（电气工程专业论文）基于fpga的光电互感器合并单元的方案设计及实现.pdf

摘要 摘要 互感器是电力系统中测量电量、电能计算和继电保护的重要设备，其精度、可靠性 与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。随着电力系统容量的日益增大和电压运 行等级的不断提高，传统的电磁式互感器已难以满足电网向自动化、数字化、智能化方 向发展的需要。基于光纤通信和数字信号处理技术的新一代光电互感器因具有高精度、 高可靠性等特点而逐渐替代电磁式互感器，成为电力系统研究的热点。合并单元是光电 互感器与变电站间隔层设备接口的重要组成部分，其研究具有重要的意义。 本文首先概述了国内外光电互感器的研究应用情况及实用化研究的难点，并对其基 本原理、组成结构做了介绍。然后对起着数字化接口作用的合并单元进行了研究，分析 了合并单元的结构原理、通信特点及功能划分，针对合并单元实时性强、数据通信流量 大、通信速度快等特点确定了一种基于现场可编程门阵列( f p g a ) 和a r m 的合并单 元实现方案，而本文主要研究f p g a 部分。在此基础上，将合并单元实现的功能划分为 三个功能模块：数据同步接收功能模块、数据处理模块、数据通信模块。 ( 1 ) 数据同步接收模块需同时接收采集器和跨间隔合并单元传输过来的数据，并 进行同步处理，故分析比较了脉冲同步法和插值重采样同步法两种同步方案，最终采用 插值重采样同步方案。 ( 2 ) 考虑到前端抽样引起频率混叠现象，故在数据处理模块中设计了f i r 滤波器， 并比较了不同的f i r 滤波器实现方法，之后对信号做了相位补偿、数字定标及f i f o 排 序功能。 ( 3 ) 由于i e c6 1 8 5 0 中描述的以太网通信方式由删实现，故在数据通信模块中 f p g a 只实现了f t 3 帧格式。 最后，系统地论述了光电互感器中采集器与合并单元的配置方式，给出了参考配置 方案。 由仿真实验结果可看出本文设计的合并单元的功能模块都能较好地实现各自的功 能，从而解决了合并单元同时处理任务多、通信信息流量大及通信速度要求较高等问题， 具有较高的可靠性和实时性。 【关键词】光电互感器，合并单元，f p g a ，数据同步，f i r 滤波器，配置 东南大学硕士学位论文 a bs t r a c t a sa i li m p o n a l l te q u i p m e mo fr e l a yp r o t e “o na i l de l e c 仃i ce n e 唱ym e a s u r ei np o w e r s y s t e m ，i n s t m m e n t 衄1 s f o n l l e r sp l a y sap r i m a 珂r o l ef o rw o r b n gw e l la i l dc a l c u l a t i n g p r e c l s e l ymp o w e rs u p p l y m gs y s t e m e c o n o m l c a la n ds e c u r eo p e r a t l o no tp o w e rs y s t e ml s c l o s e l yr e l a t e d谢t hi t sp r e c i s i o na i l dr e l i a b i l i 戗 w i t ht h eo b v i o u si r i l p r o v e m e n to f t r a n s m i s s i o nc a p a c i t a l l c ea 1 1 dr a t e dv o l t a g ei np o w e rs y s t e m ，m ec o i e n t i o n a l lf e n o m a 擘m e t i c t r 觚s f o n i l e r sh a v eb e e na l r e a d vd i 行i c u l tt om e e tt h en e e d st h a tn e 俩o r kd e v e l o pt o w a r d s a _ u t o m a t i o n ，d i g i t i z e da 1 1 di n t e l l i g e n t t b c h n o l o 擘o fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n 锄1 dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gp r o m o t em ea p p l i c a t i o no fe l e c t r - 0 1 1 i ct r a i l s f o r m e r e 1 e c 臼o m cn a n s f