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基于FPGA的智能变电站数字式电能表在线校验装置的研究

作　者: 庞力
导　师: 方春恩
学　校: 西华大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 智能变电站 FPGA IEC61850 信息处理
分类号: TM933.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 28次
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内容摘要

随着我国“智能电网”建设的提出,作为其重要组成部分的智能变电站技术得到了学术界以及设备生产厂家的广泛关注。如何在EEC61850框架协议的基础上研制出具有统一接口,不同厂家的不同设备之间互操作性良好的变电站设备变得十分重要。基于此,需要研究者在对智能变电站的过程层信息的格式、含义理解的基础上设计出相应的信息处理及通信的智能电子设备。数字式电能表是智能变电站间隔层的重要测量设备,主要功能是通过接收过程层电气量进行电能参量计算,为变电站层的监控设备以及继电保护装置的动作提供参考数据。电能计算的准确性与可靠性对变电站持续、安全、稳定地运行具有十分重要的现实意义。本文主要是以数字式电能表校验装置为背景,根据中华人民共和国电力行业标准—变电站通信网络和系统第9-1和9-2部分以及Altera公司的Cyclone Ⅲ Device Handbook器件手册在对采样值以太网数据包的信息处理以及其接口的通信进行研究的基础上,研究如何在FPGA芯片中实现其通信和信息处理功能,主要包括了三个部分的内容：数据包通信设计主要是在Quartus Ⅱ软件中调用内部MAC软核并对其寄存器进行配置实现数据链路层对以太网数据包实时接收的功能,然后在时序仿真工具中进行仿真验证其设计是否正确。数据包解码设计主要是对IEC61850(-9-1、-9-2、-9-2LE)帧格式进行分析,提取出相应的电压、电流值,用Verilog HDL语言编程实现。用内部Quartus Ⅱ内部嵌入的Singal Tap Ⅱ逻辑分析仪探针记录解码后的采样值,用Matlab软件画出波形图验证其设计是否正确。电能计量设计主要是采用准同步算法计算有功功率、准同步算法与IIR希尔伯特变换相结合计算无功功率,然后用Verilog HDL语言编程实现。最后利用实验室现有的软件和设备如：串口调试助手,ARM开发板,光纤收发器、光纤等对设计进行功能和准确度验证。结果表明MAC接收模块配置、解码及电能计算功能模块程序编写完全正确,符合设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-13
  1.1 课题研究背景  9-10
  1.2 课题来源及研究的目的和意义  10
  1.3 国内外研究现状及趋势  10-12
    1.3.1 数字式电能表校验装置国外发展现状  10-11
    1.3.2 数字式电能表校验装置国内发展现状  11-12
    1.3.3 数字式电能表校验装置发展趋势  12
  1.4 本论文研究内容  12-13
2 智能变电站过程层采样值技术  13-33
  2.1 过程层概念  13-14
  2.2 智能变电站数字式电能计量系统  14-15
  2.3 采样值传输规约介绍  15-33
    2.3.1 IEC 60044-8/7协议规约  15-17
    2.3.2 IEC 61850简介  17-22
    2.3.3 IEC 61850-9-1协议规约  22-27
    2.3.4 IEC 61850-9-2(LE)协议规约  27-33
3 基于FPGA的数字式电能表在线校验装置信息处理的实现  33-54
  3.1 FPGA简介  33-40
    3.1.1 FPGA工作原理及结构  33-35
    3.1.2 FPGA置模式及USB-Blaster下载电缆  35-37
    3.1.3 Altera的IP核工具  37-38
    3.1.4 FPGA设计流程  38-40
  3.2 数字式电能表现场校验装置框架与工作原理  40-44
    3.2.1 采样值数据包传输带宽分析  41-42
    3.2.2 基于FPGA的采样值通信及处理设计  42-44
  3.3 数据包接收设计  44-51
    3.3.1 以太网控制器(MAC)介绍  44-45
    3.3.2 FPGA中MAC IP核的实现  45-49
    3.3.3 MAC与外部硬件接口模块设计  49-51
  3.4 数据包解码设计  51-54
    3.4.1 两种解码方案比较  51
    3.4.2 解码模块设计  51-54
4 电能计量算法的FPGA实现  54-63
  4.1 基于准同步算法有功功率计算  54-57
    4.1.1 准同步算法基本思想  54-56
    4.1.2 有功功率计算模块的实现  56-57
  4.2 希尔伯特变换的无功功率计算  57-63
    4.2.1 ⅡR型Hilbert滤波器原理  57-61
    4.2.2 无功功率计算模块的实现  61-63
5 数字式电能表在线校验装置测试  63-70
  5.1 装置的测试方案  64-65
  5.2 测试流程介绍  65-66
  5.3 测试结果及分析  66-70
结论与展望  70-72
参考文献  72-75
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  75-76
致谢  76

基于FPGA的智能变电站数字式电能表在线校验装置的研究

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