安全稳定控制装置的通信与数据采集系统的研究与设计【精品毕业论文】 36954.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 安全稳定控制装置的通信与数据采集系统的研究与设计 姓名：姚国国 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：周良松 20070202 摘 要 安全稳定装置的目标是确保电网在事故状态下的安全性和稳定性，可靠、实时的 稳定控制通信方案是实现稳定控制装置功能的有力保证；采样数据的精确度以及动作 快速性是判断稳定控制装置质量的一个重要指标，电力系统稳定控制要求装置的决策 和控制速度要快， 因此安全稳定控制装置需要高速、 可靠的通信系统和数据采集系统。 本文首先综述分析了安全稳定控制装置的通信系统与数据采集系统的研究现状、 发展趋势和研究的意义。 然后结合安全稳定控制装置自身的特点及要求， 设计了基于光纤通信的通信方案。 首先分析研究了该通信方案的硬件总体设计和实现过程；其次对通信方案进行了测试 和分析，试验结果表明，该通信方案可稳定、可靠、高速的运行；再次对通信系统需 要进一步研究的课题进行了分析，并对该通信系统的研究和设计进行了总结。该通信 系统已投入到现场中运行。 其次对安全稳定控制装置的数据采集系统设计了两种方案，并对两种方案进行对 比，最终选择基于 sopc(system on programming chip)技术的高速数据采集系统的设 计方案。 分析研究了数据采集方案的硬件实现过程， 对 fpga （field programmable gate array）程序的设计提出了两种设计方案：利用 vhdl（vhsic hardware description language）语言实现和利用 sopc 技术实现。对数据采集系统进行了软硬件测试，测 试表明该数据采集系统能够稳定、准确、高速的获得多路外部输入模拟量的最终转换 结果。 关键词：安全稳定控制装置，光纤通信，数据采集，sopc 技术，fpga i abstract insuring the power systems stability and reliability is the object of the stability control device, when an accident occurring in the power system. real-time, reliable communication system insures the function of the stability control device. accurate sampling data and high-speed action is an important guide line for the quality of the stability control device. according to the stability control system, high speed is necessary for decision-making and controlling. therefore, high-speed and reliable communication system and data acquisition system is necessary for the stability control device. in this paper, the development, current situation of and significance of the communication system and data acquisition system for the stability control device are firstly summarized. secondly, based on the characteristic and request of the stability control device, a fiber communication scheme is designed in this paper. hardware design and processing are analyzed and researched. the fiber communication scheme is tested and analyzed. the result indicates that the fiber communication can stability and reliably run. the problem which needed to research for the communication system is analyzed, then the paper summarizes the design and research of the communication system. this fiber communication system