基于FPGA實現多路變電站母線PT信號同步采集

黃高潮 李濟山 于戰旗 胡鵬

摘要：國家電網在變電站內部署了大量的PMU設備，用以監控變電站內母線信號，實現對母線進行狀態監控、故障分析、故障錄波等功能并取得大量生產科研成果。但隨著電網對測量數據的時間精度要求提高，尤其是對不同母線進行相互信號數據分析的需求的出現。原有PMU設備的信號采集同步精度已經不能滿足所需。本文通過對現有信號采集電路進行優化升級，利用FPGA控制單母線內多通道采集，并加入額外差分觸發信號，成功將信號采集同步精度大幅度提高；并且經過試制樣機，在變電站內進行部署，成功實現了變電站母線PT信號的高精度同步采集，為進一步基于同步采集數據提供了一種通用程度高的硬件基礎平臺。

Abstract： The State Grid has deployed a large number of PMU devices in substations to monitor bus signals in substations， and to perform status monitoring， failure analysis， fault recording and other functions on busbars and to obtain large-scale production scientific research results. However， with the increase of the time accuracy of the measurement data of the power grid， especially the need for mutual signal data analysis of different buses， the accuracy of the signal acquisition and synchronization of the original PMU equipment can no longer meet the requirements. This paper optimizes and upgrades the existing signal acquisition circuit， uses FPGA to control the multi-channel acquisition in a single bus， and adds additional differential trigger signals to successfully improve the precision of signal acquisition synchronization； and through trial prototypes， it is deployed in substations， successfully achieving high-precision synchronous acquisition of substation bus PT signals， thus providing a more general-purpose hardware basic platform for further acquisition of data based on synchronization.

關鍵詞：高精度同步采集；FPGA；差分觸發

Key words： high-precision sync DA；FPGA；differential triggering

中圖分類號：TM451 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）17-0186-05

0 引言

隨著國家電網變電站基礎設施建設日益完備，大量新舊站都已經安裝PMU裝置來監控母線運行參數。同時隨著無人值守變電站的日益增多，主站端已經習慣通過遠動獲取電網運行數據，這些重要數據作為基礎數據提供給管理人員進行處理，所以變電站內PMU裝置對數據采集的準確度成為保障電網可靠運行管理的關鍵點[1]。

由于現代社會和經濟的發展，電力用戶對供電可靠性的要求越來越高，對短時停電十分敏感。所以目前各地配網多采用閉環設計、開環運行的方式，并頻繁存在倒負荷或線路檢修的需求。所以通常采用配電網合環操作進行不停電倒負荷操作。這其中如果兩路母線電壓幅值相位差距過大，易引起過流保護或速斷保護誤動，造成經濟損失。但由于現有PMU裝置標準化技術規范成形于本世紀初，其時間同步參數已不適用于多路信號的相位測量，所以此類操作現在均經過主站管理人員通過潮流計算模擬得出。尚無手段在變電站現場對實際信號采集分析。出于以上原因，有必要設計研發一種母線電壓信號同步采集裝置，以高精度同步信號采集作為設計目標，設計一款站內數據采集裝置，用以彌補傳統PMU對于多通道同步采集的不足[2]。

1 PMU設備現況分析

目前變電站內的PMU設備按照《Q/GDW 1844 – 2002智能變電站的同步相量測量裝置技術規范》所提出的技術指標設計，此規范從裝置功能、性能給出了具體設計要求。當前站內所安裝的PMU裝置均符合此規范，當前PMU主要具備如下功能。

1.1 同步測量功能

可同步測量三相電壓、三相電流（線路、主變和母線）和開關量信號。應計算三相電壓基波相量、三相電流基波相量、正序電壓基波相量、正序電流基波相量、有功無功功率、頻率及頻率變化等。

1.2 動態數據記錄功能

應連續記錄正序電壓電流基波相量、三相電壓基波相量、三相電流基波相量、有功功率、無功功率、頻率、頻率變化率和開關量信號，并在發生特殊事件時建立事件標識。

1.3 通信功能

裝置按照時間順序逐幀、均勻、實時傳送動態數據，傳送的數據中應包含整秒數據。

1.4 人機接口功能

裝置應顯示電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率越線告警等信息；支持監視裝置運行狀態等信息；支持對裝置進行參數配置和定值整定。

