（电力电子与电力传动专业论文）配电网馈线自动化终端装置核心的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e ta n dt h ee n do fp o w e re q u i p m e n t r e c o n s t r u c t i o n , u s e r sa t t a c hi m p o r t a n c et om a n a g e m e n to ff e e d e rt e r m i n a li nt h e p o w e rs y s t e ma n dp u tf o r w a r dh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n dt op o w e rq u a l n ya n d r e l i a b i l i t yi no u rc o u n t r y i nt h i si n s t a n c e ，d i s t r i b u t i o ns y s t e ma u t o m a t i o na c q u i r e s r a p i dd e v e l o p m e n t b e c a u s e o fb e i n gs h o r to fal o n g - t e r 1 1i n v e s t m e n ta n d a m e l i o r a t i o n , t h ed i s t r i b u t i o ns e e m st ob eo u to ft i m e a c h i e v e dr e l i a b i l i t yo f p o w e r s u p p l yi su n d e r t h el e v e lo fd e v e l o p e dc o u n t r i e sb yal o n gw a y m i n i s t r yo f p o w e rh a d m a d eah i g hd e m a n dt h a tp o w e rd e p e n d a b i l i t yo u g h tt ob ea t t a i n e dg o a lo f 9 9 9 6 ，s o i ti sh i g ht i m et h a tw ep u tf e e d e ra u t o m a t i o ni np r a c t i c e n a t i v ed i s t r i b u t i o n a u t o m a t i o nt o o ka l la c t i v ep a r ti nf e e d e rt e r m i n a l u n i ta b u tl o k ve l e c t r i cn e t w o r k e a r l yr e s e a r c h e sb a s e do ns c mh a dg o t t e nam a s so fp r o d u c t i o n b u ti t sl i m i t e d a b i l i t yi nf ito p e r a t i o n , c o m m u n i c a t i o n , e x t e n s i b i l i t yt h a td e g r e eo fa c c u r a c yw a s l o wa n du n b a l a n c e de r r o rw a sh i g hw h e np o w e rh a r m o n i cw a v ea p p e a r e do r t h r e e p h a s ec i r c u i t sw e r eu n b a l a n c e d w i t ha p p l y i n go fd s p ，m o d e r ne l e c t r o n , c o m m u n i c a t i o n s ，f i e l db u s ，c o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，f t ub a s e do nd s p t e c h n o l o g y a n d c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e c o m e sah o t s p o t t h o u g hs o m e p r o d u c t i o n sh a v eb e e nd e s i g n e d ，t h e ys t i l ln e e df a r e y o u w e l la n di m p r o v e m e n t a so n eo f m o s ti m p o r t a n tr o l e s ，f e e d e ra u t o m a t i o ni sm ya r e as t u d y t h i sp a