基于fpga数字化变电站合并单元设计与仿真硕士专业学位论文(编辑修改稿)

基于fpga数字化变电站合并单元设计与仿真硕士专业学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

微 机 保 护 管理 单 元M o d e m调 度 中 心交 直 采 样Y C开 关 量 采 集Y X电 能 表 脉 冲 采 集Y M开 关 控 制 输 出Y K保 护部 件 图 1 2 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 13 所示。 M M SS M V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 开 关 设 备G O O S E间隔层 图 1 3 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 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。 然而，也带来一些问题，合并单元必须具有一定的兼容 性 [7]，能够处理电子式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 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。 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 [8][9]，再将 同步 的数据按 IEC61850 规定的格式发送给 过程层 保护、测量等 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 14。 合 并单 元C TE V T同 步 信 号电 源I E DE C TP T 图 1 4 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制、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 [10][11][12]。 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 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，SIMENS[15]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 20xx 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、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 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， 10~75 千伏 系列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 618591 的制订，加剧了电子式互感器接口 —— 合并单元的发展。 初期， IEC 600447/8 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 618592 标准通信 [16]。 同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。 20xx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 20xx 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 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 20xx 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 ，平均延迟时间为 ，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 PCS221 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 CSC188 系列合并单元；许继股份有限公司的 DMU800 系列等。 20xx 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。 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 8 本课题主要内容和安排 本文依据 IEC600447/8 和 IEC6185092 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。