基于NIOSII的同步相量测量装置研制.docx

基于NIOSⅡ的同步相量测量装置设计
【摘要】同步相量测量装置可以在全球定位系统信号的控制下,对电网中的各个节点进行同步相量测量,其测量结果可为电网的安全稳定分析提供较为关键的基础数据源。本设计采用ALTERAFPGA和NIOSII嵌入式处理器核，研制了一套电力系统同步相量测量装置。本文详细叙述了同步相量测量装置软、硬件设计结构以及设计方法，将整个装置从硬件层划分为若干模块，介绍了数据采集单元，时钟同步单元以及IEEE1588协议处理单元的设计与实现。同时还实现了硬件的FFT计算与GPS报文解析。
【关键词】同步相量测量；NIOSII；IEEE1588；同步时钟
DevelopmentofaSynchronizedPMUBasedonNIOSⅡ
ShenWen-qiJingShiXuHua-dongZhuangYu-fei
(UniversityofElectricScienceandTechnologyofChina,CollegeofAutomation)
AbstractPhasemeasurementdeviceisusedtomeasureeachgridnodephaseinpowersystemwiththecontrolofglobalpositioningsystemsignals,themeasurementresultscanprovidedataforsecurityandstabilityofnetworkwhicharemorecritical.ThisdesignusesALTERAFPGAandembeddedprocessorcoreNIOSII,developedaphasemeasurementusedinpowersystem.Thispaperdescribedsoftwareandhardwaredesignofthesynchronizedphasemeasurementunit,divideddifferentmodulesfromthehardwareoftheentiredeviceanddescribedthedataacquisitionunit,thesynchronizationclockunitandIEEE1588protocolunit.ItalsoimplementedtheFFTcalculationandGPSmessageanalysis.
KeyWordSynchronizedPhaseMeasure;NIOSII;IEEE1588;SynchronizedClock

0引言
电力系统同步相量测量系统主要应用于电力系统广域测量系系统，其目的在于提供互联电网各个节点处的同步动态信息，提供广域范围内电网动态安全监控以及稳定性控制。对于避免电网大面积故障以及建设智能化电网具有重要的意义。早期电力系统广域电网中各个节点之间上传数据不具备同步性，即上层软件获得的电压幅值、相角等参数不具备同一的时间标签。因此参与动态稳定性判断和控制计算的各个数据不能保证是来源于同一时间，从而造成无法对广域范围的电网进行实时监控和在线分析。
近年来，随着电力系统广域测量系统以及同步相量测量装置的出现，彻底解决了上述问题。本项目基于ALTERAFPGA和NIOSII嵌入式处理器核，设计一套电力系统同步相量测量装置。该系统利用GPS的秒脉冲信号，产生同步采样信号，驱动AD转换器采集三相电压、电流瞬时值。再经过改进后的递推傅立叶算法，得到当前系统幅值、相角、频率等参数，通过以太网上传给上层软件。特别是在GPS信号无法获得时，本项目还考虑采用硬件实现IEEE1588协议的方式来解决时钟同步问题。
1.功能设计
本设计采用ALTERAEP2C20F484，设计实现同步相量测量装置。该装置可以实时提供电网实时电压相量、电流相量、频率等参数信息，并会根据GPS时间或者是IEEE1588协议修正时间，为参数信息打上全网统一的时间标签。最终完成向上层监控中心提供同步相量信息的功能。
装置由FPGA内部AD采样控制模块驱动AD对三相电压、电流信号采样，并读回瞬时值，存入FPGA内部FIFO。当采样点数满足128点时，采样模块锁存时钟处理模块的当前时间，并将数据送入相量计算模块，得到三相电压、电流相量。NIOSII上程序读出这些数据并读出时钟模块锁存时间，按照IEEEC37.118协议打包数据，以UDP报文形式发送给上层软件。上层软件可以根据各装置送来数据的时间标签进行实时的图形、图标的同步显示，实现监控功能。本设计FPGA硬件可提供多通道AD采样控制信号，方便进行多路三相电的同步测量。
2.总体设计
2.1硬件设计方案
硬件总体方案如下图所示。
图1硬件总体方案
如图电网电压、电流经过精密互感器后