基于ARM和FPGA的智能變電站全場景試驗(yàn)裝置硬件平臺設(shè)計(jì)

吳 杰，黃 琦，井 實(shí)，王 彪，張 華

(1.電力系統(tǒng)廣域測量與控制四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 611731;2.電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 611731;3.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引言

根據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，近些年國內(nèi)將新建大量智能變電站。相對于傳統(tǒng)變電站，智能變電站放棄了原有以電纜為媒介傳輸電氣信號的方式，轉(zhuǎn)而采用光纖數(shù)字化方式傳輸運(yùn)行信息。于是，電子式互感器、合并器、交換機(jī)等數(shù)字化設(shè)備大量出現(xiàn)在智能變電站中，這給變電站信息的接入、分配帶來靈活性，提高了變電站內(nèi)部信息交換能力和處理數(shù)據(jù)的能力，為實(shí)現(xiàn)變電站智能化創(chuàng)造了先決條件，同時這也使變電站繼電保護(hù)試驗(yàn)趨于復(fù)雜化，由此加大了二次側(cè)調(diào)試的難度［1］。

變電站二次設(shè)備現(xiàn)場試驗(yàn)的目的是對變電站繼電保護(hù)設(shè)備、測量控制設(shè)備、安全自動裝置等設(shè)備的功能和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。按照傳統(tǒng)試驗(yàn)，繼電保護(hù)測試儀將電壓、電流量按照IEC 61850協(xié)議打包后傳送給保護(hù)裝置，缺乏測試的整體性，即，測試環(huán)節(jié)不包括合并單元。因此，研究適用于智能變電站條件下的新調(diào)試方法及檢測裝置迫在眉睫。

針對繼電保護(hù)試驗(yàn)新方法，根據(jù)IEC 60044－8、IEC 61850 －9 －1/2［2，3］標(biāo)準(zhǔn)對合并單元的規(guī)定，在此基礎(chǔ)上提出一種基于ARM高級RISC微處理器(advanced RISC machines，ARM)和FPGA現(xiàn)場可編程門陣列(field－programmable gate array，F(xiàn)PGA)協(xié)同工作的智能變電站全場景實(shí)驗(yàn)裝置硬件平臺［4，5］。如圖1所示，該系統(tǒng)含有1套主裝置和多套從裝置，以及能夠仿真變電站各種故障的軟件平臺，可真實(shí)地模擬一次側(cè)采集器到二次側(cè)合并單元的過程，完成變電站全站的一次繼電保護(hù)試驗(yàn)過程，以檢驗(yàn)主控室內(nèi)合并單元、繼電保護(hù)設(shè)備、測控設(shè)備等的配置、性能指標(biāo)以及信息的組織與分配的正確性。

圖1 全場景試驗(yàn)平臺

1 全場景試驗(yàn)硬件平臺設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺方案

硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，分為主系統(tǒng)和從系統(tǒng)兩部分。該系統(tǒng)可以完成無線同步對時和無線同步發(fā)送仿真數(shù)據(jù)的功能。

無線同步對時部分的設(shè)計(jì)是考慮到兩個原因。其一降低現(xiàn)場調(diào)試環(huán)境的復(fù)雜程度，系統(tǒng)同步對時和發(fā)送數(shù)據(jù)均采用無線方式，從而減少了多條網(wǎng)線和GPS天線的連接;其二為了模擬智能變電站全場景實(shí)驗(yàn)，一次需要多個從裝置給多個合并單元同時輸入仿真數(shù)據(jù)量。

系統(tǒng)的主硬件平臺包括GPS解析模塊、時間同步模塊。GPS解析模塊完成接收GPS信號、解析時間、為時間同步模塊提供標(biāo)準(zhǔn)時間的任務(wù)。于是，利用恒溫晶振的短期運(yùn)行穩(wěn)定和GPS的長期運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，使二者共同為主硬件平臺提供時間基準(zhǔn)，有效地防止時鐘模塊產(chǎn)生積累誤差和隨機(jī)誤差的產(chǎn)生;時間同步模塊實(shí)現(xiàn)與從硬件平臺時間同步的功能，在整個系統(tǒng)中，起著標(biāo)準(zhǔn)時鐘源的作用。

從硬件平臺包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、時間同步模塊。數(shù)據(jù)接收模塊處理、存儲通過無線網(wǎng)絡(luò)接收到的軟件平臺仿真數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)發(fā)送模塊提取數(shù)據(jù)接收模塊中的數(shù)據(jù)，編碼以后通過電光轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送給合并單元和液晶顯示模塊;時間同步模塊以無線網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)，采用能到達(dá)μs級的IEEE 1588協(xié)議與主時間同步模塊進(jìn)行同步對時。

