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1、四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 1 工程硕士专业学位论文 题 目基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿真 作 者 张俊涛 完成日期 2015 -04-10 培养单位 四川大学 指导教师 曾成碧 副教授 企业教师 胡正 高工 工程领域 软件工程 授予学位日期 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 I 基于基于 FPGAFPGA 数字化变电站合并单元设计与仿真数字化变电站合并单元设计与仿真 软件工程 领域 研究生 张俊涛 指导老师 曾成碧 随着智能电网技术的迅速发展和推广，一些数字化设备、智能化设备相继 出现并
2、应用于实际电网工程中。伴随着电子式互感器的研发与应用，加快了数 字化、智能化变电站建设的脚步。而本文主要是针对数字化、智能化变电站电 子式互感器重要接口合并单元的研究与设计。合并单元的研制不仅能简化 二次设备的设计，而且还能够实现数据的无缝连接和共享。 本文首先描述了变电站技术的发展历程，主要包括集中式变电站自动化系 统、分散式变电站自动化系统、集中和分散结合式自动化系统、数字化变电站、 智能化变电站等阶段。特别的，IEC61850 国际电力系统通信标准的颁布，奠 定了数字化变电站、智能化变电站发展的基础。 对于数字化、智能化变电站的技术方案，不同的电压等级，电子式互感器 和合并单元的配置原则
3、有所不同。结合国家电网公司推荐的数字化变电站过程 层网络结构，即 GOOSE 组网、SV 点对点方式，分析了合并单元的接口。通 过比较几种合并单元实现的几种硬件方案，本文给了以 FPGA 作为核心硬件 的方案，并且在此基础上研究了合并单元的软件功能，按功能模块可划分为数 据采集模块、数据处理模块和数据发送模块。 数据同步技术是合并单元关键技术之一，数据同步包括：电子互感器同步， 大多数的二次设备需要采集多个信号量，这就要求对应同一个合并单元的电子 互感器采样同步；不同变电站也要求相同的时间基准，完成站间同步。而在数 据重采样时，不免带来数字信号混叠，为此采用匹配的一个数字滤波器。最后， 讨论了
4、合并单元相位补偿技术，主要包含两方面，一是电子式互感器本身原理 引起的，一是合并单元解码、滤波器等数据处理带来的时延。 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 II 针对合并单元软件设计的三大模块，本文基于 FPGA 给出了详细的设计。 数据采集模块，既能采集常规互感器的模拟信号又能采集电子式互感器的数字 信号或者小信号，主要包括采集模块中 FT3 解析、1PPS 有效性判断、线性插 值、FIFO 和 A/D 控制模块等子模块。数据处理模块和发送模块，充分利用 FPGA 快速数据处理的能力和丰富资源设计，主要完成数字滤波器原理、相位 补偿算法（包括数字积分器
5、和短数据窗移相算法） 、以太网控制器模块等。 最后，通过 Xilinx ISE13.1、Matlab 等软件对合并单元三大模块进行了功 能仿真，结果表明本文设计的三个模块都能实现其功能，并能满足数字化变电 站合并单元的要求，是一种可行的合并单元设计方案，具有一定的工程实用价 值。 关键词：关键词：智能化设备；数字化变电站；接口；过程层网络；硬件方案；同步技术； 相位补偿；以太网 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 III The Design And Simulation of the Merging Unit in Digital Substation
6、 Based on FPGA Software Engineering Graduate Student： ZhangZhang JunTaoJunTao Adviser: ZengChengBi With the rapid development and promotion of smart grid technology, digital devices and intelligent devices are widely applied to practical smart grid projects.The digital technologies such as the elect
7、ronic 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 of secondary devices and also can seamlessly conn