p e r i sm a i n l ya b o u tt h es t u d yo ff e e d e rt e r m i n a lu n i tb a s e do nd s p ，n a m e l y ，d s pi sa m a s t e rc p ui nf t u c o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ：i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h e h a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e mo f 刑f o ri n s t a n c em u l t i l a y e rp c ba n d u s i n gc p l di np l a c eo f u n a t t a c h e dc i r c u i tc o m p o n e n ti m p r o v es e c u r i t y b ya n a l y z i n g m o d e so f 刖n e t w o r k , m i d d l es t a t i o np e r f e c ta l l a r o u n dl e v e l so fp o w e rs c a d a a n dt h e n , d i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep o w e rc o m m u n i c a t i o nn e w1 0 1 p r o t o c o lo f2 0 0 2e d i t i o n p o f f o r m am a t h e m a t i c sp r o c e s s i n gi n c l u d i n gf a s tf o u r i e r t r a n s f o r ma l g o r i t h m ( f i t ) a n di n t e g r a la l g o r i t h mt ov o l m g ea n dc u r r e n ts i g n b o t h e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ec o n t r a s t e da tt h es a m et i m e 刖m m s f e r sd a t at oh o m es i t e ( p c ) b yb a l a n c e do ru n b a l a n c e dt r a n s m i s s i o na n de x e c u t e sr e m o t ec o n t r o lc o m m a n d ( b r e a ko rc l o s e ) i t h i sf i us y s t e m ，b a s e so no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i d nk n o w i n g f r o mc o n v e n t i o n a l 刖o ft v sa n di t s t a k e so n es e to fp ta n dc tt os a m p l e m u l t i p l ep a t ha ci n p u ta n dt a k e sf f tw a v ea n a l y s i st oa c c o m p l i s ha l lk i n d so f 一 一1 1 1 山东大学硕士学位论文 p a r a m e t e r so p e r a t i o n t h ed a t aa r ep r e p a r e df o ru n b a l a n c e dt r a n s m i s s i o no fm a s t e r s t a t i o ni n t e r r o g a t i o n , w h i l e ，t h er e s u l t so ff a u l tu s eb a l a n c e dt r a n s m i s s i o np r o c e d u r e s a si n i t i a t i v es e n d i n g a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h er e s e a r c ha n dt e s t ，t h e 刖d e s i g n e di nt h i sp a p e r h a st h ef e a t u r e so fh i g hc a l c u l a t i n gs p e e d ，s t r o n gr e a l - t i m e q u a l i t ya n ds t r o n g d a t a p r o c e s s i n ga b