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基于IEC61850标准合并单元的研制.pdf

基于IEC61850标准合并单元的研制

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2012-08-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于IEC61850标准合并单元的研制pdf》,可适用于工程科技领域

西安科技大学硕士学位论文基于IEC标准合并单元的研制姓名:李鹤申请学位级别:硕士专业:电力系统及其自动化指导教师:贠保记高工论文题目:基于IEC标准合并单元的研制专业:电力系统及其自动化硕士生:李鹤(签名)指导教师:贠保记高工(签名)付周兴教授(签名)摘要电子式互感器比传统电磁式互感器有体积小、动态范围大、无铁磁谐振、绝缘性能好等显著的优点因此电子式互感器必将在智能化变电站中得到广泛应用。本文研究和开发的合并单元就是连接电子式互感器与二次设备之间的装置它对简化二次设备提高系统的准确度和可靠性实现变电站内的信息共享和系统集成具有重要的意义和工程应用价值。本文首先分析了IEC标准和IEC标准对合并单元所作的规定提出采用IEC标准作为本文合并单元设计的依据并对合并单元结构原理和功能划分进行了分析和研究。其次在比较目前各种合并单元典型设计方案和功能模型的基础上针对合并单元实时性强、数据通信流量大、通信速度快等特点提出了基于MPCEFPGA架构的合并单元硬件整体设计方案和所要实现的软件功能充分利用FPGA可编程多IO口的优点和MPCE高速数据处理能力完成合并单元采样数据帧的解码校验、FIFO模块、数字滤波、以太网组帧等功能。本文根据合并单元的硬件整体设计方案把合并单元装置分为背板、开入开出插件、数据接收及数据处理插件、同步数据输出插件等并对各个插件做了详细的硬件电路设计最后对合并单元软件包括曼彻斯特编解码、循环冗余CRC校验、FIFO模块等进行了详细的设计并对合并单元的同步问题作了深入的分析和研究提出采用一种自适应时钟同步法对采样数据进行同步处理该方法能很好的保证数据的同步采样。实验证明本文设计的合并单元硬件和软件都能很好的完成各自的功能能够很好的解决合并单元同时处理多任务、通信信息流量大、通信速度高问题具有较高的可靠性和实时性。关键词:IEC标准合并单元电子式互感器同步功能MPCE研究类型:应用研究Subject:TheProductionofMergeUnitBasedonIECStandardSpecialty:PowerSystemandAutomationName:LiHe(Signature)Instructor:YunBaoji(Signature)FuZhouxing(Signature)ABSTRACTElectronictransformershavemoreadvantagesthenelectromagnetictransducer,suchassmallinsize,largedynamicrange,withoutferromagneticresonance,goodinsulationandsoonSoitwillbewidelyadoptedinintelligentsubstationInthispaper,themergingunitisthedeviceofconnectingelectronictransformerandthesecondequipmentinintelligentsubstationSoresearchingthemergingunitnotonlycansimplifythesecondequipmentbutalsocanimprovetheaccuracyandreliabilityofrealizingthesharingofinformationwithinthesubstationandenhancesystemintegration,ithavegreatsignificanceandapplicationvalueInthispaper,theprovisionsofMUareanalyzedfirstly,whichisbasedonIECandIECstandardsAndIECstandardsarechoosetobetheMUdesignbasis,andanalysesorresearchtomergingunit’sstructuralprincipleandfunctionSecondly,basedonthecomparisonofseveraltypicalMUdesignschemesandfunctionmodels,thehardwaredesignschemeandsoftwarefunctionofMUinbayisproposedinthescheme,MUisbasedonFPGAMPCstructure,thentheprogrammable,IOportadvantagesofFPGAandthehighspeeddataprocessingabilityofMPCcanbemadefulluseofInthisprocessing,decodingandcheckingfunctionofdataframesampledbyMUcanbecompleted,thesamplingsynchronizationofMUcanbefinished,theFIFOsequencing,digitalfiltering,samplingandEthernetframingfunctioncanalsobeaccomplishedInthispaper,accordingtoMUfunction,MUisdividedintobackplane,openedintoandoutplugin,datareceivingandprocessingplugin,synchronizationanddataoutputplugin,thehardwaredesignschemesaredetaileddesignedSimultaneously,thesoftwareofMUarecarriedoutthedetaileddesign,whichareManchesterencodinganddecoding,cyclicredundancycheckCRC,FIFOmoduleandsoonItalsoresearchindepththesynchronizationproblemofmergingunit,thismethodcangoodguaranteedatasynchronizationExperimentalresultsshowthatthehardwareandsoftwareofmergingunitcanbetteraccomplishtheirrespectivefunctions,italsoprovidedtherealizationofaviablemethodofmergingunittosolvethesametimemultitasking,communicationofinformationflow,highspeedofmergingunitKeywords:IECstandardMergingunitElectronictransformerSynchronizationMPCEThesis:Appliedresearch绪论绪论引言变电站是电力系统中不可缺少的重要环节它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。目前随着电网规模的扩大自动化技术水平的提高传统的变电站自动化技术暴露出越来越多的问题主要有以下几个方面:()信息难以共享。由于信息采集部分来自于不同的TA因此作为变电站自动化系统应用主要环节的测控、保护、故障录波器等系统信息的应用、处理分属于不同的专业管理部门。变电站自动化系统、变电站与控制中心之间的通信以及控制中心层面不同应用之间缺乏统一的建模规范在实际运行中来自不同信息采集单元的设备信息无法共享。()设备之间不具备互操作性。由于二次设备缺乏统一的功能和接口规范通信标准的采用缺乏一致性各厂家对于相同规约实现上的差异不能实现不同厂家IED之间互操作。()系统的可扩展性差。由于互操作性和信息模型等原因传统的变电站自动化系统在系统扩展或设备部分更新时难度很大。()系统可靠性受二次电缆的影响。由于传统变电站IED之间以及IED与一次系统设备和变电站自动化系统之间仍采用电缆进行连接。在实际运行中经常发生电缆遭受电磁干扰和一次设备传输过电压引起二次设备运行异常。由于传统变电站自动化系统存在以上问题限制了变电站自动化技术的进一步发展为了解决上述问题提出了智能化变电站的概念智能化变电站的支撑技术包括非常规互感器的广泛应用、IEC标准的制定、网络通信技术的发展、智能断路器的应用以上这些新技术将对于传统变电站自动化系统发展带来技术上的突破智能化变电站技术将在未来成为变电站技术发展的趋势。智能化变电站智能化变电站概述智能化变电站概念的提出是基于光电技术、微电子技术、信息技术、网络通信技术的发展在应用方面直接表现为变电站二次系统的信息应用模式发生巨大的变化。