o m e r s o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h ec o n v e m i o n a lf e r r o m a g n e t i c 仃a 1 1 s f o n i l e r sa i l dn o wb e c o m e t 1 1 er e v o l u t i o n a 珂r e s e a r c hd i r e c t i o n m e r g i n gu i l i ti sa 1 1i m p o r t a i l tc o m p o n e n to ft h ei n t e r f a c e b e t w e e ne l e c t r o l l i c 仃a n s f - o n n e r sa n dd e v i c e ss e v e r e di ns u b s t a t i o nb a vl e v e l ，s oi th a so b v i o u s s i g l l i f i c a n c et or e s e a r c hm e r g i n gu m a tf i r s t ，t 1 1 ed e v e l o p m e n t ，r e s e a r c h 的r k 血d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a la i l dm ed i 伍c u l t i e s o fp r a c t i c a l i 坶r e s e a r c h ，b a s i cp n c i p l e sa n dc o m p o s i t es t n j c t u r ei si n t r o d u c e d t h er e s e a r c h o ft h em e r g i n gu i l i ti sc 硎e do nm e n ，a n dt 1 1 es t i u c t l l r a l p r i n c i p l e 。 c o m m l 面c a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n d 胁c t i o ni sa n a l v z e d ah a r d w a r ei m p l e m e mb a s e do nf p g a & a r mi s d e s i g n e dt or e a l i z em e r g i n gu 1 1 i t o nt h a tb a s i s ，m e r g i n gu m ti sd i v i d e di n t ot h r e ef u n c t i o n m o d u l e ss u c ha s r e c e i v m gs y n c h r 0 1 1 i z a t i o nm o d u l e ，c i a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t a c o n h n u l l i c a t i o nm o d u l e ( 1 ) d a t ar e c e i v i n gs y n c l l r o i l i z a t i o n m o d u l en e e d st 0r e s e i v et h ed a 协b o t hf 而m d a t a s 锄p l i n gs v s t e ma n do t h e r i e r g i n g u i l i tt h a t 丘d md i n e r e n t i n t e r v a l ， s ol e n c o m p 耐s o na n a l v s i st h es v n c h r o n i z a t i o ns o l u t i o n sb a s e do nd u l s ea n dr e s a m p l i n gi sg i v e d f i n a l l y ，r e s 锄p l i n gt e c l l l l o l o g yi sc h o s e dt or e a l i z et h es y n c h o n i z a t i o n ( 2 ) i n ( 1 a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，f i rf i l t e ri sd e s i g n e df o re l i m i n a t et 量l e 饥q u e n c ya l i a s i n g ， a 1 1 di t sr e a l i z e di nf p