（检测技术与自动化装置专业论文）同步相量测量装置数据处理平台硬件设计与实现.pdf

i：j “ p ，r y 厂t - 一 、 摘要 摘要 近年来，国家斥巨资建立智能电网，同时大力开发西部水利水电，实施西电 东送、全国联网，并建立特高压交流和直流输电通道。在这种情况下，电力系统 本身的安全必须予以高度关注，其是否能够稳定运行直接关乎着国计民生的诸多 方面。 对于电力系统本身而言，随着电网规模的不断扩大，大区电网的不断互联， 使电网结构的复杂程度不断增加；同时，大功率电力电子设备的引入，大容量输 电方式的出现，使电力系统的动态行为更加复杂；再次，电力系统分布范围广， 运行元件多，电网发生故障后波及面大等等。诸多原因使得电力系统的保护和控 制只能依赖于局部信息，很难做到全局协调。因此，如何对电网运行状况做到实 时、精确的监控就具有相当重要的研究价值及意义，而电力系统同步相量测量装 置的研发，就是针对上述问题所产生的一个比较好的解决方案。 本论文基于广域测量系统( w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，w a m s ) ，在对国 内外研究现状进行深入分析的基础上，设计了一个以a r m 、d s p 、f p g a 三种核 心单元作为系统硬件平台总体架构的同步相量测量装置( p h a s o rm e a s u r e m e n t u n i t ，p m u ) 。其中，d s p 为数据采集单元，a r m 为基于以太网的数据处理及传 输单元，f p g a 为精确同步时钟单元。 本套系统为了实现对电力系统各项数据的精确同步采集，我们设计了基于 f p g a 与g p s 的同步时钟源，并且以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为采集卡的核心处理器； 而针对电力系统动态监测通信数据量大及实时性高的要求，同步相量测量装置采 用了基于a r m 9 的以太网通信方式；同时，提供了u s b 接口以供外接存储介质对 海量数据进行保存及后期分析。通过三者结合，达到了数据同步采集、实时处理、 本地存储、远方通信等功能。 关键词：同步相量测量，广域测量系统，a r m ，现场可编程门阵列，全球定 位系统 a _ 一 a b s t r a ( 汀 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h es t a t ef o c u s e so nt h ee s t a b l i s h m e n to fs m a r tg r i d m e a n w h i l e ，i t i n v e s t sh e a v i l yi nt h ew e s t e r nh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n t ，a n di m p l e m e n tt h e ”w e s t e r n p o w e r t r a n s f e rt oe a s t e r na r e a ”p o l i c y w i t ht h eh o p et oi m p r o v et h ew h o l eg r i d ，t h es t a t e a l s of o c u s x xo nt h ee s t a b l i s h m e n to fs p e c i a lh i g h v o l t a g ea ca n dd ct r a n s m i s s i o n l i n e s u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e s ，t h es e c u r i t yo fp o w e rs y s t e mm u s tb ep a i dn l g n l y 。 1 1 a t t e n t i o nt o ，a n dt h ep o w e rs y s t e mi ss t a b l eo rn o td i r e c t l yr e l a t e dt ot h es t a b i l i t yo ft h e n a t i o n a le c o n o m ya n dm a n yo t h e ra s p e c t s f o rt h ep o w e rs y s t e mi t s e l f , w i t ht h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no fi t ss c a l ea n dt h e i n t e r c o n n e c t i o no fl a r g ea r e ap o w e rg r i d ，t h ec o m p l e x i t yo ft h eg r i di n c r e a s eq u i c k l y ；a