电子式互感器的研究
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摘要
随着电力系统迅速发展,电力容量不断增大,电网电压逐渐增高,传统电磁式互感器已表现出很大的局限性,迫切需要对新型电子式互感器的研发。电子式互感器是今后数字化变电站的重要组成部分。目前,国际上ABB, ALSTON等公司的电子式互感器技术已经相当成熟,而国内的研制也已经进入研发、应用阶段,电子式互感器的研发越来越受到国内众多产业部门和企业的重视,但技术和国外相比仍然处于落后地位。
本文针对电子式互感器的发展和研究现状,根据电子式互感器的相关标准和电子式互感器系统工作原理,设计完成了基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的高压侧采集器,以及基于ARM和FPGA协同工作的合并单元CPU插件。本文在采集器的硬件电路设计中,采用FPGA代替传统的MCU,并直接在采集器上集成220V转5V电源模块,不再依赖取能线圈和激光供能；并且同时采用高性能高分辨率的AD7606,以满足采集器精度和性能的需求；采集器光纤通信上采用FT3标准协议代替传统SPI,解决了不同厂家采集器合并单元接口不能互连的问题。在合并单元CPU插件硬件设计中,采用了ARM和FPGA分工合作的方案,并设计了RS-232、RS-485、光电以太网等各种通用接口,以满足合并单元不同的功能需求,并基于DSP Builder和Altera IP Core设计了合并单元中数字滤波。
最后,本文对完成的电子式互感器采集器进行了实验。通过实验,证明了该电子式互感器满足设计要求,具有很好的准确性和稳定性。
With the rapid development of electrical power industry, the increasing of power capacity and voltage class, traditional transformers have shown a lot of limitations, so we need research on new concept of electronic transformers. Electronic transformer is an important part of the digitization electric substation. At present, the products and technology of opto-electronic transformers from the international ABB, ALSTON and other companies is already developing, meanwhile the domestic research work has begun and applied. The development of electronic transformers draws much more attention from domestic industries and enterprises, but the technology is still falling behind other developed contries.
Having consulted the status of the research work in this area, according to the related standard and work principle of electronic transformers, the paper designed a high-voltage data-collector which uses FPGA as its MCU and the CPU plug-in based on ARM and FPGA. The hardware circuit of data-collector used FPGA instead of the traditional MCU and chipped the power module directly on the collector, not depended on laser/coil power sources; using the high performance and resolution AD7606to meat the need of the collector's precision and demand; the technology of fiber optic communication used FT3agreement instead of the traditional SPI, so this resolved the problem of interworking from the different factories. The hardware of CPU plug-in used the method of division of ARM and FPGA work and designed the versatile interface such as RS-232, RS-485and Ethernet to meat the need of the different merge units.Then the paper designed digital filter in the merge unit based on DSP Builer and Altera IP Core.
Finally, this paper completed the debugging and validation of the electronic transformer system. The verification proved that this newtype electronic transformer meet design requirements, and have a good accuracy and stability.
本文针对电子式互感器的发展和研究现状,根据电子式互感器的相关标准和电子式互感器系统工作原理,设计完成了基于现场可编程门阵列(FPGA)技术的高压侧采集器,以及基于ARM和FPGA协同工作的合并单元CPU插件。本文在采集器的硬件电路设计中,采用FPGA代替传统的MCU,并直接在采集器上集成220V转5V电源模块,不再依赖取能线圈和激光供能；并且同时采用高性能高分辨率的AD7606,以满足采集器精度和性能的需求；采集器光纤通信上采用FT3标准协议代替传统SPI,解决了不同厂家采集器合并单元接口不能互连的问题。在合并单元CPU插件硬件设计中,采用了ARM和FPGA分工合作的方案,并设计了RS-232、RS-485、光电以太网等各种通用接口,以满足合并单元不同的功能需求,并基于DSP Builder和Altera IP Core设计了合并单元中数字滤波。
最后,本文对完成的电子式互感器采集器进行了实验。通过实验,证明了该电子式互感器满足设计要求,具有很好的准确性和稳定性。
With the rapid development of electrical power industry, the increasing of power capacity and voltage class, traditional transformers have shown a lot of limitations, so we need research on new concept of electronic transformers. Electronic transformer is an important part of the digitization electric substation. At present, the products and technology of opto-electronic transformers from the international ABB, ALSTON and other companies is already developing, meanwhile the domestic research work has begun and applied. The development of electronic transformers draws much more attention from domestic industries and enterprises, but the technology is still falling behind other developed contries.
