电力系统传感器网络节点设计

论文摘要

近年,电力系统得到了巨大的发展,结构变得日益复杂。输电网络实现了大区域联网,超高压远距离交直流混合输电得到广泛运用;非线性用电设备不断增多,向电网注入大量谐波;同时面向市场的电力系统追求高的传输效率而减小安全裕度。这些特征都表明现代电力系统安全面临新的挑战。母线电压相量是反映系统稳定性的最主要状态量,实时获取的电压相量为安全调度和稳定控制提供了重要依据。因此构建一个广域同步相量测量网络对电力系统稳定性监测和控制具有重要意义。本项目以设计一个电力系统动态监测网络的试验平台为目的。在对国内外研究现状作深入分析的基础上,设计了一个基于IEEE 1451.2标准的动态监测网络——电力系统传感器网络。该网络采用同步相量测量技术,能对电网电压相量进行实时测量。针对电力系统动态监测通信数据量大和实时性高的要求,电力系统传感器网络采用了以太网技术。以太网是下一代工业测控网络的原形,代表工业测控网络的发展方向。为了实现高速和可靠的通信,论文作者设计了基于ARM微处理器的网络应用处理器。网络应用处理器采用了100M快速以太网接口,提供了高速的数据传输通道。同步相量测量主要有两个方面的难点:同步相量算法和精确的时间同步。本文在分析了主要的同步相量测量方法的优缺点之后,采用了一种改进的DFT算法,提高了在频率波动情况下的相量测量精度。同步相量测量的另一个关键是广域时间同步,针对现有GPS授时技术存在的不足,论文作者设计了GPS授时+IEEE 1588标准的时间同步体系。该结构既满足了广域时间同步的需要,也能在GPS异常时提供较高的守时精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 广域同步相量测量国内外研究现状
• 1.3 IEEE 1451 网络化智能传感器标准
• 1.4 本文主要工作和研究意义
• 1.4.1 本文主要工作
• 1.4.2 本文的研究意义
• 1.5 本文组织结构
• 第二章 电力系统传感器网络节点总体设计
• 2.1 电力系统传感器网络的构建目标
• 2.2 IEEE 1451.2 网络化智能传感器模型
• 2.3 电力系统传感器网络节点总体设计方案
• 2.4 关键技术和开发难点分析
• 第三章 基于以太网的网络应用处理器研制
• 3.1 以太网技术概述
• 3.1.1 以太网技术
• 3.1.2 以太网在测控领域应用需要解决的若干问题
• 3.2 网络应用处理器总体设计方案
• 3.2.1 基于ARM 的NCAP 硬件架构
• 3.2.2 电力系统传感器NCAP 软件架构
• 3.3 以太网接口硬件电路设计
• 3.3.1 以太网接口硬件实现原理
• 3.3.2 以太网控制器DM9000E 简介
• 3.3.3 DM9000E 外围电路设计
• 3.4 基于ARM 的NCAP 硬件电路设计
• 3.4.1 微控制器 AT91SAM9261 简介
• 3.4.2 AT91SAM9261 外围器件的选型和设计
• 3.4.3 存储器的选型和设计
• 3.5 TII 总线管理模块的硬件电路设计
• 3.5.1 IEEE1451.2 传感器接口规范简介
• 3.5.2 基于SPI 和GPIO 的TII 实现
• 3.5.3 基于UCC3918 的热插拔控制电路
• 3.6 IEEE 1451.2 协议栈的设计与实现
• 3.6.1 NCAP 中需要实现的IEEE1451.2 协议
• 3.6.2 IEEE1451.2 协议栈体系结构与API 接口函数
• 3.6.3 智能独立接口TII 的操作
• 3.6.4 智能变送器模块STIM 的即插即用、自动识别
• 3.7 同步相量测量方法与实现
• 3.7.1 频率变化情况下的DFT 误差分析
• 3.7.2 一种联合相量测量方法
• 第四章 基于IEEE1451.2 标准的电力系统智能变送器模块研制
• 4.1 IEEE 1451.2 标准智能变送器模块模型
• 4.2 电力系统传感器STIM 总体设计
• 4.3 电力系统传感器STIM 硬件设计
• 4.3.1 传感元件的选择
• 4.3.2 信号调理电路
• 4.3.3 多通道数据采集
• 4.3.4 STIM 端TII 接口
• 4.3.5 频率测量模块
• 4.4 电力系统传感器STIM 固件设计
• 4.4.1 STIM 软件体系架构
• 4.4.2 STIM 传感器通道管理
• 4.4.3 通过逻辑运算灵活管理状态寄存器
• 4.4.4 通过函数指针调用协议处理函数
• 4.4.5 底层驱动程序
• 第五章 基于IEEE1588 的时间同步子系统设计
• 5.1 IEEE 1588 时间同步协议体系
• 5.1.1 PTP 参考体系结构
• 5.1.2 IEEE 1588 协议时间同步原理
• 5.2 电力系统传感器网络时间同步子系统设计
• 5.3 GPS 授时单元软硬件设计
• 5.3.1 GPS 接收模块简介与应用
• 5.3.2 GPS 数据处理程序
• 5.4 基于 Linux 操作系统的 IEEE1588 时间同步软件模块设计
• 5.4.1 主时钟算法模块设计
• 5.4.2 报文发送接收模块
• 5.5 高精度数字钟设计
• 5.6 网络时钟同步系统测试
• 第六章 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取的主要研究成果