因此从某种意义上来讲智能化变电站主要指变电站二次系统的数字化其内涵包括以下几个西安科技大学硕士学位论文方面:()反映电网运行情况的信息实现数字化输出()IED对于电力系统的信息实现统一建模()IED之间信息交互以网络通信方式实现()操作过程以信息报文方式实现。智能化变电站有以下优点:()采用直接输出数字量的光电式互感器或电子式互感器采集电流电压实现一二次系统有效电气隔离()减少设备检修次数和检修时间提高设备使用效率()减少自动化设备数量简化二次接线提高系统可靠性()设备具有互操作性方便设备维护和更新减少投运时间提高工作效率方便变电站扩建及自动化系统扩展()能够实现信息在运行系统和其它支持系统之间共享减少重复建设和投资()减少占地面积减少变电站寿命周期内总体成本包括初期建设成本和运行维护成本等。智能化变电站系统结构智能化变电站在物理上可分为智能化一次设备和网络化二次设备在逻辑上分为过程层、间隔层、站控层。过程层是一次设备与二次设备的结合面其主要功能包括:()实时运行电气量的检测。采用光电式或电子式互感器采集电流电压等运行数据输出数字量并通过光纤网络传输抗干扰能力强绝缘和抗饱和特性好()运行设备状态检测。变电站需要进行状态参数检测的设备包括变压器、断路器等设备主要检测其温度、压力、密度、机械性能等()操作控制命令的执行。主要执行变压器分接头调节控制、电容、电抗器投切等。间隔层主要由保护单元和测控单元等组成其主要功能包括:()实时获取本间隔过程层采样信息实现对一次设备的保护和控制功能()执行数据的承上启下通信传输功能高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能变电站层:()通过两级高速网络汇总全站实时数据信息不断刷新实时数据库并按既定规约将有关数据上送调度或控制中心()接收调度或控制中心控制命令并转间隔层过程层执行具有在线可编程的绪论全站操作闭锁控制功能和站内当地监控人机联系功能如显示报警等()对间隔层过程层设备在线维护和在线组态以及在线修改参数的功能。智能化变电站主要技术特征智能化变电站主要技术特征有以下几个方面:()数据采集数字化在智能化变电站中采用电子式互感器实现了电气量数据采集环节的数字化应用主要包括实现了一、二次系统电气上的有效隔离实现了常规变电站装置冗余向信息冗余的转变为信息集成化应用提供了前提实现了数字化接口的应用()系统分层分布化、系统结构紧凑化、系统建模标准化()信息应用集成化、设备检修状态化、设备操作智能化智能化变电站采用低功率、紧凑型、数字化的电子式互感器代替常规的电磁式互感器将高电压、大电流直接变换为低电平信号或数字信号利用高速以太网构成变电站数据采集及传输系统实现基于IEC标准的统一信息建模并采用智能断路器控制等技术这使得传统变电站自动化技术有了新的发展。电子式互感器传统的电流互感器电压互感器基于电磁感应原理具有类似变压器的结构。然而随着电力传输容量的不断增加和电网电压等级的提高传统的互感器已经暴露出了以下缺点:体积大、制造工艺复杂、造价高、绝缘困难、动态范围小、互感器的输出信号不能直接与微机化计量与保护设备接口等不利于电力系统的数字化进程。因此为了适应电力系统的发展迫切需要一种新型的电力互感器来代替传统的互感器。由于光的测量方法与电的测量方法相比具有抗电磁干扰绝缘性能好等优点人们开始尝试将现代光学传感技术半导体技术和计算机技术应用于电气测量这就是电子式互感器。与传统的电磁感应式互感器相比电子式互感器具有如下优点:()绝缘结构简单、体积小、重量轻、便于运输和安装()采用光纤或者其它加强绝缘方式实现高压回路与二次低压回路在电气上的安全隔离消除这些回路的相互影响保证了二次设备和工作人员的安全()带负载能力强对于接入任意输入阻抗以模拟或数字形式输入信息的负载可具有任意需要的独立输出()由于传感和信号处理部分外形小和重量轻可以装入成套电器或成套配电装置中适应电力设备向集成化方向发展的趋势()不存在磁饱和与铁磁振荡问题能在很大的电流与电压变化范围内以高速、准确、抗干扰的宽频带性能来测量电流电压西安科技大学硕士学位论文()具备数字输出方式适应了电力系统数字化智能化和网络化的需要同时可以根据需要输出低电压模拟量和数字量可直接用于微机保护和电子式计量设备而且能实现在线检测和故障诊断在变电站自动化中具有明显的优势。电子式互感器有着传统电磁式互感器无法比拟的优点随着现代光学技术微电子技术和数字信号处理技术的发展必将取代传统电磁式互感器成为未来智能化变电站的主要设备。合并单元研究的意义为了将电子式互感器有效应用于智能化变电站中关键问题就是如何解决电子式互感器与变电站二次设备之间的接口问题而合并单元是数字接口的主要组成部分。