t t h es a m et i m e ，t h eh i 曲p o w e rd e v i c e sa r el e di nt 1 1 ep o w e rs y s t e ma n dl a r g ec a p a c i t y t r a n s m i s s i o nm e t h o d sb e g i nt og e r m i n a t e ，t h e ya r em a k i n gt h ed y n a m i cb e h a v i o ro f t h es y s t e mm o r ec o m p l e x ；t h i r d l y ，t h ep o w e rs y s t e mi sw i d e s p r e a d ，a n dag r e a td e a lo f t h ec o m p o n e n t sa r er u n n i n gu n d e rt h es y s t e m ，i ft h eg r i dw o r k so u to fo r d e r ，i tw i l l b r i n ga b o u tl a r g es p h e r eo fi n f l u e n c e ；m o r e o v e r , t h ed y n a m i cp r o c e s so fp o w e rs y s t e m i sf a s ta n dt h es y s t e mi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ns p e e di sr e l a t i v e l ys l o w , s ot h a tp o w e r s v s t e r np r o t e c t i o na n dc o n t r o lc a no n l yr e l yo nl o c a li n f o r m a t i o n ，i ti s d i f f i c u l tt o a c h i e v e g r e a ta r e ac o o r d i n a t i o n t h e r e f o r e ，h o w t oa c h i e v er e a l - t i m e ，a c c u r a t e m o n i t o r i n go ft h ep o w e rs y s t e m so p e r a t i n g c o n d i t i o n sh a v et h eg r e a tv a l u eo fr e s e a r c h a d d r e s st h e s ei s s u e s ，t h ep o w e rs y s t e ms y n c h r o n i z a t i o np h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t i sa b e t t e rs o l u t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ew i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ( w a m s ) o nt h eb a s i so f i n d e p t ha n a l y s i st om e t h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h i sp r o je c t ，w eh a v ed e s i g n e dt h ep m u w h i c hi sb a s e do na r m ，d s p , a n df p g at h e s et h r e ec o r eu n i t s i nt h i ss y s t e m ，d s pi s u s e da sd a t aa c q u i s i t i o nu n i t arm i su s e da se t h e r n e t - b a s e dd a t ap r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o nu n i t ，f p g ai su s e da ss y n c h r o n o u sc l o c ku n i t i no r d e rt oa c h i e v et h es y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nf u n c t i o n ， w ed e s i g n e dt h e s y n c h r o n o u sc l o c ks o u r c ew h i c hi sb a s e do dg p s ；f o rt