i l i t y ；i ti s 8 1 1e q u i p m e n tw i t hs t a n d a r dr s 2 3 2i n t e r f a c e i tc a n c o m m u n i c a t et h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o n1 0 1p r o t o c o lw i t ht h es i m u l a t i n gh o m es i t e ( p c ) a st h er e s u l to ft r i e dr e c e i v i n ga n dd i s p a t c h i n go fm e s s a g e ，t h ed e s i g n sc a nb e p r o v e dt ob eg o o da n dt r u s t w o r t h y k e yw o r d s ：f e e d e ra u t o m a t i o nt e r m i n a l ：d s p ：1 0 1t r a n s m i s s i o np r o t o c o l ； f f r ：w a v e a n a l y s i s 融东必掌颈圭学位论文 酣件一： 原刨性声明 零入郑重声鹗：辫至交浆学使论文，是本人在导雾季麴指导下，狻 立进行研炎赝取得的成果。除文中毫经注明引鼹豹内容外，本论文不 包含任何其毽个久鼓集体已经发装或撰写过麴科研残暴。对本文鹣臻 究作出重臻贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 薛法律责饪瞧本人零捺。 沦文作者签名：魑 酲 朔：幽塑 关于学位论文使臻授救的声翡 本人宪全了解山东大学有关保留、饺用学位论文的舰定，同意学 校绦饔或翔国家有关部门或瓿褐送交论文的复鼙季掌翥逛予叛，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 痰餐编入有关数据簿进行梭索，胃以采籍影印、缩印或其继复割手段 保存论文和汇编本学位论文。 f 据赛论文在矮密蜃应遵守此浚定) 论文作者签名：照导师签名：1 逝爨 瓤够盘丝 山东大学硕士学位论文 1 1 配电系统自动化综述 第一章综述 配电系统自动化( d ad i s t r i b u t i o ns y s t e ma u t o m a t i o n ) 是上世纪8 0 年代 末由美国和其他工业发达的国家提出并逐步发展起来的，其国内国际都无明确规 定和普遍的定义，其内容也随发展在不断更新变化在我国配电系统自动化规 划设计导则中针对其特点给的定义为：利用现代电子、计算机、通信及网络 技术，将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理 图形进行信息集成，构成完整的自动化系统，实现配电网及其设备正常运行及事 故状态下的监测、保护、控制、用电荷配电管理的现代化“”配电是电力系统 。 的发电、输电和配电中直接面向电力用户的功能电力系统应以最经济的能源消 耗、最有效的运行管理，最合理和便宜的价格向用户供电因此，可以说：实现 或实施配电系统自动化( 配网自动化) 的目的是采用现代电子、通信和计算机等技 术和设备对配电网和用户在正常运行和事故情况下实行监测、保护、控制和管理， 提高供电质量和经济性，改善服务和提高工作效率欧美和日本等发达工业国家 正大力推广该技术，国内部分电力企业也对其产生了较大的兴趣。 1 1 1 馈线自动化的概述 配电系统自动化的主要组成配电自动化系统“主要是一种可以使配电企业在 远方以实时方式监视、协调和操作配电设备的自动化系统，其目的是完成配电网 数据的采集与监控( s c a d a ) ，其内容主要包括：一是馈线自动化( f a ) ，即配电 线路自动化；二是变电站综合自动化( s ”，它常常是将输电和配电部分相结合； 其中馈线自动化对于提高供电的可靠性、降损节能、改善供电质量来讲至关重要 馈线自动化，又称配电线路自动化，按照国际电气电子协会( i e e e ) 对配 电自动化的定义，馈线自动化系统( f a s - - f e e d e rr u t o m a t i o ns y s t e m ) 是对配 电线路上的设备进行远方的实时监视、协调及控制的一个集成系统”馈线自动 化的功能是配电自动化系统的主要功能，包括配电网馈线设备的监控、故障处理 及故障信息管理技术其重点是故障处理功能，及故障定位、隔离，非故障区段 的自动恢复供电( 网络重建) 及故障信息管理等功能 馈线自动化系统通常是整个配电自动化系统的子系统，也可以作为一个独立 的子系统存在。我国许多城市的配网自动化系统实际上是一个独立于调度自动化 系统的馈线自动化系统。本论文所论述的馈线自动化系统主要对1 0 k v 线路进行 监控和保护。