（计算机应用技术专业论文）fpga在基于iec61850的ied实现中的应用与研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 i e c 确定以i e c 6 1 8 5 0 为基础，建立未来统一的电力系统无缝通信协议体系。本 文以该标准为基础，论述了变电站过程层的采样值传输方式、基本原理及具体的传 输模块，重点讨论了采样值传输模型的构建和映射、合并单元的功能组成、数字滤 波器及通道检测程序的设计等，并在线路保护和变压器保护中进行了相关的实验。 在本文中提出了一种利用f p g a 上的嵌入式处理器实现合并单元的方法。它利 用了x i l i n x 公司提供的m i c r o b l a z e 处理器内核，并且使用知识产权内核( i p ) 来实 现各功能模块，完成了合并单元同步、多路数据接收和处理以及以太网通讯等功能， 满足了电子式互感器数字接口高速、实时、可靠的要求。 关键词：电子式互感器，嵌入式处理器，知识产权核，可编程逻辑门阵列，合并单 兀 a b s t r a c t b a s e do ni e c 618 5 0 ，t h ef u t u r eu n i f o r ms e a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls y s t e mo ft h e p o w e rs y s t e ms h o u l db ec o n s t i t u t e d i ti sc o n f i r m e db yi e c b a s e do nt h es t a n d a r dt h e t r a n s m i s s i o nm e t h o do fs a m p l e dv a l u e so fs u b s t a t i o np r o c e s sl e v e l ，t h eb a s i cp r i n c i p l e a n dt h ec o n c r e t et r a n s m i s s i o nm o d u l ea r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n f i g u r a t i o n a n dm a p p i n go ft h es a m p e dv a l u et r a n s m i s s i o nm o d e l ，f u n c t i o nm o d e lo ft h em e r g i n g u n i t , a r em a i n l yd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t a t i o n sh a v eb e e nd o n e i nt h el i n ep r o t e c t i o na n dt h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n i no u rd e s i g nas c h e m eu s i n ge m b e d d e dp r o c e s s o ro nf p g ai sp r o p o s e d w et a k e t h em i c r o b l a z ep r o v i d e db yx i l i n xa se m b e d d e dp r o c e s s o ro fo u rd e s i g n ，a n dt h er e s to f t h ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，w h i c hw i l li m p l e m e n tt h ef u n c t i o n so fs y n c h r o n i z a t i o n ， a c q u i s i t i o no fm u l t i c h a n n e l sa n de t h e m e t , a r ei m p l e m e n t e du s i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y o f ) c o r e t h i sm e t h o dc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fh i g l l s p e e d ，r e a l - t i m ea n d r e l i a b i l i t yt oe l e c t r o n i ct r a n s d u c e r z h e n gl e ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yv i c e - p r o f l id o n g j i a n g k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s d u c e be m b e d d e dp r o c e s s o r , i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y m e r g i n gu n i t i 一 华北电力大学硕士学位论文 摘要 i e c 确定以i e c 6 1 8 5 0 为基础，建立未来统一的电力系统无缝通信协议体系。