h ep o w e rs y s t e m ，d y n a m i c m o n i t o r i n gw i l lc r e a t el a r g ev o l u m eo fd a t a ，a n di t h a v et h eh i g hd e m a n do fr e a l t i m e i l i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 课题研究意义2 1 2 广域同步相量测量国内外研究现状4 1 3 本文主要工作及组织结构6 1 3 1 本文的主要工作6 1 3 2 本文的组织结构6 第二章同步相量测量装置( p m u ) 系统总体设计8 2 1p m u 的总体设计方案8 2 2 本方案的技术难点及难点分析1 0 第三章同步相量测量装置硬件设计1 2 3 1 基于a r m9 处理器数据处理单元硬件设计1 2 3 1 1 数据处理单元总体架构1 2 3 1 2a r m 最小系统硬件设计一1 5 3 2 数据处理中心接口设计一2 l 3 2 1t i i 接口硬件设计2 1 3 2 2u s b 接口硬件设计2 4 3 2 3 以太网接口2 7 3 3 基于f p g a 的同步时钟硬件设计3 2 3 3 1f p g a 时钟单元最小系统设计3 2 3 3 2f p g a 同步时钟单元接口设计3 5 3 4 电源应用方案3 6 第四章基于f p g a 的电力系统同步时钟技术实现3 9 i v 目录 4 1 可编程逻辑器件3 9 4 1 1 可编程逻辑器件的发展3 9 4 1 2f p g a 技术4 1 4 2 数字逻辑设计环境4 1 4 2 1 数字逻辑设计步骤_ 4 1 4 2 2f p g a 器件选型和开发环境4 3 4 3 同步时钟单元设计4 4 4 3 1 同步时钟单元总体框架4 4 4 3 2 本地时钟模块功能4 5 4 3 3g p s 及n m e a 0 18 3 协议介绍4 6 4 4 基于v e r i l o gh d l 语言的电路描述4 7 第五章全文总结5 2 5 1 论文成果介绍5 2 5 2 后期的工作展望5 2 附录5 4 霉| 【谢5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间取得的主要研究成果5 9 v 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 电力系统的运行可被认为是一个基于信息进行决策及控制的过程。近年来， 随着数字计算、通信、网络等领域的飞速发展，新一代电网实时控制系统逐步成 为了本领域的研究热点，而广域测量系统( w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，w a m s ) 就是其中具有重要影响的一种。 w a m s 是一种新兴的、能为能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 提供重要的电力系统基本数据及其他丰富信息的测量系统。广域测量系统通过收 集基于g p s ( 北斗导航、伽利略导航等) 卫星同步技术采集到的数据来监测电力 网络，能够使电网安全的在接近其容量运行。 广域测量系统是集信息采集、处理、发送、显示、故障诊断等于一体的综合 系统。其主要原理为通过在电力系统中不同地点部署测量节点来对该系统进行监 控，将各节点测量结果汇集到电网控制中心，并基于该测量结果进行电网的运行 控制及状态显示等。整个系统的构建目标就是通过检测诸如系统的动态扰动等不 稳定状态实现对电网进行早期预警及故障诊断，以阻止其大范围的传播，进而避 免电力系统发生局部甚至大区域性的停电事故。广域测量系统使我们对电力系统 的监控能力得到极大地增强，它能够提供整个系统可靠的、实时的系统状态信息， 基于这些数据或信息可以设计控制系统或者应用已有的控制方法，以及进行推演 预测等等，实现对电力系统的全局控制。 现阶段，广域测量系统由于造价较高，因此只能在几个重要监测点( 如重要 的变电站) 布置测量单元，以期获得整个电力系统的运行情况。这一方面会造成 系统信息量不足，另一方面其布置需要考虑电力系统的可观性。由于电力系统运 行方式复杂多变，特别是电力系统的拓扑变化对可观性的影响较大，从而对某些 类型的故障构成盲区。同时，由于成本因素，广域测量系统的各测量单元安装量 不可能很大，导致观测某些故障或动带现象的信息量不足，造成其数据的工程应 用较困难。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 2 课题研究意义 自1 9 6 5 年美国东北大停电以来，为了确保电力系统更加安全稳定地运行，许 多有关如何解决电力系统安全运行的领域均得到了较大发展。而在这当中，广域 测量数据作为输入量首次被引入到静态状态估计中。2 0 世纪9 0 年代以后，随着以 g p s 为代表的卫星授时系统的诞生并发展，同时随着i t 技术的异军突起，电力系统 广域测量的发展步入了快车道。 