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 配电自动化和馈线自动化的发展 馈线自动化是配网系统中提高供电可靠性最直接、最有效的技术手段在工 业发达国家上世纪六十年代以来的配电网中，广泛采用安装在户外馈电线上的柱 上开关、分段器、重合器、无功补偿电容器等设备，以减少占地面积与投资，提 高供电的质量、可靠性及灵活性“，九十年代以后随着通信技术特别是网络通 信技术发展和不断成熟，具有通信功能的综合配电自动化系统受到了广泛的重 视，国外的配电自动化系统已形成了集变电所自动化，馈线分段开关测控、电容 器组调节控制、用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统( d m s ) ， 其功能已多达1 4 0 余种嘲。日本是配电自动化发展得比较快的国家。到1 9 8 6 年， 全国9 个电力公司的4 1 6 1 0 条配电线路已有3 5 9 8 3 条( 8 6 5 ) 实现了故障后的按 时限自动顺序送电，其中2 7 8 8 条( 6 7 ) 实现了配电线开关( 指柱上开关) 的远方 监控( 包括一般的和计算机监控) 嘲1 9 9 4 年美国长岛电力公司( l i l c 0 ) 配电自动 化系统采用了8 5 0 台f t u 和无线电组成了故障快速隔离和负荷转移的馈线自动 化，到9 8 年避免了5 9 万个用户停电故障，有前置机采集各f t u 的信息大大减少 了自动恢复时间，使非故障自动时间在1 分钟内完成配电自动化的发展使故障 次数和时间大大减少，日本9 6 年至9 7 年度平均每户停电0 1 次，每次平均8 分钟，可靠性居全球之首香港电灯公司的3 0 0 0 多个中压开关全部可以遥控 韩国、台湾于9 0 年代也冤成了局部配电系统的馈线自动化，并建立了自己配电 自动化实验网络 国内配电自动化是2 0 世纪9 0 年代才起步，较国外发达国家滞后2 0 年以往我 国发电和配电投资的比例为1 ：o 1 2 ，大大落后于先进国家l ：o 6 - 0 7 的投资比例 “，配电网很薄弱，原有l o k v 配电网大部分采用放射形供电，多为架空线，可 靠性差，配电设备比较陈旧虽然我国从9 8 年经过了3 年多的电网改造，配电网 能力大大提高，但配电网运行状态监测设备少，信息传输通道缺乏，从而信息搜 集量少，这些导致事故处理自动化程度低，处理时间长，事故后恢复供电慢，加 强配电网优化建设是当务之急。国内电网3 5 k v 变电站已逐步实现了四遥功能，但 规模覆盖变电站自动化、馈线端的故障定位与隔离和自动恢复供电、负荷控制、 远方自动读表、电压无功优化、变电配电和用电管理信息系统的配电网综合管理 系统，则是近年来才起步的啪从设备制造水平的角度看，国内不少企业已成功 地研制出能够满足配电自动化要求的产品。比如可靠的柱上真空开关、重合器、 馈线开关式远程式终端( f t u ) 、小区远程智能式电度表及远方抄表计算机系统、 配电网地理信息系统( g i s ) 、负荷监控系统、配网管理信息计算机网络，以及各 2 山东大学硕士学位论文 种数据传输设备等由此可见，随着于电子技术、计算机技术及信息传送技术的 发展，特别是d s p 、g p s 和t c p i p 以太网的引入，配电自动化计算机系统及配电线 馈线远方监控系统在实际应用上将有着长足的发展潜力 1 2 n 可的介绍 1 2 1 f t u 的概述 f 1 u ( f e c x l e r t e r m i n a lu n i t 。) 馈线( 现场) 终端装置是配电自动化系统的基 本单元，专门为馈线自动化而设计制造的远程终端，或称馈线远方终端。根据我 国电力行业标准d l ，r 7 2 1 - 2 0 0 0 配电网自动化系统远方终端，可以知道馈线远 方终端是用于实现配电网监控，对配电柱上开关( 架空线户外柱上f 1 1 j ) 、环网 开关柜( 地下电缆环网柜r r t 0 和开闭所( 开闭所f t u ) 进行数据采集处理，并 与区域工作站和控制中- d ( s c a d a ) 通信的自动化设备，是馈线自动化系统与一次 设备一配电开关等的接口部分。刖比传统r t u 可靠性和抗干扰性能要求高 除了完成三遥功能，供电方式特殊，应有故障电流检测功能，甚至提供过流保护 等属于继电保护的功能是实现配电自动化不可缺少的装置。兀u 与线路开关配 套组成智能开关单元，既可不经通信的主站参与，与变电站出线断路器配合，自 动实现环网重构；又可在配电调度中心的主站计算机系统控制下实现网络重构及 常规监视和控制功能 配电网故障的自动诊断、隔离及恢复技术是对1 0 k v 馈线故障区段进行自动判 别、隔离和自动恢复供电，由变电站监控机( 二级主站) 和控制中心主控计算机两 级控制来实现其局部功能如下图ll 图1 1 配电环网f l u 的功能图 正常运行情况下，两条1 0 k v 馈线独立运行断路器l ，2 和柱上开关1 6 全部 山东大学硕士学位论文 闭合，环网的联络开关断开在故障情况下，假设g 点出现接地故障。则f t u l ， f t u 2 检测到过流越线跳闸，然后按程式再检测闭合再跳闸，3 次以后说明是永久 故障，在此期间各故障点f t u 将采集故障按l 级数据上报主站，由主站判断定实现 故障的定位断开柱上开关1 ，2 ，同时联络开关闭合，这样柱上开关3 由变电站2 恢复，这样通过f t u 和主站实现了网络的重构，最大限度地保证供电 基于馈线自动化终端f t u 的馈线自动化是配网自动化的发展方向，也是电 网改造的核心内容。