has been put into operation. thirdly, two schemes are designed for the data acquisition system of the stability control device. the paper contrasts the two schemes, then this paper select the data acquisition shame which is based on the sopc. the design and implement of the hardware are analyzed and researched in this paper. two methods are designed for the program of fpga. one method is designed by vhdl language, the other one is designed by sopc technology. the hardware and software are tested by this paper. the result indicates that the data acquisition system can stably, reliably, high-speed acquire the conversion result for multi-channels analog input. keywords: stability control device, fiber communication, data acquisition, sopc, fpga ii 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 绪 论 1.1 课题的来源及意义 1.1.1 研究安全稳定控制装置的通信系统的意义 安全稳定控制装置的主要任务：在线路发生单相永久性故障、相间故障（包括两 相故障、两相接地和三相故障等）或接到远方切机信号时，根据电网稳定控制要求确 定最优稳定控制策略（包括投切制动电阻、进行直流调制、切机组和远切负荷等） ， 并付诸实施。装置的控制目标是确保电网在事故状态下的安全性与稳定性1。要实现 这一目标，必须掌握以下信息：系统扰动前全系统的网络拓扑、开机方式及运行状 态；扰动对全系统的影响；扰动清除后全系统的网络拓扑、开机方式的变化。要 准确迅速的掌握这些信息，良好的系统结构和高速可靠的通信是基础2。 目前，电力系统安全稳定控制装置需要多个通信接口，用以实现变电站与变电站 的稳定控制装置之间的通信、稳定控制装置与网调稳定控制中心的通信、稳定控制装 置与省调稳定控制中心之间的数据通信等。通信内容包含远方切机信号、转发远方切 负荷信号等非常重要的信息。 由于电网安全稳定控制系统各站之间的传输通道的性能直接关系到该系统作用的 发挥，因此，要求传输通道有极高的可靠性、可依赖性和较短的时延，对通信系统来 说，必须具有高速、高可靠性和稳定性的特点就成为必然3。 经过几十年的发展，我国电力通信网已经建设成为以数字微波为主干通信线路， 具有光纤通信、卫星通信、电力线载波通信等多种传输手段，并以数字程控交换机为 交换节点，遍及全国电力系统各部门的专用通信网络，为电力系统的生产和调度、行 政管理和传输自动化信息提供了必要的保证。进入 90 年代以来，各网、省局和地区 电力局在大力发展上述基础通信设施的同时，还大力发展通信设备监控、opgw（架 空地线复合光缆） 和adss （无金属自承式光缆） 等特种光纤、 sdh （synchronous digital hierarchy） 、n64kbit/s及 2mbit/s数据和图像通信。安全稳定控制装置需通过pcm （pulse code modulation） 、pdh（plesiochronous digital hierarchy） 、sdh等设备接入 电力通信网，pcm、pdh、sdh等设备提供的接口为符合itu g.703 规约的 64kbit/s、 e1 2.048mbit/s的同向数据接口4,5。 从以上可以看出，稳定控制系统急需要一种快速、可靠的通信方案，满足稳定控 1 制的实时通信要求并适应电力系统通信网的发展现状。 1.1.2 对稳定控制装置的数据采集系统研究的目的和意义 本课题组现有稳定控制装置是以 32 位微处理器作为主控制单元，需要完成变压 器、母线、线路、发电机等的电压、电流模拟信号的采集和运算、开关量信号的输入 输出、站与站间以及和调度中心的通讯、控制策略控制算法的实现、界面显示等各种 任务。 采样数据的精确度以及动作快速性是判断稳定控制装置质量的一个重要指标。稳 定控制装置的输入量和输出量一般较多，需要处理的数据量大，而电力系统稳定控制 要求装置的决策和控制速度快。如华中电网对葛洲坝对安全稳定控制装置要求在故障 后 100200ms 内将发电机跳开。若去掉断路器动作时间、中间继电器时间和信号传 输时间，真正用于稳定判别和决策的时间很短。在这种情况下，如此多的数据需要采 集、处理和计算，并要进行稳定决策和控制，cpu 的负担非常重，其中交流采样的负 担最重。 