由于ARM具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，F(xiàn)PGA擁有豐富的I/O資源和快速的并行處理能力［7］，硬件平臺采用二者協(xié)同工作的方案。ARM處理器主要負(fù)責(zé)接收軟件平臺的仿真數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)通道分配處理;FPGA處理器主要負(fù)責(zé)IEEE 1588同步對時，以及按照特定協(xié)議將來自ARM處理器的數(shù)據(jù)重新編碼后發(fā)送給合并單元。

圖2 硬件平臺功能圖

1.2 無線通信

硬件系統(tǒng)是通過無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和IEEE 1588同步對時，所以在設(shè)計(jì)其他模塊之前，選擇一種合適的無線傳輸技術(shù)至關(guān)重要，常見的無線傳輸技術(shù)有紅外、調(diào)頻、藍(lán)牙、2.4 GHz等。為了選取合適的傳輸介質(zhì)，將上述幾種無線傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)歸納到表1中。

表1 常見無線傳輸技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)IEEE 1588協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［8］，傳輸介質(zhì)需要支持雙向信號傳輸，才能實(shí)現(xiàn)同步對時功能;而且從硬件平臺也要和軟件仿真平臺通信，需要支持全雙工的傳輸介質(zhì)，因此，選擇2.4 GHz WLAN無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)收發(fā)和IEEE 1588對時的傳輸介質(zhì)，它有支持全雙工、開放式協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)［9，10］。無線發(fā)射終端采用支持802.11 b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)橋，具有體積小、發(fā)射功率大、功耗低、組網(wǎng)方便、能顯示網(wǎng)中任意子網(wǎng)絡(luò)的接收功率的特點(diǎn)，為平臺快速組件傳輸網(wǎng)絡(luò)提供了方便。

數(shù)據(jù)接收模塊需要配置以太網(wǎng)接口，以完成嵌入式操作系統(tǒng)與網(wǎng)橋之間的以太網(wǎng)通信。由于AT91RM9200處理器內(nèi)部集成有 MAC(medium/media access control，介質(zhì)訪問控制)層，因此外部只需配置一塊完全集成的和符合成本效益的快速以太網(wǎng)PHY(physical layer，物理層)芯片即可;同樣FPGA處理器也需要配置以太網(wǎng)口和PHY層來完成到無線網(wǎng)橋的通信過程。

1.3 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)接收模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)接收軟件仿真平臺仿真數(shù)據(jù)，處理以后存入雙口RAM中。當(dāng)收到軟件平臺的發(fā)送數(shù)據(jù)指令以后，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊通過控制總線請求數(shù)據(jù)接收模塊讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)，然后處理讀取的數(shù)據(jù)并發(fā)送給液晶顯示屏和合并單元。數(shù)據(jù)接發(fā)模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接發(fā)模塊框圖

ARM處理器接收軟件平臺通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過CRC校驗(yàn)、分配9路輸出數(shù)據(jù)通道后，經(jīng)數(shù)據(jù)總線存入2片8 MB的雙口RAM中。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，每次從一塊雙口RAM中提取半個周波的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)接收模塊進(jìn)行編碼，將其按照特定協(xié)議轉(zhuǎn)換成合并單元能夠識別的9路電信號，然后以時鐘同步模塊提供的準(zhǔn)確時間為基準(zhǔn)，將電信號傳輸給電光轉(zhuǎn)換模塊。

電光轉(zhuǎn)換模塊具有傳輸帶寬高、抗干擾性能強(qiáng)、信號穩(wěn)定、無誤碼率的要求，以保證合并單元接收到正確的光信號。

1.4 時鐘同步模塊

為了實(shí)現(xiàn)同步對時，時鐘同步模塊由主同步模塊和從同步模塊構(gòu)成。作為整個硬件平臺的時鐘標(biāo)準(zhǔn)，主時鐘同步模塊需要高精度的GPS作為時間標(biāo)準(zhǔn)，以確保自身時鐘的準(zhǔn)確性，然后在與從時鐘模塊完成IEEE 1588同步對時，同時主時鐘內(nèi)部還裝有一個高精度的恒溫晶振，彌補(bǔ)GPS失效時不能給從時鐘模塊提供精準(zhǔn)時間的缺陷;各從同步模塊依次同主時鐘模塊進(jìn)行IEEE 1588對時，等全部同步對時完成以后，完成主時鐘模塊、從時鐘模塊、GPS三者同步的目的。于是各從硬件平臺同步給合并單元發(fā)送仿真數(shù)據(jù)，保證了合并單元要求的接收數(shù)據(jù)時間延遲。具體框圖見圖4。