8、ect and share data. First of all,the paper reviews the development of substation technology,from centralized substation automation systems,distributed substation automation systems,combining centralized and decentralized automation systems,digital substation to intelligent substation.In particular,p
9、ublished 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 unit is different.Combine digital substation proc
10、ess layer network architecture that is GOOSE networking,SV-point mode that is recommended in power system,and then,analyse the the interface of MU.By comparing several hardware solutions to achieve MU,the paper gave the FPGA as the core of hardware.Last,the software features of MU is clear,including
11、 data acquisition module,data processing module and data transmission module. Synchronization is one of the key technologies of MU,one is synchronization of electronic 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 IV transformers,that most secondary equipment needs to gather more than semaphores,which requi
12、res a corresponding electronic transformer with the MU of sampling synchronization,the other is also different substations require the same time to complete station synchronization.And when the data re-sample,which can not help bringing signal-mixing,therefore,that should add a digital filter.Finall
13、y, 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 desig
14、n based on FPGA.Data acquisition module,which can capture both the conventional analog signal from conventional transformer and digital signal or a small signal from electronic transformer,including the acquisition modules resolving FT3,judging the validity of 1PPS,a linear interpolation,FIFO,and A/
15、D controlling module and other sub-modules.Data processing module and sending 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 sho
16、rt data 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 substatio