1.5 時間狀態標識功能

應對數據的時間同步狀態進行標識。

1.6 異常告警功能

具有在線自動監測功能；PT/CT斷線、直流電源消失、裝置故障、通信異常、時鐘同步信號異常時，應發出告警信號。

2 變電站母線信號特點分析

針對變電站母線信號的準確分析，可以快速正確的判斷電網設備的當前運行狀態，保障電網可靠運行。對變電站安全生產起到不可估量的作用。

目前，配網110kV變電站一般均有多個110kV入線以及數量不等的出線。由于不同入線電源存在差異、線路負載存在差異，輸電線上情況存在差異。導致入線之間存在程度不同的相位、幅值偏差。出線由于線路負載不同也會存在差異。當這些差異超過設備保護限值后，極易造成設備損壞，甚至出現人身事故等危險情況。因此，對變電站內入線、出現上母線PT信號進行監控，高精度同步對其信號進行采集分析計算。可以顯著減少這類不停電倒負荷操作中存在的安全隱患。

2.1 變電站倒負荷操作的隱患

由于當前配網均采用閉環設計、開環運行的方式，所以存在頻繁的倒負荷或線路檢修的需求，當進行這些操作時，為了保證用戶不停電，通常需采用不停電倒負荷操作，即直接合聯絡開關將母線連接。

如果此時兩條母線的電壓相角差過大，根據交流電瞬時電壓公式：U=A*sin（2πt+θ）

瞬間電壓U將造成很大電流通過開關觸點，極易引發過流保護或速斷保護誤動。造成配電網運行不穩定，用戶處斷電甚至燒毀設備造成長時間停電。

當前為避免出現此類情況，一般是經由調度人員通過潮流計算軟件，模擬計算兩條母線的相角、幅值信息。這鐘方法存在如下弊端：

①無法保證計算實時性，實際操作時母線運行情況與理論計算存在延遲。②倒負荷操作后對電網運行造成的影響沒辦法進行全方位評估。

所以，當前在實際變電站運行中，大多數不停電倒負荷操作均安排在線路負荷低，停電影響小的夜間進行，限制要求很多。

2.2 多路母線信號同步測量必要性

綜上所述，目前變電站內安裝的PMU裝置更多強調對單路母線信號測量的準確度，而對多路的同步測量則考慮不夠充分。其中規范中針對時間同步的要求僅優于±1μs。

由于多路測量現在需多臺PMU協同工作，此誤差理論可累計到±2μs，并且由于不同廠家、不同批次設備的差異。實際現場試驗測量同一標準信號得到的同步誤差可到±1°以上。故基于現有同步精度無法有效對多路數據進行同步分析，所以需要設計新的采集方法，實現多路信號同步采集。

針對此需求，本文將通過設計一款FPGA為核心的高精度數據采集電路，并在多通道間使用差分信號同步觸發的采集方案。達到多路母線PT信號采集，滿足不停電倒負荷所需計算時間精度。

3 基于FPGA的多通道數據采集

配電網母線PT信號包括A、B、C三相，為實現母線信號的特征分析，對此三相數據采集要求十分高。所以本文方案采用多個高速串行SAR型ADC并發采集，保障三相PT信號數據采樣時刻同步，模數轉換嚴格同步，為后續進行母線信號計算并形成相角判據提供可信數據基礎[6]。

3.1 基于串行SAR型ADC模數轉換

模數轉換器ADC，作為信號采集的主要元件，其性能參數對系統性能起決定性作用。ADC主要有轉換速度、轉換精度和分辨率三大參數。目前商用的ADC從實現原理來說主要分為三類：

①閃速ADC，內部通過大量精密電阻和比較器，同時將輸入電壓轉換為數字比特數據，其具備轉換速度快，轉換精度高的優點，但由于其實現原理，導致其分辨率一般僅為8bits甚至6bits，提高其分辨率將導致復雜度成指數率增長。多用于高速測量。

②Σ-Δ型ADC，內置低精度ADC和高階Σ-Δ調制器構成，其通過多位ADC和調制器配合，獲得高精度轉換數據，其分辨率可以做到16bits以上，但由于其實現原理，其轉換速度受到制約，一般不超過100kHz，多用于高精度低頻或直流信號測量。

③SAR型ADC，其內置DAC和比較器，通過DAC根據二分法依次產生對應電壓，經比較后依次得到外部輸入模擬信號從MSB到LSB的結果，其轉換精度很高，分辨率也可以做到16bits以上，且由于其實現原理，其轉換僅延遲一個時鐘周期，轉換速度可以達到10MHz，滿足一般測量需求。