如本课题组现有稳定控制装置可能有多达 64 路或更多路的模拟量输入，为 0 1a(或 5a)的电流量和 0100v 的电压量。需要对这些模拟量进行计算，算出电流、 电压、有功功率、无功功率的有效值。若将这些需要全波傅氏滤波算法的计算全部交 给工控机来完成，必然造成 cpu 的开销急剧增大。为满足动作的快速性，就不得不 牺牲采样精度。本课题组稳控装置的采样点数为每周波 24 个点，计算出来的有效值 精度也不算很高。 针对上述采样精确度与动作快速性之间的矛盾，为提高稳定控制装置的采样精度 和计算速度，减少稳定控制装置的 cpu 的工作量，以及结合本课题组稳定控制装置 的现状，本文提出一种设计方案，将稳定控制装置的所有输入模拟信号的采样任务交 给另外其它单元来处理，处理完后将数据共享给稳定控制装置主 cpu。 1.2 本文的主要工作与章节安排 本文的研究是结合华中科技大学“qwd 型区域安全稳定控制装置”的工程项目 展开的。在研究国内外通信技术与数据采集技术的现状与发展的基础上，结合课题组 安全稳定控制装置的特点与配置， 设计了基于光纤的通信系统和基于 sopc(system on programming chip)技术的数据采集系统，并将其转化为产品，应用到了本课题组的安 2 全稳定控制装置中。 总结起来，本文做了以下工作： 1、在研究安全稳定控制装置通信系统的特点的基础上， 设计实现了基于光纤的通 信系统，通过具体的设计体验，归纳了系统的方案设计、选型原则以及设计方 法。解决了安全稳定控制装置与电力通信网通信的要求。 2、为解决本课题组安全稳定控制装置数据采集、计算任务繁重的问题，在研究国 内外继电保护装置、安全稳定控制装置、数控系统等装置的数据采集系统的基 础上，结合本课题组安全稳定控制装置的特点和硬件配置，设计实现了基于 sopc 技术的数据采集系统，归纳了具体的设计、方案的最终确定、芯片的选 型等，将 fpga 应用在数据采集系统中，做出了很好的探索。 具体章节安排如下： 第一章介绍了课题的来源与目的，论述了安全稳定控制装置通信系统与数据采集 系统的特点、应用及研究意义。明确了本论文的研究重点。 第二章分析了电力通信网的作用与和发展历程，讨论了以往安全稳定控制装置接 入电力通信网的方案，指出安全稳定控制装置的通信系统需要具备的条件；分析了安 全稳定控制装置的数据采集系统的国内外发展现状以及未来发展的趋势，指出利用 sopc 技术来实现数据采集的发展前景。 第三章结合电力通信网的现状与发展以及安全稳定控制装置自身硬件的发展，提 出了一种基于光纤通信的同步传输通信系统，详细介绍了利用光纤通信实现安全稳定 控制装置与电力通信网互连的系统结构、硬件部分的设计与实现、调试与测试工作以 及有待进一步研究的问题。 第四章结合本课题组安全稳定控制装置的特点，为解决安全稳定控制装置数据采 集计算任务繁重的问题，提出了两种设计方案，最终选择利用 sopc 技术实现安全稳 定控制装置高速数据采集，详细研究了的系统设计结构图、硬件部分的设计与实现、 调试等工作。 第五章全文总结，指出今后需要进一步研究的工作。 3 2 安全稳定控制装置通信与数据采集系统现状及发展 稳定控制系统对通信的可靠性和实时性要求很高，通信的质量是整个控制系统可 靠动作的重要保证。要设计一个好的稳定控制实时通信方案有几个关键因素：选择适 合稳定控制系统要求的链路层通信协议；根据通信网的现状和稳定控制系统的要求， 选择高速、可靠的通信器件；考虑稳定控制系统实时通信装置与电力通信网的接口需 遵循的规程，这些规程规定了接口的机械特性、电气特性、功能和过程，只有了解这 些规程，才能使稳定控制系统在现有通信网的条件下得到充分的应用。 2.1 电力通信网作用与发展 2.1.1 电力通信网的作用 电力通信网是以光纤、微波及卫星电路构成主干线，各支路充分利用电力线载波、 特种光缆等电力系统特有的通信方式，并采用明线、电缆、无线等多种通信手段及程 控交换机、调度总机等设备组成的多用户、多功能的综合通信网。它是一种专业的通 信网，是由发电厂及变电所等各级电力部门相互连接的传输系统和设在这些部门的交 换系统或终端设备构成，是电网重要组成部分，由电网的结构、运行管理模式、经济 性等因素决定。 电力通信网主要为电网的自动化控制、商业化运营和实现现代化管理服务。它是 电网安全稳定控制系统和调度自动化系统的基础，是电力市场运营商业化的保障，是 实现电力系统现代化管理的重要前提，也是非电产业经营多样化的基础6。 现代电力通信网对保障电网安全稳定的贡献主要体现在以下几方面： 为调度指挥提供了高质量、高可靠性的话音通道。使调度能方便、准确、清晰 地通过电话了解情况，下达调度命令，指挥运行操作和事故处理。 为继电保护和安全稳定控制装置提供远方信息通道，实现故障信息的远距离传 输。高质量、高可靠性的保护通道是提高继电保护准确动作率的保证。实现故 障信息的远距离传输，可保证远切负荷、远切机等安全稳定控制装置的可靠动 作及事故录波远传装置的可靠运行。 为调度自动化及实时稳定控制系统提供信息通道，包括上行远动采集数据及下 4 行稳定控制信息的快速、 可靠传送。 