 發現磁光效應的49年后，即1894年，有人提出了光學原理測量電流的設想；1967年，東京大學的Saito等人研制成激光電流互感器的樣機；70年代初，光纖技術革新了高壓環境下的信息傳輸技術，也使電流互感器與迅速發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。經過多年的發展，美國、日本、法國等國的產品已經在電網上運行，ABB，SIMENS等公司的OCT產品已經進入了中國市場。典型實例有：日本NGK公

40、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掛網運行。ABB公司已經成功開發了各種形式的OCT、OVT產品，ABB公司研制的有源電子式互感器已經在全球投入運行。SIMENS的OCT產品500千伏光電互感器應用于北郊變電站。國對光電互感器的實用化產品的研制較晚，但是經過科研人員的努力，目前研究的樣機已經基本上達到了國際的水平。20世紀80年代開始，有清華大學、交大、燕山大學、電

41、子部26所，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運行的有3家單位：70年代，變互感器廠與供電局共同研制的110千伏空心線圈電流互感器在電網運行，后被拆除；1991年，清華大學和中國電力科學研究院聯合研制的110千伏OCT掛網試運行；1993年，華中理工大學和省新會電業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運行。從2000年開始，國廠家開始研發和生產電子式互感器，主要有華偉電力電子技術、新寧光電自動化、南瑞繼保、同維科技發展、許繼電氣等廠家。其中偉鈺、南自新寧、南瑞繼保、華偉主推產品為電原理的羅氏線圈互感器，南瑞科技股份、偉

42、鈺提供光纖電子互感器，同維、許繼生產磁光玻璃型電子式互感器。目前國廠家已經由有源向無源轉變，千伏系列的電子式電壓互感器、電流互感器、組合互感器，在國的數字化變電站中已投入運行。IEC 6185-9-1的制訂，加劇了電子式互感器接口合并單元的發展。初期，IEC 60044-7/8中定義合并單元是來采集電子式互感器的電流/電壓數據，并對數據進行時間組合以規定的幀格式發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定。目前，新建的數字化、智能化變電站工程中，MU大多采用IEC 6185-9-2標準通信。同步是合并單元核心技術。目前，國外MU大多采用GPS精密時鐘同步。2002年，隨著安

43、捷倫實驗室提出的IEEE 1588協議正式被IEEE批準通過和出版，MU同步技術又進入了新的領域。在國外，ABB、SIMENS等企業巨頭早已經有產品問世，并基于IEC 61850標準研發了一系列數字化、智能化變電站過程層設備，如智能斷路器、智能合并單元等。在國，也有不少科研單位、企業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。南自新寧公司從2001年開始研制的OET70系列電子式互感器，03年開始在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字信號外，而且還可以同時接收并處理傳統電磁式互感器的模擬信號。在2007年4月份，國

44、網南瑞科技股份研制出樣機，通過測試，其最大網絡延遲時間為0.6ms，平均延遲時間為0.5ms，可以滿足保護控制單元對采樣數據傳輸延遲時間的技術要求。南瑞繼保電氣XX公司生產出的PCS-221系列合并單元，在完成合并單元基本功能的基礎上，還開發了擴展功能，如具備計算與錄波等功能。還有四方公司的CSC-188系列合并單元；許繼股份的DMU800系列等。2012年1月4號，國家能源局發布了合并單元測試規，規中更加明確了合并單元測試容和方法。1.3 本課題主要容和安排本文依據IEC60044-7/8和IEC61850-9-2標準，在已建設的數字化變電站的相關經驗和技術的背景下，對合并單元進行了分析研究

45、，取締了常規的FPGA+DSP+ARM或者是FPGA+DSP實現的實現方案，設計了一種基于現場可編程邏輯門陣列FPGA數字化變電站的合并單元的軟件實現方案。論文的主要容安排如下：首先，介紹了變電站技術的發展歷程，從總體上了解了IEC6850的容以與與數字化變電站的關系，闡述合并單元的研究與實現對于實現數字化變電站的重要性，并且簡單介紹電子式互感器、合并單元國外的研究現狀。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；在數字化變電站過程層數據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，包括合并單元硬件方案和軟件設