同步相量技术是同步相量测量、传输、分析和应用技术的综合。主要包括相 量测量单元( p m u ) 、相量数据集中器( p h a s o rd a t ac o n c e n t r a t o r ，p d c ) 、分析与 应用中心( a n a l y s i sa n da p p l i c a t i o nc e n t e r ，a a c ) 以及高速数据通信网等【7 】。其 核心思想是：利用全局同意的高精度时钟( 微秒级) 同步的对广域电网实时运行 中的各种参数即相量进行精确采集，其后借助高速通信网络如光缆、以太网等将 各个分散的子节点的相量数据统一集中起来，得到同一时空坐标下电网全局的动 态信息。应用p m u 能够实现发电机功角、发电机内电势、机端电压、和母线电压 相量、频率等的实时测量，为电力系统的监测、稳态分析和控制提供一种新的思 路。同时，我们应该看到，对于单台p m u ，其监测范围仅仅局限于电力系统中的 一个节点，而如果电力系统众多的测量节点( s e n s o r n o d e ) 一旦形成网络，它们之 间即可协同工作并提供丰富的实时信息，这将为电力信息的安全可靠提供更好的 保障。 经过多年的发展，电力系统广域测量技术给电网的实时监测、安全评估、保 护和实时决策引入一个新的发展方向，就目前而言，p m u 技术在国外许多国家已得 到应用和推广，在国内各大电网也已经有了一个大量应用趋势。 本文所提出的同步相量测量装置( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) 在一定 程度上刚好弥补了删s 对电网监测控制上的不足，对w a m s 是一个拓展。通 过本项目的研究，可以为将来建立大规模电力系统广域测量系统提供理论根据和 系统的设计方法。本装置是基于以太网的一个综合测量平台，一旦电力系统内众 多的同步测量单元形成网络，它们之间即可协同工作，提供更为丰富的数据供上 层控制调度端分析，这将为电力信息的安全可靠提供保障。 目前电力系统一般采用专用网络技术构成各自独立的子系统，如切负荷控制 子系统、变电站监控子系统、动态监测子系统、故障处理子系统等等。北美发生 的8 - 1 4 大停电事故重要起因之一就是“自动化孤岛”使不同系统之间信息共享和信 息交换困难，延迟了关键信息的传送，这充分暴露了变电站自动化系统的技术缺 2 第一章绪论 陷。基于电力系统广域测量网络的同步相量测量装置可以很好地解决电力系统实 时数据的数据传输、数据处理和数据呈现问题，为电力系统运行与决策支持系统 提供实时的全局数据，并且同步相量测量装置本身可以做到可伸缩、鲁棒和低成 本等特征担j 。 因此，在未来电力系统的广域监控中，同步相量测量装置将有可能发挥更加 重要作用，具有更好的应用前景。同时，对于该项目的探索有助于为现代电力系 统动态安全监控系统的设计提供新的方法和思路、发展新的大规模电力系统实时 数据处理方法和算法，为大规模电力系统的动态安全控制提供理论支持。 就本论文所探讨的同步相量测量装置( p m u ) ，其主要的研发意义及装置特点 大体可以概括为以下几个方面： 1 国家近年来极力倡导智能电网，因此，针对电力系统的同步相量测量装置 是智能电网研究中的热点。论文提出了一种基于以太网的同步相量测量装 置p m u 。每套单一装置能对电力系统中一个节点数据进行精确采集、处 理及传输。而多个节点即能构成网络，从而可以对一个较大范围的区域电 网进行实时监测。 2 本方案所设计的同步相量测量装置其一大特点就是在充分保证其性能的 情况下，成本降到了很低。因此，在系统中部署大量的甚至是冗余的测量 节点成为了可能。节点之间通过g p s 实现同步，并形成网络，大大增加 广域测量系统的鲁棒性，而不需要增加太多成本。 3 针对电力系统实时监测所产生的数据量大的特点，本装置提供了u s b 接 口，可以方便挂载外部存储介质，对海量数据做到有效存储，方便后期分 析处理。 4 采用g p s 授时，利用f p g a 、高精度温补晶振设计出精确的同步时钟模块， 给p m u 的数据采集提供了精准的时钟源。 5 工业以太网是下一代工业控制网络的研究热点。同步相量测量装置采用以 太网技术，利用c 3 7 1 1 8 协议，实现了所采集数据快速、准确的上传到上 层服务器，探索了以太网在同步相量测量中的应用。 6 同步向量测量装置中采用了基于i e e e1 4 5 1 2 通信协议的t i i 接口【3 】【4 】。对 开发标准化接口的相量测量装置具有一定的参考意义。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 广域同步相量测量装置国内外研究现状 同步向量测量装置( p m u ) 的研究起步于2 0 世纪8 0 年代的美国。该概念在1 9 8 2 年至1 9 8 6 年提出并进行论证；在1 9 8 6 年至1 9 8 8 年，基于该概念研发出了相关装置 并进行了该装置的试验；在1 9 8 8 年至1 9 9 1 年间，将该装置纳入了电网进行试运行； 1 9 9 2 年以后，工业化产品开始问世。 