主站及各子站之间需要传送命令信号 （如： 切机、切负荷命令）和用以确定运行方式的数据信息（如电站的开机方式、节 点负荷情况等） 。 2.1.2 电力通信网的通信发展历程 通信技术经历了从纵横交换到程控交换、从明线和同轴电缆到光纤传输、从模拟 网到数字通信网、从定点通信到移动通信、从主要面向硬件到面向软件技术的几大阶 段变化。我国电力专用通信网也是基于此进程，随着电网的建设、发展以及电网自动 化水平的不断提高形成并逐步成长起来的。在 60、70 年代，电力通信是以音频、载 波、模拟微波等通信方式为主。80 年代之后，随着大规模集成电路的发展，出现了数 字微波、光纤通信、程控交换机等，这也是目前电网通信系统的主要组成单元。回顾 我国电力通信网的发展，它从无到有，从简单到当今先进技术，从较为单一的通信电 缆和电力线载波通信手段到包含光纤、数字微波、卫星等多种通信手段并用，从局部 点线通信方式到覆盖全国的干线通信网和以程控交换为主的全国电话网、移动电话 网、数字数据网，无不展现电力通信发展的辉煌成就7。 我国电力专用通信网包括微波通信、载波通信、卫星通信、光纤通信和移动通信 在内的覆盖全国电网的多种类、功能齐全的通信网络，电力通信网目前已基本建成了 光纤通信、 微波通信为主， 电力线载波通信等其他通信方式为辅的通信传输网络结构。 目前国内电力系统厂、站使用的通信电路种类较多，但 220kv以上变电站具有微 波或光纤电路的已达 99以上， 以电力线载波和电缆为主体的模式已经发展成为以微 波、光纤为主体的大容量、高质量的网络模式。现在这个网络已经具备了为多种业务 提供高速率的数据传输通道的能力。由微波和光纤电路组成的通信网可以提供低速率 的数据信号传输，例如电力系统自动化装置所需要的 64kbits以及低于 64kbits的 数据传输通道，包括 56kbits在内的各种串口速率。同时，它也可以提供高速率的 数据信号传输，例如高速的用户终端，包括可视会议、交换机、pcm数据终端、路由 器等，所需要的 2mbits、34mbits、155mbits等速率。由于 500kv变电站内电压 较高，为了确保电网保护装置所使用电路的安全，避免因电磁感应而产生数据误码， 一般采用光电转换装置来完成保护机房到通信机房之间的数据信号传输8。 目前，电力系统光纤通信承载的业务主要有语音、数据、宽带业务、ip等常规电 5 信业务；电力生产专业业务有保护、安全稳定控制装置和电力市场化所需的宽带数据 等。特别是保护和安全稳定控制装置，对光缆的可靠性和安全性提出了更高的要求。 可以说，光纤通信已经成为电力系统安全稳定运行以及电力系统生产生活中不可缺少 的一个重要组成部分9。 2.2 安全稳定控制装置以往通信方案 安全稳定控制系统控制主站与各控制子站之间的通信方式随着通信技术的发展， 经历了几个发展阶段。 2.2.1 模拟通信方式 以往发电厂、变电站的稳定控制装置的通信采用常规模拟通信。每个稳定控制装 置占用一路 pcm（64kbit/s）信道，利用模拟 modem 进行信号的调制与解调，并通 过 modem 接入 pcm 音频接口， 其传输速率一般为 1200bps， 甚至可能为 600/1200bps。 图 21 表示了这种稳定控制系统通信方式的原理。 qwd稳定控制装置（位于控制室） cpu r s 2 3 2 接 口 modempcm 电 力 通 信 网 电话通道 1200bpspdh/ sdh 图 21 稳定控制系统模拟方式通信原理图 2.2.2 g.703 64kbit/s 数字通信方式 安全稳定控制装置通过光纤与通信机房的光纤转电接口转换装置互连，光纤转电 接口转换装置输入和输出的接口符合 itu g.703 64kbit/s 规约， 数字接口接入 pcm 设 备，pcm 设备再经过 pdh/sdh 设备接入电力通信网。图 22 示出安全稳定控制装 置接入电力通信网的 g.703 64kbit/s 数字通信方式的原理。 6 cpu rs232串口 e/o接口o/e接口pcm 数字接口 转换装置 pdh/sdh qwd稳定控制装置（控制室）g.703接口（通信机房） 光纤 g.703 64kbit/s g.703 64kbit/s 图 22 稳定控制系统 g.703 64kbit/s 数字通信方式原理图 这种通信方式由于变电站稳控装置侧采用了 rs232 接口， 从根本上决定了这种通 信方式的通信速率不会太高，并且需要 pcm 设备，也增加了硬件投资。 2.2.3 g.703 2mbit/s 数字通信方式 g.703 2mbit/s 数字通信方式与 g.703 64kbit/s 数字通信方式区别在于数字接口转 换装置的输入输出为符合 itu g.703 规约的 e1 接口信号，直接接入 pdh/sdh 设备， 省去了 pcm 设备。图 23 示出安全稳定控制装置接入电力通信网的 g.703 2mbit/s 数字通信方式的原理。 cpu rs232串口 e/o接口o/e接口 数字接口 转换装置 pdh/sdh qwd稳定控制装置（控制室）g.703接口（通信机房） 光纤 g.703 2mbit/s 图 23 稳定控制系统 g.703 2mbit/s 数字通信方式原理图 2.2.4 小结 以上介绍的模拟通信方式，由于在信号的发送、接收过程中经过几次 d/a，a/d 转换，使得传输速率受到限制，收发电平调整、噪声引入以及工作在临界状态的不稳 定，和经过多次转接出现的误码累计等问题导致这种通信方式的效率不高。