46、計方案。基于FPGA，合并單元的軟件設計有若干關鍵技術，如數據同步技術、數字濾波器設計、相位補償技術等。通過這些技術的討論，給后面的詳細設計奠定基礎。合并單軟件設計主要分為三大模塊即數據采集模塊、數據處理模塊和數據發送模塊。充分利用FPGA管腳豐富、處理數據速度快的優點，在介紹一些原理的基礎上，本章對這三大模塊進行詳細的設計。在前面章節對合并單元三大模塊詳細分析與設計的基礎上，本章主要利用Xilinx提供的ISE設計平臺實現硬件電路，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。2 數字化變電站技術研究2.1 變電站數字化方案2.1.1 電子式互感

47、器配置互感器的配置主要以經濟性和技術先進性為原則，二者統籌兼顧。互感器的配置原則為：（1）220kV變電站1）110(66)220kV電壓等級宜采用電子式互感器；2）35kV與以下宜采用常規互感器或模擬小信號輸出互感器，可采用帶模擬量插件的合并單元進行數字轉換；3）主變壓器差動保護各側宜采用特性一樣的電子式互感器；主變中性點（或公共繞組）宜設置電子式電流互感器，其余套管電流互感器根據實際需求可設置或取消；4）線路、主變間隔若設置三相電壓互感器，可采用電流電壓組合型互感；5）在具備條件時，互感器可與隔離開關、斷路器進行組合安裝。（2）110kV與以下變電站1）110(66)kV電壓等級宜采用電子

48、式互感器；2）35kV與以下宜采用常規互感器或模擬小信號輸出互感器，可采用帶模擬量插件的合并單元進行數字轉換；3）主變差動保護各側宜采用特性一樣的電子式互感器；主變中性點（或公共繞組）宜設置電子式電流互感器，其余套管電流互感器根據實際需求可設置或取消；4）線路、主變間隔若設置三相電壓互感器，可采用電流電壓組合型互感器；5）在具備條件時，互感器可與隔離開關、斷路器進行組合安裝。2.1.2 合并單元配置合并單元配置主要考慮到保護配置的雙重化、合并單元安裝方式等因素，以下為合并單元配置原則：（1）220kV變電站1）220kV各間隔合并單元宜冗余配置；2）110kV與以下各間隔合并單元宜單套配置；3

49、）主變各側、中性點（或公共繞組）合并單元宜冗余配置；各電壓等級母線電壓互感器合并單元宜冗余配置。（2）110kV與以下變電站1）全站各間隔合并單元宜單套配置。2.1.3 典型主接線配置方案遵循電子式互感器、常規互感器以與合并單元的技術規和配置原則，圖2-1為某典型的數字化變電站接線圖互感器、合并單元配置圖。由于高壓側電網電壓等級為110kV，電子式互感器和合并單元都采用單套配置方案，其中高壓側1TV、2TV按A、B、C三相配置3臺電容分壓式EVT，每臺帶一路輸出回路，精度為0.2(3P)，保護、測量和計量用；高壓側1TA、2TA按A、B、C三相配置1臺Rogowski線圈原理的ECT，ECT帶

50、一路輸出回路，精度為0.2S（5TPE），保護、測量和計量用。兩臺變壓器高壓側各配置一臺合并單元MU1和MU2。低壓側電壓等級為10kV，配置常規互感器，即3TA、4TA配置2臺常規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0.5（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PT，每臺含2個獨立輸出的二次繞組，精度分別為3P（保護用）、0.2（測量用）。兩臺變壓器低壓側各配置2臺合并單元MU3、MU4 、MU5、MU6，單母線上配置電壓合并單元MU3、MU4，可實現電壓共享。饋線回路上電流互感器5TA、6TA、7TA、8TA采用