Having consulted the status of the research work in this area, according to the related standard and work principle of electronic transformers, the paper designed a high-voltage data-collector which uses FPGA as its MCU and the CPU plug-in based on ARM and FPGA. The hardware circuit of data-collector used FPGA instead of the traditional MCU and chipped the power module directly on the collector, not depended on laser/coil power sources; using the high performance and resolution AD7606to meat the need of the collector's precision and demand; the technology of fiber optic communication used FT3agreement instead of the traditional SPI, so this resolved the problem of interworking from the different factories. The hardware of CPU plug-in used the method of division of ARM and FPGA work and designed the versatile interface such as RS-232, RS-485and Ethernet to meat the need of the different merge units.Then the paper designed digital filter in the merge unit based on DSP Builer and Altera IP Core.
Finally, this paper completed the debugging and validation of the electronic transformer system. The verification proved that this newtype electronic transformer meet design requirements, and have a good accuracy and stability.
引文
[1]尚秋峰,王仁渊,杨以涵.光学电流互感器及其在电力系统中的应用[J].华北电力大学学报,2001,28(2)：14～18
[2]郭志忠,高桦.光电式电流互感器研究的评述[J].高压电器,1993,29(5)：28～31
[3]陈海清,郭守珠.高压领域中的光电式电流互感器[J].高电压技术,1998,24(2)：70～72
[4]李学太.数字化变电站系统中若干关键算法研究[D].上海：上海交通大学,2010
[5]吴伯华,李红斌,刘延冰.电子式互感器的使用现状及应用前景.电力设备,2007,8(1)：103～104
[6]王少奎.电子式电流互感器的发展现状及研制难点[J].变压器,2003,40(5)：20～25
[7]付立思,付刚.光电式电流互感器的发展与应用[J].电器设备,2008,250(3)：53～54
[8l沈洋.光电互感器光电控制系统的研究[D].辽宁：沈阳工业大学,2008
[9]李红斌,张明明,刘延冰等.几种不同类型电子式电流互感器的研究与比较[J].高电压技术,2004,30(1)：4～5
[10]王政平,康崇,张雪原等.有源型光学电流互感器研究进展[J].激光与光电子学进展,2004,41(10)：34～38
[11]IEC60044-7. Instrument transformers-Part7:Electronic voltage transformers[S].1999
[12]IEC60044-8. Instrument transformers-Part8:Electronic current transformers[S].2002
[13]IEC61850-9-1. Communication Networks and systems in substations. Part9-1:Specific communication service mappiug(SCSM)-sampled analogue values over serial unidirectional multidrop point to point link[S].2002
[14]IEC61850-9-2. Communication networks and systems in substations. Part 9-2:Specific communication service mapping (SCSM)-sampled values over ISO/IEC 8802-3[S].2004
[15]IEC60870-5-1. Telecontrol equipment and systems. Part5:Transmission protocols. Section 1:Transmission frame formats[S].1990
[16]IEC60870-5-1. Telecontrol equipment and systems. Part5:Transmission protocols. Section 2:Link transmission procedure[S].1992
[17]王鹏.电子式互感器数据采集系统的研究与设计[D].辽宁：大连理工大学,2009
[18]乔卉,刘会金,王群峰等.基于Rogowski线圈传感的光电电流互感器的研究[J].继电器,2002,30(7)：40～43
[19]张可畏,陈立新,黄智宇等Rogowski电流互感器中测量线圈的互换性研究[J].高 压电器,2005,41(4)：265～267
[20]沈文Rogowski线圈小电流互感器研究[D].湖北：华中科技大学,2009
[21]胡剑鸣,严玉婷.基于罗哥夫斯基线圈的高相位精度线路工频电流测量的实验研究[J].华中电力,2005,18(2)：14
[22]李九虎,郑玉平,古世东等.电子式互感器在数字化变电站的应用[J].电力系统自动化,2007,31(7)：94～98
[23]AD7606 datasheet.8/6/4-Channel DAS with 16-Bit, Bipolar Input, Simultaneous Sampling ADC, Analog Device Inc.2010
[24]于克泳,孙建军.新一代16位8通道同步采样ADC-AD7606在智能电网中的应用[J].电子产品世界,2010,17(10)：63～65.