本 文以该标准为基础，论述了变电站过程层的采样值传输方式、基本原理及具体的传 输模块，重点讨论了采样值传输模型的构建和映射、合并单元的功能组成、数字滤 波器及通道检测程序的设计等，并在线路保护和变压器保护中进行了相关的实验。 在本文中提出了一种利用f p g a 上的嵌入式处理器实现合并单元的方法。它利 用了x i l i n x 公司提供的m i c r o b l a z e 处理器内核，并且使用知识产权内核( i p ) 来实 现各功能模块，完成了合并单元同步、多路数据接收和处理以及以太网通讯等功能， 满足了电子式互感器数字接口高速、实时、可靠的要求。 关键词：电子式互感器，嵌入式处理器，知识产权核，可编程逻辑门阵列，合并单 兀 a b s t r a c t b a s e do ni e c 618 5 0 ，t h ef u t u r eu n i f o r ms e a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls y s t e mo ft h e p o w e rs y s t e ms h o u l db ec o n s t i t u t e d i ti sc o n f i r m e db yi e c b a s e do nt h es t a n d a r dt h e t r a n s m i s s i o nm e t h o do fs a m p l e dv a l u e so fs u b s t a t i o np r o c e s sl e v e l ，t h eb a s i cp r i n c i p l e a n dt h ec o n c r e t et r a n s m i s s i o nm o d u l ea r ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n f i g u r a t i o n a n dm a p p i n go ft h es a m p e dv a l u et r a n s m i s s i o nm o d e l ，f u n c t i o nm o d e lo ft h em e r g i n g u n i t , a r em a i n l yd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ec o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t a t i o n sh a v eb e e nd o n e i nt h el i n ep r o t e c t i o na n dt h et r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n i no u rd e s i g nas c h e m eu s i n ge m b e d d e dp r o c e s s o ro nf p g ai sp r o p o s e d w et a k e t h em i c r o b l a z ep r o v i d e db yx i l i n xa se m b e d d e dp r o c e s s o ro fo u rd e s i g n ，a n dt h er e s to f t h ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，w h i c hw i l li m p l e m e n tt h ef u n c t i o n so fs y n c h r o n i z a t i o n ， a c q u i s i t i o no fm u l t i c h a n n e l sa n de t h e m e t , a r ei m p l e m e n t e du s i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t y o f ) c o r e t h i sm e t h o dc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so fh i g l l s p e e d ，r e a l - t i m ea n d r e l i a b i l i t yt oe l e c t r o n i ct r a n s d u c e r z h e n gl e ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yv i c e - p r o f l id o n g j i a n g k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s d u c e be m b e d d e dp r o c e s s o r , i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y m e r g i n gu n i t i 一 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( f p g a 在基于i e c 6 1 8 5 0 的i e d 实现中的应用与研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：数日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：毖导师签名：奎垒兰三 如暑、f ， 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的背景 第一章绪论 变电站继电保护故障信息处理系统已成为国内目前研究的重要课题。随着电力 系统的发展，数字式继电保护和故障录波器的应用日益普及，但在配置上还是着重 于保护功能本身，在数据共享及分析方面考虑较少。当电网发生故障时，缺乏有效 的手段将保护的动作情况及故障信息主动上送到调度中心，对故障测距、阻抗分析、 保护动作统计等功能的实现均停留在较低的水平。如何有效地利用数字式继电保护 和故障录波器提供的故障信息，提高故障分析能力，加快故障处理速度，避免事故 扩大，减小故障损失，是摆在各级调度部门面前的一个重大课题。电网继电保护及 故障信息处理系统的提出，就是为了提高电网安全运行的调度系统信息化、智能化 水平，在电网发生故障时提供实时故障信息，有效地快速恢复系统。 i e c 6 1 8 5 0 是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信国际标准体系，它明确 提出了信息分层，实现了系统的配置管理、面向对象、采用映射的方法以及针对具 体网络独立数据对象统一建模的技术，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要 求，因此对故障信息处理系统软件的开发有着重要的指导作用。 本论文重点讨论其底层硬件部分的实现。是以上一系列技术的实现的基础以及 硬件上的保证。而嵌入式技术作为实现硬件平台良好技术。也是随之成为了本文重 点讨论的部分。嵌入式系统随着数字信息技术和网络技术的高速发展，在过去的十 多年里，成为当前i t 产业的焦点之一。和通用的计算平台相比，嵌入式系统往往具 有功能单一、体积小、功耗低、可靠性高、裁减性好、软硬件集成度高、计算能力 相对较低等特点。 1 2 目的和意义 i e c 6 1 8 5 0 作为迄今为止最为完善的变电站通信网络和系统系列标准。在美国电 力科学研究院制定的u c a 2 0 相关部分的基础上，采用面向对象建模、独立于具体 通信网络的抽象通信服务接口( a c s i ) 、基于可扩展标记语言( x m l ) 等新技术， 规范了变电站自动化系统的通信网络和系统，实现了变电站自动化系统中来自不同 厂家设备的互操作。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用 于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四 一1 一 华北电力大学硕士学位论文 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统的这些 优点决定了嵌入式应用在实现i e c 6 1 8 5 0 过程中的优势。 1 3 论文的研究方法及主要工作 本课题主要研究以下几方面的内容： 1 研究基于f p g a 的硬件系统，设计基于f p g a 嵌入式系统的体系结构。 在基于x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 开发套件的基础上，进行硬件设计并仿真。在理 解其设计原理及实现功能的基础上，结合本题目对其进行必要的扩展。 2 深入学习i e c 6 1 8 5 0 的相关知识。 掌握i e c 6 1 8 5 0 协议族的体系结构，明确其层次划分和协议特点。并根据本课 题的应用范围，对其进行裁减和扩充。 3 基于f p g a 的i p 核的应用。 在f p g a 中可以运用成熟的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 核，来构建本 系统的基本功能模块。提高开发效率，加快开发时间。 4 了解i e d 的功能及应用，掌握基于i e c 6 1 8 5 0 中i e d 的实现方法。 变电站自动化系统的设备统称为智能电子设备( 1 e d ) 。i e c 6 1 8 5 0 协议对智能 电子设备( i e d ) 的定义：由一个或多个处理器组成，从外部源接收和传送数据或 控制外部源的任何设备( 即电子多功能仪表、微机保护、控制器) 。是能在特定环 境下在接口所限定范围内能够执行一个或多个逻辑节点任务的实体。 