51、常規CT，每臺含2個獨立輸出的二次繞組，精度分別為5P（保護用）、0.5（測量用）。每條出線各配置一合并單元MU7、MU8、MU9、MU10。圖 2 - SEQ 圖_2_- * ARABIC 1典型變電站主接線配置圖2.2 合并單元接口設計2.2.1 過程層網絡結構分析電力系統中數字化變電站過程層采樣值傳輸可歸納為2種方式：組網方式和點對點方式，主要包括：1）GOOSE和SV均采用點對點方式；2）GOOSE組網、SV點對點；3）GOOSE、SV獨立組網；4）GOOSE、SV、IEEE 1588三網合一。SV采用點對點方式組網，不僅采樣通道配置靈活、互操作性強，而且可以克服組網方式必須依靠全站時

52、鐘同步的缺點。在蘭溪智能化變電站改造工程中這種傳輸方式的優勢都得到了充分的體現。目前，國家電網公司推薦GOOSE組網、SV采用點對點為過程層數據傳輸方式。這種方案可以實現斷路器、隔離開關量信息共享，但MU數據采集、傳輸同步問題仍然是技術關鍵。隨著時鐘同步技術發展，GOOSE、SV、IEEE1588三網合一方案將成為以后變電站智能化發展的方向。數字化變電站間隔層一般有主變主保護、主變后備保護、饋線保護、測控裝置、計量裝置、錄波裝置等。本文針對SV傳輸選取GOOSE組網、SV點對點方式設計MU，就得合理的配置MU的輸出接口，向間隔層設備傳輸采樣值。2.2.2 合并單元接口分析合并單元的接口問題一直

53、受業人士關注，如何設計研發一個更人性化、具有兼容性的產品，是國外各大廠家的目標。按功能劃分，MU的接口有輸入接口、輸出接口、人機交互接口、調試接口、對時接口、GOOSE接口等，以下簡單闡述其部分接口。（1）合并單元輸入接口從嚴格意義上講，合并單元是電子式互感器的一部分，但是它與電子式互感器又具有獨立性。在常規變電站改造成數字化變電站的工程中，合并單元將采樣模擬量轉換成數字量輸出，這使合并單元是一個完全獨立的設備。所以，合并單元的輸入可能是電子式互感器、常規互感器或者兩者的混合。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字量，具體的通信協議各個廠家都不盡一樣

54、，并沒有統一的標準。國家電網公司企業標準智能變電站繼電保護通用技術條件中，推薦采用IEC60044-8標準中的FT3楨格式作為同步串行接口。雖然電子式互感器輸出可以使模擬小信號，但由于其小信號互感器技術性能和經濟性不高，在工程實踐中也不廣泛，因此不推薦使用小信號輸出。對于傳統互感器接入合并單元，電流、電壓模擬量信號并沒多大的區別，電流額定值為1A或5A，電壓額定值為57.74V或100V，皆是經二次電纜接入合并單元。（2）合并單元輸出接口合并單元數字量輸出接口，先后經過四種接口標準。最早是在IEC 60044-8電子式電流互感器技術標準中發布的采用IEC 60870-5-1中FT3鏈路幀格式的

55、同步串行接口，還有一種是采用IEC 61850-9-1所述的以太網。這兩種接口標準的物理層、鏈路層不同，但是應用層都是一樣的。隨著IEC 61850標準的修訂，其IEC 61850-9-1標準被廢止，取而代之的是IEC 61850-9-2，其全稱為變電站通信網絡和系統第9-2部分：特定通信服務映射（SCSM）通過GB/T15629.3的采樣值。現在數字化變電站中合并單元的輸出接口采用Q/GDW 441-2010中規定的兩種形式：IEC 60044-8擴展協議接口和IEC 61850-9-2標準接口。（3）對時接口合并單元對時接口形式有三種：1PPS或者1PPM對時接口、IRIG-B碼同步對時接