[25]蔡雄志.Cyclone FPGA配置模式及应用[J].中小企业管理与科技,2009,(22)：270-271
[26]姚七栋,张春玉.CRC校验及其软件实现[J].现代电子技术,2006,29(13)：67-68,71
[27]杨梅娟,尹德春.CRC算法的研究[J].计算机与数字工程,2006,34(2)：30～31,69
[28]张丽杰,吕少中,马学民等.CRC校验算法分析及c语言实现[J].内蒙古师范大学学报(自然科学汉文版),2004,33(1)：44～47.
[29]李俊,刘淮霞,朱丹等.基于FPGA技术的电子式互感器数据采集系统的实现方法[J].数字技术与应用,2011,(10)：56～58
[30]庞红梅,李淮海,张志鑫等.110 kV智能变电站技术研究状况[J].电力系统保护与控制,2010,38(6)：146-150
[31]孙冬艳.高速信号处理系统中可变分数延时滤波器的研究[D].天津：南开大学,2011
[32]包晗.FPGA器件的应用研究[D].辽宁：大连海事大学,2006
[33]江凤兵.基于MATLAB的FIR数字滤波器的设计[J].科技广’场,2008,(10)：217-219
[34l赖联有,吴伟力,许伟坚等.基于FPGA的FIR滤波器设计[J].集美大学学报(自然科学版),2006,11(4)：347～350
[35]潘松.EDA技术与VHDL[M].清华大学出版社,2005
[36]胡紫英,周维龙,聂辉等.基于SoPC的FIR滤波器设计与实现[J].现代电子技术,2010,33(12)：72-74
[37]李征,李成书,王宏斌等.基于Matlab的IIR数字滤波器的设计与实现[J].数字通信,2009,36(6)：75-77
[38]郝娟,徐沛文.MATLAB在FIR数字带通滤波器设计中的应用[J].电脑与电信,2011, (3)：49-51
[39]郝小江,缪志农,张小平等.基于FPGA的FIR滤波器设计与实现[J].仪表技术,2010,(1)：44-46
[40]赵文亮,蒋冰.基于FPGA的高阶高速FIR滤波器设计与实现[J].中国有线电视,2006,(3)：329-331
[41]殷志良,刘万顺,秦应力等.一种基于FPGA技术的电子式互感器接口实现新方法[J].电力系统自动化,2004,28(14)：93-96,99
[42]李萌,李红斌,冯凯等.基于嵌入式以太网的电子式互感器数字输出口[J].电力系统自动化,2004,28(13)：93-96
[43]王红星,张国庆,郭志忠等.电子式互感器及其在数字化变电站中应用[J].电力自动化设备,2009,29(9)：115-120
[44]李红斌,余春雨,叶国雄等.电子式互感器数字输出的研究[J].高电压技术,2004,30(2)：10-11,19
[45]袁宇波,卜强生,包玉树等.电子式互感器数据分析系统的设计与应用[J].电力系统自动化,2009,33(20)：78-82
[46]刘琨,周有庆,彭红海等.电子式互感器合并单元(MU)的研究与设计[J].电力自动化设备,2006,26(4)：67-71
[47]刘青,王增平,徐岩等.电子式互感器与继电保护接口的实现[J].高电压技术,2005,31(4)：4-5,68
[48]邢立功,黄毅,叶罕罕等.数字化变电站中保护装置与电子式互感器的接口方式[J].电力系统自动化,2008,32(16)：94-97
[49]徐雁,吴勇飞,肖霞等.采用FPGA&DSP实现电子式互感器合并单元[J].高电压技术,2008,34(2)：275-279
[50]余春雨,李红斌,叶国雄等.电子式互感器数字输出特性与通讯技术[J].高电压技术,2003,29(6)：7-8,11
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[42]李萌,李红斌,冯凯等.基于嵌入式以太网的电子式互感器数字输出口[J].电力系统自动化,2004,28(13)：93-96
[43]王红星,张国庆,郭志忠等.电子式互感器及其在数字化变电站中应用[J].电力自动化设备,2009,29(9)：115-120
[44]李红斌,余春雨,叶国雄等.电子式互感器数字输出的研究[J].高电压技术,2004,30(2)：10-11,19
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[50]余春雨,李红斌,叶国雄等.电子式互感器数字输出特性与通讯技术[J].高电压技术,2003,29(6)：7-8,11