g ac 1 1 i p t w od i 仃e r e n tm e t h o d sa r ec o m p a r e d ，a t1 2 l s taf i e a s i b l e m e t h o di sp u tf o m ，a r d t h e nt l l ep a p e ra 1 1 a l v s i sa j l dd e s i g n s 也ep h a s ec o m p e n s a t i o i l ，d i g i t a l s c a l i n ga n df i f 0s o r t i i 培 ( 3 ) b e c a u s et h ec o m m u i l i c a t i o nm o d ea sd e s c 曲e di ni e c6 1 8 5 0i sr e a l i z e db ya r mc l l i p ， s oi nt l l ed a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，f p g ai sju s tu s e dt or e a l i z et h ef t 3d a t a - o u t a tl a s t ，as u m m a r i z a t i o no f n l ec o n f i g l 】r a t i o no fe l e c 缸o n i c 仃a n s f - o n n e ra n di sg a v e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o na i l de x p e r i m e n tp r o v et h a tt l l em e r g i n 2u m tm o d u l ec a i l a c c o m p l i s ht h eo r ig i n a lf - u n c t i o n ，a 1 1 dt h em o d u l ec a nr e a l i z et h ep r o b l e m ss u c ha sm a n yt a s k s d e a l e da tt h es 锄et i m e t h el a r g ec o m m 眦i c a t i o ni 川o r r n a t i o na n dt h ef a s tc o m m u l l i c a t i o n s p e e d ，s oi th a sm g e rd e p e n d a b i l i t ya n dr e a l t i m ec h 锄a c t e l ， 【k e yw o r d s 】e l e c 们1 1 i c 仃a 1 1 s f o 衄e r ，m e 唱i n gu n i t ，f p g a ，d a t as y n c h r o l l i z a t i o n ，f i rf i l t e r c o i g u r a t i o n 目录 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 帅i n i n 第l 章绪论 第2 章光电互感器合并单元总体设计方案 l 5 2 1 光电互感器的基本原理及组成结构5 2 1 1 有源型光电电流互感器传感原理6 2 1 2 有源犁光电电压互感器传感原理7 2 2 合并单元的定义、功能及特点7 2 3 合并单元硬件方案9 2 4f p g a 设计介绍1 0 2 5 本章小结一1 2 第3 章数据同步接收模块设计1 3 3 1 与采集器接口的接收模块设计1 3 3 2 与合并单元接口的接收模块设计1 5 3 3 同步方案1 7 3 3 1 脉冲同步方案。1 7 3 3 2 插值重采样方案。l8 3 4 数据同步功能模块的设计2 1 3 5 本章小结2 3 第4 章数据处理模块设计 4 1 数字滤波。2 4 4 1 1 数字滤波器的原理2 5 4 1 2f l r 滤波器系数的设计2 7 4 11 3 基于移位相加法的f i r 滤波器设计2 8 4 1 4 基于f p g a 分布式算法的f 取滤波器设计2 9 4 1 5 两种算法实验结果的比较一3 0 4 2 采样补偿3 0 4 3f i f oj j 序3 2 4 4 本章小结3 4 第5 章数据通信模块设计 5 1 i e c6 0 0 4 4 及i e c6 1 8 5 0 概述3 5 5 2f t 3 帧格式1 1 9 1 3 5 5 3 数据通信模块的f p g a 实现3 7 5 4 本章小结4 0 第6 章光电互感器配置方案 4 l 6 1 常规互感器配置原则4 l 6 2 光电互感器的配置原则4 2 6 3 光电互感器推荐配置方案4 2 i i i l 2 3 4 一 一 一 