合并单元是将电子式互感器采集到的电流电压信号合并处理然后按规定的帧格式传送给智能化变电站间隔层的IED是整个变电站自动化系统的关键设备并且合并单元具有处理多任务高可靠性和强实时性通信信息流量大通信速度高等特点。因此对合并单元的研究意义有以下几点:()简化了二次设备的结构。现代变电站内的装置大多是数字装置传统的电磁式互感器的模拟输出信号到这些数字装置需要经过采样保持多路转换开关AD变换而合并单元送出的就是数字信号可以直接为数字装置所用从而省去了信号变换电路简化了数字装置的硬件结构。()消除了测量数据在传输过程中的系统误差提高了整个系统的准确度和稳定性。随着微机保护和控制设备的广泛应用合并单元传送的数字信号在规定了相应的通讯协议下可直接与保护设备的有关总线相接如此可去掉传统保护、计算、测量设备的隔离变压器和模数转换部分可以简化保护、计量、测控设备的系统结构有利用提高整个系统的准确度和稳定性。()有利于构建光纤网络和促进电力系统综合自动化发展。数据共享是电网自动化的一个主要特点而将保护和控制功能集成到同一个装置中则是实现数据共享的主要手段。合并单元研究的背景和现状随着智能化变电站概念的提出、IEC标准的制定、电子式互感器的广泛应用、智能断路器以及网络技术的发展以上这些技术都为合并单元提供了技术支持。IEC标准对变电站过程层的访问和操作有数字化的要求而在过程层总线化的过程中合并单元为变电站过程层的信息数字化共享化提供了解决方案。嵌入式系统是以应用为核心以计算机技术为基础软硬件可剪裁对功能、可靠绪论性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般有嵌入式微处理器外围硬件设备嵌入式操作系统以及用户的应用程序等部分组成用于实现对其他设备的控制监视或管理等功能。嵌入式系统还有以下特点:()通常是面向特定应用的()嵌入式系统结构必须特别的紧凑从而达到小体积、高性能、低成本、低功耗()具有实时操作系统的支持具有高的执行速度和强的可靠性。总之将IEC标准与嵌入式技术结合起来设计出新型的合并单元装置将会具有很大的科研意义和工程应用价值能够进一步推动智能化变电站的进程。研究现状:IEC标准从一开始制定就得到各个变电站生产厂家的广泛关注在制定IEC过程中美国德国和荷兰等国都有示范工程用于验证和进一步完善标准。在国外有ABB,SCHNEIDER针对IEC标准曾做过一系列的测试在国内南瑞许继四方等大公司也都在开始针对IEC标准进行了相关的电力装备的研发而对于基于IEC合并单元以及过程层通信的研究也在进行之中。自世纪年代以来各国也重视非常规互感器的研究其中电子式互感器经历了原理研究试验样机和现场挂网运行等阶段。目前电子式互感器正处于实用化产品化推广应用阶段而合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的。对于国外的研究情况以欧洲北美最为突出其次是日本。美国有许多大电气公司都已介入各自在年左右成立了专题研究组并研制成功了KV独立式光纤电流互感器光学电压互感器年ABB电力公司公布了用于计量和继电保护用的KV电站的OCT系统并在多个地区挂网运行此外日本、英国、德国、法国等国也在电子式互感器的研究上取得了较大的进展。目前国内有数家单位完成了合并单元的电子式互感器的部分型式试验南瑞科技股份有限公司在年已经生产出样机通过延时测试其最大网络延迟时间为ms,平均延迟时间为ms完全满足二次保护控制设备对采样数据传输延迟时间的技术要求此外主要研究单位还有电子部所和所清华大学华中科技大学电力科学研究院等。目前国内对合并单元的研究开发已经有所突破在已有合并单元相关理论及标准基础上开发具有自主知识产权的合并单元设备。论文的主要内容()比较IEC标准和IEC标准对合并单元的定义提出采用IEC标准作为本文合并单元设计的依据然后对合并单元的功能、结构进行了划分将合并单元划分为数据接收模块、数据处理模块、数据输出模块最后在对现有合并单元整体设计方案分析的基础上提出了本文合并单元整体设计方案()合并单元整体硬件方案的设计以及软件功能的设计西安科技大学硕士学位论文()合并单元的硬件详细设计包括插件功能的划分主处理器MPC的选型及外围电路设计协处理器FPGA的选型及外围电路设计网络控制接口芯片选型及外围电路设计和其他部分的硬件设计()对合并单元的软件包括曼彻斯特编解码、循环冗余CRC校验、同步模块等进行了详细的设计及分析。()介绍合并单元相关测试内容与方法。合并单元的工作原理合并单元的工作原理合并单元的定义国际电工委员会制定了IEC和IEC标准分别对合并单元数据输出方式作了定义:()IEC规定为点对点链接的方式并按照IEC规定的FT数据帧格式封装实现数据传输()IEC规定的以太网方式按照ISOIEC协议规定的帧格式进行数据封装实现数据传输。IEC首次给出了合并单元的定义如图所示。