本文基于d s p 实现的配电网馈线终端装置刖是电网馈线 自动化系统的远方终端，可与配电自动化( d a d m s ) 主站、二级主站或区域子站 监控系统借助电力通信1 0 1 规约等通信完成对配电系统及设备的远方监视、故障 检测和控制功能。 1 2 2 基于d s p 和通信网络的馈线终端的功能 f t t l 是按照配网自动化的需求，在系统中主要是时时采集就地的交流测量量 ( 如电压、电流、功率) 和状态量( 如开关位置、配变状态等) “，以及执行遥 控命令( 如跳、合开关等) 。f t u 用于柱上开关、环网柜、重合器，分段器、断 路器、开闭锁出线开关的监视与控制；与主站区域子站通信，提供配电系统运 行控制及管理所需的数据。执行主站给出的对配电设备的控制调节指令。 f t u 的基本功能具体有下几方面“： 1 )“三遥”基本功能，即遥测、遥信、遥控功能。 遥测量即模拟量的采集，以采集电压值、电流值为主。通过d s p 芯片不 仅快速测量计算正常有功功率、无功功率、功率因数、频率、累计电量( 用于 统计粗略电费、线损和监测窃电) 等，还要处理故障情况下的电压、电流，频 率等，并能够测量零序负序电压电流等反应三相不平衡度的量，以便故障上 报。遥信量不仅包括各种刀闸、负荷开关、分段开关等的状态息，还包括刀 闸和开关等的动作信息、线路故障重合闸动作信息、开关储能信号、后备电 池状态等状态量信息。遥信变位信息作为一级数据优先传送遥控功能是指 f t u 执行主站下达的遥控操作命令，装置能接受远方命令或根据给定的测量 限制及逻辑来控制开关合闸、分闸。在一些特殊情况下如“过流越限”，则 使用就地“直接操作”命令，不必处理前上报主站。 2 ) 配电网故障信息采集与处理功能： 装置根据采集的电流大小及设置的定值，能快速做出故障判断，甚至是 瞬时性故障也可检测到，并将故障信息及性质主动上报给主站。其中故障信 息一般是通过对电压、电流的监测来判断，并根据判断的结果来决定是否产 山东大学硕士学位论文 生故障信息和对事件进行顺序记录，设置两种门限值：越限门坎值报警和故 障门限值当电压、电流越限时进行上报处理，当过流故障时，配合负荷开 关、断路器等装置差动式处理和区域子站结合处理，并自动记录线路停电时 间统计开关动作次数，失压时间，过压时间、故障持续时间、故障电流幅 值和方向，用于事故后的配电网扰动分析 3 ) 通信功能和通信规约 由于配电自动化系统规模大，装置数量多，从而，f t u 采集的信息采集量 很多，为保证实时性、完整性、快速性考虑到配电系统所处的环境、地点条 件等的不同，馈线自动化控制单元应能适合各种不同媒介的通信方式，如光 纤、电力线载波、无线传输等。通常，根据选定的通信媒介和通信方式，更 换相应的通信接口终端即可满足要求本文装置采用标准的r 5 2 3 2 异步口和 r 5 4 8 5 4 2 2 总线方式和其他通信介质接口 我国电力通信目前大多采用的两种规约分别是：d n p 3 o 规约和1 0 1 规约。 开放式协议d n p 规约在美国等西方国家有广泛的应用，在我国也有一定的应用 范围我国的电力行业标准d l t 6 3 4 5 1 0 1 2 0 0 2 基本远动任务配套标准，在配 电自动化系统中采用等同i e c 8 7 0 - 5 1 0 1 ：2 0 0 2 的电力规约该协议适用于 s c a d a 等系统，通信方式灵活，适用于较快速度、较低可靠要求的应用场合。 本文采用1 0 1 规约作为电力通信标准规约。既可用于s c a d a 系统也可应用于分 布式的自动化( d a ) 系统，具体介绍将在以后的章节说明。 4 ) 远方修改定值、对时和s o e 因用户及环境不同从而放障设限值也不同，f t u 可接受控制中心指定的修 改定值，同时可在主站随时召唤f t u 当地定值，装置具有强大的远程维护功能。 能接受主站的对时命令，使系统时钟一致。按时间顺序记录状态变位( s o e ) 5 ) 自检功能和其他功能 自动检测运行情况，在自身故障时可及时上报告警，当发生程序异常时， 将由看门狗电路自动执行自恢复功能。不问断供电电源为设备提供电源，一 般采用直流免维护可充电蓄电池供电正常运行时，蓄电池由电压互感器( 传 感器) 的二次输出0 0 0 v 或2 2 0 v ) 提供充电电源。在交流电源停电后，蓄电池应 维持一般要求工作8 - l o , j , 时以上时间的工作，并能提供若干次开关分合操作 的电能对f 1 u 工作环境温度进行监测。 1 3 本课题的目的和内容 新世纪的到来，各国从事配电自动化的技术人员正在积极地研制新一代电力 山东大学硕士学位论文 设备国外一些知名的电力设备公司已经推出了他们的替代产品随着市场经济 和科学技术的进一步发展，在我国国家电力公司提出目标是：提高供电质量， 使电压合格率9 8 ，提高供电可靠性，城市供电可靠率要9 9 9 5 ，大城市中心 区 1 9 9 9 9 要达到这一目标对传统最早应用于配电网馈线监测装置需要进一步 更新，早期采用重合器的馈线自动化实现方式和基于普通8 位，1 6 位单片机”的 ( 如5 1 、1 9 6 等单片机) f t u ，其运算速度有限，难以进行高速采样处理，而且通 常处理精度不高，功能不强。