一一一一一一一一一一一 一一 一一一一 一一 一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一 一一一一一一一 一一一点 一况难排情的安义用究节意应研章的及化及器究用作 感研实工 互器器的电感感做光互互所究电电文研光光本 2 3 4 东南大学硕士学位论文 6 4 合并单元推荐配置方案4 4 6 5 基于单相多路点对点通信方式的光电互感器配置方案4 8 6 6 本章小结4 8 第7 章工作总结与展望 4 9 7 1 工作总结4 9 7 2 工作展望4 9 致谢 参考文献 攻读硕士期间取得的研究成果 5 0 5 l 5 3 第1 章绪论 第l 章绪论 计算机技术、通信技术的发展推动了变电站自动化的发展，产生了数字化变电站这 一概念，并正向着智能化变电站发展。作为近年来国内电力系统的研究热点，数字化变 电站一般是指变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化，基本特征为设备 智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等，其标志之一是变电 站通信标准i e c6 1 8 5 0 和光电互感器的应用l l j 。 i e c6 1 8 5 0 标准的制定及发布为构建数字化变电站的通信网络提供了理论基础和技 术标准，通过提供统一的信息模型和服务模型确保了语义的一致性，从而实现了变电站 内智能电子设备( i e d ) 之间的互操作性【2 j 。 光电互感器作为新型互感器，通过应用数字技术和光通信技术，使互感器输出信号 可方便的转换成数字信号，并通过光纤进行传输，为电力系统计量、继电保护及测控装 置提供电流、电压信号，较传统的电磁式互感器在动态范围、频带、体积等方面均有着 明显的技术优势，同时，它的逐步实用化，也使得变电站的二次接线概念发生了彻底的 变化，简化了二次设备的结构。 1 1 研究光电互感器的意义 近年来，我国经济发展迅速，对电力的需求也日益增大，电力传输系统的容量不断 增加，电网运行的电压等级也越来越高。为保证超高压、远距离、重负荷输电安全可靠 的运行，必须提高系统的稳定性，因此对互感器的测量精度、动态范围、饱和性等特性 的要求标准更高。传统的电磁式互感器因其体积大、磁饱和、铁磁谐振、动态范围小和 频带窄等缺点，已经难以满足新一代电力系统自动化、数字化等的发展需要。随着光电 子技术的迅速发展，许多科技发达国家已把目光转向利用光学传感技术和电子学方法来 发展新型的电子式互感器，简称为光电互感器。与传统的电磁式互感器相比，光电互感 器具有以下优尉3 5 】： ( 1 ) 采用新型传感原理，不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。故运行暂态响应好， 稳定性好，保证了系统的可靠性。 ( 2 ) 采用光纤和比较轻便的绝缘子支柱，绝缘结构大大简化，但绝缘性能却有所 提高，并且体积也较电磁式互感器小。 ( 3 ) 动态测量范围大，精度高。能同时满足电流、电压测量和电流保护的功能， 测量额定电流的范围从几十安培到几千安培，过电流可达几万安培，测量精度最高可达 0 2 级和0 2 s 级。 ( 4 ) 高压侧与低压侧之间只有光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，故可保证 高压回路与二次回路在电气上完全隔离，避免了电磁干扰的影响。 ( 5 ) 频率响应范围宽。不仅能测出高压电力线路上的谐波，而且能测出暂态电流、 高频大电流与直流电流值。 ( 6 ) 体积小、质量轻，方便进行运输和安装。 ( 7 ) 不会因未充油而产生易燃、易爆炸的危险。 除了上述较电磁式互感器的优点外，光电互感器的出现对继电保护装置也产生了一 定的影响，它有效地提高了保护的可靠性及快速性，简化了差动保护判据：防止变压器 差动保护励磁涌流误动，提高了内部匝间的短路灵敏度；解决了线路分相纵差保护饱和 问题，提高了距离保护的动作速度；提高了故障测距的精度等：与此同时，光电互感器 东南大学硕士学位论文 的出现也促进了变电站数字化、智能化的发展，开创了未来数字化变电站的美好前景， 主要体现在以下四个方面1 6 j ： ( 1 ) 光电互感器具有数字量输出、通信能力强等特点，它的应用将直接改变变电 站通讯系统的通信方式，特别是采用合并单元这一全新的数字通信装置，改变了一次设 备与间隔层二次设备间的通信方式。 ( 2 ) 通过使用现场总线技术实现点对点、多个点对点或过程总线通信方式，实现 数据共享。同时，也提高了通信网络的实时性要求，促进通信网络的不断升级，实现现 场过程总线和站级总线合二为一。 ( 3 ) 由于通信方式的改变，加上数字断路器控制器和电子开关装置等智能电子一 次设备的采用，变电站自动化系统由两层结构逐渐向三层结构即过程层、间隔层、变电 站层转化，最大程度地实现了信息共享和系统集成。 ( 4 ) 就地数字化技术应用到一次设备上，大大简化了二次辅助设备，同时，摆脱 了电磁兼容的难题，实现了一次设备和二次系统之间的电气隔离。 要推动光电互感器的实际应用，必须解决其与保护、测量等间隔层二次设备的接口 问题，合并单元作为光电互感器与间隔层设备接口的重要组成部分，是随着光电互感器 的出现而出现的，通过把各路信号量进行汇总、同步后再将这些数据打包发送出去。国 际电工委员会通过制定i e c6 0 0 4 4 7 8 ，i e c6 1 8 5 0 9 1 2 标准对合并单元与二次设备之间 的数字接口做了规定，使得光电互感器具有更好的设备兼容性。合并单元的研究与实现 对推进光电互感器的应用具有极其重要的意义。 1 2 光电互感器研究及应用情况 二十世纪六十年代，国内外开始对新型光电互感器进行研究。随着七十年代光导纤 维的出现，互感器中开始普遍使用光纤作为传输介质。八十年代后期，新型互感器在电 力系统中的应用取得了相当的成果。到了九十年代后，新型互感器的研究进入了实用化 的阶段，具有了多种类型的组成结构。 从电流传感原理上看光电电流互感器则主要集中于两大类别研究：基于法拉第 ( f a r a d a y ) 磁旋光效应原理或赛格耐克效应原理的光电电流互感器( 无源型) 和基于 f a r a d a y 电磁感应原理的光电电流互感器( 有源型) 。光电电压互感器也同样主要集中于 两大类别研究：普克尔效应原理或逆压电效应原理的光电电压互感器( 无源型) 和基于 电容分压或电阻分压原理的光电电压互感器( 有源型) 。具体分类图如图1 1 所示。 有源型 无源型 电流互感器e c t 电压互感器e v t 电流互感器o c t 电压互感器o v t 逆电压效应 图1 1 光电互感器分类示意图 光电电流电压互感器具有多方面的优点，美、日、德、英、法、中等国均在光电互 2 曷 一一一一一一 第l 章绪论 感器的研究方面投入了大量的人力和物力。近1 0 多年来，美国、法国、日本等技术发 达的国家陆续公布其研制的各种光学电力互感器及公司运行数据，同时针对i e c6 1 8 5 0 的一致性和互操作性进行了相关的研究和测试，从研发阶段到达小规模生产阶段，主要 以a b b 公司与a l s t o m 公司为代表。 到目前为止，a b b 已经研制出多种无源型光电互感器和有源型光电互感器，利用 普克尔效应的无源型光电电压互感器，户外互感器做到了4 2 0 k v 级，g l s 互感器做到了 6 0 1 2 0 k v 级。利用法拉第效应的无源型光电电流互感器，做到了6 9 7 6 5 k v ，测量范围 为5 2 0 0 0 a ，准确度达到0 2 。用于g i s 中的复合电子式电压、电流互感器，电流测 量范围为5 2 0 0 0 a ，电压测量范围为6 9 5 0 0 k v ，准确度达到0 2 。这些互感器已在 插接式智能组合电器( p a s s ) 、s f 6 气体绝缘开关( g i s ) 、高压直流( h v d c ) 及中低 压开关柜中得到应用，并分别在美国、加拿大、德国和智利电网试运行。法国a l s t o m 公司主要研究的是基于法拉第效应的无源型光电互感器，目前已研制出1 0 0 8 0 0 k v 级、 在一3 0 5 0 范围内准确度为o 2 的光学电流互感器，能达到3 4 5 k v 级光学电压互感 器及组合式光学电流电压互感器等光电互感器，目前也已有多台在欧洲及北美运行。日 本三菱公司研究的m i t s 与a b b 公司的p a s s 系统类似，但该系统采用了i e c6 1 8 5 0 9 标准，采用以太网通信，由于以太网是一个开放性的网络，故国内厂商的产品与三菱产 品对接比较容易。 我国的互感器专业化研究始于2 0 世纪7 0 年代初期，并逐渐形成全国互感器行业。 目前，电子部2 6 所和3 4 所、清华大学、电力科学研究院、陕西电力局中心试验所、上 海互感器厂、北方交通大学、华中科技大学、湖南大学、沈阳变压器制造有限公司、顺 德特种变压器厂、西安高压开关厂及南瑞继保电气有限公司等单位在从事光电互感器的 研制工作，且已有多种样机研制出来，但绝大多数仅限于实验室研究阶段，还没有实用 化产品投入运行1 6 】。而南自新宁、南瑞继保、西安同维等厂家的光电互感器已投入使用， 取得了一定的试运行经历，但总体上与达到规模使用替代电磁式互感器还有较大距离。 1 3 光电互感器实用化研究的难点 光电互感器实用化面临着一些理论和关键技术的问题，主要有高压侧电源供给、高 压侧电路的低功耗设计、数据同步问题及互感器的状态监测等方面的问题。随着光电互 感器进入实用化阶段，迫切需要对上述问题进行深入研究及解决1 7 j 。 ( 1 ) 高压侧电源供给 高压侧电源是应用于高电压等级的光电电流互感器正常工作的保证。它的设计要求 是【8 】：满足高压侧电路的功率需求。必须无间断地长时间稳定工作。不能破坏高、 低压之间的绝缘。