5 在i e c 6 1 8 5 0 中基于f p g a 的同步采样传输模块的实现。 在i e c 6 1 8 5 0 中采用应用和通信分离的方法。所以同步采样传输模块是在通信 过程中非常重要的部分。本文重在研究如何同步采样并在各站之间传输信息。重点 是实现合并单元( m e r g i n gu n i t ，m u ) 。 6 在f p g a 的c p u 核的基础上用软件和硬件分别实现同步传输。 在拥有了c p u 核的基础上分别用软件和硬件实现传输。以对软硬件分别实现同 步传输的效果进行比较并分析。 一2 一 华北电力大学硕士学位论文 第二章基于le c 6 18 5 0 的电子式互感器和合并单元 2 1 电子式互感器简介 关于电子式互感器，国际电工委员会已经制定了相应的国际标准：i e c6 0 0 4 4 7 ( 电子式电压互感器) ，i e c6 0 0 4 4 8 ( 电子式电流互感器) 。互感器标准中提到： 电子式互感器是指一种由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压 传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制 装置【1 1 。 i e c6 0 0 4 4 8 所规定的电子式互感器通用结构图如图2 1 。根据国内电力系统的 现状，标准规定电子式互感器的模拟输出接口可适当保留，以适应现有的仪器设备。 图2 一li e c 6 0 0 4 4 - 8 中的电子式互感器结构图 其基本原理是将一次侧高电压、大电流转变成方便传输的信号，般为数字信 号或频率变换信号，经传输系统送到二次侧，在二次侧作一定的处理后，可以以模 拟量形式或数字量形式输出，供测量和保护用【l 】。一次侧的电流互感器可采用光学 元件，也可以采用空心线圈或负荷固定连接的铁芯线圈作为电流互感器。一次电压 互感器可采用光学元件，或采用精密电阻或电容分压器。二次变换器的任务是将信 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，供测量 和保护用。根据实际需要，二次变换器可以在现场完成，也可以将信号传输到控制 室后，在控制室完成。 一3 一 华北电力大学硕士学位论文 2 2ie c 6 18 5 0 简介 i e c 6 1 8 5 0 是国际电工委员会第5 7 技术委员会第1 0 ，1 1 ，1 2 工作组制定的关于 变电站自动化系统通信网络和系统的标准。制定i e c 6 1 8 5 0 的目的是想实现不同厂 商产品之间的互操作性。为此，该协议采用自顶向下的方式对变电站自动化系统进 行系统分层、功能定义和对象建模，并对一致性检测作了详细的定义。i e c 6 1 8 5 0 包 括面向对象的标准、通信网络性能要求、接口和映射、系统和项目管理、一致性测 试等多方面详细内容。具体内容如下： i e c 6 1 8 5 0 1 ：概论。 即i e c 6 1 8 5 0 标准概述，包括适用范围和目的，定义了变电站内i e d 之间的通 信和相关系统要求，并论述了制定了一个适用标准的途径和如何对待通信技术革新 等问题。 i e c 6 1 8 5 0 2 ：术语。 给出了i e c 6 1 8 5 0 文档中涉及的关于变电站综合自动化系统特定术语及其定义。 i e c 6 1 8 5 0 3 - 总体要求。 详细说明系统通信网络的总体要求，重点是质量要求( 可靠性、可用性、可维 护性、安全性、数据完整性以及总的网络要求) ，还涉及了环境条件( 湿度、温度、 大气压力、机械震动、电磁干扰等) 和供电要求的指导方针，并根据其他标准和规 范对相关的特定要求提出了建议。 i e c 6 1 8 5 0 4 ：系统和项目管理。 描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验所用的支持工具的要 求。主要包括：工程过程以及支持工具，整个系统以及i e d 的生命周期，系统生命 期内的质量保证供三个方面。 i e c 6 1 8 5 0 5 ：对功能和设备的通信要求。 规范了变电站自动化系统所完成功能的通信要求和装置模型。为了区分技术服 务和变电站之间以及变电站内i e d 之间的通信要求而对功能进行描述；为支持功能 自由分配要求，将功能适当分解为相互通信的几个部分，给出其交换数据和性能要 求：对典型变电站配置，上述规定可以通过数据流的安排加以补充。 i e c 6 1 8 5 0 6 ：与变电站相关的l e d 的通信配置描述语言。 规定了描述通信有关的i e d 配置和参数、通信系统配置、开关间隔结构以及它 们之间关系的文件格式，目的是在不同制造商的i e d 管理工具和系统管理工具间， 以某种兼容的方式交换i e d 性能描述和变电站自动化系统描述。 i e c 6 1 8 5 0 7 ：变电站和馈线设备的基本通信结构。 是变电站设备之间协调工作和通信的体系概述。共分为四各部分： 一4 一 华北电力大学硕士学位论文 i e c 6 1 8 5 0 7 1 ：原理与模型。 