17、n.The design which this paper is referred is a feasible solution and has some practical value. KeyKey WordsWords: intelligent devices;digital substation;interface;network of process layer;hardware solutions;synchronization;phase compensation;Ethernet 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 V 目目 录录 1 1
18、 绪论绪论1 1 1.1 本文研究背景与意义.1 1.2 国内外研究现状.5 1.3 本课题主要内容和安排.8 2 2 数字化变电站技术研究数字化变电站技术研究9 9 2.1 变电站数字化方案.9 2.1.1 电子式互感器配置.9 2.1.2 合并单元配置.9 2.1.3 典型主接线配置方案.10 2.2 合并单元接口设计.11 2.2.1 过程层网络结构分析.11 2.2.2 合并单元接口分析.12 2.3 合并单元总体设计.13 2.3.1 数字化变电站合并单元硬件实现方案.13 2.3.2 数字化变电站合并单元软件功能设计.17 2.4 本章小结.18 3 3 合并单元技术分析合并单元技
19、术分析1919 3.1 数据同步技术.19 3.1.1 脉冲同步法.19 3.1.2 插值同步.20 3.1.3 其他同步法.22 3.2 数字滤波器设计.23 3.3 相位补偿技术.24 3.4 本章小结.26 4 4 合并单元软件设计合并单元软件设计2727 4.1 合并单元数据采集模块设计.27 4.1.1 解码校验模块设计.27 4.1.2 A/D 控制模块设计30 4.1.3 同步模块设计.31 4.1.4 排序模块.31 4.2 合并单元数据处理模块设计.31 4.2.1 FIR 滤波器设计模块31 4.2.2 相位补偿模块.31 4.3 合并单元数据发送模块设计.31 四川大学工
20、程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 VI 4.3.1 IEC 61850-9-2 通信机制31 4.3.2 以太网发送模块设计.31 4.4 本章小结.31 5 5 合并单元功能仿真合并单元功能仿真3131 5.1 FPGA 仿真平台简介31 5.2 数据采集模块仿真.31 5.2.1 解码校验模块.31 5.2.2 A/D 控制模块31 5.2.3 同步模块.31 5.2.4 排序模块.31 5.3 数据处理模块仿真.31 5.3.1 FIR 滤波器设计模块31 5.3.2 相位补偿模块31 5.4 数据发送模块仿真.31 5.5 本章小结.31 结结 论论31
21、31 参考文献参考文献3131 声声 明明3131 致致 谢谢3131 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 1 1 1 绪论绪论 电力系统包括电能的生产、输送、分配和消费等环节。作为电力系统的重 要枢纽，变电站是输电和配电的连接点，主要完成电压的转换和电能的再次分 配。它主要包括变压器、断路器、电流/电压互感器、隔离开关等组成的一次 设备与测控装置、保护及一些安全自动化装置等组成二次设备。 数字化变电站以变电站一次设备和二次设备为数字化对象，利用高速网络 通信平台为基础，使传输数据标准化，并且实现数据信息的共享和互操作。 1.1 本文研究背景与意义 20
22、 世纪 90 年代以来，随着信息技术、网络数字通信技术、电子技术的飞 速发展，以微处理器为核心的自动化装置在电力系统中得到了广泛的应用，大 大促进了变电站综合自动化技术的迅猛发展。 依照电力行业标准，变电站自动化系统包括 63 种功能，归纳起来大致可 以分为 7 类，即自动化控制功能、控制/监视功能、继电保护功能、与继电保 护相关功能、测量功能、系统功能、接口功能等。时至今日，国内外变电站发 展历程大致分为集中式变电站、分散式变电站、集中和分散结合式变电站、数 字化变电站和智能化变电站 5 个阶段1。 （1）集中式变电站自动化系统 彩显 微机（就地监控系统） 键盘 鼠标 打印机 RTU变压器分
23、接头调节Modem调度中心 交直采样 YC 开关量采集 YX 电能表脉冲采集 YM 开关控制输出 YK 图图 1 1 - - 1 1 基于基于 RTURTU 的变电站自动化系统的变电站自动化系统 国内集中式变电站自动化技术第一阶段是在 20 世纪 80 年代，变电站自动 化系统是基于 RTU 增加一台微机为中心的就地监控系统，如图 1-1 所示，当 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 2 时并没有涉及继电保护系统。 第二阶段是在 20 世纪 90 年代，当时数字化保护的广泛应用，使变电站自 动化技术的发展突飞猛进。在变电站控制室内设置变电站自动化系统作为
