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4、A数字化变电站合并单元设计与仿真作 者 张俊涛 完成日期 2015 -04-10 培养单位 四川大学 指导教师 曾成碧 副教授 企业教师 胡正 高工 工程领域 软件工程 授予学位日期 基于FPGA数字化变电站合并单元设计与仿真软件工程 领域研究生 张俊涛 指导老师 曾成碧随着智能电网技术的迅速发展和推广，一些数字化设备、智能化设备相继出现并应用于实际电网工程中。伴随着电子式互感器的研发与应用，加快了数字化、智能化变电站建设的脚步。而本文主要是针对数字化、智能化变电站电子式互感器重要接口合并单元的研究与设计。合并单元的研制不仅能简化二次设备的设计，而且还能够实现数据的无缝连接和共享。本文首先描述
5、了变电站技术的发展历程，主要包括集中式变电站自动化系统、分散式变电站自动化系统、集中和分散结合式自动化系统、数字化变电站、智能化变电站等阶段。特别的，IEC61850国际电力系统通信标准的颁布，奠定了数字化变电站、智能化变电站发展的基础。对于数字化、智能化变电站的技术方案，不同的电压等级，电子式互感器和合并单元的配置原则有所不同。结合国家电网公司推荐的数字化变电站过程层网络结构，即GOOSE组网、SV点对点方式，分析了合并单元的接口。通过比较几种合并单元实现的几种硬件方案，本文给了以FPGA作为核心硬件的方案，并且在此基础上研究了合并单元的软件功能，按功能模块可划分为数据采集模块、数据处理模块
6、和数据发送模块。数据同步技术是合并单元关键技术之一，数据同步包括：电子互感器同步，大多数的二次设备需要采集多个信号量，这就要求对应同一个合并单元的电子互感器采样同步；不同变电站也要求相同的时间基准，完成站间同步。而在数据重采样时，不免带来数字信号混叠，为此采用匹配的一个数字滤波器。最后，讨论了合并单元相位补偿技术，主要包含两方面，一是电子式互感器本身原理引起的，一是合并单元解码、滤波器等数据处理带来的时延。针对合并单元软件设计的三大模块，本文基于FPGA给出了详细的设计。数据采集模块，既能采集常规互感器的模拟信号又能采集电子式互感器的数字信号或者小信号，主要包括采集模块中FT3解析、1PPS有
7、效性判断、线性插值、FIFO和A/D控制模块等子模块。数据处理模块和发送模块，充分利用FPGA快速数据处理的能力和丰富资源设计，主要完成数字滤波器原理、相位补偿算法（包括数字积分器和短数据窗移相算法）、以太网控制器模块等。最后，通过Xilinx ISE13.1、Matlab等软件对合并单元三大模块进行了功能仿真，结果表明本文设计的三个模块都能实现其功能，并能满足数字化变电站合并单元的要求，是一种可行的合并单元设计方案，具有一定的工程实用价值。关键词：智能化设备；数字化变电站；接口；过程层网络；硬件方案；同步技术；相位补偿；以太网The Design And Simulation of the
8、Merging Unit in Digital Substation Based on FPGASoftware EngineeringGraduate Student： Zhang JunTao Adviser: ZengChengBiWith the rapid development and promotion of smart grid technology, digital devices and intelligent devices are widely applied to practical smart grid projects.The digital technologi
9、es such as the electronic transformer technology become more and more mature that speed up the digitalization and intelligent substation.Therefore,the research and design of MU of digital traction substation is of great importance.Development of MU simplifies the design of secondary devices and also
10、 can seamlessly connect and share data.First of all,the paper reviews the development of substation technology,from centralized substation automation systems,distributed substation automation systems,combining centralized and decentralized automation systems,digital substation to intelligent substat
11、ion.In particular,published international standards of IEC61850,lay the foundation the digital substation and intelligent substation.For digital,intelligent substation technical configuration,different voltage levels,configuration of electronic transformer and merging unit is different.Combine digit
12、al substation process layer network architecture that is GOOSE networking,SV-point mode that is recommended in power system,and then,analyse the the interface of MU.By comparing several hardware solutions to achieve MU,the paper gave the FPGA as the core of hardware.Last,the software features of MU
13、is clear,including data acquisition module,data processing module and data transmission module.Synchronization is one of the key technologies of MU,one is synchronization of electronic transformers,that most secondary equipment needs to gather more than semaphores,which requires a corresponding elec
14、tronic transformer with the MU of sampling synchronization,the other is also different substations require the same time to complete station synchronization.And when the data re-sample,which can not help bringing signal-mixing,therefore,that should add a digital filter.Finally, phase compensation te
15、chnology mainly consists of two aspects that one is the principle cause electronic transformer itself, the other is consolidated unit decodes, filters and other data processing caused by delay of MU is discussed. Three modules of software design of MU is gave a detailed design based on FPGA.Data acquisition module,which can capture both the conventional analog signal from conventional transformer and digital signal or a small signal from electronic transformer,including the