合并单元汇集路数据信息一路数据信息通道承载一台电子式互感器通过电子式互感器同步采集电流(个测量、个保护、个中性点电流)、电压(个测量、保护、个中性点电压、个母线电压)的数字信息然后把这些信息进行汇总传输给合并单元最后在合并单元内将路电压、电流信息按照IEC标准规定的帧格式进行组帧并传输给二次测量、保护设备。图合并单元的数字接口示意图基于IEC标准对合并单元数字输出的规定:IEC规定的典型做法是将个电流和个电压互感器的二次变换器组成一个合并单元将所有的现场一次信号转换为数字量串行输出数字输出协议采用单相的点对点连接。采用统一处理的方式不但可以减少投资也可以充分发挥数字电路处理的能力和速度更重要的是合并单元可向二次设备提供时间上一致的电压、电流量。合并单元能够同时处理一个间隔的路电量:测量用三相电流、保护用三相电流、中性点电流、三相电压、中性点电压和母线电压。合并单元以曼彻斯特编码格式将这些信息组帧发送给二次保护和控制设备。需要注意的是标准并未规定合并单元必须接路电流、电压互感器没有接入的电流、西安科技大学硕士学位论文电压在相应标志位置零并且提供相应的状态标志位这些状态标志位也包含在合并单元发送给二次设备的数据帧内。基于IEC标准对合并单元数据输出帧格式的定义如下:()物理层的规定:数字信号是电子式互感器的主要输出形式包括数字电信号和数字光信号两种。数字电信号输出是以铜线为基础的传输系统系统必须与EIARS标准兼容。标准中建议使用D型针连接器屏蔽双绞线电缆长度为m也可以使用带屏蔽的RJ连接器代替。对于数字光输出只需将数字输出按一定要求进行电光转换。数字光输出和电输出在链路层和应用层的规定上是完全一致的不同的只是物理层的传输介质。标准中规定无论是电输出还是光输出都要采用曼彻斯特码进行编码:高位先传送传输数据帧的速率为Mbits即调制后的传输速率为Mbits。()链路层的规定:标准中的链路层帧格式采用的是FT帧格式如图所示。此帧格式在IEC中有所规定。这种帧格式的优点是:数据具有完整性而且在高速数据处理中能进行多点同步数据的链接。所使用的链路层服务用语为发送无应答这意味着传感器可以连续不停的向二次设备发送采样的测量值和保护值而不需要二次设备的任何应答信号。这时如何保证一、二次设备间的数字化通讯系统的实时性、可靠性就成为要解决的首要的问题所以标准中对链路层传输规则进行了以下的规定:()两帧之间的空闲状态使用曼彻斯特码传输二进制数这使得接收站方便恢复时钟同步信号增加了通讯链路的可靠性()每帧的前两个位字节代表起始字符在此规约中所规定的起始字符为H()个字节的数据码元之后必须跟随一个位的校验序列。如果所分的字节数有空余必须用填充字节在相应的位置将帧填满填充字节应为()校验序列的代码由xxxxxxxxx多项式构成然后由这个生成多项式所产生的位的校验码进行转置形成()接收端检验起始字符、校验序列和数据帧长度。如果其中一项有误该数据帧将被拒收否则传给用户。合并单元的工作原理图FT通用帧格式()应用层的规定:在应用层中对数据集识别符、额定电流、额定电压、额定延时、各相测量保护的数据以及状态值等各项参数都有明确规定。如果一帧数据中某相电压、电流量没有使用则在状态字中相应的位置要置位并且在该相应位需置H。目前IEC标准已经被废除因此基于IEC标准对合并单元数据输出帧格式的定义如下:()物理层的规定:考虑到电磁环境的要求推荐使用符合ISOIEC的BaseFX光纤传输系统。下表为以太网物理层选择指南如表。西安科技大学硕士学位论文表以太网物理层选择指南连接的MU的数目采样率备注×frMbpsMbpsMbpsMbps×frMbpsMbpsMbpsMbps×frMbpsMbpsMbpsMbps×frMbpsMbpsMbpsMbps额定值参照IEC×frMbpsMbpsMbpsMbps×frMbpsMbpsMbpsMbps额定值参照IEC×frMbpsMbpsMbpsMbps额定值参照IEC×frMbpsMbpsMbpsMbps×frMbpsMbpsnana注:关于×fr:Mbps以太网可使用的带宽不足以允许个以上的MU向同一个接收设备传输采样值。fr:额定频率(Hz)。可使用的数据速率:SR×TL×nMU<=DRDR:数据速率SR:采样速率(Hz)。TL:最大报文长度(字节以太网报头+字节优先权标记+字节以太网型PDU+字节ASN标记长度+字节块的数目+字节基本数据集+字节状态指示=字节×位=位+位帧间隔=位)nMU:所连接的MU的数目例如:(×Hz)×Bit×=Mbps<=Mbps注:上述决定可使用的数据速率仅仅是理论上的使用计及%的裕度在实际应用时可使用的数据速率通常取决于发送端或接收端内的CPU的能力。()链路层的规定:用于采样值传输时需配置ISOIEC多播单播传送的目标地址。