24、控制 中心，另外设置数据采集和控制部件来采集数据和发出控制命令为典型2，如 图 1-2。这种集中式变电站自动化系统除了有保护元件外，还配有管理单元， 其接口和变电站自动化系统的数据采集和控制部件相连，传输保护装置的各种 采样值、整定和显示保护定值、投切信息等。 彩显 计算机 键盘 鼠标 打印机 数据采集及 控制部件 微机保护管 理单元 Modem调度中心 交直采样 YC 开关量采集 YX 电能表脉冲采集 YM 开关控制输出 YK 保护 部件 图图 1 1 - - 2 2 集中式变电站自动化系统典型框图集中式变电站自动化系统典型框图 （2）分散式变电站自动化系统 20 世纪 90 年代中期，随着
25、计算机技术、网络通信技术的跨越式发展，集 中式系统的可靠性，灵活性无法满足大容量、高电压等级变电站的要求，出现 了分布式变电站自动化系统。 结合变电站信息的采集和控制需求，布置就地单元控制层（间隔层）和全 站控制级（站控层）的分布控制系统结构。其中间隔层内一次设备（变压器或 线路等）面向对象配置，这些独立的单元装置采集的数据通过网络总线传输到 站控层，站控层包括站控系统（SCS） 、站监视系统（SMS）和站工程师工作 台（EWS） 。站控系统具有快速的信息响应和相应信息处理功能，完成站内运 行管理及控制，如事件记录、SCADA 的数据收集功能。站监视系统对站内所 有运行设备的监测，为站控系统的
26、运行和控制提供信息。站工程师工作台完成 站内设备的检查，参数设定，调试等功能。 （3）集中和分散结合式自动化系统 集中和分散结合式结构介于集中式和分散式结构之间，它采用面向电气间 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 3 隔的方法进行设计，各间隔单元的设备相互独立，通过光纤或电缆有站控层设 备进行管理和信息交换。这种结构的优点是简化了变电站二次部分的配置，适 用于各种电压等级的变电站中。 （4）数字化变电站 21 世纪初期，随着电子式互感器、智能化开关等智能一次设备技术的应 用以及 IEC 61850 国际标准的推广3，开始向数字化变电站发展。数字化变电
27、站典型特点是智能化一次设备（电子式互感器、智能化开关等） 、网络化二次 设备分层和运行管理自动化4（程序化控制系统、设备健康状态监测系统和自 动故障分析系统等） 。基于 IEC 61850 通信规范基础上，它实现站内各层间的 无缝通信，满足变数字化电站内智能电气设备间信息共享和互操作的要求。数 字化变电站的典型结构图如图 1-3 所示。 MMS SMV 保护 测控 计量录波 测控保护 直采 直跳直跳 直采 监控系统工程师站 故障信息系统 站控层设备 站控层网络 间隔层设备 过程层网络 合并单元智能终端过程层设备智能终端合并单元 站 控 层 过 程 层 一次设备 电子式互感器开关设备电子式互感器
28、开关设备 GOOSE 间 隔 层 图图 1 1 - - 3 3 数字化变电站结构数字化变电站结构 （5）智能化变电站 智能电网 2020 计划，是在总结已建或在建数字化变电站试点工程经验的 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 4 基础上，组织相关技术人员、研究人员对智能电网方面的标准、技术、规范的 研究。智能变电站作为智能电网的重要环节，为此也成为了研究的重点。通过 研究探讨，不断明确了智能变电站的定义5，即采用先进、可靠、低碳、集成、 环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基 本落脚点，自动完成信息采集、测量、控制、计量、保
29、护和监测等功能，并可 根据需要支持电网自动控制、在线分析诊断决策、智能调节、协同互动等高级 功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站6。 近年来，变电站综合自动化技术的迅猛发展和微机保护的广泛应用，提高 了电网的自动化水平和运行安全性，然而，由于变电站自动化系统和保护设备 没有统一的通信协议标准，带来了系统无缝连接异常困难、设备使用寿命周期 短、设备与设备之间的互操作性差、维护工作量大、改造升级困难等缺点。同 时变电站的高压电气设备保护、测量、监控等二次设备的控制信号、采集信号 发送、模拟量采集仍需要依靠大量的电缆连接来实现，不仅浪费了大量的资源， 而且高压设备的绝缘、高低压设备之间的电