同时，随着电力系统新型负荷的不断涌现，非 线性负荷的大量增加使得电力系统的电压和电流波形发生了严重畸变，给 电力系统带来了很大“电网污染”所以电力系统的电网数据处理，谐波 的分析故障判断等对电网可靠性有其重要地位。随着高速数字信号处理 芯片( d s p ) 技术的发展，数字信号处理技术在电力系统领域得到广泛应用 下表“”是3 种芯片处理能力的对比，可看出d s p 用作处理器的优势。 表i 1 不同芯片f f t 处理速度 c p u 系统，晶振 通道数f f t 计算时间采样时间i is结果精度 f 2 0 6 ，i o m 4 0 整型3 0 点2 8 i ls 2 4o 2 8 0 c 1 9 6 ，1 2 m 1 6整型1 2 点t 5 0 0us1 6 0 o 5 8 0 c 5 1 ，1 2 m 8 整型1 2 点1 5 0 0i ls 6 00 5 d s p 在处理数据上有着强有力的优势”，高速d s p 应用使得实时监控配电网 络的运行、快速和准确地切除故障等成为可能国内个别公司也推出了基于d s p 的处理系统，但性能差异较大，有的没有通信通道( 电压时间型和电流计数型) “ 需要迸一步完善。 本课题组多个人的总体任务是从事f 1 u 的研制，本人从事于对f t u 进行硬、 软件设计和相关通信规约的应用，并对电网信号进行采集转换，分析、处理， 实现数据采集处理功能以及为故障分析处理提供谐波分析等数据并通过电力规 约进行上报主站做好铺垫，处理完成f t u 的功能具体任务如下： 1 ) 硬件系统的设计工作 基于d s p 的f t u 内核硬件设计是一个基础问题，只有硬件各模块功能满足设 计要求，可靠性达到要求才能为进一步对系统的软件设计打好基础硬件方面， 本文采用了d s p 小系统板和功能系统板分离设计方式，这样有利于调试和减少风 险为了达到电路保密可靠性以及减小系统的p c b 面积，采用大规模可编程器件 来实现一些逻辑电路 小系统板以d s p 和可编程器件c p l d ，r a m 和看门狗电路等组成，为了可靠性 设计为四层p c b 板并通过叠垛式紧密插针和下层功能板相结合。下层功能板由各 山东大学硕士学位论文 功能模块芯片所组成整个系统大致分为几大模块：a 内核d s p 及存储模块b 复杂可编程逻辑器件c p l d 及测频模块c 开关量输入输出模块d 异步扩展 通信模块e 调理滤波采样a d 模块f 时钟模块h 稳压模块。本文的第二章 对于该f t u 核心各模块的硬件设计按小系统板和功能板进行了详细的说明。 2 ) 通信介质的选取和通信规约在f 1 u 中的应用 文中讲解了对通信通道介质的选取和通道的连接方式介绍常用的规约之间 的差别，主要是d n p 3 0 与1 0 1 和两版1 0 1 规约( 9 7 和2 0 0 2 版) 的差别，以及 电力通信1 0 1 规约在f t u 中的应用事项，并通过青云1 0 1 规约通信分析软件进 行模拟点对点通信和分析及进一步的应用型研究 3 ) 软件设计 软件设计之前要对硬件电路进行逐一调试，如a d 采样、通信等主要模块， 然后逐步完成系统的各个任务f t u 的优点就是能在尽量短的时间内( 短则几秒 钟) ，完成故障区隔离，非故障区恢复供电，电量的采集与处理以及谐波分析对故 障的诊断与快速处理是该f t u 的成败关键，所以软件的设计主要任务是对多路时 时采集的数据进行处理，对6 4 点离散值计算出电压、电流、有功功率、无功功 率、功率因数、频率、累计电量，同时利用快速f f t 变换求出1 5 次谐波进行分 析( 可以更高) 、对遥信量采集并通过通信程序与电力通信1 0 1 规约结合，用以 。，正常状态下等待主站各种召唤上报数据( 非平衡传输) 和故障时的f r o 主动故障 上报( 平衡传输) 关于仿真和实测数据文中在对应各章节中给出，不在单独一章说明，实验是 在实验室的条件下进行的对电网的频率采样，对电压，电流采样分析，并对两种 电参数算法进行了实验比较 7 山东大学硕士学位论文 第二章f t u 的硬件系统设计 2 1 盯u 硬件系统构成与综述 f t u 的硬件设计是f t u 工作的基础，硬件的设计的合理性和可靠性决定了其 后软件等设计的成败本课题采用由t m s 3 2 0 f 2 0 6 数字信号处理器和3 片具有4 路同时采样的通道k x 1 2 5a d 转换器组成的数据采集和处理系统该系统采用 三片a d 转换器，可以对两组( a 组或b 组) 1 2 路模拟信号进行同时采样；同时 该系统还采用c p l d 提高可靠性节省p c b 开销，用以整个系统的译码、对开关量 的读取和输出锁存以及进行信号的频率测量的设计等。采用带n v r a m 的日历时钟 保存重要的数据，防止掉电丢失，同时采用1 6 c 5 5 4 进行u a r t 扩展完成多接口方 式通信，该系统大体如图2 1 所示 开关量信号 2 4 v 继电器控制 图2 1 系统原理图 在具体p c b 设计时，本f t u 系统采用d s p 小系统板和功能系统板分离设计方 式，这样有利于调试和减少风险。以下章节采用硬件设计的小系统板和功能系统 板的主要电路进行说明。 