提供了有关基本建模和描述方法的信息，解释i e c 6 1 8 5 0 7 4 、i e c 6 1 8 5 0 7 3 、 i e c 6 1 8 5 0 - 7 - 2 和i e c 6 1 8 5 0 5 之间的详细要求，以及i e c 6 1 8 5 0 7 2 的抽象服务和模 型如何映射到i e c 6 1 8 5 0 8 1 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 中具体的通信协议。 i e c 6 18 5 0 7 2 ：抽象通信接口( a c s i ) 。 主要是从三方面进行描述：可以通过通信网络访问的全部信息分层类模型；对 这些类进行操作的服务：和每个服务相关的参数。 i e c 6 1 8 5 0 7 3 ：公共数据分类和属性。 定义了和变电站应用有关的公共属性类型和公共数据类，这些公共数据类用于 本系列标准的i e c 6 1 8 5 0 7 4 部分。 i e c 6 1 8 5 0 7 4 ：兼容逻辑结点类和数据类。 规定了l e d 之间通信用的兼容逻辑结点名和数据名，这是i e c 6 1 8 5 0 7 2 中介绍 的类模型的一部分，所定义的名称用于建立分层对象引用，供i e d 之间通信用。 i e c 6 1 8 5 0 8 - 特殊的通信服务映射( s c s m ) 映射到制造报文规范( m m s ) 。 说明了在局域网交换实时数据的方法，将a c s i 映射m m s 的服务和协议，主要 是用于变电站层到间隔层间的映射。 i e c 6 1 8 5 0 9 ：特殊的通信系统映射( s c s m ) 传输采样测量值。规定了间隔层 和过程层之间的映射。 i e c 6 1 8 5 0 1 0 ：功能测试、一致性测试。 规定了变电站自动化系统和设备通信方面的一致性测试方法，还给出了设置测 试环境的准则和规定了互操作性的等级圈。 2 3 基于le c 6 18 5 0 的i 印的定义和研究 输电线路保护i e d 作为变电站内主要的间隔层设备，它的正确运行直接关系到 输电的安全可靠性，尤其在长距离高压输电中，甚至影响到电网的安全稳定性。 2 3 1i e c 6 1 8 5 0 的线路保护i 印的定义 首先介绍几个i e c 6 1 8 5 0 中关于变电站内变电站对象的定义： 1 变电站：标识整个变电站对象。 2 电压层：具有同一电压的可标识变电站部分。 3 间隔：某一电压等级内开关场的一个可标识部分或子功能。 变压器是一个间隔。间隔可以完整含有一个电压等级，或更可能超出一个电压 等级，即在一个电压等级内，用空说明字符串，不规定电压乜1 。 一5 一 华北电力大学硕士学位论文 4 i e d ：一个或多个处理器协调工作的任何设备具有从或者到一个外部源接受 和发送数据控制( 例如多功能表计，数字继电保护，控制器) 的能力口1 。 2 3 2i e 0 6 1 8 5 0 的线路保护l 印的框架 根据i e c 6 1 8 5 0 对变电站内各自动化功能的分层和对象建模的思想，输电线路 保护i e d 中的各功能都可以用相应的逻辑节点表示出来。 图2 2 为各逻辑节点在i e d 中的分布、i e d 中各逻辑节点的交互以及本地i e d 与其它i e d 之间的交互的示意图。本地i e d 中的逻辑节点互相协作完成本地的自动 化功能，同时，本地i e d 中的逻辑节点还与其它i e d 进行通信，完成诸如上送事件 报告、执行站层控制指令或者与间隔中其它i e d 共享某个逻辑节点的数据和功能等。 i e d 之间采用c s ( c l i n e t s e r v e r ，客户服务器) 通信模式进行通信。每个i e d 既充 当客户，又是服务器。 图2 - 2 中输电线路保护i e d 过程层逻辑节点( t c t r 、t v t r 、x c b r 等) 是输 电线路一次设备在物理装置中的映象。t c t r 、t v t r 位于合并单元( m u ，m e r g i n g u n i t ) 中。合并单元是针对与数字化输出的电子式互感器连接而在i e c 6 0 0 4 4 8 中首 次定义的，主要的功能是同步功能( 从外部获取统一的高精度同步时钟源和给多路 a d 发送同步采集命令) 、多路数据采集处理功能、串口发送功能。合并单元i e d 从电流互感器和电压互感器获取模拟信号后将其本地数字化，打上时间和有效性标 签后以串行通信的方式( 如以太网) 送往间隔层i e d 。过程层合并单元向i e d 发送 采样值采用p s ( 发布定购) 的通信模式。 输电线路保护i e d 中的保护及其辅助逻辑节点收到过程层送来的电压和电流采 样值数据，进行计算和逻辑判断后，将事件信息发送至各相关节点。 线路保护i e d 移，| ：i j 。? 1 、 。? i 。锄 合并单元 鬟 。| 驾 猡砺 i t t c t ri j 。并i = 隧耶 其 他 i e d ? ； 缸- 盏蓍 图2 2 线路保护i e d 逻辑节点示意图 一6 一 华北电力大学硕士学位论文 2 4 基于i e c 6 18 5 0 的合并单元 近年来，电子式电流、电压互感器的研究发展迅速，具有无饱和、频带响应宽 等诸多优点，要推动电子式互感器的实际应用，必须解决其与保护的接口问题。