应采用唯一的ISOIEC源地址。以太网帧结构如图所示。为了区分与保护应用相关的强实时高优先级的总线传输和低优先级的总线负载采用了符合IEEEQ的优先级标记。优先级标记头的结构如表所示。合并单元的工作原理图以太网帧结构表优先级标记头的结构位位组TPIDXUserpriorityCFIVIDTCIVID其中:TPID值:xUserpriority(BS):应对userpriority值进行配置以区分采样值和保护相关的GOOSE信息或低优先级的总线负载。如果不配置优先级则应采用以下的缺省值:CFI:BS在以太网标记帧中长度类型域后没有嵌入RIF域VID:支持虚拟局域网是一种可选的机制如果采用了这种机制那么配置时应设定虚拟局域网标识(VID)。另外虚拟局域网标识VID缺省值为。()应用层的规定:本映射提供在APDU被递交到传输缓冲区前将若干ASDU连接成一个APDU的性能。被连接为一个APDU的ASDU的数目是可以配置的并与采样西安科技大学硕士学位论文速率有关。为减少实现的复杂行ASDU的连接不是动态可变的。当若干ASDU连接成一帧时带有最早采样值的ASDU是帧中的第一个ASDU如图所示。图APDU详细说明图总之基于过程总线的IEC依照IEC部分的抽象规范定义了传输采样值的特殊通信服务映射它是一个基于混合协议栈的抽象模型既可以直接访问ISOIEC链路传输采样值也使用IEC部分变电站层特殊服务映射(SCSM)。为了传输采样值并访问相关的采样值控制块IEC部分定义了A协议子集和T协议子集的组合分别用于基于MMS的ClientServer服务和基于数据链路层采样值服务综合考虑本文合并单元按照IEC标准定义格式来设计。合并单元的功能及结构根据IEC标准对合并单元的定义合并单元具有以下功能:()同步功能:合并单元能够同时接收各路电子式互感器的同步采样然后对采样信息进行汇总、处理最后通过以太网传输给二次保护测控设备。目前合并单元同步功能的实现方法有直接发送秒脉冲法、IRIGB码法、IEEE网络对时法、插值同步法其中插值同步法不需要给电子式互感器同步采样信号而是进行自主采样然后通过插值算法来实现同步。()多路数据采集和处理功能:在合并单元给多路电子式互感器发送同步转换信号后将同时接收来自电子式互感器多路(最多路)通道的输出数据并在FPGA中对其有效性进行循环冗余校验然后送给处理器处理。()数据输出功能:经过处理器处理后的数据经过组帧后通过以太网并发送给保护、测控设备。此功能体现了IEC和IEC对合并单元设计的主要区别。前者基于FT帧格式进行曼彻斯特编码发送由于传输率较慢不适合用于对采样率要求较高的计量和差动保护的应用后者通过以太网进行发送速度可达Mbps甚至更高应用更为广泛。从结构上来分合并单元可分为数据接收模块、数据处理模块、数据输出模块。合并单元的工作原理数据接收模块数据接收模块主要有曼彻斯特码的解码和CRC循环冗余校验同步功能以及数据排序FIFO组成如图所示。图合并单元数据接收模块由于合并单元需要完成很多并行数据的采集及进行实时处理且要求有较多的输入输出端口因此一般选择用现场可编程门阵列FPGA来完成合并单元的数据接收模块。数据处理模块合并单元接收到的数据经FPGA数据还原模块完成高速数据的接收还原之后将送入处理器MPCE中完成电流电压信息滤波等处理。数据输出模块数据输出模块的作用是将各路采样数据进行组帧并发送给保护、测控设备即完成与间隔层设备的通信。合并单元与间隔层设备的通信采用目前占主流地位的以太网这就要求合并单元基于ISOIEC发送以太网数据帧。由于以太网具有良好的开放性稳定性易维护性传输速度快价格低廉易于实现与上层管理信息网络的无缝连接便于实现互联和互操作这些特点符合变电站通信系统开放化、数字化、透明化的发展要求应用更加广泛。IEC中引入了数据传输优先级和虚拟局域网的概念保证通信的实时性和可靠性将传输的数据分为四类具有最高优先级的跳闸闭锁信息用户优先级为合并单元发送的周期采样信息用户优先级为设备运行信息用户优先级为查询信息用户优先级为。实现基于优先级的数据传输保证了在网络重载情况下重西安科技大学硕士学位论文要信息仍然可以准确实时的传输。合并单元的数字输出和间隔层IED通信不仅能简化二次设备而且由于数字信号在传输过程中不易受到干扰提高了系统的准确性和可靠性。为实现变电站监控、计量、控制和保护装置的信息共享与系统集成提供了技术基础。因此合并单元的数据输出模块的主要任务是将瞬时电流电压数字信号以指定的帧格式封装并传送到变电站的二次计量和保护设备。合并单元设计方案的分析由于合并单元与电子式互感器的接口在相关标准中没有进行统一的规定各个厂家的合并单元都是作为独立于电子式互感器的装置进行研发的目前合并单元与一次互感器、间隔保护测控装置接口设计方案有以下几种:()电子式互感器弱电模拟输出或传统电磁式互感器模拟信号通过采集器接入合并单元。