目前通常有以下几种方法【9 ，lo 】：激光电源供电、线路电流取能、高压 电容供电、蓄电池供电等。 ( 2 ) 高压侧电路的低功耗设计瞵j 由于高压侧传感头由电子线路构成，并通过光电池等光电转换器件获得电源输入， 如果传感头电子线路消耗的能量过大，那么必然要求能量提供单元提供更高的能量输 出，这将会使整个系统的结构复杂化，故必须要尽量减少电子线路的功率消耗。随着电 子技术的迅猛发展，越来越多的低功耗、高性能的集成芯片涌现出来，为极低功耗的数 据采集电路的实现提供了基础。 ( 3 ) 数据同步技术 在变电站系统中，数据的同步是保证系统稳定性和可靠性的关键【6 】。二次设备需要 的采样数据必须是在同一时间点上采得的，即采样数据的时间同步，相位和幅值误差应 避免。电力系统中的继电保护、故障测距、故障分析、自动控制以及电度采集等诸多方 东南大学硕士学位论文 面都需要数据是同步的。例如对于计量，要求时间同步精度控制在1 s 以内，一般的传 输线路保护，时间同步精度应在钆s 以内【4 。 电磁式互感器输出的模拟信号则不存在数据同步问题。而对于光电互感器，同步是 保证采样数据可靠的关键环节。光电互感器解决时间同步问题有插值重采样和使用同步 秒脉冲两种方法【1 1 1 。插值重采样是将若干个时间点上的采样值通过插值计算得到需要的 时间点上的电压、电流值。采用同步秒脉冲的方法时，互感器接收共用的精确秒脉冲， 并使内部时钟与共用时钟同步。 ( 4 ) 互感器的状态监测 相对于传统电磁式互感器近一个世纪的运行实践经验而言，光电互感器还只是个新 生事物，在可靠性分析、使用寿命预计、连续运行数据分析及电磁兼容等方面，有待深 入开展工作。因而，在挂网试运行乃至正式运行过程中，对高压光电互感器尤其是高压 光电电流互感器的工作状态进行在线监测，在系统失效前发出警告，实时预告系统的故 障，能够在积累宝贵经验的同时，大大提高系统的可靠性瞄j 。 1 4 本文所做的工作及章节安排 数字化变电站代表了变电站今后的发展方向，光电互感器作为实现数字化变电站的 基础之一，对其研究具有重要的意义。论文以光电互感器合并单元为主要研究对象，对 合并单元中基于f p g a 实现的部分展开了研究与设计。本文的主要工作包括： ( 1 ) 分析研究光电互感器的原理及实现技术，在此基础上设计了一种实现合并单 元的硬件平台，并对合并单元内的各功能模块进行分析。 ( 2 ) 通过选择合适的f p g a 芯片，并在f p g a 中实现以下功能：分别接收高压侧 的采集器和低压侧其它合并单元传来的不同帧格式的电流及电压数据；对接收到的电流 及电压数据进行滤波、同步、补偿等处理；将处理后的数据按规定的协议输出给间隔层 二次设备。 ( 3 ) 研究光电互感器的配置方案 结合论文的研究情况及本人的实际工作，论文分为七章，每章的内容如下： 第一章：阐述了研究光电互感器的意义，并对目前国内外光电互感器的研究及应用 情况进行概述，归纳提出了光电互感器实用化研究中的关键技术，最后在此基础上给出 了本文的主要工作。 第二章：在分析了光电互感器基本原理及组成部分的基础上，给出了合并单元的定 义、功能及特点，并对合并单元的功能进行了模块化划分，进而给出了合并单元的硬件 方案。最后简单介绍了f p g a 技术和设计方法。 第三章：结合第二章介绍的合并单元的功能模块，针对其中的数据同步接收模块进 行了研究，实现了合并单元与光电互感器的采集器及其它合并单元接口的两种不同的数 据接口模块，并对同步方案的选择及具体实现进行了详细介绍。 第四章：设计了合并单元的数据处理模块，对数字滤波、采样补偿及f i f o 排序进 行了研究与实现。特别对数字滤波器的实现做了详细分析，分别实现了基于移位相加法 及分布式算法的f i r 滤波器，并对两者的性能做了比较。 第五章：分析了i e c6 0 0 4 4 及i e c6 1 8 5 0 两种不同的数据输出方式，并用f p g a 实 现了基于i e c6 0 0 4 4 7 8 规定的f t 3 帧格式的数据通信模块。 第六章：在参照常规互感器配置原则的基础上研究了光电互感器的配置原则，之后 分别给出了光电互感器和合并单元的推荐配置方案。 第七章：对论文的工作进行了总结和展望。 4 第2 章光电互感器合并单元总体设计方案 第2 章光电互感器合并单元总体设计方案 电力互感器是电力系统二次设备的信息源，光电互感器替代传统电磁式互感器必然 会带来二次系统结构的重大变革。目前研制的光电互感器为了兼容旧的二次设备仍有模 拟输出接口，但二次系统全数字化是必然趋势。合并单元就是在这一背景下产生的，把 各路信号先进行汇总接收、同步，再将这些数据打包校验发送出去。 2 1 光电互感器的基本原理及组成结构 国际电工委员会( i e c ) 制定的电子式电压互感器( i e c6 0 0 4 4 7 ) 和电子式 电流互感器( i e c6 0 0 4 4 8 ) 标准对光电互感器的设计做了相应的规定，并给出了光电 互感器的通用结构框图，如图2 1 所示【8 ，1 2 1 。 