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华中科技大学硕士学位论文安全稳定控制装置的通信与数据采集系统的研究与设计姓名：姚国国申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：周良松20070202摘要安全稳定装置的目标是确保电网在事故状态下的安全性和稳定性，可靠、实时的稳定控制通信方案是实现稳定控制装置功能的有力保证；采样数据的精确度以及动作快速性是判断稳定控制装置质量的一个重要指标，电力系统稳定控制要求装置的决策和控制速度要快，因此安全稳定控制装置需要高速、可靠的通信系统和数据采集系统。本文首先综述分析了安全稳定控制装置的通信系统与数据采集系统的研究现状、发展趋势和研究的意义。然后结合安全稳定控制装置自身的特点及要求，设计了基于光纤通信的通信方案。首先分析研究了该通信方案的硬件总体设计和实现过程；其次对通信方案进行了测试和分析，试验结果表明，该通信方案可稳定、可靠、高速的运行；再次对通信系统需要进一步研究的课题进行了分析，并对该通信系统的研究和设计进行了总结。该通信系统已投入到现场中运行。其次对安全稳定控制装置的数据采集系统设计了两种方案，并对两种方案进行对比，昀终选择基于SOPC(SystemonProgrammingChip)技术的高速数据采集系统的设计方案。分析研究了数据采集方案的硬件实现过程，对FPGA（FieldProgrammableGateArray）程序的设计提出了两种设计方案：利用VHDL（VHSICHardwareDescriptionLanguage）语言实现和利用SOPC技术实现。对数据采集系统进行了软硬件测试，测试表明该数据采集系统能够稳定、准确、高速的获得多路外部输入模拟量的昀终转换结果。关键词：安全稳定控制装置，光纤通信，数据采集，SOPC技术，FPGAIABSTRACTInsuringthepowersystem’sstabilityandreliabilityistheobjectofthestabilitycontroldevice,whenanaccidentoccurringinthepowersystem.Real-time,reliablecommunicationsysteminsuresthefunctionofthestabilitycontroldevice.Accuratesamplingdataandhigh-speedactionisanimportantguidelineforthequalityofthestabilitycontroldevice.Accordingtothestabilitycontrolsystem,highspeedisnecessaryfordecision-makingandcontrolling.Therefore,high-speedandreliablecommunicationsystemanddataacquisitionsystemisnecessaryforthestabilitycontroldevice.Inthispaper,thedevelopment,currentsituationofandsignificanceofthecommunicationsystemanddataacquisitionsystemforthestabilitycontroldevicearefirstlysummarized.Secondly,basedonthecharacteristicandrequestofthestabilitycontroldevice,afibercommunicationschemeisdesignedinthispaper.Hardwaredesignandprocessingareanalyzedandresearched.Thefibercommunicationschemeistestedandanalyzed.Theresultindicatesthatthefibercommunicationcanstabilityandreliablyrun.Theproblemwhichneededtoresearchforthecommunicationsystemisanalyzed,thenthepapersummarizesthedesignandresearchofthecommunicationsystem.Thisfibercommunicationsystemhasbeenputintooperation.Thirdly,twoschemesaredesignedforthedataacquisitionsystemofthestabilitycontroldevice.Thepapercontraststhetwoschemes,thenthispaperselectthedataacquisitionshamewhichisbasedontheSOPC.Thedesignandimplementofthehardwareareanalyzedandresearchedinthispaper.TwomethodsaredesignedfortheprogramofFPGA.OnemethodisdesignedbyVHDLlanguage,theotheroneisdesignedbySOPCtechnology.Thehardwareandsoftwarearetestedbythispaper.Theresultindicatesthatthedataacquisitionsystemcanstably,reliably,high-speedacquiretheconversionresultformulti-channelsanaloginput.Keywords:stabilitycontroldevice,fibercommunication,dataacquisition,SOPC,FPGAII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日1绪论1.1课题的来源及意义1.1.1研究安全稳定控制装置的通信系统的意义安全稳定控制装置的主要任务：在线路发生单相永久性故障、相间故障（包括两相故障、两相接地和三相故障等）或接到远方切机信号时，根据电网稳定控制要求确定昀优稳定控制策略（包括投切制动电阻、进行直流调制、切机组和远切负荷等），并付诸实施。装置的控制目标是确保电网在事故状态下的安全性与稳定性[1]。要实现这一目标，必须掌握以下信息：①系统扰动前全系统的网络拓扑、开机方式及运行状态；②扰动对全系统的影响；③扰动清除后全系统的网络拓扑、开机方式的变化。要准确迅速的掌握这些信息，良好的系统结构和高速可靠的通信是基础[2]。目前，电力系统安全稳定控制装置需要多个通信接口，用以实现变电站与变电站的稳定控制装置之间的通信、稳定控制装置与网调稳定控制中心的通信、稳定控制装置与省调稳定控制中心之间的数据通信等。通信内容包含远方切机信号、转发远方切负荷信号等非常重要的信息。由于电网安全稳定控制系统各站之间的传输通道的性能直接关系到该系统作用的发挥，因此，要求传输通道有极高的可靠性、可依赖性和较短的时延，对通信系统来说，必须具有高速、高可靠性和稳定性的特点就成为必然[3]。经过几十年的发展，我国电力通信网已经建设成为以数字微波为主干通信线路，具有光纤通信、卫星通信、电力线载波通信等多种传输手段，并以数字程控交换机为交换节点，遍及全国电力系统各部门的专用通信网络，为电力系统的生产和调度、行政管理和传输自动化信息提供了必要的保证。进入90年代以来，各网、省局和地区电力局在大力发展上述基础通信设施的同时，还大力发展通信设备监控、OPGW（架空地线复合光缆）和ADSS（无金属自承式光缆）等特种光纤、SDH（SynchronousDigitalHierarchy）、N×64Kbit/s及2Mbit/s数据和图像通信。安全稳定控制装置需通过PCM（PulseCodeModulation）、PDH（PlesiochronousDigitalHierarchy）、SDH等设备接入电力通信网，PCM、PDH、SDH等设备提供的接口为符合ITUG.703规约的64Kbit/s、E12.048Mbit/s的同向数据接口[4,5]。从以上可以看出，稳定控制系统急需要一种快速、可靠的通信方案，满足稳定控1制的实时通信要求并适应电力系统通信网的发展现状。1.1.2对稳定控制装置的数据采集系统研究的目的和意义本课题组现有稳定控制装置是以32位微处理器作为主控制单元，需要完成变压器、母线、线路、发电机等的电压、电流模拟信号的采集和运算、开关量信号的输入输出、站与站间以及和调度中心的通讯、控制策略控制算法的实现、界面显示等各种任务。采样数据的精确度以及动作快速性是判断稳定控制装置质量的一个重要指标。稳定控制装置的输入量和输出量一般较多，需要处理的数据量大，而电力系统稳定控制要求装置的决策和控制速度快。如华中电网对葛洲坝对安全稳定控制装置要求在故障后100～200ms内将发电机跳开。若去掉断路器动作时间、中间继电器时间和信号传输时间，真正用于稳定判别和决策的时间很短。在这种情况下，如此多的数据需要采集、处理和计算，并要进行稳定决策和控制，CPU的负担非常重，其中交流采样的负担昀重。如本课题组现有稳定控制装置可能有多达64路或更多路的模拟量输入，为0～1A(或5A)的电流量和0～100V的电压量。需要对这些模拟量进行计算，算出电流、电压、有功功率、无功功率的有效值。若将这些需要全波傅氏滤波算法的计算全部交给工控机来完成，必然造成CPU的开销急剧增大。为满足动作的快速性，就不得不牺牲采样精度。本课题组稳控装置的采样点数为每周波24个点，计算出来的有效值精度也不算很高。针对上述采样精确度与动作快速性之间的矛盾，为提高稳定控制装置的采样精度和计算速度，减少稳定控制装置的CPU的工作量，以及结合本课题组稳定控制装置的现状，本文提出一种设计方案，将稳定控制装置的所有输入模拟信号的采样任务交给另外其它单元来处理，处理完后将数据共享给稳定控制装置主CPU。1.2本文的主要工作与章节安排本文的研究是结合华中科技大学“QWD型区域安全稳定控制装置”的工程项目展开的。在研究国内外通信技术与数据采集技术的现状与发展的基础上，结合课题组安全稳定控制装置的特点与配置，设计了基于光纤的通信系统和基于SOPC(Systemonprogrammingchip)技术的数据采集系统，并将其转化为产品，应用到了本课题组的安2全稳定控制装置中。总结起来，本文做了以下工作：1、在研究安全稳定控制装置通信系统的特点的基础上，设计实现了基于光纤的通信系统，通过具体的设计体验，归纳了系统的方案设计、选型原则以及设计方法。解决了安全稳定控制装置与电力通信网通信的要求。2、为解决本课题组安全稳定控制装置数据采集、计算任务繁重的问题，在研究国内外继电保护装置、安全稳定控制装置、数控系统等装置的数据采集系统的基础上，结合本课题组安全稳定控制装置的特点和硬件配置，设计实现了基于SOPC技术的数据采集系统，归纳了具体的设计、方案的昀