在现场应用方面，北美w s c c 系统( 包括b p a ，s c e ，i s o ) 安装了4 7 台 p m u ，监视大约1 2 0 0 个信号，主要用于动态记录、分析和建模。美国西部w e c c 系统安装了近5 0 台p m u ，主要用于动态记录和模型修正。t v a 经过优化设计， 在6 0 0 条线路中的6 9 条主干线上安装了p m u ，可以观测到整个系统。美国的许多 电力公司都安装了p m u ，少则2 台、多则1 0 多台。在欧洲，西班牙的c s e 首次 将p m u 信息用于状态估计，法国东南部系统、北欧系统、英国电网也都部分安装 了p m u i l l 】。 我国的相关研发工作起步于1 9 9 5 年，目前，规模比较大的科研院校有中国电 力科学研究院、清华大学、华北电力大学、华中科技大学、西安交通大学、河海 大学、山东工业大学等单位。在本领域的标准化制定方面，1 9 9 5 年诞生了i e e e l 3 4 4 协议，2 0 0 1 年进一步修订为c 3 7 1 1 8 协议。其后，国家电力调度通信中心在2 0 0 3 年2 月发布了电力系统实时动态监测系统技术规范( 试行) 【5 1 ，同时在2 0 0 4 年1 2 月 和2 0 0 5 年7 月两次发布了修改版本。 目前，我国省级电力调度通信中心安装有p m u 的包括如下省份：河南、广东、 黑龙江、辽宁、河北、江苏、福建、四川等。在装置研发方面，2 0 0 2 年，北京四 方继保自动化股份有限公司和清华大学合作致力于w a m s 产品的开发工作。2 0 0 3 年后，国调、华北、东北和南方电网等均建设了各自的广域测量系统，并都采用 了四方的c s s 2 0 0 解决方案。2 0 0 4 年，华东电网广域测量、分析和保护( w i d e a r e a m e a s u r e m e n ta n a l y s i sp r o t e c t i o n ，w a m a p ) 计划也把w a m s 建设纳入其中，并采用 了电科院p a c 2 0 0 0 和南瑞系统的s m u l 相量测量装置。2 0 0 4 年，河南省调与河海 大学合作开发出了w a m s 系统，主要布置在河南省内的部分发电厂【6 】，这可能是 国内首次构建的系统级w a m s 电网。 随着p m u 在电网中的应用不断扩大，w a m s 也逐渐成为业界的研究热点【6 】。 w a m s 的实现方案之一如图1 1 所示。该系统主要由位于厂站端的g p s 同步装置、 数据采集处理装置构成了子站部分，另外还包括通信链路与调度中心主站。在实 际设置中，主站位于省级调度中心，子站为各功角监测点。为了保证实时性，主 4 第一章绪论 站与子站之间的通信通道采用专用的微波通道，如图1 1 。 图1 1w a m s 结构 除此之外，业界还有一个更完整的监测系统【2 1 1 ，其结构如图1 2 所示。 一羔世 图1 2w a m s 结构2 图1 2 中各下位机与数采单元、定时单元等组成一套基本的p m u ，各p m u 从 g p s 定位系统得到高精度的同步时钟信息，并以此作为数据同步采集、相角测量 及其它各项任务的时间标准。为了提高p m u 单元对不同应用场合的适应性，系统 采用了上下位机结构。下位机与上位机之间采用高性能的局域网连接，在成本允 许下甚至可以采用极高传输率的光线进行通信。各p m u 的测量数据除在本地进行 存储和分析外，必要的信息通过广域网送到主站中央处理机进行集中处理。该系 统与前两个系统相比，其通信系统采用了局域网和广域网通信技术，并且设置了 电子科技大学硕士学位论文 专用的控制通道，从而使整个系统功能更强大，信息收集更全面，结构也更加合 理。 1 3 本文主要工作及组织结构 1 3 1 本文的主要工作 本课题的研究目标是设计出一套同步相量测量装置( p m u ) ，实现对电力系统 实时数据进行有效、精确的采集、处理及传输。而本文的研究重点主要是在p m u 的硬件设计及基于f p g a 的时钟实现。其的主要工作内容归纳如下： 1 电力系统同步相量测量装置的硬件平台总体设计。 2 a r m 9 数据处理单元硬件设计，包括最小系统设计、多种通信接口设计等。 3 f p g a 同步时钟单元硬件设计。 4 基于f p g a 的g p s 串口时间报文解析。 5 硬件平台整体机械结构设计。 6 设备调试与改进。 1 3 2 本文的组织结构 本文章节安排如下： 第一章：介绍课题的研究背景、现状及意义。本章中较为详细介绍及分析 了在电力系统广域测量的现状及其所演绎出的新技术、新课题，并在此基 础上提出了针对电力系统广域测量的同步相量测量装置p m u 产生的意义， 并简要介绍了该装置的基本原理、实现方案以及作者所做工作。 第二章：阐述同步相量测量装置的系统总体设计，分析了本装置的构建目 标及相关技术难点。 第三章：详细介绍了a r m 数据处理单元及f p g a 同步时钟单元的硬件设 计。