合并单元给多路互感器同步采样控制命令控制采集器进行数据采样然后将采集的模拟信号转化为数字信号按照IEC标准规定的帧格式接入合并单元进行组帧并通过以太网发送给保护测控设备。()电子式互感器弱电模拟信号或传统的电磁式互感器模拟信号接入合并单元并通过多路AD的同步采样将其转化为数字信号处理然后按照IEC规定的帧格式重新组帧通过以太网输出到保护测控设备。()电子式互感器输出的数字信号直接通过光纤接入合并单元合并单元通过接入外部秒脉冲或者插值算法对多路电子式互感器进行同步采样合并单元对同步采集的数字信号按照IEC规定的帧格式组帧通过以太网传输给测量保护设备。目前电子式互感器已经得到了广泛的应用其输出完全实现了数字化因此本设计采用第三种方案来设计合并单元。目前具体实现合并单元的方案有现场可编程门阵列FPGA与DSP相结合的方法来实现由于合并单元需要完成多路并行数据的采集及进行实时处理且要求有较多的输入、输出端口这个方案虽然能够解决这些问题但是系统的实时性可靠性低同时集成度不好。因此本设计采用现场可编程门阵列FPGA与PowerPC相结合的方法来设计由于FPGA可编程且多IO口的特点以及PowerPC系列处理器具有高速数据处理的特点同时PowerPC系列处理器自带两个千兆以太网控制器集成度高。而且VWorks操作系统具有可伸缩、可裁剪、高可靠性、强实时性的特点完全满足合并单元的各种功能。合并单元的工作原理合并单元同步方案的分析多台合并单元同步功能的设计目前过程层多台合并单元的同步功能的设计有两种同步方案:一种是IEEE协议对时另一种是IRIGB码对时。IEEE协议的全称为网络测量和控制系统精密时钟同步协议标准它的目的是同步运行于一个局域网中各个节点上的独立时钟并保证很高的准确度和精确度。IEEE时钟同步系统包括多个节点每个节点中包含一个本地时钟时钟之间通过网络相连并由网络中最精确的时钟以基于包交换的方式同步所有其它时钟。IEEE系统中的时钟在结构上分为普通时钟、边界时钟和透明时钟功能上解释为主时钟与从时钟。普通时钟为只有一个PTP端口的对时源端或终端设备边界时钟和透明时钟为有多个PTP端口的交换机或路由器。系统中的源时钟称为根时钟。IEEE采用分层的主从模式进行时钟同步主要定义了种多点传送的时钟报文类型包括同步报文、跟随报文、延时请求报文、延时响应报文。采用标准定义的最佳主时钟算法从网络中选择一个准确度最佳的时钟作为主时钟其他时钟为从时钟并被主时钟同步。它的特点如下:()能够实现亚微妙级的高精度同步()它是针对本地化、网络化的系统设计要求子网较好内部组件相对稳定故其特别适合于工业自动化和测量环境()实现了网络中的高精度同步使得在分配控制工作时无需进行专门的同步通信从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果()使用与在局域网中支持组播报文发送的网络通信技术尤其适合于在以太网中实现。通过IEEE基于以太网和TCPIP协议的网络技术不需要大的改动就可以运行于高精度的网络控制系统中()占用的网络资源和计算资源较少降低了使用成本()具有良好的开放性和互操作性。IEEE时钟同步方式的实现过程可以分为以下几个步骤:()选择系统中最精确的一个时钟作为主时钟()主时钟发出同步信息和跟随信息所有的从时钟接收该信息()从时钟计算出与主时钟的偏移并进行修改()从时钟向主时钟发送延迟请求信息()主时钟收到延迟请求信息后回复延迟响应信息()从时钟通过准确的报文发出时间和报文接收时间计算出网络延时并对自己西安科技大学硕士学位论文的时间进行修正从而实现与主时钟同步。IEEE作为一种亚微妙级精度的分布式网络时钟同步方案对智能化变电站的建设有重要的意义为实现IECT级对时精度提供了很好的技术选择这种方法是未来发展趋势。IRIGB码是美国RCC所属的负责制定靶场标准等工作的机构。IRIGB码格式靶场间使用的标准时间格式有两大类一类是并行时间码格式另一类是串行时间码格式。它是每秒一帧的时间串码不仅包含秒脉冲信息而且还有包括年、天、时、分、秒等在内的绝对时间信息。它是每秒一帧的串行时间码每个码元总宽度为ms一个时帧周期包括个码元为脉宽编码。每个码元又有种码型:二进制、和位置标识符。分成字段编码:第字段为年时间(年、天、时、分、秒)第字段为控制功能函数字段第字段为直接用二进制秒符号表示的一天中的时间信息每小时循环次。码元的“准时”参考点是其脉冲前沿时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成其脉宽均为ms每个码元有一个位置识别标志因此秒内共个位置识别标志即:PPP…P它们均为ms脉宽。