此种通信 方式下，通信速率通常很低。在这样的系统中，如果想提高传输速率，会引起误码率 的增加。并且其抗干扰、抗过电压能力较差。 g.703 64kbit/s 数字通信方式与 g.703 2mbit/s 数字通信方式的不同在于 g.703 2mbit/s 数字通信方式的数字接口转换装置的数字接口部分是符合 itu g.703 规约的 e1 接口信号，可直接接入 pdh/sdh 设备；而 g.703 64kbit/s 数字通信方式的数字接 7 口部分是符合 itu g.703 规约的 64kbit/s 接口信号，需要通过 pcm 设备才能接入 pdh/sdh 设备，增加了设备成本投入。两种数字通信方式因为安全稳定控制装置真 正与电力通信网通信的接口是 rs232 接口速度。rs232 接口作为异步串行通信接口， 从通信速度和可靠性上考虑，实现简单。但是采用异步通信方式，每个字符都要加 “起” 、 “止”位，使传输效率降低，rs232 接口形式从根本上限制了通信速度。 为了从根本上提高安全稳定控制装置的通信速率并解决安全稳定控制装置需要多 个通信通道的问题，安全稳定控制装置需要采用同步串行通信方式；另外安全稳定控 制装置处于发电厂、变电站的控制室，与通信室之间的通信很容易受到电磁辐射、电 磁污染，现在发电厂、变电站都要求控制室与通信室之间的通信应采用光纤通信。以 光纤通信、微波通信为主的电力通信网提供丰富的 e1 接口，从节省 pcm 设备投资、 提高传输速度、通信技术的发展趋势方面考虑，选用光纤转电接口设备具备 e1 接口 势在必行。选用一种高速、可靠的适合于安全稳定控制装置的通信方案正是本文的研 究任务。 2.3 稳定控制装置的数据采集系统的国内外发展概况和预测 市场上现有的如台湾研华公司、研祥公司等公司的数据采集卡在速度和精度方面 做的也比较成熟，但往往因为接口方式以及特殊的客户要求而不能满足客户的需要。 另外市场上出售的数据采集卡都不具有数据运算和处理功能，还需要 cpu 控制其数 据采样、将采样上来的数据进行计算，不能从真正意义上分担 cpu 的采样、计算任 务的负担。 国内外现有继保装置、数控系统、测试仪器等需要大计算量、实时、多任务的复 杂系统， 利用双 cpu 或多 cpu 进行设计已经应用很广泛。 根据系统的复杂度或需要， 选用的 cpu 型号各有不同。对于需要多路模拟量的输入和大量运算和处理的系统来 说，多采用多 cpu 结构，各个 cpu 之间分工合作，根据交换数据量的大小以及系统 的复杂度，各 cpu 间数据交换采用总线结构、串口、并口、usb 接口、双端口 ram 等多种通讯方式。 国电南京自动化股份有限公司生产的 sg t756 数字式变压器保护装置采用的设计 方案是采用 32 位 cpu+dsp 系统的设计思路， 在单机箱内可采用双 cpu 板同时工作， 实现双套电气量保护与门保护出口。即实现双 ad 采样，双 dsp 并行逻辑判断处理， 出口回路实现双 cpu 出口互锁，即双 cpu 同时动作，保护才出口跳闸。 8 深圳南瑞科技有限公司生产的 isa-300 综合自动化系统的设计方案是：系统硬件 平台采用的是 intel p4 2.4g 的 cpu， 通信层硬件平台采用 32 位 risc 指令集， 间隔层 硬件平台采用的是 32 位浮点数 dsp，16 位的 ad 快速转换器，4m 的大容量存储器 的设计结构。 北京四方继保自动化股份有限公司生产的 csc-392a 数字式频率电压紧急控制装 置采用的设计方案是整体面板、前插式全封闭机箱结构，采用 32 位微处理器，14 位 a/d 变换，每个 cpu 板可同时采样 36 路模拟量，一个机箱中可同时插入多个 cpu 板。该公司生产的 csc-103c/103d 数字式超高压线路保护装置采用的硬件设计方案 为采用 dsp 和 mcu 合一的 32 位单片机，采用全新的前插拔组合结构。 南京南瑞继保电气有限公司生产的rcs-992a分布式区域安全稳定控制装置采样 的设计方案是分布式体系，主从式结构，整套系统由各个功能相对独立的模块组装而 成。 每套装置的结构有一套主要主机， 04 套从机以及按需配置的通信复接装置构成。 装置采用整体面板、全封闭式机箱，多cpu结构。主机主要用于收集整个区域电网的 运行信息，分析并确定运行方式，采集故障信息，查询制定好的离线策略表，执行相 应策略，发出就地或者命令。主机cpu插件是装置核心部分，有一片单片机（cpu） 和两片数字信号处理器（dsp1、dsp2）组成。cpu完成装置的事件记录和人机界面 及后台通信功能，dsp1 完成本站的控制策略，对于主站的还要进行系统运行方式的 判别、断面功率的形成等。dsp2 完成与从机和其他站的通信功能。装置采样率为每 周波 24 点，在每 2 个采样点（1.666ms）完成一次系统数据交换和策略控制。