由于三相交流電的特點，要想得到每個周波內的詳細數據，轉換速度應大于200kHz以上，且轉換精度應大于12bits，才能滿足對母線PT上頻率、幅值、相角的準確測量，所以在設計時，我們選用了由TI公司生產的高速高精度ADC芯片ADS8329，其分辨率能達到16bits，且其最快轉換速度可以達到1MHz，滿足系統的設計需求。

ADS8329的控制通過跟SPI兼容的串行總線獲取，其SCLK時鐘信號最高可達到50MHz，并通過SO，SI，EOC/INT#，CONVST#等信號，實現寄存器讀寫，轉換數據讀寫，開始采樣，采樣完成等操作。由于串行接口的設計，其工作所需引腳數量少，芯片封裝僅為QFN16，適合多路采集的設計。（圖1）

設計中采用三路ADS8329同時對母線三相PT信號進行采集，由于其SCLK工作頻率很高，所以傳統MCU作為控制器不可行，其無法保證高速采集，也無法保證嚴格采樣時間同步的設計初衷，所以在設計中，采用FPGA芯片EP4CE6E22C8作為控制器，利用其芯片上的高達270Kb的內嵌RAM和30個M9K內存塊。非常合適為每通道采集芯片搭建片上FIFO，經過統一處理后提供給處理器，做進一步數據計算、打包，傳輸等操作。

3.2 Verilog程序設計要點

作為可編程器件，FPGA的功能很大程度上取決于設計者本身的設計技巧與經驗，本文所實現的多通道采集中，為了保證三路高速SAR型ADC的同步控制與FIFO的高效運行，在編程中需要謹慎對待。本小節就設計中遇到的要點進行討論：

3.2.1 ADC控制邏輯單元模塊化設計

三相串行ADC的控制具備完全相同的驅動邏輯，為防止因為編譯時優化生成LUT時造成信號時序出現細微差別。首先對串行ADC進行模塊化設計，經過實例化實現其所需功能，然后頂層結構設計時將其作為模塊分別接入同一時鐘、使能、觸發邏輯信號。確保了三相數據邏輯單元同步工作。

3.2.2 利用EP4CE系列內部M9K

通常來說，使用FPGA構建大容量RAM存儲器將十分占用其內部LUT塊，將迅速導致FPGA內部LA資源耗盡，無法實現所需其它邏輯控制功能。但Altera公司的EP4CE系列FPGA內部集成了M9K內存塊，此單元有別于其它通用LUT邏輯塊，其主要就是為了在FPGA內部實現存儲功能所特殊設計的功能單元。配合公用IP核，可實現各類存儲器應用。

本文設計中采用FIFO的IP核，三相數據按順序并發存入數據，然后統一讀取。實現多通道數據總線接口，最大化利用FPGA內部資源，減小外部電路和程序設計的復雜度。數據存儲高效快捷。

3.2.3 FPGA引腳分配原則

FPGA芯片引腳共分為三類，通用IO引腳、時鐘引腳和電源引腳，其中通用IO引腳又根據電源域的不同分為了不同的BANK區間，對于強調高同步的設計來說，主要需要考慮如下：

①對于全局功能的信號，比如觸發信號，使能信號，可考慮設置到沒有使用到的時鐘引腳上，因為時鐘引腳經過特殊設計，對于全局來說延遲都是相同的，也就保證了各模塊之間對此信號響應一致。

②對于其余信號來說，每個邏輯模塊的輸入輸出信號應綁定到同BANK引腳上，因為每個BANK的IO輸入輸出延遲均相同，這樣可以保證邏輯信號之間的時序正確。不出現因芯片工藝導致的時序問題。

經過對IO引腳合理的分配設計，才可以保證程序的輸入輸出各邏輯信號按照設計思路正確執行。

3.3 多路采集模塊

采集模塊設計考慮到電網設備對穩定可靠的要求，采用6層PCB進行電路板設計。并考慮到今后多通道的拓展能力，將模塊整體設計的非常小巧。模塊目前工作良好，各項指標符合設計要求。

4 基于差分觸發信號的多路采集

當前國家電網對于各地配電網多采用“閉環設計，開環運行”的運行方式。每個變電站內母線多為2條以上，出線也有多路。如果要可靠的對多條線路上PT信號進行同步測量，就需要尋找一種簡單可靠的同步觸發采集信號方案。