30、气隔离都增加了难度。 IEC 61850 标准国际是由电工委员会 TC57 技术委员会制定，它使变电站 站内通信协议标准化，解决了设备之间的互操作性差、无缝连接困难等问题， 同时使变电站的通信可靠性得到极大提高。智能设备的研制与实验测试的完成， 尤其是智能化开关设备、电子式电压/电流互感器、智能电子装置等在变电站 系统中的广泛应用，在线状态检测功能、变电站运行操作培训仿真等技术日益 成熟，使得数字化变电站的建设具备了必要的基础。 合并单元作为数字化、智能化变电站过程层与间隔层、站控层的重要数据 接口，它的研究具有以下意义： 合并单元是电子互感器和二次侧测量、控制和保护的重要接口，满足同时 处理
31、多任务、通信信息流量大、通信速度高等要求，它是一次侧和二次侧的桥 梁，只有符合要求，才能为整个系统提供可靠的交流量信息，从而为保护装置、 测控装置等可靠运行提供保证，且要求具备有较高的可靠性和实时性。 在现有条件下，不能让全国所有变电站都按照数字化变电站方案来建设， 但是可以采用过渡方案逐步推进。过渡方案是电子式互感器取代部分常规互感 器，保留部分常规电压/电流互感器，通过改造使变电站实现数字化。这不仅 节约数字化变电站建设成本，而且建设周期较短，更利于数字化变电站的推广。 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 5 然而，也带来一些问题，合并单元必须具有一
32、定的兼容性7，能够处理电子式 互感器和传统互感器的数据，并保证数据采用同步。 它是变电站数据数字化、功能集成化、结构紧凑的重要体现。采样值、设 备状态量采用网络方式传输取代了传统变电站模拟量接线模式，使变电站更简 约；同时，利用 FPGA 代替 FPGA+DSP+ARM 或者 FPGA+DSP 方案实现合并 单元功能，使变电站更紧凑。 此外，合并单元的研究与设计也是推动电子互感器发展的中坚力量。 1.2 国内外研究现状 合并单元是伴随着电子互感器的研制而出现的，它是将二次转化的电流/ 电压等数据进行与时间相关的物理设备89，再将同步的数据按 IEC61850 规 定的格式发送给过程层保护、测量
33、等 IED 装置等。 在实际工程实践中，二次转化的电压/电流可能是由电子式电压/电流互感 器转换而来的，也有使用传统的电压/电流互感器。为此，合并单元需要有模 拟信号转数字信号的接口模块，将模拟量和数字量同时进行时间整合，以数字 量发送出去，如图 1-4。 合并 单元 CT EVT 同步信号 电源 IED ECT PT 图图 1 - 4 合并单元接口合并单元接口 作为电子式互感器的数字接口，合并单元的研制和电子互感器的发展息息 相关。 20 世纪 60 年代，有源和无源 ECT 样机已经被一些科技发达的国家所研 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 6 制
34、、开发。即使当时技术一般，但是已经是当时的先进水平。1964 年，Traser System 的有源 ECT 被一家美国变压器制造公司研制101112。 20 世纪 80 年代中期，随着激光技术和太阳能电池技术的快速发展，突破 了使用激光器技术给有源电子式互感器供电的技术难题。在 1985 年，400 千 伏的输电线路使用了这种 ECT，并且这种 ECT 由 ABB 公司研制。 在 Michael Faraday 发现磁光效应的 49 年后，即 1894 年，有人提出了光 学原理测量电流的设想13；1967 年，东京大学的 Saito 等人研制成激光电流互 感器的样机14；70 年代初，光纤技
35、术革新了高压环境下的信息传输技术，也 使电流互感器与迅速发展的计算机技术和通信技术融合成为可能；3M 公司关 于无偏光纤研制的申明，奠定了光纤电流互感器实用化的基础。 经过多年的发展，美国、日本、法国等国的产品已经在电网上运行， ABB，SIMENS15等公司的 OCT 产品已经进入了中国市场。典型实例有： 日本 NGK 公司在 1986 年研制了光学电压电流互感器样机，1991 年 1 月 报道了他们研究并挂网运行的组合式光学电压电流互感器的情况。 1995 年，法国 GEC ALSTHOM 公司在美国 Bonneville 安装了 525 千伏的 组合式光学电压电流互感器，此后，在荷兰、加
36、拿大和法国的变电站陆续挂网 运行。 ABB 公司已经成功开发了各种形式的 OCT、OVT 产品，ABB 公司研制 的有源电子式互感器已经在全球投入运行。 SIMENS 的 OCT 产品500 千伏光电互感器应用于广州北郊变电站。 国内对光电互感器的实用化产品的研制较晚，但是经过科研人员的努力， 目前研究的样机已经基本上达到了国际的水平。 20 世纪 80 年代开始，有清华大学、西安交大、燕山大学、电子部 26 所， 沈变互感器厂等多家大学、研究所和公司研究电子式互感器。当时最早报道的 挂网运行的有 3 家单位：70 年代，沈变互感器厂与四平供电局共同研制的 110 千伏空心线圈电流互感器在四平