从机为 电网基本信息采集和最终策略执行单元，每台从机可采集 36 路模拟量（6 个元件或者 线路的三相电压和三相电流） ，25 路开关量（各个单元的保护跳闸信号或者断路器位 置信号） ，有 13 副独立的开出节点。可以进行各线路或者元件的投停判别及各种故障 判别;并可根据客户需要扩展多种功能，如系统低频、低压减载、高周切机、过负荷保 护等。从机有 2 个cpu插件，2 个插件设计原理完全一致。一个cpu插件负责计算、 判别、 与主机通信及跳闸出口控制等功能模块， 另一个cpu插件负责装置的启动判别。 选用什么样的双cpu或多cpu结构，需要根据系统的复杂度、精度、速度、开发 周期等各个方面平衡考虑。 在当今嵌入式系统朝着小体积、低功耗、高性能的趋势发展过程中，单片机 （mcu） 、dsp 和 fpga 三种处理器在现代嵌入式系统中扮演的角色呈现三分天下的 局面，它们各自具有独特的优势而又在某方面略显不足。 9 以 51 系列单片机和 arm 微处理器为代表的 mcu 家族因其丰富的软件系统支持 在控制和处理人机接口领域占据绝对的领先地位。 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已逐渐发 展为一门主流技术，在海量数据处理方面 dsp 占尽风头，dsp 处理器适合执行 dsp 算法，编译效率和指令执行速度都较高。在数字滤波、fft、谱分析等方面，dsp 算 法正在大量引入嵌入式领域。 在数字式程控交换机、 数字式移动电话、 多媒体计算机、 计算机网络、数字电视、数字音响、智能化家电、语音、雷达、声纳、地震、电机控 制、电力等领域得到了极其广泛的应用。 fpga 在高速复杂逻辑处理方面独占风骚，并且异军突起，凭借其超大规模的单 芯片容量和硬件电路的高速并行运算能力，在信号处理方面也显出突出的优势。 未 来 嵌 入 式 系 统 发 展 的 趋 势 将 是mcu 、 dsp 、 fpga的 结 合 ， sopc=mcu+dsp+fpga，sopc 可以将 mcu、dsp 和 fpga 完美结合。 sopc（system on programmable chip）是一种通用器件，是基于 fpga 的可重构 soc，其设计周期短，设计成本低。sopc 集成了硬核和软核 cpu、dsp、存储器、 外围 i/o 及可编程逻辑，是更加灵活、高效的 soc 解决方案。 sopc 即可编程的片上系统， 或者说是基于大规模 fpga 的单片系统。 sopc 的设 计技术是现代计算机辅助设计技术、eda 技术和大规模集成电路技术高速发展的产 物。sopc 技术的目标就是企图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系 统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、dsp 系统、数字通信系统、存储电路以 及普通数字系统等， 在单一 fpga 中实现， 使得所设计的电路系统在其规模、 可靠性、 体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面 实现最优化。sopc 技术是一门全新的综合性电子设计技术，涉及面广。 由于同时涉及底层的硬件系统设计和相应的软件设计，在系统优化方面有了前所 未有的自由度。sopc 技术使开发者更能地在软硬件系统的综合与构建两个方面有了 充分发挥自己创造性和想象力的巨大空间，从而使得从多角度、多因素和多结构层面 上大幅度优化自己的设计成为可能。事实上，诸如单片机、dsp、arm 系统等基于 传统开发技术的设计流程而言，不存在严格意义上的硬件设计，而只有软件设计。这 是因为，一旦方案确定，硬件系统的核心器件是现成的，功能是确定的，结构是固定 的，指令系统是不可更改的，从而导致硬件组织方案和连接方案是限定的，用户只能 被动地遵循和适应，这使得硬件“设计”只能属于拼装和连接。系统构成后的唯一任 10 务是依据既定的指令系统来编程，除了系统功能和算法可以通过软件改变外，系统的 性能和指标已无从改变，设计者的创新能力、想象力和优化设计能力的发挥空间已被 选定的硬件性能所界定。而 sopc 技术的优势正在于是设计者本身而非器件设计商去 更有效地占据这一份额。 与现有的诸多电子系统设计理念和解决方案相比，sopc 技术更具有代表性、主 流性、规范性与普遍性。 从未来的电子系统设计技术走势看，sopc 技术更具有发展性和前瞻性。 11 3 稳定控制装置的通信系统的研究与设计 3.1 稳定控制装置通信方案的总体设计 随着区域性电网的发展，对电力系统安全稳定控制装置提出了更高的要求，安全 稳定控制装置需要与外界交换信息量大、需要通信的用户多，如需要变电站与变电站 的稳定控制装置之间的通信、稳定控制装置与网调稳定控制中心的通信、稳定控制装 置与省调稳定控制中心之间的数据通信等；通信的内容包含非常重要的信息，如远方 切机信号、转发远方切负荷信号等非常重要的信息以及控制策略表等大信息量数据。 因此安全稳定控制装置需要许多个通信接口，并且需要具有高速、高可靠性和稳定性 的特点10。 