对于a r m 数据处理单元，重点介绍了其最小核心系统的构建以及各 接口的设计，包括以太网接口、t i i 接1 3 、u s b 接口、串口以及与f p g a 通信的a m b a 总线接口等；对于f p g a 同步时钟单元，主要介绍了其最 小核心系统、a m b a 总线接口以及与d s p 采集单元通信接口设计等。 第四章：详细介绍了基于f p g a 的时钟模块设计。具体内容包括f p g a 技 术、g p s 报文，报文解析等内容。 6 第一章绪论 第五章：对全文的工作进行总结，并提出了系统的进一步改进建议。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章同步相量测量装置( p m u ) 系统总体设计 在本章中，主要立足点在于如何合理的设计本系统各个模块，达到论文所提 出的要求：即实现数据同步采集、实时处理、本地存储、远方通信等功能。因此， 本章主要内容包括如下两点：1 p m u 的总体设计方案；2 本方案的技术难点及难点 分析。 2 1p m u 的总体设计方案 同步相量测量装置( p m u ) 在w a m s 网络中是以一个s e n s o rn o d e 而存在。 通过该装置将电力系统的运行数据进行基于g p s 的同步采集，再通过以太网发送 至上层服务器，以便进行分析及故障诊断等。其主要硬件框架如图2 - 1 所述： g p s 串口 时间 图2 1p m u 硬件框架 在本系统中，g p s 机通过接收卫星信号，可以为各个同步相量测量单元提供 精确统一的时间。同时，该模块可以每秒产生一次高精度的秒脉冲p p s 信号。为 本装置提供同步采集基准信号以及时钟单元的校时信号。 第二章同步相量测量装置( p m u ) 系统总体设计 在时钟源上，本测量单元采用基于f p g a 的时钟模块，主要优点有以下三个 方面： ( 1 ) 可以提供本地时钟信号。由于该时钟完全通过硬件实现，避免了以往使 用软件时钟所带来的不确定误差； ( 2 ) 由于g p s 接收模块提供的统一时间只能精确到秒，而同步相量测量所需 的时钟标签需要精确到u s 级别，因此亚秒级别的时间信息需要依赖该模 块来提供； ( 3 ) 由于f p g a 适合于设计时序逻辑电路，便于融合其它精确的时钟同步方 案，如i e e e1 5 8 8 时钟同步方案【1 0 】。 a r m 数据处理单元采用a r m 9 处理器。该处理器为嵌入式处理器，其处理速 度快，接口丰富。在p m u 中，需要用到多种接口，包括t i i 接口( 与采集单元通 信) ，以太网接口( 上传数据至服务器) ，u s b 接( 对监测数据进行存储，便于后 期分析等) 、串口( 调试、显示等) ，而该芯片对以上所有接口都能很好的支持， 因而是一个理想的选择。同时，构成的嵌入式系统既可满足小型化要求，又可以 在很大程度上降低单个同步相量测量节点的成本，便于能够进行测量节点的大量 安装。 d s p 数据采集单元采用独立的、基于d s p 的智能变送器模块。其主要优点在 于： ( 1 ) 采用独立的处理器来进行信号的采集、相量的计算，可以从根本上保证 数据处理的实时性； ( 2 ) 采集部分采用d s p 做为处理器【2 引，可以利用其数据运算能力强大的优势， 而将其不擅长的数据管理、应用程序运行等功能交给a r m 处理器完成； ( 3 ) 由于a r m 处理器与数据采集单元采用符合i e e e1 4 5 1 2 协议的t i i 接口， 可以方便添加多个数据采集单元，完成不同类型数据的采集工作。 同步相量测量系统节点的工作流程为：a r m 处理器首先读取由f p g a 解析出 来的g p s 的串口信息，解析得秒时间，通过a m b a 总线置值给时钟作为初值【3 0 】【3 1 1 。 时钟模块根据p p s 秒脉冲到来时刻，计数1 5 6 2 5 次( f p g a 内部时钟1 0 0 m ，每秒 采集6 4 0 0 次) ，发送一个t r i g g e r 信号给数据采集模块，启动一次数据的采集动 作。数据采集模块在采集到一周期第一通道的1 2 8 个数据后，给时钟信号n a c k 信号，作为时间锁存信号，锁存时标。数据采集模块在计算得到相量信息( 幅值、 相角、频率) 后，通过以太网接口发送一周期的所有各相相量信息给a r m 处理器。 a r m 处理器由a m b a 总线读取锁存的时间，给当前相量打时标，并根据c 3 7 1 1 8 9 电子科技大学硕士学位论文 协议要求的数据格式，将相量信息和时标组合成数据帧，由数据通信网络发送给 上端的服务器。服务器端为数据处理站。该站由w e b 服务器、数据库服务器和操 作员工作站组成，完成数据的搜集、存储、当地信息的显示、传感器的配置和向 调度中心传输规定的信息等任务。 这样构建的电力系统同步相量测量装置( p m u ) 基本能够满足电力系统参数 同步采集的要求，其具体指标如下： 。 