37、电网运行，后被拆除；1991 年，清华大学和 中国电力科学研究院联合研制的 110 千伏 OCT 挂网试运行；1993 年，华中理 工大学和广东省新会电业局合作研制的单相全玻璃 110 千伏光学电压电流互感 器和光学电流互感器在新会电网运行。 从 2000 年开始，国内厂家开始研发和生产电子式互感器，主要有西安华 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 7 伟电力电子技术有限公司、南京新宁光电自动化有限公司、南瑞继保、西安同 维科技发展有限公司、北京许继电气有限公司等厂家。其中广州伟钰、南自新 宁、南瑞继保、西安华伟主推产品为电原理的罗氏线圈互感器，南京南瑞
38、科技 股份有限公司、广州伟钰提供光纤电子互感器，西安同维、北京许继生产磁光 玻璃型电子式互感器。目前国内厂家已经由有源向无源转变，千伏系列1075 的电子式电压互感器、电流互感器、组合互感器，在国内的数字化变电站中已 投入运行。 IEC 6185-9-1 的制订，加剧了电子式互感器接口合并单元的发展。初 期，IEC 60044-7/8 中定义合并单元是来采集电子式互感器的电流/电压数据， 并对数据进行时间组合以规定的帧格式发送给间隔层设备的物理单元。后来， 对 MU 的通信又做了进一步的规定。目前，新建的数字化、智能化变电站工 程中，MU 大多采用 IEC 6185-9-2 标准通信16。 同
39、步是合并单元核心技术。目前，国内外MU大多采用GPS精密时钟同步。 2002年，随着安捷伦实验室提出的IEEE 1588协议正式被IEEE批准通过和出版， MU同步技术又进入了新的领域17。 在国外，ABB、SIMENS等企业巨头早已经有产品问世，并基于IEC 61850 标准研发了一系列数字化、智能化变电站过程层设备，如智能断路器、智能合 并单元等18。 在国内，也有不少科研单位、企业也完成了包含合并单元接口的电子式互 感器全部型实验测试19。南自新宁公司从 2001 年开始研制的 OET70 系列电 子式互感器，03 年开始在南京 220 千伏六合变投入运行，之后通过不断的完 善其功能，使
40、合并单元不仅可以接收并处理来自多个电子式互感器的数字信号 外，而且还可以同时接收并处理传统电磁式互感器的模拟信号20。在 2007 年 4 月份，国网南瑞科技股份有限公司研制出样机，通过测试，其最大网络延迟 时间为 0.6ms，平均延迟时间为 0.5ms，可以满足保护控制单元对采样数据传 输延迟时间的技术要求21。南京南瑞继保电气有限责任公司生产出的 PCS-221 系列合并单元，在完成合并单元基本功能的基础上，还开发了扩展功能，如具 备计算及录波等功能22。还有北京四方公司的 CSC-188 系列合并单元；许继 股份有限公司的 DMU800 系列等。 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA
41、 数字化变电站合并单元设计与仿 真 8 2012 年 1 月 4 号，国家能源局发布了合并单元测试规范 ，规范中更加 明确了合并单元测试内容和方法。 1.3 本课题主要内容和安排 本文依据 IEC60044-7/8 和 IEC61850-9-2 标准，在已建设的数字化变电站 的相关经验和技术的背景下，对合并单元进行了分析研究，取缔了常规的 FPGA+DSP+ARM 或者是 FPGA+DSP 实现的实现方案，设计了一种基于现场 可编程逻辑门阵列 FPGA 数字化变电站的合并单元的软件实现方案。论文的 主要内容安排如下： 首先，介绍了变电站技术的发展历程，从总体上了解了 IEC6850 的内容 以
42、及与数字化变电站的关系，阐述合并单元的研究与实现对于实现数字化变电 站的重要性，并且简单介绍电子式互感器、合并单元国内外的研究现状。 通过阐述电子式互感器和合并单元的配置原则，给出典型变电站主接线图 电子式互感器和合并单元的配置方案；在数字化变电站过程层数据传输方式讨 论的前提下，引出合并单元接口问题；最后讨论合并单元的总体设计方案，包 括合并单元硬件方案和软件设计方案。 基于 FPGA，合并单元的软件设计有若干关键技术，如数据同步技术、数 字滤波器设计、相位补偿技术等。通过这些技术的讨论，给后面的详细设计奠 定基础。 合并单软件设计主要分为三大模块即数据采集模块、数据处理模块和数据 发送模块