由于数据通信在发电厂、变电站自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通信 成为系统的技术核心，而由于发电厂、变电站的特殊环境和自动化系统的要求，发电 厂、变电站自动化系统内的数据网络应满足下列要求：快速的实时响应能力；很 高的可靠性；优良的电磁兼容性能；分层式结构。由于以上要求特点，近年来发 电厂、变电站综合自动化通信数据的传输，都采用全介质非金属光缆作为厂、站内部 的传输介质。虽然放置安全稳定控制装置的控制室与通信室之间的距离可能较近，但 由于厂、站内的电磁环境复杂，数据传输可靠性要求高，因而“非光缆莫属” 11。 随着我国光纤通信技术的飞速发展，光纤通信已广泛应用到电力系统中，光纤通 信已成为电力网的主干通信电路12。本文参照国内外光纤通信设备的使用情况，结合 发电厂、变电站通信设备的现状以及对安全稳定装置通信系统提出的要求，本文提出 并设计了一种基于hdlc（high level data link control）协议的高速光纤通信系统的 设计方案。 安全稳定控制装置的主要任务：在线路发生单相永久性故障、相间故障（包括两 相故障、两相接地和三相故障等）或接到远方切机信号时，根据电网稳定控制要求确 定最优稳定控制策略（包括投切制动电阻、进行直流调制、切机组和远切负荷等） ， 并付诸实施。装置的控制目标是：在保证系统稳定的前提下，尽量不切或少切机组。 安全稳定控制装置为完成上述任务和达到上述目标，其通信系统需要满足以下要 求： 12 动作可靠性是评判稳定控制装置质量的一项重要指标。安全稳定控制装置的通 信内容包括：上传运行报告、启动报告、接收远方切机信号、控制策略表和转 发远方切负荷信号。必须保证装置行为的可靠性和正确性，不误动或拒动，不 多切或少切机组和负荷。因此，安全稳定控制装置的通信系统就必须具有高可 靠性的特点13。 安全稳定控制装置布置在变电站、发电厂的保护小室，与通信机房的复接 设备通信。 若安全稳定控制装置直接输出满足itu-g.703 e1接口 （2.048mbit/s） 的电信号，与复接设备通信，由于通信距离往往比较长，现场干扰比较严重 等原因，会造成安全稳定控制装置通信系统的可靠性得不到很好的保证。本 文设计的通信方案采用光纤通信，使通信系统的抗干扰能力得到了很大的提 高；采用复分接技术将多路通信信道复接到一根光纤上传输，减少了安全稳 定控制装置与通信机房的光纤连接线，降低了系统成本。 采用合适的数据链路层协议有助于提高通信可靠性。 hdlc 协议是国际标 准化组织 iso 制定的面向比特的高级数据链路控制规程，是传输可靠性很高 的数据链路层协议。hdlc 协议具有数据报文可透明传输、全双工通信、传 输可靠性高等优点，在数据程控交换机和网络设计中，得到广泛应用。hdlc 的一般实现方法为采用软件编程和专用芯片等。采用软件编程的缺点是开发 工作量大，需要设计相应的电路，生产成本高；优点是通信处理由软件来完 成，可通过更新软件实现模块升级；专用芯片方案开发工作量小、使用芯片 少、 开发成本低。 本文设计的通信方案是采用 siemens 公司生产的高性能通 信芯片来实现 hdlc 协议的。 动作的快速性是评判稳定控制装置质量的又一项重要指标。稳定控制装置的输 入量和输出量一般比较多，需要处理的数据量大，而电力系统稳定控制要求装 置的决策和速度快。如华中电网要求装置在故障后 140ms 内将发电机跳开，若 去掉断路器动作时间、中间继电器时间、稳定判别和决策的时间，真正用于通 信的时间要求很短。因此，安全稳定控制装置的通信系统就必须具有较高的通 信速率。 为了满足远距离数据传输的需要，需要复接电力系统复接设备。安全稳定控制 装置与复用通信系统之间， 根据我国电信系统的要求， 统一采用同向接口方式， 遵循ccitt（国际电话与电报咨询委员会）制定的g.703 接口协议标准14。目 13 前电力系统提供的接口有itu-g.703 64kbit/s同向接口、itu-g.703 e1 接口 （2.048mbit/s）15。但因 64kbit/s接口速度相对于e1 接口来说通信速率较低， 与电力系统复接二次群设备相连需要增加相应的pcm接口设备， 由于pcm设备 采用小型化设计，无法考虑部件的冗余，本身的可靠性不高。因此从速度、技 术、 经济等方面考虑， 安全稳定控制装置的通信系统需要具有 2m/e1 接口来实 现复接电力系统复接设备。 本文设计的通信方案由两块光通信板构成：一块内置于安全稳定控制装置机箱的 光纤通信接口板又称 82538 板，实现的功能：将待发送的数据以满足hdlc协议的帧 格式封装、编码，利用时分复用技术将 4 路发送数据帧复接为 1 路数据，将数据转化 为适合在光路上传输的码型通过光模块经光纤送出；将通过一路光纤送入的信号分 接、解码转化为 4 路数据帧，通过通信接口芯片将数据送给cpu。另一块 1u光电转 换板内置于 1u机箱，实现的功能：将第一块 82538 板送过来的光信号通过分接、解 码，将一路光信号转变成 4 路e1 接口电信号，通过同轴电缆送给pdh/sdh设备；将 从pdh/sdh设备送来的 2m/e1 接口电信号复接、 编码并转换成光信号送给 82538 板。 82538 板是插在稳定控制装置中扩展总线上的，稳定控制装置位于保护室，引出的光 纤与通信室中的 1u光电转换板相接。