实 现e c t e v t 与保护设备的接口主要有2 种方式：方式l 是将其输出的数字信号重新 转换为低压模拟量，此时保护设备无需改动，其a d 转换器依旧保留；方式2 是其 输出直接与带数字式接口的保护设备相连，此时保护设备上的隔离变压器和a d 转 换器均可省略。无论从系统可靠性还是技术发展角度考虑，方式2 更具优势和革新 意义，它将真正实现采样值在过程总线上的数字化传输【4 】【5 1 。 i e c 已经制定了若干相关国际标准，如i e c 6 0 0 4 4 7 8 和i e c 6 1 8 5 0 9 1 等等，这 些标准均详细定义和描述了接口的重要组成部分合并单元( m e r g i n gu n i t ) 【6 】， 并严格规范了它与保护、测控设备的接口方式。合并单元的主要功能是同步采集三 相电流和电压输出的数字信息并汇总按照一定的格式输出给二次保护控制设备。 2 5le c 6 18 5 0 - 9 - 1 中定义的合并单元 在i e c 6 0 0 4 4 7 8 中首次给出了合并单元的定义。合并单元是针对数字化输出的 电子式互感器而定义的，它采集的1 2 路电流、电压信息均有明确定义，用于测量 和保护的电流分别给出，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、控制设备。标准并未规定合并单元必须接1 2 路电流、电压传感器，没有用 上的电流、电压信息须提供相应的标志位，这些标志位也在合并单元发送给二次设 备的数据帧里。帧内容中除了有多路电流、电压采样值信息外，还有一些标志采样 值是否有效的状态信息、同步信息和设备维修信息等。 在i e c 6 1 8 5 0 9 1 中定义的合并单元很大程度参考了i e c 6 0 0 4 4 7 8 ，包括合并单 元的同步 7 1 。在图2 3 中，合并单元与二次保护测控设备的接口是串行单向多路点 对点连接。合并单元发送给保护、测控设备的报文里主要包括了各路电流、电压量 及其有效性标志，此外还添加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信 息。在与二次保护控制设备的通信网络上，i e c 6 1 8 5 0 9 1 采用了目前占主流地位的 以太网。 可以看出，合并单元是上述两个标准都共同强调的电子式互感器与二次设备接 口的重要组成部分。 一7 一 华北电力大学硕士学位论文 钡量e c t a 的s c 钡量e c t b 的s c 汉0 量e c t c 的s c 保护e c t a f i c js c 保护e c t b 的s c 保护e c t c 的s c 中性点e c t f i e j s c e c t a 的s c e c t b 冉臼s c e c t c 的s c 中性点e v t 的s c 母线e v t 的s c 合并单元 以太网输出 时钟输入电源输入 图2 - 3 合并单元示意图 2 6ie c 6 18 5 0 中合并单元的分析 实现e c t e v t 的数字接口，目前可以实行的方案是遵循i e c 6 1 8 5 0 9 1 。它将 过程总线上采样值数据通信纳入到了整个规约的信息模型规定之中。该标准规范了 e c t e v t 数字化输出接口的重要组成部分合并单元。以下从合并单元与二次设 备接口通信的角度，对该标准进行分析。 1 物理层 在i e c 6 1 8 5 0 9 1 中，合并单元到二次设备的连接介质可以选择光纤或双绞线， 数据报文通过以太网传输，速度大小为1 0 m 或1 0 0 m ，与采样率高低有关。一般情 况下，报文固定长度为1 0 3 个字节，考虑以太网帧间隙( 9 6 位) 位和帧前导位( 8 字节) 等，其字节数为1 2 3 ，故报文长度是1 2 3 x 8 = 9 8 4 位。以5 0 h z 工频，每周波 2 4 点采样为例，报文传输速度可选择l o m 以太网【7 】【引。 2 链路层 i e c 6 1 8 5 0 9 1 采用了i s o i e c 8 8 0 2 3 和i e e e s 0 2 1 q 。其中，i s o i e c 8 8 0 2 3 规 定了以太网的帧结构，包括前同步信号、起始帧界定符、目的地址、源地址、长度 字段、数据字段和帧校验序列字段等。i e e e s 0 2 1 q 要求报文的源地址和长度字段之 间增添4 个字节的优先级标签和虚拟局域网信息【8 】。 一8 一 华北电力大学硕士学位论文 3 应用层 i e c 6 1 8 5 0 9 - 1 定义的数据帧不仅包括了线路状态等数据内容，而且还反映开关 状态的二进制输入信息和时间标签信息。对于采样值同步的实现，i e c 6 1 8 5 0 9 1 只 支持时钟同步法【8 】。 对于合并单元与二次变换器之间的接口，i e c 6 1 8 5 0 9 1 未明确规范，由生产商 自定义。 一9 一 华北电力大学硕士学位论文 第三章e d a 技术及f p g a 设计与应用 3 1e d a 技术简介 e d a 是9 0 年代初从c a d ( 计算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、 c a t ( 计算机辅助测试) 和c a e ( 计算机辅助工程) 的概念发展而来的。