图2 - 1 光电互感器的通用接口框图 由图2 1 可看出，光电互感器的基本原理是将一次侧高电压、大电流转变成数字信 号或频率变换信号，经传输系统送至二次侧，在二次侧作相应的处理后，分别以模拟量 形式或数字量形式输出，供测量和保护用【6 j 。 高压侧传感器，高压侧转换器与高压侧电源构成光电互感器的数据采集部分，其中， 高压侧的电流传感器可采用光学元件，也可以采用空心线圈或低功率的铁芯线圈。高压 侧的电压传感器可采用光学元件，或采用电阻、电容、电感等分压器。低压侧转换器的 任务是将信号变换成与被测电流、电压成比例的信号，或放大的、可通讯的数字信号。 对于数字量输出的光电电流互感器，低压侧转换器的输出一般通过合并单元提供给二次 设备。 根据上一章介绍可知光电互感器根据高压侧是否需要供电分为无源型和有源型两 种i l 引。无源型光电互感器因其一次侧光学传感器的制作工艺复杂、稳定性及一致性不易 控制，故仍未得到很好的应用。有源型光电互感器的特点决定了它在实用化道路上的优 点，因此下文中的光电互感器均指有源型光电互感器。有源型光电互感器的整体结构如 图2 2 所示，由传感头、数据采集单元、光纤传输及接口系统、电源供给装置及合并单 元五部分组成。 东南大学硕士学位论文 传感头部件 一詈 ( o e h ) 0 ：罐儋 合并器单元 亘( o 日i u ) 光缆 有源型光电电流互感器的传感头一般采用r o g o w s h 线圈。i b g o w s 虹线圈实质上是 爿巅现 。 营蝉暑中： i u p 何 图2 3r o g o w s l ( i 空心线圈 r o g o w s 虹线圈测量电流的依据是全电流电磁感应原理【1 4 1 5 1 。设线圈的横截面积为 ，骨架内径为，1 ，外径为您，平均半径为尺，线圈匝数为，载流导体待测电流为f 1 ( ，) 人线圈中心穿过，线圈感应电流为f 2 ( d 。由安培环路定理，沿线圈骨架取一个环形回路 ，回路半径厂满足，1 r y 串并转换 y 丢二= 卜 弋芝：2 少 y = 二二翌鐾爹n - f 发送告警信号 了y ( 麟据) 图3 2 与采集器接口的数据接收模块的软件流程图 d i n 国lx o x lx 2x 3 国- ix 4，国，lx 5x 6x 7d o u t ， 。、1 7i 、1 f 7 。1 。 、) f i l 。 。 l 。 图3 - 3c r c 一8 的硬件电路模型 1 4 第3 章数据同步接收模块设计 由于校验序列较短，故采用串行c r c 即可简单实现且满足要求，利用v h d l 语言 可以方便地实现，程序如下： x o = x 7x o rd i n ；x 1 = x 0 ；x 2 = x 1 ；x 3 = x 2 ；x 4 - x 3x o rx 7 ； x 5 = x 4x o rx 7 ；x 6 = x 5 ；x 7 = x 6 ； 根据以上方法设计了与采集器接口的数据接收模块，输入信号有：时钟输入信号 c l l ( ，复位信号r e s e tn ，串行输入数据砌。输出信号有：波特率时钟b a u dc l k ，为了 观察方便，设计时将波特率设为了5 m b i t s 。分别对应于表3 1 中7 个字节的用户数据( 非 起始字符) d a ：t ao u t l d a t ao u t 7 ；校验正确信号i n d i c a t o ro k 。线路空闲时刻为“1 b ”， 起始位为“0 b ”，停止位为“1 1 b ”。图3 - 4 为其功能仿真图。 “空闲状态”5 5 h5 5 h5 5 h5 5 h6 6 h7 7 h8 8 h9 9 ha a hb 2 h m mt - b e3 【0 4 m 划-m 引1 3 mh把“止6 1 3 is 谴 | p 驯 0 埘l id0 坫20 口mmc0m矧om 硼0m 枷o舶0m，口址o3 铂00n：10 4 珥l1 2 螂1 一- bq qn s 蔷 c n r t i l 2 胁 1 _ 几九几广1n 几n 广 n 肿厂- l 几几几广 _ 1n 几n ln 几nnn 广 nnn n 广 几nn ；口3 b 帆d _ c n 仉0 n 兀门啊n 几1 0 00 f i 兀咖脚，! 折贝l 舭眦眦肌而咖而哪而而丽l 而而n 而丌丌00 n 丌丌1 0 九n兀丌n 0 肌舢兀丌n o n 肌0 i 彩4囝h i _ o i t l x s 5 1 谤1 3固h l t 2 xs 5 ：移2 2田h i - 哺t 3x 1 0 3 1 田a - 明“x 丁7 ；函r 4 0瞳a i t - 明巧x册 2 毫多铂固h - 4 m x ：霉争5 8田“t - 幢t t i “ i 日 6 t i 越c t - 止 图3 4 与采集器接口的数据接收模块功能仿真图 从图中可看出，输入数据为5 5 h 、5 5 h 、5 5 h 、5 5 h 、6 6 h 、7 7 h 、8 8 h 、9 9 h 、a a h 、 b 2 h ，其中b 2 h 为前面9 个数据经c r c 8 校验电路后生成的校验码，由i n d i c a ：c o ro k = 1 及d a t ao u t l 讹o u t 7 的数据值与输入相同可看出，完成了串行数据向并行数据 的转换且数据校验正确。