圖4 時鐘同步模塊

GPS解析模塊具有體積較小、誤差小、功耗小、易集成到裝置中、支持紐扣電池供電等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)收到GPS解析模塊解析出來的時間信息和產(chǎn)生的PPS(pulse per second，秒脈沖)信號，主時鐘模塊利用PLL(phase locked loop，鎖相環(huán))將20 MHz頻率倍頻到50 MHz后，將產(chǎn)生PPS信號與GPS產(chǎn)生的PPS比對，然后修正自身的時鐘;從同步模塊是由20 MHz的恒溫晶振、FPGA處理器以及PHY層等構(gòu)成。按照IEEE 1588的標(biāo)準(zhǔn)，從同步模塊與主同步模塊對時，直到同步到主時鐘上然后給數(shù)據(jù)發(fā)送模塊提供時間依據(jù)，確保各個合并單元收到的數(shù)據(jù)延遲都在指標(biāo)內(nèi)。

2 系統(tǒng)測試與驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺

為簡單、快捷、有效地驗(yàn)證硬件平臺功能，選取一套主裝置和兩套從裝置，在實(shí)驗(yàn)室模擬智能變電站實(shí)際情況，分別給綿陽線和赤化線的兩個合并單元發(fā)送仿真平臺的模擬互感器的數(shù)據(jù)量。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示，驗(yàn)證硬件平臺能否將軟件平臺的仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地發(fā)送給合并單元的功能，同時檢驗(yàn)兩個從硬件平臺的同步效果。

首先，通過無線網(wǎng)絡(luò)，軟件平臺將事先仿真的赤化線上CA相間短路數(shù)據(jù)發(fā)送給兩臺從硬件平臺，然后主平臺依次同兩個從硬件平臺完成IEEE 1588同步對時，最后在得到仿真軟件下發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)開始指令后，兩個硬件平臺通過光纖將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給各自的合并單元。當(dāng)接收到合并單元發(fā)送來帶有故障信息的報文時，數(shù)字錄波器記錄下合并單元輸出的一次側(cè)電流、電壓以及相角值。通過分析仿真軟件的波形文件和數(shù)字錄波器上錄制的波形文件，可以檢驗(yàn)該套硬件平臺方案的可行性。

圖5 模擬現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

圖6 軟件平臺仿真CA相間接地短路波形

2.2 數(shù)據(jù)接發(fā)模塊

通過比對仿真軟件的波形和數(shù)字錄波器上錄制的波形，可以定性和定量地驗(yàn)證硬件平臺數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的正確性。圖6是軟件平臺仿真出來的CA兩相接地短路波形;圖7為數(shù)字錄波器錄制的合并單元輸出的波形。

由圖6可以看出，CA相間短路故障在0.6 s時刻發(fā)生，持續(xù)0.1 s(5個周波)后，在0.7 s時刻結(jié)束。

圖7 錄波器顯示CA相間接地波形

由圖7可以看出，數(shù)字錄波器顯示的波形也是在0.6 s時刻發(fā)生CA相間故障，持續(xù)5個周波以后，在0.7 s時刻結(jié)束故障，恢復(fù)穩(wěn)定態(tài)，正確地重現(xiàn)CA相間短路故障的波形，且故障前、故障中、故障后的波形和圖4基本一致，定性驗(yàn)證硬件平臺數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收模塊的正確性。為定量說明，將仿真平臺的仿真數(shù)據(jù)和數(shù)字錄波器上讀取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列入表2中。

由表2可得，在整個仿真過程中，軟件平臺仿真數(shù)值和數(shù)字錄波器得到的數(shù)值誤差均在1%以內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)要求，定性地驗(yàn)證硬件平臺傳輸數(shù)據(jù)的能力。

表2 錄波器與仿真平臺的電壓/電流數(shù)值

2.3 時鐘同步效果

通過數(shù)字錄波器比較兩條線路B相保護(hù)電流的相角，可以估算出兩套從硬件平臺之間的時間同步誤差。數(shù)字錄波器默認(rèn)將A相電流通道作為其余通道的基準(zhǔn)，故設(shè)為 0.00°。

表3 錄波器顯示的相角量

分析表3數(shù)據(jù)，兩條線路的B相保護(hù)電流相角為0.31°。按照一個周期20 ms計(jì)算，將相角差轉(zhuǎn)換成時間差得17 μs，而合并單元是按照250 μs的周期接收數(shù)據(jù)，所以平臺實(shí)現(xiàn)的同步對時指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足要求。

3 結(jié)語

提出了一種基于FPGA和ARM處理器協(xié)同工作的智能變電站全場景實(shí)驗(yàn)硬件平臺方案。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該套硬件平臺能準(zhǔn)確接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，無線同步對時效果達(dá)到20 μs以內(nèi)，為智能變電站二次側(cè)繼電保護(hù)試驗(yàn)新方法提供了一種可操作的硬件平臺。

［1］Q/GDW 383－2009，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則［S］.2009:4－7.

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