43、。充分利用 FPGA 管脚丰富、处理数据速度快的优点，在介绍一些 原理的基础上，本章对这三大模块进行详细的设计。 在前面章节对合并单元三大模块详细分析及设计的基础上，本章主要利用 Xilinx 提供的 ISE 设计平台实现硬件电路，并通过 Matlab、Xilinx 自带的仿真 平台 XST，验证合并单元三大模块中各子模块的功能。 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 9 2 2 数字化变电站技术数字化变电站技术研究研究 2.1 变电站数字化方案 2.1.1 电子式互感器配置 互感器的配置主要以经济性和技术先进性为原则23，二者统筹兼顾。互 感器的配置原则
44、为： （1）220kV 变电站 1）110(66)220kV 电压等级宜采用电子式互感器； 2）35kV 及以下宜采用常规互感器或模拟小信号输出互感器，可采用带模 拟量插件的合并单元进行数字转换； 3）主变压器差动保护各侧宜采用特性相同的电子式互感器；主变中性点 （或公共绕组）宜设置电子式电流互感器，其余套管电流互感器根据实际需求 可设置或取消； 4）线路、主变间隔若设置三相电压互感器，可采用电流电压组合型互感； 5）在具备条件时，互感器可与隔离开关、断路器进行组合安装。 （2）110kV 及以下变电站 1）110(66)kV 电压等级宜采用电子式互感器； 2）35kV 及以下宜采用常规互感器
45、或模拟小信号输出互感器，可采用带模 拟量插件的合并单元进行数字转换； 3）主变差动保护各侧宜采用特性相同的电子式互感器；主变中性点（或 公共绕组）宜设置电子式电流互感器，其余套管电流互感器根据实际需求可设 置或取消； 4）线路、主变间隔若设置三相电压互感器，可采用电流电压组合型互感 器； 5）在具备条件时，互感器可与隔离开关、断路器进行组合安装。 2.1.2 合并单元配置 合并单元配置主要考虑到保护配置的双重化、合并单元安装方式等因素， 以下为合并单元配置原则： 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 10 （1）220kV 变电站 1）220kV 各间隔合
46、并单元宜冗余配置； 2）110kV 及以下各间隔合并单元宜单套配置； 3）主变各侧、中性点（或公共绕组）合并单元宜冗余配置；各电压等级 母线电压互感器合并单元宜冗余配置。 （2）110kV 及以下变电站 1）全站各间隔合并单元宜单套配置。 2.1.3 典型主接线配置方案 遵循电子式互感器、常规互感器以及合并单元的技术规范和配置原则，图 2-1 为某典型的数字化变电站接线图互感器、合并单元配置图。 由于高压侧电网电压等级为 110kV，电子式互感器和合并单元都采用单套 配置方案，其中高压侧 1TV、2TV 按 A、B、C 三相配置 3 台电容分压式 EVT，每台带一路输出回路，精度为 0.2(3
47、P)，保护、测量和计量用；高压侧 1TA、2TA 按 A、B、C 三相配置 1 台 Rogowski 线圈原理的 ECT，ECT 带一 路输出回路，精度为 0.2S（5TPE） ，保护、测量和计量用。两台变压器高压侧 各配置一台合并单元 MU1 和 MU2。 低压侧电压等级为 10kV，配置常规互感器，即 3TA、4TA 配置 2 台常规 CT，每台含 2 个独立输出的二次绕组，1 个绕组精度为 5P（保护用） 、1 个绕 组精度为 0.5（测量用） ；35kV 单母线分段上的电压互感器 3TV、4TV 配置 2 台采用常规 PT，每台含 2 个独立输出的二次绕组，精度分别为 3P（保护用）
48、、 0.2（测量用） 。两台变压器低压侧各配置 2 台合并单元 MU3、MU4 、MU5、MU6，单母线上配置电压合并单元 MU3、MU4，可实现电压共享。 馈线回路上电流互感器 5TA、6TA、7TA、8TA 采用常规 CT，每台含 2 个独立输出的二次绕组，精度分别为 5P（保护用） 、0.5（测量用） 。每条出线 各配置一合并单元 MU7、MU8、MU9、MU10。 四川大学工程硕士学位论文 基于 FPGA 数字化变电站合并单元设计与仿 真 11 MU2 MU1 MU5 Rogowski型电流互感器 Rogowski型电流互感器 常规电流互感器 电容分压型电压互感器 电容分压型电压互感器 常规电压互感器 常规电流互感器 常规电流 互感器 常规电流互感器 常规电电流互感器 常规电流 互感器 常规电压互感器 MU7 MU 8 MU9 常规电流互感器 MU3 MU4 MU4 MU4 MU3 MU3 馈线1馈线2 馈线3馈线4 MU6 MU10 图图 2 2 - - 1 1 典型变电站主接线配置图典型变电站主接线配置图 2.2 合并单元接口设计 2.2.1 过程层网络结构分析 电力系统中数字化变电站过程层采样值传输可归纳为 2 种方式：组网方式 和点对点方式24，主要包括：1）GOOSE 和 SV 均采用