在具体试验时，输出数据值可以通过q u a r h l si i 软件自带的逻 辑分析仪( s i g n a j t a pi i ) 观察。 3 2 与合并单元接口的接收模块设计 合并单元与合并单元间的数据通信遵循i e c6 0 0 4 4 标准，以f t 3 帧格式组帧，每1 6 个字节产生2 个字节的循环冗余校验码，采用曼彻斯特编码方式进行传输。因此与合并 单元接口的数据接收模块相比较于前面介绍的需要多完成一个曼彻斯特解码功能。其功 能模型图、软件流程图分别如图3 5 、图3 6 所示。 数据接收模块2 c r c 网 鬃 。厂三 7 l 篮 采 f t 3 l 一 。i 数i 集 格式 l7 i 理十 器 串行 数据 c r c j 流 授验 正确 图3 5 与合并单元接口的数据接收模块的功能模型图 1 5 东南大学硕士学位论文 图3 6 与合并单元接口的数据接收模块的软件流程图 曼彻斯特解码与曼彻斯特编码正好相反，实现曼彻斯特解码时，可以使用数字锁相 环( d p l l ) 提取时钟信号，并利用该时钟从曼彻斯特码中恢复二进制数据，也可以利 用恢复出编码时钟的方法来完成【引。根据i e c6 0 0 4 4 标准规定的曼彻斯特编码原则，不 归零码编为曼彻斯特码后，“1 ”变为“0 1 ”，而“0 ”变为“1 0 ”，所以可以在判断出每 个原码编码成曼彻斯特码后的基准脉冲的基础上，对原码的前半部进行采样，由多次采 样值的结果来对曼彻斯特码进行解码，解码流程如图3 7 。 图3 - 7 曼彻斯特解码流程图 根据以上方法设计了与合并单元接口的数据接收模块，信号定义与图3 - 4 基本相同， 1 6 第3 章数据同步接收模块设计 这里为了观察方便，将帧的字节数减少为8 个，起始字符不变仍为0 5 h ，6 4 h 。其功能 仿真图见图3 8 。 0 5 h6 4 h 6 6 h7 7 h 8 8 h 9 9 ha a h 6 7 h 。空闲状态”( 从9 9 ) m ( 9 6 9 a ) m( 9 6 9 6 ) m( 9 5 9 5 ) m( 6 a 6 a ) m ( 6 9 6 9 j m ( 6 6 6 6 ) m( 9 6 9 5 ) m h a _ t - 8 l m “ 删h 轴3m l 扣i oo 柚1 日0o * 蓦 j u uuuu u u uu juuju uuu uu u uu u lu uuu uu u uuu u uu uuu u uu u uuuu u uu uu uu u uuu uu u lu uu u uu uu 等i_ l d k 1 n 几nnn n nnn1 f nn nn n nn nn 九nn n n n nn 几n 九n n n n 几九n n nn nn n nn n n nn 几nn nn 几nn nn 九1n nn n n n nn 八nn nn n n nn n n 八n nn n nn rn n nn n n 甏 田“t _ 帕uy 可 田“l _ 幢 x 硒 | 警i 田h l t 口 i 圈h t l “ i 竹 i 兰笔 固t l - 懵 y 糖 固“k t 幛 x 帕 i 篓； 曰山t 柙t f x “ 图3 8 与合并单元接口的数据接收模块功能仿真图 从图中可看出，输入数据为曼彻斯特码，为a a 9 9 、9 6 9 a 、9 6 9 6 、9 5 9 5 、6 a 6 a 、 6 9 6 9 、6 6 6 6 、9 6 9 5 ，对应为1 6 进制码为0 5 h 、6 4 h 、6 6 h 、7 7 h 、8 8 h 、9 9 h 、a a h 、6 7 h ， 其中6 7 h 为前面7 个数据经c r c 8 校验电路后生成的校验码，从输出信号i n d i c a t o ro k = 1 及d a t ao u t l d a t ao u t 7 的数据值可看出，数据校验正确，完成了串行曼彻斯特码 向并行数据的转换。 3 3 同步方案 传统电磁式互感器输出为连续的模拟量，各路模拟量间基本同步，差别仅在于各个 互感器输出的角差不一致，而按照统一的互感器设计制造标准制造的互感器，输出角差 很小以致可以在实际工程应用中忽略不计。而光电互感器增加了模数转换与数字处理部 分，这就带来了数据同步的问题【1 1 j 。光电互感器的同步问题包含以下几个层面【l l 】： ( 1 ) 同一间隔内的各电压、电流量的同步。本间隔的有功功率、无功功率、功率 因数、电流电压相位、各序分量、线路电压与母线电压的同期等问题都依赖于对同步数 据的测量计算。i e c6 0 0 4 4 标准规定，每间隔最多可有1 2 路测量量经同一合并单