2 2f r u 的d s p 小系统板构成与说明 d s p 小系统板主要有数据处理内核t m s 3 2 0 f 2 0 6 、c p l d 、s r a m 和 w a t c h d o g 刷新电路构成的数据处理的必需主要模块各芯片和功能系统板相 连的管脚由2 块台湾欧品( o u p i r n ) 产的接插件和下层板相连，类似于p c i 0 4 的堆垛模式该小系统板主要完成数据的处理、测频电路的设计、数字量读入锁 存袒置门狗刷新电路功能。为了增加可靠性和抗干扰能力，采用了四层电路板， 山东大学硕士学位论文 i 中问两层采用电源层设计 2 2 1 数据处理芯片和看门狗电路 f t u 需要对采集得离散数据量进行处理，当进行谐波分析和乘积、开方运 算时需要极大计算量，选用d s p 芯片可以满足采样6 4 点时的数据处理要求d s p 芯片和以往的单片机相比具有硬件乘法器，一个指令周期就可以完成单片机的 多个指令同时d s p 芯片放弃了冯诺依曼结构，而以程序和数据分开的改进型 哈佛结构( 多总线) 从而大大提高了处理速度，指令周期为n s 级，比普通单片 机( 多为m s 级) 快了3 个数量级本文采用t i 公司c 2 0 0 0 系列的f 2 0 6 芯片“ 该芯片的指令周期可达到2 5 n s ，能达到4 0 m i p s 的处理速度，使之更适宜进行f f t 等数据运算，芯片采用静态c i o s 工艺技术设计，功耗低，抗干扰能力强，集成 的二块相互独立的1 6 k 字的f l a s h 存储器，可分别独立地对它们进行读取、擦除 和编程等操作他的仿真器没有采用传统的插入仿真的方法，而是通过符合 i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g 逻辑扫描电路，在仿真时不占用硬件资源，扫描仿真不 但克服了传统仿真电缆过长而引起的信号失真现象，而且摆脱了传统单片机脱机 运行时就出错的缺点，为程序的调试和检错带来极大方便 1 6 位定点d s p t m s 3 2 0 f 2 0 6 芯片的功能：存储空间共2 2 4 k 字。其中程序、 数据、i o 空间各6 4 k 字，还有3 2 k 字的全局存储空问其中双访问r a m 有5 4 4 字和单访闯r a m 有4 5 k ，3 2 k 内部f l a s h 具有3 2 位的乘法器、乘法器；3 2 位 算术逻辑单元( c a l u ) ：3 个比例移位器；8 个辅助寄存器四级流水线操作； 8 级硬件堆栈内部可编程定时器；锁相环p l l 实现多种内部时钟；片上同 步串口；异步串口；通用i o 引脚 图2 2 中j p 2 即为，i a g 口电路方便了调试运行为了f 2 0 6 的稳定性本文 选用了有源晶振1 0 m h z ，d i v l ，d 2 通过拨码开关连接电源和地，两者的选择 决定内部时钟分频和倍频。一般工作在2 0 m h z ( 5 0 n s ) x f 引脚通过驱动发光二 极管来映证上电工作或复位，为了调试方便，板子扩展了6 4 k 字的c y p r e s s 公司的静态r a m 。片上外设的异步串口( a s p ) 具有1 6 位可编程波特率，同时 可以在接收时通过使能( 软件) 自动波特率检测逻辑，通过接收a s c i i 字符a 或a 自动修改b r d 值从而锁定通信的数据速率，这样解除了固定通信速率弊端。 由于l 塔2 3 2 c 电路电平与c m o s 电平不同，所以进行u 脓r 通信时必须经过电 平转换，本系统通过美信公司的m a x 2 3 2o 完成，1 6 a ) 【2 3 2 具有一个专有的低压 降发送器输出级，以双电荷泵3 0 5 5 v 供电时，可获得r s - 2 3 2 性能。该器件 只需4 个0 1 u f 贴片0 8 0 5 型电容，可在维持r s 一2 3 2 输出电压的情况下确保运行 山东大学硕士学位论文 于1 2 0 k b p s 数据率。很适合高速串行数据通信的场合 图2 1 2 d s p 和看门狗电路 ， 为了对电源的检测使f t u 能够更安全可靠的运行，系统选用了w a t c h d o g 电路芯片m a x l 2 3 2 的主要功能： 电源监控一电压检测器监控v c c ，当+ 5 v 低于所选择的容限( + 4 5 v ) 时， 输出并保持复位电平当v c c 恢复到容许极限内，复位信号r s t 保持2 5 0 m s 。 按钮复位输x - s w i 端手动强制复位，复位按钮按下后p b r s t 得到复 位输入低电平，瓜s t 锄有效并保持2 5 0 m s 监控定时器一处理器信号在一定的时间内触影s l m 端。如果s t b 在一个 最小规定超时间间隔内没被触发，说明程序异常，系统复位 山东大学硕士学位论文 ” kt - d 一一一一 叶叫一 捌新脉冲t i ， 瞄 图2 3 看门狗刷新时序 看门狗电路通过拨码开关决定有效，无效为了调试方便也可以用功能扩展 板的日历时钟的方波输出来刷新电路，当整个刖系统运行后用c p l d 使能看 门狗功能当t d 管脚悬空时，正常运行时d s p 在t d 6 0 0 m s ( 典型值1 内对s t b 进行读操作刷新该口，一旦程序或芯片出现问题超过该数值，m a x l 2 3 2 的 r s t = o ，i 峪t = l 复位系统芯片。 