采样率为6 4 k h z ，对于5 0 h z 的周波等间隔采样为1 2 8 个点； a d 转换芯片为1 2 b i t ，转换速率1 2 5 n s ，测量值精确n 4 , 数点后第3 位； a r m 向服务器端的实时上传速率为5 0 帧秒，数据格式符合i e e ec 3 7 1 1 8 规范； 节点内部a r m 数据处理模块与d s p 数据采集模块通信符合i e e e1 4 5 1 2 协议； 测量值包括：三相基波电压相量、三相基波电流相量、电压频率、电流频 率、功率因数、有功功率、无功功率、发电机内电势、机端电压等； gps p p s 秒脉冲时间误差小于l u s ，同步时间精度不大于1 0 u s ； 相角同步精度约为o 2 5 度，频率测量精度为0 0 0 1 h z 。 基于p m u 的上层服务软件具有以下功能； 实时解析由通信网络发送过来的数据报文； 各节点传送来的相量信息存储于数据库中，通过w e b 页面可以对数据库 进行查询、删除等操作，并且每1 4 天进行一次数据备份； 在w e b 界面上以波形图方式显示各测量值的历史数据； 提供实时动态监控软件，直观的显示相量的幅值、相角； 动态监控软件软件底层包含低频振荡监控软件包，可以对多机系统的低频 振荡进行监测、报警。 2 2 本方案的技术难点分析 对于p m u 的开发，难点是比较多的，就论文的工作内容来看，主要存在于下 面几个方面： 基于a r m9 的数据处理单元硬件设计 基于a r m9 的数据处理模块是本设计的重点和难点。而这其中，硬件系 l o 第二章同步相量测量装置( p ) 系统总体设计 统的设计属于坐着的核心工作之一。对于a t e m e l 公司的 a t 9 1 r m 9 2 0 0 q u 处理器，我们不仅需要对其外围基本硬件工作环境进行 设计，同时需要设计各种通信接口，包括：1 a r m 与各d s p 板卡通信接 口：2 a r m 与f p g a 通信接口；3 a r m 与以太网通信接口；4 u s b 接口； 5 与p c 机通信的串行口等等。 基于f p g a 的精确同步时钟单元硬件设计 基于f p g a 的同步时钟单元也是本套系统的核心之一。时钟单元设计的 好坏，直接关系到数据采集及同步效果的精确度。本单元采用的是a l t e r a 公司生产的c y c l o n ei i 系列f p g a 芯片，不仅功能强大，资源丰富，而且 采用更高的工艺，实现了更低的能耗及更小的体积，能够充分满足设计 需要。 高精度的同步时钟设计与实现 高精度的同步时钟是同步相量测量的前提，也是本套装置的核心之一。 按照国家电力系统动态监测技术规范要求，电力系统同步相量测量装置 的时钟同步误差要求小于5 u s 。所以，利用g p s 产生的精确时钟信号进 行同步采集是一个最优的，可行的方案，同时这也是本套系统的又一大 重点及难点。 u s b 接口设计 作为本套系统一大特色，该装置集成了通用u s b 接口，为大量的数据存 储分析提供了一条简便的途径，因此，对u s b 接口的设计也是一个重点 工作。 总体上来说，对于电力系统同步相量测量装置的研究，本研究着重关注了其 底层硬件平台的搭建。经过努力，最终成功的开发出了a r m 数据处理中心硬件平 台及f p g a 时钟模块硬件平台且联机调试稳定可靠。 在本硬件平台设计中，充分考虑到当前工业控制网络的发展方向，采用了基 于t c p i p 协议的以太网通信接口；其次，为了实现精确的时钟同步，论文对基于 f p g a 的g p s 时间报文解析做了重点关注，并开发出了为整套装置提供精确同步 时钟的同步时钟模块；再次，由于能够外接大容量的存储媒介是本套装置的一大 特色，因此，对u s b 接口的设计做了一定的努力；最后，基于装置的改进角度考 虑，除了保留原有的符合1 4 5 1 2 协议的t i i 接口，另外增加了基于t c p i p 协议的 以太网接口，供后期扩展d s p 与a r m 之间数据通信功能用。 电子科技大学硕士学位论文 第三章同步相量测量装置硬件设计 本章主要对同步相量测量装置的硬件设计进行详细介绍。主要内容包括三大 部分：a r m 数据处理单元硬件设计：f p g a 同步时钟单元硬件设计；系统电源设 计。在a r m 数据处理单元上，首先介绍了该单元的总体架构，然后分别详细介绍 了a r m 处理器核的相关内容和a r m 处理器外围设计，包括其最基本的工作环境， 即最小系统设计、以太网接口设计、t i i 接口设计、u s b 接口设计等；然后介绍了 f p g a 同步时钟单元硬件设计，包括f p g a 最小系统设计，接口设计等；最后给出 了整套装置的电源供应方案。 3 1 基于a r m9 处理器数据处理单元硬件设计 3 1 1 数据处理单元总体架构 在本套系统中，a r m9 t 1 2 】应用平台是整个系统的数据处理及通信的枢纽。因 此如何稳定可靠的对各种数据进行接收、打包、标记、传输等直接关系着整套系 统设计的成败。 