56、口和在IEC 61850-9-2組網網口上完成IEEE 1588協議對時功能。目前暫不建議實現IEEE 1588對時。對于對時接口，有專家建議合并單元應具一定數量的1PPS光纖輸出接口，向各保護裝置轉發外部輸入的或者自產生的1PPS信號。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接口數量分別配置1PPS輸入接口（最多3個）。（4）調試接口調試接口可專門設計，如FPGA的實現功能的調試可以選擇JTAG端口，還可以復用網絡接口調試。2.3 合并單元總體設計2.3.1 數字化變電站合并單元硬件實現方案提高多路采集數據的處理能力，并且穩定性高是MU的主要硬

57、件要求，目前國外MU主要有5種硬件方案：基于網絡控制芯片+DSP。網絡接口控制器（NIC）是以太網接口電路的核心芯片，如采用Realtek公司的RTL8019AS芯片，能實現MU大部分功能，包括曼徹斯特碼解碼、校驗、串并轉換、數據組幀發送等功能。數字信號處理功能可以采用儀器公司的TMS320F206，除了完成采樣、同步等功能，還要用它來控制NIC，如圖2-2。雖然DSP數據處理能力很強，可以調用自身的函數，功能實現簡單，但是這種芯片執行程序時是順序執行的，主要以串行處理為主，這不免在處理速度上有所限制，而且DSP接口有限，不易于擴展。圖 2 - SEQ 圖_2_- * ARABIC 2以太網電

58、路接口框圖基于ARM+FPGA實現方案。如圖2-3所示，是基于ARM+FPGA芯片的MU硬件框圖，FPGA主要完成數據的接收，之后將數據保存在雙口RAM中，最后由ARM讀取雙口RAM中的數據，進行數據處理，并按照IEC 61850-9規約，將各路采用數據組幀發送到二次保護設備中。ARM雖然移植性好，實時操作性強，能提高系統的響應時間，適用于海量數據的分析處理，但是是順序執行且穩定性有待提高。圖 2 - SEQ 圖_2_- * ARABIC3 采用ARM+FPGA實現合并單元硬件框圖基于DSP+FPGA實現方案。合并單元硬件部分主要由2部分構成，一部分是電源模塊；另一部分是CPU板，主要包括遙信

59、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以太網接口和光纖接口等部分組成。硬件框圖如圖2-4所示。這種硬件方案雖然能提高合并單元并行數據計算、處理能力，易于系統維護和擴展，但是這種多芯片方案接口較多，不利于調試。圖 2 - SEQ 圖_2_- * ARABIC4采用DSP+FPGA實現合并單元硬件框圖基于雙獨立CPU實現方案。文獻采用單獨的ARM作為合并單硬件電路的核心CPU，顯然外圍接口有限，而且電子式互感器的采樣數據必須經過A/D轉換才能處理。如圖2-5所示方案由dsPIC和ARM2個獨立的CPU構成。dsPIC處理的數據包括電壓

60、、電流和開關量，并能處理一些簡單的開關操作。ARM主要負責與以太網信息交換和通信。這種實現方案使數據處理和通信相互獨立。dsPIC芯片具有大量的外圍組件、完整的DSP驅動、強大的開發環境等，ARM具有很少的門電路、中斷時延小、低功耗等特性。圖 2 - SEQ 圖_2_- * ARABIC 5雙獨立CPU框圖（5）基于FPGA實現方案。隨著FPGA技術的迅猛發展，單芯片上數百萬個邏輯門數早已經實現，因此，可以實現整個硬件系統的高度集成；開發者可以通過多次編程、擦除或者其他的軟件即可實現不同要求的電路；和DSP實現方案相比較，FPGA沒有存飽和、死機等問題，并且，硬件電路相對穩定、運算速度快，可以