2 2 2c p l d 的设计和结果 随着半导体技术和e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 技术的发展，数字系 统设计方法有了飞跃性地进步。p l d ( p r o g r m m a b l el o g i cd e v i c e ) 器件发展到现 在，已经形成了多种结构，从p r o m 、f p l a 、p a l 、g a l 至c p l d ，f p g a 形成了不同的 产品。”复杂可编程逻辑阵列c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 以其编程方便、集成度高，速度快，价格低等待点，越来越受到广大电子设计人 员的欢迎。 采用c p l d 实现数字系统设计有很多优点，最明显的是系统的分立元件使用 数大大减少除此以外，使用在线可编程逻辑器件节省昂贵的p c b 板面积、减 少电源功耗、调试时间和改善系统的性能。同时对设计内容实施可靠加密，保护 作者成果可编程逻辑的最大优点就是缩小了系统规模，增加了设计灵活性，这 是分立元件所无法具备的特征。c p l d 强大的逻辑综合和优化软件如m a x p l u s i i 和q u a r t u si i 作为有力的支持，简化了系统设计难度，提供了所见即所得的仿 真下载系统，提高了系统的可靠性 本文f t u 的小系统板采用了四层板设计提高了c p l d 的可靠性，大大减少了 地线毛刺，同时c p l d 的选用减少了p c b 板的设计难度、过孔次数，大大节省了 p c b 的面积节省了费用。由于p c b 一旦设计成型，任何逻辑的改动必将导致改板 子甚至推翻从来的局面，而采用c p l d 进行的设计则不然，通过更改里面的电路 逻辑，无须破坏板上片外的连线结构，其p c b 板仍然可用c p l d 器件结构不尽 相同，功能也有所不同c p l d 以x i l i n x 、a l t e r a 和l a t t i c e 三生产商家较为著 名，x i l i n x 以生产f p g a 为擅长，但其同等规模的芯片价格偏高；l a t t i c e 公司 以最先生产i s p ( 在系统可编程) 器件为著名，但其仿真软件综合使用性欠佳“； 综合考虑之后选择选用了典型的a l t e r a 公司的具有在线编程能力c p l d 器件 山东大学硕士学位论文 姒x 7 0 0 0 s 系列的e 蹦7 1 2 8 s l c 8 4 一1 0 ，它是以第二代多矩阵( m a x ) 结构为基础的是 一种高性能的c m o se e p r o m 器件，它具有以下结构和性能： ( 1 ) 具有5 n s 的引脚到引脚的一致的信号延时，最高可达1 7 5 4 姗z 的计数频率 ( 2 ) 集成2 5 0 0 个可用门，8 个逻辑阵列块，独立可编程电源控制的1 2 8 个宏单元 ( 3 ) 通过符合i e e e1 1 4 9 1j t a g 边界扫描标准h a g ( j o i n tt e x ta c t i o ng r o u p 联合测试组) 接口实现在线编程( i s p ) ，并保证可编程擦除1 0 0 次 ( 4 ) 内置j t a g - b s t ( 边界扫描测试) 电路。 ( 5 ) 可编程宏单元触发器具有专用清除、置位、时钟使能控制 ( 6 ) 可编程功率节省模式，使每个宏单元的功耗降到5 0 或更低 ( 7 ) 6 8 条可编程i 0 口，支持3 3 v 和5 v 的在线编程。 ( 8 ) 可编程保密位。防止程序被复制和读出保护专利设计 2 2 2 1 测频电路的设计 电网在运行时基波的实际频率是在5 0 h z 上下浮动的，一般是在国家规定的 4 9 8 5 0 2 范围内。采样频率是要求基频的整数倍，才能有效的进行谐波分析。 如果采用固定5 0 i i z 的基频进行谐波分析时，此时采样频率不再是基频的整数倍， 所得到的谐波的幅值特别是偶次谐波的幅值以及相角会出现很大的误差本文使 用的是硬件结合c p l d 测频，然后根据实际频率修改d s p 内部定时器p r d 采样 间隔的方法来解决这种不同步的问题。 图2 4 左图是由运放l m 2 1 i p 构成的带滤波电路的过零检测电路图中r l 与c l 和r 2 ，c 2 一起构成滤波电路，r 7 0 为调压电阻得到合适压值。右图为对 应结果一 图2 4 过零检测电路 测频输入信号经整形输出t v l l f i n 再通过电平变换后，与c p l d 的配置输入 口相连通过内部测频计数模块，并将测量计数值存入缓冲器中，由d s p 读入进 行处理。 一 山东大学硕士学位论文 测频功能逻辑实现是利用a l t e r a 的可编程逻辑开发软件m a x + p l u s i i 来完成 的。它是一种全集成化设计环境，使设计者能对a l t e r a 的各种c p l d 系列方便地进 行设计输入、快速处理和器件编程姒x + p l u s i i 开发系