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基于IEC61850的数字化变电站计量装置研究与设计

作　者: 韩永军
导　师: 杨新华
学　校: 兰州理工大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 数字化变电站 IEC61850 以太网 SOPC NiosII
分类号: TM76
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着全国数字化变电站的改造与建设，遵循IEC61850标准体系的数字化变电站功能单元得到快速发展。数字化变电站中采用的计量装置不同于以往传统电站的计量装置，它作为变电站内的智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)，需要负责接收并处理通过光纤以太网传输的来自合并单元的电参量采样值数据。随着我国坚强智能电网建设的推进，对计量装置的开发也需要更加灵活的设计方法。本课题在研究了IEC61850标准的组成及其核心技术要素的基础上，首先完成了数字化变电站计量装置组网方案的设计，其次依据IEC61850标准对计量装置进行了信息模型的建立及过程层总线网络的采样值传输服务映射分析。对电压、电流等电参量的计算方法进行了研究，对相应的数字滤波器进行了设计并在Matlab环境下完成了算法的仿真验证。在完成上述理论研究工作的基础上，提出了一种采用可编程片上系统（System-on-a-Programmable-Chip，SOPC）技术的数字化变电站计量装置的设计方案。依据计量装置的工作流程，逐步完成了光纤以太网接口电路设计、协议解析部分的以太网通信帧编解码设计、DSP模块电量参数计量程序设计、基于NiosII的CPU系统设计等。为了对设计的以太网接口电路模块及协议解析功能进行验证，将数据通过以太网测试软件发送至NiosII软核，再通过NiosII IDE环境接收该数据，数据经过传递后保持了一致性，验证了模块及协议设计的正确性。系统控制CPU模块部分的接口驱动程序采用了IP核的方式进行设计，完成了串口通信、LCD显示两个驱动IP核。实验表明，采用FPGA进行设计的计量装置由于应用SOPC技术使得设计方案灵活多变，能够满足当前数字化变电站对计量装置实时性强的需要。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-9
插图索引  9-11
附表索引  11-12
第1章绪论  12-17
  1.1 课题选题背景及研究意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-15
  1.3 课题的研究内容和研究目标  15
    1.3.1 研究内容  15
    1.3.2 研究目标  15
  1.4 本文的结构  15-17
第2章计量装置通信模型与通信服务映射分析  17-31
  2.1 IEC61850 综述  17-19
    2.1.1 IEC61850 标准的概述  17-18
    2.1.2 IEC61850 标准的核心技术要素  18-19
  2.2 基于 IEC61850 的数字化变电站总线的组网方案  19-21
  2.3 基于 IEC61850 的数字化变电站计量装置的组网方案  21-22
  2.4 基于 IEC61850 的数字化计量装置的建模  22-24
    2.4.1 计量装置信息模型的建立  22-23
    2.4.2 逻辑节点数据模型的建立  23-24
  2.5 基于 IEC61850 计量装置模型的仿真  24-25
  2.6 过程层总线网络的采样值传输服务映射  25-30
  2.7 本章小结  30-31
第3章基于 FPGA 的电量参数算法设计  31-40
  3.1 有效值的测量  31-32
  3.2 有功功率的计算  32-34
    3.2.1 有功功率的计算  32-33
    3.2.2 低通滤波器的设计  33-34
  3.3 无功功率的计算  34-39
    3.3.1 无功功率的计算  34-35
    3.3.2 Hilbert 变换测量算法  35-36
    3.3.3 FIR 型 Hilbert 数字滤波器的设计  36-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章 SOPC 系统硬件设计  40-55
  4.1 计量装置整体设计  40-41
    4.1.1 光纤以太网接口电路功能及实现  40-41
    4.1.2 协议解析单元模块功能  41
    4.1.3 数字信号处理模块功能  41
    4.1.4 系统控制 CPU 模块功能  41
  4.2 计量装置的主要性能指标  41-42
  4.3 基于光纤以太网接口电路设计  42-45
    4.3.1 基于光纤以太网收发器电路设计  42-43
    4.3.2 以太网媒介转换电路设计  43-44
    4.3.3 以太网控制器电路设计  44-45
  4.4 基于 NIOSII 的 CPU 系统的设计  45-48
  4.5 FIR 数字滤波器的硬件设计  48
  4.6 FIFO 硬件设计  48
  4.7 RS-232 通信接口的设计  48-51
  4.8 LCD 显示模块控制器设计  51-54
  4.9 本章小结  54-55
第5章软件设计  55-65
  5.1 IEC61850-9-2 通信协议帧编码与解析  55-62
    5.1.1 ASN.1 基本编码规则(BER)概述  56-58
    5.1.2 基于 IEC61850 的以太网帧的编码  58-61
    5.1.3 BER 解码  61-62
  5.2 计量装置 DSP 模块的软件设计  62-64
    5.2.1 电能计量装置电能参量测量的主程序  62-63
    5.2.2 功率测量和电能测量子程序  63-64
  5.3 本章小结  64-65
第6章实验与分析  65-69
  6.1 基于正弦信号的模型的仿真  65
  6.2 基于非正弦信号的模型的仿真  65-66
  6.3 采样值发送测试  66-68
  6.4 实验结论  68-69
结论与展望  69-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  75

基于IEC61850的数字化变电站计量装置研究与设计

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