基于FPGA的智能断路器控制器的研究与设计

论文摘要

现在，智能电网发展迅猛，从企业的提出到政府的重视、再到实际的部署这一条发展脉络来看，智能电网极具发展潜力和广阔前景。在智能电网领域中的智能化开关方面，传统的断路器已无法满足人们对电网的智能化、数字化、网络化的要求，亟待新型智能断路器取代其位置，从而在电网中起到保驾护航的作用。其中智能断路器的核心是控制器，因此研究和设计智能断路器控制器具有现实意义和应用价值。在此背景下，本论文对智能断路器控制器展开了相关研究工作。本论文首先总结智能断路器控制器的发展历史，预测智能断路器控制器的发展趋势，在此基础上，提出基于FPGA的智能断路器控制器的技术方案。论文的开始简要介绍智能断路器控制器的保护原理，详细分析各种保护算法的优缺点，从中选择各方面均有优势的小波分析算法作为理论支撑。在小波分析理论的指导下，使用MATLAB工具进行仿真验证，并且结合FPGA的可编程能力特点，在算法硬件实现方面做了相关探索并最终实现。当小波分析和FPGA结合这样的核心技术方案具有可行性后，本论文针对智能断路器控制器外围功能诸如AD采样、保护判断、人机接口、以太网通信等方面进行设计工作。关于智能断路器控制器的硬件，处理器采用选择ALTERA公司的EP2C8型号的FPGA，数据采样利用TLC2543型号的芯片实现模拟信号到数字信号的转换，以太网通信则采用ENC28J60型号的芯片实现上位机向FPGA发送命令参数。硬件设计工具使用MULTISIM进行信号调理的仿真，采用CADENCE软件绘制原理图并制作PCB。关于智能断路器控制器的软件，选择FPGA中VERILOG硬件描述语言和NIOS中C语言进行设计。采用VERILOG主要设计AD模块和小波分析算法模块，并结合NIOS中的AVALON总线信号特点封装为自定义IP核，嵌入NIOS。采用C语言进行保护判断、人机接口、以太网通信等模块的设计。论文的最后进行主要测试工作。关于算法的测试，在DEVCPP平台上编写程序生成类似于短路电流的数据，输入至FPGA中的算法模块，运算结束后将输出结果送至MATLAB中生成波形，成功验证算法硬件实现的正确性。对于以太网通信的测试，在上位机的TCP/UDP调试工具中，向控制器中FPGA发送命令参数，FPGA可以根据发送的命令正确解析，并且做出响应动作提示。关于人机接口的测试，则是按下不同按钮，液晶屏会出现相应的显示。本论文中所设计的智能断路器控制器实现了保护算法功能、以太网通信功能、人机接口功能。该控制器可以使断路器保护更加准确及时，可以远程进行检测和操控，人机对话功能更加强大，对实际智能断路器控制器的更新换代具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 低压断路器简介
• 1.3 国内外现状
• 1.4 低压断路器的发展趋势
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本文章节安排
• 2 断路器保护原理
• 2.1 过载长延时保护
• 2.2 短路短延时保护
• 2.3 短路瞬动保护
• 2.4 欠压保护
• 2.5 负载监控保护
• 2.6 小结
• 3 断路器保护算法
• 3.1 最大值计算
• 3.2 有效值计算
• 3.3 傅里叶变换
• 3.4 小波分析
• 3.5 小结
• 4 控制器硬件设计
• 4.1 中央处理器
• 4.2 AD 模数转换器
• 4.3 信号预处理
• 4.4 信号调理
• 4.5 存储电路
• 4.6 以太网芯片
• 4.7 实时时钟芯片
• 4.8 人机接口
• 4.9 开关量输入电路
• 4.10 开关量输出电路
• 4.11 电源电路
• 4.12 硬件抗干扰
• 4.13 小结
• 5 控制器软件设计
• 5.1 NIOS 体系架构
• 5.2 μC/OS-II 操作系统
• 5.3 AD 采样单元
• 5.4 数据处理单元
• 5.4.1 控制单元
• 5.4.2 信号存储单元
• 5.4.3 串转并单元
• 5.4.4 移位单元
• 5.4.5 查找表单元
• 5.4.6 高低位合并
• 5.4.7 和运算单元
• 5.4.8 总体框架
• 5.5 以太网通信单元
• 5.6 人机接口单元
• 5.7 保护判断单元
• 5.8 小结
• 6 控制器模块测试
• 6.1 算法模块测试
• 6.2 通信模块测试
• 6.3 人机接口测试
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