基于SoPC的变电所IED过程层采样值接口技术

论文摘要

随着电子式互感器、智能断路器等新设备的应用和IEC 61850标准的发布,变电所自动化技术发生了革命性的变化,变电所IED获取二次电压、电流以及开关状态测量值的方式由直接采集二次信号转变为通过通信接口接收来自混合单元的过程层串行数据。因此,研究变电所IED过程层采样值接口技术,对于开发符合IEC61850标准的变电所自动化系统,推动变电所自动化技术的发展具有十分重要的意义。论文首先分析了现有变电所技术存在的问题,指出基于IEC 61850标准的数字化变电所技术可以实现IED之间的互操作与数据共享,解决变电所内的“自动化孤岛”问题,是变电所自动化技术的发展方向。详细分析了IEC 61850标准及其核心技术,对与IED采样值接口技术相关的IEC 61850-9部分进行了重点研究,介绍了IEC 61850-9-1数据帧的具体内容。提出了三种变电所IED的过程层采样值接口电路方式,即直接接收处理式、模拟信号再生式与接收再转发式;分析了三种接口电路方式的优缺点及其适用场合。在掌握过程总线通信技术的基础上,基于SoPC技术设计了一种用于变电所IED过程层采样值接口的数据接收再转发电路。该电路接收来自过程层通信线路的数据包,提取测量数据转发给后续的DSP/MCU做进一步处理,其作用与常规IED的交流变换和A/D转换电路相同,特别适用于将常规的变电所IED改造为用于数字化变电所的能够接收过程层采样值的装置。首先进行采样值接口的整体设计。硬件方面完成了整体框架设计,说明每一模块的功能,详细阐述了以太网控制器LAN91C111与NiosⅡ软核CPU接口电路的设计。软件方面移植了μC/OS-Ⅱ实时多任务操作系统,分析基于HALAPI的NiosⅡ软件启动过程,设计了软件的整体流程。利用Altera公司的开发板,实现了采样值接口的一部分功能——采样值的接收。使用硬件开发软件QuartusⅡ设计接收模块的NiosⅡ软核,定制其外围设备,完成硬件整体原理图的设计。使用NiosⅡIDE进行接收模块的软件设计,在μC/OS-Ⅱ环境中完成LWIP的初始化,编写用户应用任务。最后,下载调试整个系统,通过试验验证了本设计方案是切实可行的,接收模块可以稳定可靠的工作。本文设计了一种基于SoPC技术的过程层数据接收再转发电路。研究成果对于开发符合IEC 61850标准的IED,特别是将常规的变电所IED改造为用于全数字化变电所的能够接收过程层采样值的装置,具有很大的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 本课题的研究及发展现状
• 1.2.1 国内外IEC 61850的研究及应用情况
• 1.2.2 符合IEC 61850标准的IED过程层接口技术综述
• 1.3 本文所做的工作
• 第二章 变电所自动化技术与IEC 61850标准
• 2.1 变电所自动化技术
• 2.1.1 变电所自动化的基本功能
• 2.1.2 变电所自动化系统的构成
• 2.1.3 变电所自动化技术存在的问题与发展方向
• 2.2 电子式互感器
• 2.2.1 电子式互感器的优点
• 2.2.2 电子式互感器的原理
• 2.3 IEC 61850标准
• 2.3.1 IEC 61850的基本内容
• 2.3.2 IEC 61850的核心技术与特点
• 2.4 过程总线通信技术
• 2.4.1 IEC 61850-9标准
• 2.4.2 采样值传输模型介绍
• 2.4.3 采样值传输模型的映射
• 第三章 IED过程层采样值接口设计方案
• 3.1 基于过程总线技术的IED采样值接口方式
• 3.1.1 直接接收处理式
• 3.1.2 模拟信号再生式
• 3.1.3 接收再转发式
• 3.2 SoPC技术
• 3.2.1 SoPC技术概述
• 3.2.2 Nios Ⅱ软核处理器
• 3.2.3 基于Nios Ⅱ的SoPC开发流程
• 3.3 采样值接口硬件系统设计
• 3.3.1 硬件总体设计
• 3.3.2 以太网控制器LAN91C111接口电路设计
• 3.4 采样值接口软件系统设计
• 3.4.1 软件开发环境
• 3.4.2 实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ及其移植
• 3.4.3 应用软件流程设计
• 第四章 采样值接收再转发电路数据接收模块的具体实现及试验
• 4.1 接收模块硬件的具体实现
• 4.1.1 建立Quartus Ⅱ工程
• 4.1.2 创建Nios系统
• 4.1.3 创建完整的系统工程
• 4.2 接收模块软件的具体实现
• 4.2.1 接收模块的软件结构
• 4.2.2 接收模块的软件实现
• 4.3 接收模块功能试验
• 4.3.1 试验方法
• 4.3.2 试验结果
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况