它的特点如下:()帧速率为每秒一帧()包含丰富的信息()携带脉冲信号()抗干扰性好可远距离传输()具有标准化接口国际通用。IRIGB编码整体结构上可分四个部分:卫星接收、时间维护处理、时间码产生和授时接口。单台合并单元同步功能的设计目前解决单台合并单元同步有两种方法来实现:()一种软件同步法即采用线性插值算法。合并单元不给电子式互感器发送同步信号而是让电子式互感器自主采样根据已经得到的不同路数的采样值利用拉格朗日二阶插值算法计算出同一个时间点的采样值实现软件上的同步采样。利用插值算法同步必须知道不同路间数据的时间延迟在规定的瞬间计算出采样值。软件同步法不需要添加额外的硬件只需要对各路采样信息进行一定的软件算法就可以达到同步的目的虽然这种方法简单但是由于智能化变电站网络传输负载较大同时加上电子元器件处理速度的差异使得合并单元内部数据处理延时和网络延时都不确定这使得采用插值算法实现同步精度将会降低。()另一种是硬件同步法即合并单元直接接入GPS秒脉冲同步信号来控制电子式合并单元的工作原理互感器进行同步采样。硬件同步法关键是同步时钟的获得目前主要采用由GPS接收机提供同步信号GPS系统具有时间精度高价格低廉等优点将来也可以使用我国自主研发的“北斗卫星导航系统”来提供精准的对时。通过GPS提供给合并单元秒脉冲得到同步信号然后合并单元进行倍频处理产生适合保护测量装置采样要求的同步信号此时同步信号每隔秒被强制同步一次减少了误差的积累。这种方法实现简单精度高但容易出现GPS秒脉冲丢失的危险。因此综合考虑本设计采样两者相结合的方式主要采样第二种方法即直接接入秒脉冲的方式进行同步当秒脉冲丢失时切换到第一种方法来实现合并单元的同步。小结本章比较IEC标准和IEC标准对合并单元的定义提出采用IEC标准作为本文合并单元设计的依据然后对合并单元的功能、结构进行了划分将合并单元划分为数据接收模块、数据处理模块、数据输出模块三个功能模块最后在对现有合并单元整体设计方案分析的基础上提出了本文合并单元整体设计方案。西安科技大学硕士学位论文合并单元整体方案的设计合并单元硬件总体方案的设计合并单元是电子式互感器与二次保护控制设备接口的重要组成部分在智能化变电站中起着重要的作用本文所设计的合并单元采用FPGAMPCE相结合的模式FPGA和MPCE作为合并单元硬件主芯片充分利用了FPGA可编程且多IO口的特点以及MPCE高速数据处理的特点。其中FPGA是协处理器主要完成对电子式互感器数据的接收解码校验同步模块和数据传输功能而MPCE是主处理器完成数据的数字滤波同时MPCE处理器自带两个千兆以太网控制器可以通过以太网控制器对数据组帧然后传输给IED设备这样极大的简化了数据输出模块功能。系统总体框图如下图。合并单元装置硬件设计平台主要实现下列主要功能:()MPCE处理器作为主CPUFPGA处理器作为协从CPU包括其SDRAMFLASH存储器电源及实时时钟等外围电路()具备路电子式互感器数据光纤输入接口路光纤输出接口用于传输合并单元同步模块输出的同步采样控制命令控制多路电子式互感器进行同步采样()具有个标准秒脉冲(GPS)输入光纤接口用于合并单元的同步()具有个独立的串口其中个用于调试串口另一个用于HMI液晶的通信接口()个BASEFX光纤以太网接口直接向二次保护测控设备或交换机传送IEC格式数据帧()相对应的工况指示灯可以提供工作状态信息包括告警同步信号异常采样通道异常等信息。合并单元整体方案的设计图合并单元硬件方案总体框图合并单元操作系统的选择操作系统的选择基于IEC标准的合并单元装置是用于变电站的强干扰、高可靠性、强实时性以及高速数据传输的场合需要解决一些复杂的多任务处理工作所以需要利用嵌入式操作系统以此为平台来开发应用系统。目前常见的嵌入式操作系统大概可分为三类:如下表。()Vworks以及Tornado开发平台实时性好且内核可极微可靠性极高()嵌入式Linux操作系统其免费开发支持软件多等优点在嵌入式领域得到广泛的应用但实时性不是特别强()WindowsCE嵌入式操作系统目前已占领很大的市场份额主要用在PDA手机等界面要求较高的场合且实时性很差。西安科技大学硕士学位论文表操作系统的对比表项目uClinuxVxWorksWindowsCE内核结构微内核微内核微内核实时性差很高一般可靠性高很高高可剪裁性很高很高高可移植性很好很好好技术支持好很好好价格低很高一般根据以上分析我们需要一个技术成熟且要求实时性可靠性高的嵌入式操作系统综合考虑合并单元的设计与实现选择Vxworks以及Tornado开发平台能够很好的满足设计的要求。V

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