e d a 技术 是以计算机为工具，在软件平台上对以硬件描述语言h d l 为系统逻辑描述手段完 成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合和优化、逻辑布 局布线、逻辑仿真，直至完成特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载工作。 设计者利用硬件描述语言来完成对系统硬件功能的描述，在e d a 工具帮助下就可 以得到最后的设计结果【s j p j 。 现代的e d a 工具软件以最终实现可靠的硬件系统为目标，配备了系统设计自动 化的全部工具，如常用的硬件描述语言平台v h d l 、v e r i l o g 等，同时配置了多种能 兼用和混合使用的逻辑描述输入工具，如硬件描述语言输入法以及原理图输入法 等，还配置了高性能的逻辑综合、优化和仿真模拟工具。 3 2 硬件描述语言概要 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是一种形式化方法来描述 数字电路和系统的语言。数字电路系统的设计者利用这种语言可以从上层到下层从 抽象到具体，逐层的描述自己的思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数 字系统。然后利用e d a 工具逐层进行仿真验证，再把其中需要变为具体物理电路 的模块组合经综合工具转换成门电路网表。接下去用专用集成电路或现场可编程门 列阵自动布局布线工具把网表文件转换成具体的电路布线结构的实现。在制成物理 器件前，还可以用v e f i l o gh d l 的门级模型来代替基本元件。因其逻辑功能和延时 特性与真实的物理元件完全一致，所以在仿真工具的支持下能验证复杂数字系统的 物理结构的正确性，可以极大的提高流片成功率。目前这种称之为高层次设计的方 法已经被广泛采用0 0 1 。 硬件描述语言的发展至今已有2 0 多年的历史，并成功的应用于设计的各个阶 段：建模、仿真、验证和综合等。到2 0 世纪8 0 年代已出现了许多种硬件描述语言， 它们对设计自动化曾起到了极大的促进和推动作用。但是这些语言一般各自面向特 定的设计领域与层次，且众多的语言使用户无所适从，因此急需一种面向设计的多 一1 0 一 华北电力大学硕士学位论文 领域多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。进入2 0 世纪8 0 年代后期，硬件 描述语言向着标准化的方向发展。最终v h d l 和v e r i l o gh d l 语言适应了这种趋势 的发展，先后成为i e e e 标准。 硬件描述语言用于自动综合只有1 0 多年的历史，最近七八年来，用综合工具把 可综合风格的h d l 模块转换成具体电路发展十分迅速，大大提高了复杂数字系统 的设计生产率。在美国和日本等先进的电子工业国，v e r i l o gh d l 语言己成为设计 数字系统的基础。 在美国，高层次的数字系统设计领域中应用v e r i l o g 和v h d l 的比率是8 0 和 2 0 ，日本和台湾与美国的情况相同；在中国大陆国内大多数的集成电路设计公司 都采用v e r i l o g 。v e r i l o gh d l 是专门为复杂的数字系统的设计和仿真而开发的，本 身就非常适合复杂数字逻辑电路和系统的仿真和综合【l o 】。由于v e r i l o g 在其门级的 描述的底层，也就是在晶体管开关的描述方面比v h d l 有更强的功能，所以即使是 v h d l 的设计环境，在底层实际上也是由v e r i l o g h d l 所描述的器件库支持的。1 9 9 8 年通过的v e r i l o gh d l 新标准，使其不仅仅支持数字逻辑电路的描述，也支持模拟 信号的描述，因此在混合信号的电路系统中，它的应用前景更加广泛。随着v e r i l o g i e e e l 3 6 4 2 0 0 1 标准的公布，使得v e r i l o g 在综合和仿真性能方面都有大幅度的提高， 更加拓宽了v e r i l o g 的发展前景【l o l 。 v e r i l o g 较为适合算法级、寄存器传输级、逻辑级、门级和电路开关级的设计。 采用v e r i l o gh d l 输入法时，由于v e r i l o gh d l 的标准化，可以很容易地把完成的 设计移植到不同厂商的不同芯片中去，并在不同规模应用时可以较容易地对它进行 修改，来适应不同规模的应用。在仿真验证时，仿真测试矢量还可以用同一种描述 语言来完成，而且还因为采用v e d l o gh d l 综合器生成的数字逻辑是一种标准的电 子设计互换格式( e d i f ) 文件，独立于所采用的实现工艺。有关工艺参数的描述可 以通过v e r i l o gh d l 提供的属性包括进去，然后利用不同厂商的布局布线工具，在 不同工艺的芯片上实现。 3 3f p g a 的结构特点 f p g a 一般由三种可编程逻辑电路和一个用于存放编程数据的s r a m 组成，这 三种可编程逻辑电路是：可编程逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l et ，0 9 i eb l o c k ) 、输, k 输 出模块i o b ( g ob l o c k ) 和互连资源i r ( i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e ) ，其基本结构参照 图3 一l 。 