1u光电转换板将其输入的光信号转变为满足 itu-g.703 协议的数字信道接口规范，送人pcm或sdh设备16-17。 整个系统通信结构如图 31 所示。 光纤 安全 稳定 控制 装置 cpu 光纤通信接 口 板 (82538 板) 安全稳定控制装置 1u 机箱 （位于通信机房） pdh/ shd 设备 g703 电气接口 同轴电缆 电 力 通 信 网 光纤 图 31 系统通信结构图 3.2 控制稳定装置的 82538 板的设计 光纤通信接口板通过计算机cpu总线与安全稳定控制装置cpu之间进行数据交 14 换，该通信接口板是以simens公司生产的sab82538h作为通信接口芯片，以altera 公司生产的高性能fpga完成对通信接口芯片提供接收和发送时钟、信道的编码与解 码，以cpld（complex programmable logic device）芯片实现通信接口芯片与cpu总 线的逻辑接口，通过cpld的衔接，cpu可以通过cpu总线实现对通信接口芯片的内 部寄存器的访问与控制。光纤接口板的硬件设计框图如图32所示。 cpu 总线 cpld 通信接口芯片 fpga 电平转换芯片 时 钟 提 取电路 光模块 数 据 线 地 址 线 控 制 线 数 据 线 地 址 线 控 制 线 发送、接收 时钟 接收数据 发送数据 发 送 信 号 接 收 信 号 接收 发送 时钟 发 送 接 收 接收时钟 图 32 光纤接口板的设计框图 3.2.1 电源部分的设计 对于系统的稳定性来说，电源部分的设计显的十分重要。若电源部分的电路设计 不合理，使得电源的供电功率不足或者电源纹波太大，很容易造成电路板上芯片工作 不稳定，从而造成整个系统工作不稳定。 光纤通信接口板上是直接插在工控机总线上的， 总线可提供的电压有+5v、 +12v、 -12v。光纤通信接口板上的芯片除 fpga 芯片外都采用+5v 供电。在本电路中选用的 是 altera 公司生产的采用内核供电为 1.5v、引脚供电为 3.3v 的 fpga，所以板上共 有 3 种电压：5v、1.5v、3.3v。5v 直接从工控机机总线上取的。1.5v、3.3v 的 设计本电路采用的是 ti 公司的电源管理芯片 tps7301q。tps7301q 具有以下特点： 几种电压格式（2.5v，3v，3.3v，4.85v）可调输出或固定输出、集成的精确的电源 电压输出电压监控器、非常低的电压降（输出电流为 100ma 时压降为 35mv） 、输出 15 电流能力为 0ma500ma 等。 电源设计如图 33 所示： c3 +3.3vvcc r1 r2 in 3 gnd 1 out 5 fb 7 in 4 out 6 2 u1 c2 图 33 电源设计原理图 调整 r1、r2 的阻值可得到3.3v、1.5v 电压输出。 3.2.2 时钟提取电路的设计 在光纤通信系统设计中，同步时钟提取是一重要环节，是实现有效和可靠通信的 基础。因为光纤通信设备帧码的检测、各种时序逻辑信号地产生、信码“0” “1”地 判决等等，都是以同步时钟为依据19。 光纤数字通信系统不论其组网形式如何变化，都包括发送和接收两个单元。在发 送端，本地待发送数字信号按照帧结构顺序以二进制“0” “1”排列，由光发送器件 经光纤传至接收端。在接收端，若要恢复发送端的“0” “1”信息，就必须从接收来 的信码中准确而且稳定地产生与该信码同步的时钟信号，这种定时方法称为自定时。 光纤数字通信系统传输的只是信号码序列，通常为 nrz 非归零码。nrz 伪随机 序列对于 r 级 m 序列，其周期为21 r p = ，根据自相关函数定义： ( ) nn r n ra a = = （3-1） 在时域上将 m 序列与自身延时序列相乘求和,可以推导出 m 序列自相关函数： 00 0 1 10.0,1,2. ( ) 1 x p pktpktk pt p + = = （3-2） 将上次求傅立叶变化可得 m 序列的功率谱函数，即： 2 0 22 0 0 1*1 ( )() ()( ) x a n ppifn sffff pfpp s + = + （3-3） 16 其中；p 为 r 级 m 序列伪随机码的周期，0n 21 r p = 。 由以上功率谱表达式可以看出nrz 伪随机码序列只存在离散谱,无连续谱。这正 符合周期信号只有离散谱的结论。当f=f0时, sx( f ) = 0 ,即nrz伪随机码序列不存在基 频,即不存在同步时钟分量。 rz 码的自相关函数为： 0 000 10 (1)2 ( ). (1 2 )2 ,(1) paa pkt p paa ktatkta t p = = =+=+ 0 （3-4） 由 rz 码自相关函数求付氏变换,得到功率谱函数： 22 22 0 22 00 0 (1)(1) ( )()()() (12 )2 ()( ) x aa n n apfnapf sfa piffa pi pfpp paa fff p ss = = + =+ + iiiii i f （3-5） 从上式中可以看出：该功率谱由离散谱线组成，在 0 ff=处存在时钟分量。此时 考虑码元的占空比 a 的值。