a r m 数据处理单元的结构如图3 - 1 所示： 图3 1a r m 数据处理单元结构 1 2 第三章同步相量测量装置硬件设计 由于整个a r m 板芯片元件较多、数模信号叠加，因此，考虑到整套系统的 电磁兼容性，删板采用6 层板设计，分层级层特性如图3 2 所示： t o p l a y e r gr o u n d 【咖u l t i p l en e t s ) 争 m i d s h 驴l p o w e r ( ( m u l t i p l en e t s 】寸 g r o u n db 【g n d ) 呻 b o t t o ml a y e r 图3 - 2 a r m 板分层图 c u e 【12 6 m i 0 p r e l 叫e g 【12 6 嗍 c o r e 【12 6 m i i 】 p r e p r e g 【1 2 6 m j l i c o r e 【12 6 r o l l 】 整块a r m 单元硬件板卡的布局必须尽量做到整洁，电源、数字、模拟部分应 该有效分开，时钟信号应充分隔离，以期达到更好的e m c 效果。板上个子模块布 局如图3 3 所示： 图3 3 a r m 板布局图 在a r m 数据处理单元中，最小核心系统由a r m9 芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 、6 4 m b 的n a n df l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 u o c 、两片3 2 m b 的s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 和 电子科技大学硕士学位论文 一片4 m b 的d a t af l a s h 芯片a t 4 5 d b 3 2 1 c 组成了一个最小嵌入式系统。同时为了 给该单元提供备份时钟，本设计外扩了一个时钟芯片d s l 3 0 2 。其中，各主要功能 模块介绍如下： 1 最小系统核心 本单元的核心芯片是a t 9 1 r m 9 2 0 0 。该芯片是a t r n e l 公司基于a r m 9 2 0 t 核的 高性能、低功耗1 6 3 2 位r i s c ( 精简指令集计算机) 微处理器，内部集成丰富的外 设资源，适用于要求外设资源丰富、功耗低、工作严格稳定的工业控制等方面 13 1 。 同步动态随机访问存储( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，简称 s d r a m ) 是有一个同步接口的动态随机访问存储( d y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ， 简称d r a m ) 。其内建缓冲可以使得运算交叉进入多行存储，这样就可以有效提高 带宽，速度更快。2 0 0 0 年以后，s d r a m 因为其卓越的性能，实际上取代了其它 类型的d r a m 在现代计算机中的位置，成为了目前嵌入式应用中最普遍的存储器， 且具相当高的性价比。在本套同步相量测量系统p m u 中，采用了两片h y n i x 的 s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 616 2 0 b t 构成了3 2 b i t 宽度的存储器，共计6 4 m b y t e ，从而 能够可靠的支持大量数据实时处理。 数据处理单元采用了一片n a n df l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 u o a 作为非易失存储器。 n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速 度也很快。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口，因此需 要在a r m 芯片内提供驱动。n a n df l a s h 的单元尺寸小，且生产过程更为简单， 可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。同时，n a n d 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，使系统可靠性达到更高。该芯片具有8 位数据总线，6 4 m b y t e 的容量，能够有效地容纳片上操作系统及相关的应用程序。 另外，数据处理单元采用了一片4 m b 容量的d a t af l a s h 芯片a t 4 5 d b 3 2 1 c ， 该芯片属于n o rf l a s h ，其特点是能够芯片内执行( x i p ， e x e c u t ei np l a c e ) ，这 样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内部运行，而不必再把代码读入到系统的r a m 当中。n o r 的传输效率很高，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 对于本套系统，其功能已经完全能够满足我们的要求。运用上，该芯片包含了数 据处理单元的启动程序及b o o t l o a d e r 等。 2 以太网接口 在接口方面，首先在数据处理单元与服务器端通信上，同步