。 华北电力大学硕士学位论文 可 图3 1f p g a 结构图 模块 f p g a 的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时这些配置数据存放在片内的 s r a m 或熔丝图上。基于s r a m 的f p g a 器件，在工作前需要从芯片外部加载配置 数据，配置数据可以存放在片外的e p r o m 或其它存储体上。用户可以控制加载过 程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场编程。x i l i n x 的f p g a 基于查找表 ( l o o k u pt a b l e ) 结构，它的寄存器资源比较丰富，适合做同步时序电路较多的设 计。 3 4f p g a 的设计步骤 可编程逻辑器件的设计是指利用开发软件和编程工具对器件进行开发的过程 一个完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、设计验证( 功能仿真、综合、综 合后仿真) 和设计实现( 布局布线、布线后仿真、下板调试) 三个部分，其完整的 设计流程如图3 2 。 一1 2 一 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 2f p g a 设计流程图 一1 3 华北电力大学硕士学位论文 第四章基于f p g a 的数据采集l 印的设计与实现 4 1 硬件平台 系统硬件平台使用的是x i l i n x 的s p a r t a n 3 系列的f p g a ，型号为x c 3 s 1 5 0 0 4 f g 6 7 6 ，拥有1 5 万个逻辑门，1 2 v 的系统电压，将最高级的嵌入式模块和分布式r a m 结合在一起，拥有多达7 8 4 个i o e i 。将逻辑、存储器、数学运算、处理器、i o 以及 系统管理资源完美结合起来，支持范围广泛的应用。在此基础上，利用可编程逻辑 器件中的外设、存储器和逻辑资源快速创建低成本可定制的处理器，同时可编程逻 辑器件还可使设计适应不断变化的要求( 甚至产品安装在现场后) 。因此设计出的 产品将被快速的推向市场，而且此类产品在市场上生存的时间也会更长。 开发平台采用的是m e m e c 公司x i i l n xs p a r t a n 3m b 系列的开发板。它包括了如 上所述的f p g a 芯片，还拥有诸如存储、i o 、时钟等模块。也包括为以太网服务订 制的辅助芯片和用于扩展的接口，有利于开发【】。 图4 1 为经过配置和连接后的能够满足此次设计需要的x i i l n xs p a r t a n 3m b 系列 的开发板的结构连接示意图。中间的很多模块是开发板固定的，而其他的一些元件 需要进行连接而且要进行配置。 这些模块都有各自不同的用途。在本设计中时钟模块和存储部分的模块以及用 于调试和下载的的p l a t f o r i l lf l a s hi s pp r o m 部分等都是开发板集成的f p g a 运行所 必须的。d i p 和l v d sr x 模块主要用来进行控制命令和采集信号的输入。以太网模 块、l e d 和l c d 模块则是输出模块。同时这些模块都是用标准的模块结构连接到 f p g a 上的。 在图4 一l 中，除了一些已经由开发板自行连接的元件外，还需要将一些元件按 照制定的方法或者按照设计的要求进行连接。例如本论文中主要涉及到的l v d sr x 的接口需要在开发界面中进行配置。也就是要将f p g a 的引脚与接口进行连接。并且 在连接后将f p g a 内部的功能引脚与此接口的引脚号进行对应。 具体方法是要对开发环境中的用户约束文件( u c f 文件) 进行修改。以下是经 过修改过的用户约束文件的部分代码： n e t l v d s _ e l k _ _ p i nl o c = a d il ； n e tl v d sr s tp i nl o c = a 5 ； 槲s y s t e m l e v e lc o n s t r a i n t s n e ts y s =_clk 1 4 - 华北电力大学硕士学位论文 巴f l 蝴a s h ，二卜 q ；一j j 溉 b ；么。，。勿” ：j 7 蠹熙r 膏a 7 m 7 叼h 巾 q 鬣m n i 。0 t ， 一i ，；覆 匕，d d 聂n ，。一。7 i o 10 0 etherneq司伊phyf ? 。一一镌 蹴 。，爿、 k ；。”叫“弱 i 搿7 7 9 锡 2 xl 6 “c h a r a c t e r 习 l ，u s b 扣子巾 。i 磷a 飞，l c dp a n e l 。弱 匿7 r s 2 ，2 ，p o 簪r t 。：巾 s p a r t a n 一37 i f7 7 。：一二j 一、：，j 习 fpga 。k 。：。5 “。_ 。_ 一；。翻 卜p u s hs w i t c h o 一 3 sl5o o： f 铲”乞，：一“弼 ( fg 6 76 )