基于FPGA的电子式互感器合并单元研制

论文摘要

近几年来,随着国民经济的快速发展,以及计算机,通信,自动化等技术在电力工业的应用,电网的智能化水平得到了极大地提升,同时为了实现电网的安全、可靠、高效、经济、使用安全和环境友好的目标,因此智能电网这一概念引起了世界各国的广泛兴趣,并且成为了研究的重点。智能电网涉及的领域包括发电,电能的转换,电能的传输,电能的分配等。智能变电站作为智能电网的重要组成部分,运用智能电子设备来建立标准化的数字网络通信平台,使变电站的信息数据得以共享。智能变电站自动的完成电网相关数据的采集功能,并能够对采集到的电网数据进行测量和分析,然后智能的对电网进行控制和调节,实现对电网的保护和优化。随着大容量,超高压,特高压电力系统的发展,以及智能电网技术、智能变电站技术对电力设备提出了更高的要求,传统的电磁式互感器已经难以符合现在电力系统的应用标准。这时候作为智能变电站的智能电子设备,电子式互感器应运而生,并且有着广泛的应用前景。目前,基于光学和罗戈夫斯基线圈的电子式互感器已经进入实用阶段。合并单元作为电子式互感器在智能变电站应用的基础,这些年来成为研究的重点并得以实现。智能变电站的核心基础是IEC61850通讯协议,变电站内的智能电子设备,例如测量控制设备和继电保护设备都需要采用该协议作为标准,通过标准化的网络完成信息共享的功能。本文首先介绍了智能变电站和应用于其中的电子式互感器的现状和应用前景,然后对基于IEC61850的电子式互感器合并单元的基本要求进行描述,并提出合并单元服务器模型。在此基础上,详细阐述了基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的合并单元软硬件的具体实现方法。根据FPGA的模块化编程和多任务处理的特点,该方法在单片FPGA内实现采样脉冲同步,数据采集,采样值处理,以及以太网控制芯片驱动和数据I帧发送。本合并单元能够传输符合IEC61850-9-1和IEC61850-9-2规约的数据帧,两种数据帧的传输可以根据实际需要进行切换。运用MMS Ethereal软件对本合并单元发送的数据帧进行捕获和分析,结果表明该合并单元具有较高的灵活性和较强的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 智能变电站
• 1.1.1 智能变电站的定义和特点
• 1.1.2 智能变电站的体系结构
• 1.2 电子式互感器
• 1.2.1 电子式互感器分类及其特点
• 1.2.2 国内外电子式互感器研究情况及前景展望
• 1.3 论文的主要内容及章节安排
• 2 合并单元的模型建立
• 2.1 IEC61850通讯协议
• 2.1.1 制定背景
• 2.1.2 主要内容
• 2.1.3 变电站自动化系统体系
• 2.2 合并单元的服务器模型
• 2.2.1 合并单元的定义
• 2.2.2 合并单元的功能
• 2.2.3 服务器模型
• 2.3 小结
• 3 合并单元的设计方案
• 3.1 主控芯片FPGA
• 3.2 软件环境
• 3.2.1 Quartus Ⅱ简介
• 3.2.2 Verilog HDL简介
• 3.2.3 Modelsim简介
• 3.3 嵌入式以太网技术
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 相关芯片选型
• 3.4 系统设计方案
• 3.5 小结
• 4 合并单元硬件和软件设计实现
• 4.1 硬件电路设计
• 4.1.1 LAN9215硬件部分
• 4.1.2 ICS1889和HFBR5103硬件部分
• 4.2 软件系统设计
• 4.2.1 采样脉冲同步模块
• 4.2.2 采样数据处理模块
• 4.2.3 数据帧发送模块
• 4.3 小结
• 5 合并单元软件仿真与系统功能测试
• 5.1 软件仿真
• 5.1.1 采样脉冲同步模块仿真
• 5.1.2 曼彻斯特解码模块仿真
• 5.2 系统功能测试
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