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分布式数字化故障录波装置的研究

作　者: 乔磊
导　师: 王宁
学　校: 大连理工大学
专　业: 电机与电器
关键词: 故障录波装置 IEC 61850 FPGA CORDIC COMTRADE
分类号: TM774
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着“十一五”期间1000kV特高压电网的建设,“智能电网”计划的提出,电网规模正不断扩大。电网发生故障时信息的处理和传输将呈现“海量”状态,而包括故障录波装置在内的联网设备不能实现信息交互和资源共享,对联网信息的有效利用和处理造成了“瓶颈”。随着数字化变电站的建设和新的国际标准《变电站通信网络和系统》(IEC 61850)的颁布实施,故障录波装置的数字化实现以及对新的IEC 61850标准的支持变成了一个无法回避的问题。论文的分布式数字化故障录波装置是基于非常规互感器、IEC 61850标准、网络通信技术、FPGA等主要支撑技术的发展而研究的。在硬件方案中,采用以FPGA芯片为主架构替代主流的FPGA+DSP+32bitCPU芯片的架构体系。故障录波装置与其它联网设备通信规约选用IEC 61850标准,重点解析了采样值IEC 61850-9-1报文和开关信息量GOOSE报文。针对这两个不同数据源进行信息同步处理时,论文采用PPS秒脉冲同步对时和规约软对时的GPS冗余设计。在数字信号处理中,采用CORDIC算法,通过简单的加减和移位操作,将故障录波装置的稳态量启动判据集成到单片FPGA中。在数据存储模块中,论文采用Nios II处理器+Linux操作系统的软硬件结构,生成符合COMTRADE格式的故障录波文件并记录到SD卡中。分布式数字化故障录波装置通信协议全面支持IEC 61850标准,实现了在数字化变电站中的“即插即用”,且故障录波文件符合COMTRADE格式,在不同联网设备中实现了信息的交互和资源的共享。在硬件设计上,充分利用FPGA的并行数据处理能力,提高了数据处理的速度,且各功能模块在FPGA芯片内相连,没有外部接线,避免了采用不同芯片带来的电磁干扰,同时通信速率也不受物理设备的限制。研究表明,该装置能为故障信息系统及时、快速、准确的提供故障信息,对于电网事故的判断、处理和系统的恢复起到关键的作用,保证了电网的安全运行水平。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 课题研究的背景和意义  8-10
  1.2 国内外的发展与研究现状  10-11
  1.3 论文主要内容及章节安排  11-13
2 分布式数字化故障录波装置的总体设计  13-32
  2.1 系统的功能与技术指标  13-15
    2.1.1 分布式数字化故障录波装置的定义  13-14
    2.1.2 系统的基本功能  14-15
    2.1.3 主要技术指标  15
  2.2 系统方案设计  15-23
    2.2.1 高压侧数据采集  16-17
    2.2.2 低压侧合并单元  17-19
    2.2.3 故障录波单元  19-23
    2.2.4 故障分析单元  23
  2.3 故障录波单元硬件设计  23-31
    2.3.1 核心控制FPGA芯片  24-25
    2.3.2 电源电路  25-26
    2.3.3 时钟与锁相环电路  26-28
    2.3.4 配置电路  28
    2.3.5 VGA电路  28-29
    2.3.6 存储器电路  29-30
    2.3.7 通信电路  30-31
  2.4 本章小结  31-32
3 分布式数字化故障录波装置的通信规约  32-43
  3.1 IEC 61850简介  32-34
    3.1.1 规约的基本概念  32-33
    3.1.2 IEC 61850体系结构  33-34
  3.2 IEC 61850标准的核心技术要素  34-35
  3.3 故障录波装置的IEC 61850建模  35-37
    3.3.1 信息模型设计  35-36
    3.3.2 抽象服务接口设计  36
    3.3.3 逻辑设备模型设计  36-37
  3.4 故障录波装置的IEC 61850通信实验  37-42
    3.4.1 IEC 61850-9-1报文的通信实验  37-40
    3.4.2 GOOSE报文的通信实验  40-42
  3.5 本章小结  42-43
4 基于CORDIC算法的启动判据  43-55
  4.1 基本启动判据的类型  43-45
    4.1.1 突变量启动算法  43-45
    4.1.2 稳态量启动算法  45
  4.2 CORDIC算法  45-47
  4.3 离散傅里叶变换的FPGA实现  47-48
  4.4 基波和高次谐波的矢量计算  48-49
  4.5 序分量计算  49-50
  4.6 实验结果与误差分析  50-53
  4.7 本章小结  53-55
5 故障录波装置的软件设计  55-66
  5.1 IEC 61850协议的接收处理模块  55-57
  5.2 数据伺步模块  57-59
  5.3 数据存储模块  59-65
    5.3.1 嵌入式Nios Ⅱ处理器  59-60
    5.3.2 Linux的SD卡应用和驱动开发  60-62
    5.3.3 COMTRADE格式记录  62-65
  5.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-70
附录A 实验样机  70-71
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  71-72
致谢  72-74

分布式数字化故障录波装置的研究

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