4.1 觸發信號方案設計

對于多路模塊之間協同工作，需要一種保證工作同步的手段，一般來說，根據對同步時間要求的不同，有如下2類實現方法：

4.1.1 基于軟件協議觸發

多采用數據通信的通道，例如網絡，串口等接口，發送一條同步指令后，各模塊開始同步進行工作，由于網絡通信，數據傳輸，各模塊時鐘誤差等原因，該種同步方案的誤差很大，至少為10ms以上。對于本文所述情景此方案不適用。

4.1.2 基于硬件信號觸發

利用外部獨立信號，接入到電路板的GPIO輸入引腳或者IRQ中斷引腳，當信號電平發生變化時，認為是同步開始，這種同步誤差小，精度高。且對于多通道拓展簡單，本文將采用此種同步方案。

高速采集模塊為自主設計，設計時已經在電路板留有相應外部引腳用以實現觸發功能，將觸發信號接入到板上的FPGA內，可大大提高觸發精度，另外由于處理器需處理數據FIFO中高速采集得到的大量數據，所以處理器也響應中斷，處理器的中斷代碼要注意兩點：觸發信號中斷優先級應盡可能高，以便防止其它中斷打斷；數據搬運要應用DMA模塊，降低CPU開銷，防止CPU忙于處理其它工作，造成不可控延遲。以上要點需在編程時重點優化，會大幅減少中斷響應延遲。以便滿足1μs以下同步觸發要求。

4.2 引進差分觸發信號

變電站內的工作條件十分惡劣。對于硬件設備來說，由于站內高壓設備，低壓設備密度很高，在電路板外的信號線極易收到干擾，考慮到這種實際情況，對于觸發信號的傳輸設計采用差分方式進行。盡可能降低惡劣環境所造成的影響。

差分信號作為一種有效提升信號傳輸質量的手段，廣泛應用于很多領域，工業方面例如以太網，CAN，RS485均采用了差分傳輸，常見的USB接口，HDMI接口，LVDS接口也是采用差分傳輸，由于差分信號參考于兩根正負信號線之間的電壓差得到有效數據位，所以比起單根線參考于信號地來說，對因傳輸引入的干擾抑制能力很強。

通過將多路模塊并聯接入到差分觸發信號上，所有模塊統一由變電站內標準IRGB-DC衛星授時模塊輸出的整點脈沖進行同步采樣，經過實際測試，本方案可以實現觸發誤差小于0.4μs。優于原設計目標1μs的要求。通過差分觸發信號對多路采集的控制，將為多路采集數據的后期處理分析提供重要保障。

5 試驗結果

本文所制多路母線PT信號同步采集裝置已經安裝于華北某110kV變電站內，接入了站內兩條110kV母線PT電壓，同時接入站內遠動通信線纜，衛星授時線纜，實現了對兩條母線PT三相電壓的高精度同步測量，并得到了實際運行數據。

運行時，兩條母線聯絡開關處于閉合狀態，所以可以認為兩個母線上電壓相位相同，可根據兩路同步采集模塊得到的采樣數據的差異來判斷本文所設計的同步采樣的數據可靠性。另將一路母線PT同時接入第三路采集模塊，作為其它兩路數據參考，用以綜合評估采樣數據質量。

整秒觸發采樣得到了100組數據，數據為16bits分辨率，500kHz采樣率數據，每組數據包含20K個數據點。對其中第一通道采樣模塊得到三相數據繪圖，得到圖5所示波形圖。

從圖中可以看出，A B C三相呈現近似正弦波，符合電網母線三相的電壓信號規律，相間電角度相差120°。仔細觀察，可以發現波形并不成理想正弦波，均疊加有諧波成分，導致波形出現畸變。此處畸變主要是由于電網中一次設備，例如變壓器，電抗器的電容，電感效應，遠距離輸電線路上的低頻振蕩所引起。畸變的大小指示了電網供電質量。

通過對同組數據進行頻域分析，可得到圖6，圖中可以看到，經過對高精度數據的頻域分析。頻域上除了50Hz標準基頻外，還混雜有其它頻率上的諧波，可得到如下結論：

①三相頻率主要為50Hz。

②較強諧波主要集中在50Hz附近。

③諧波比例很小，母線電能質量較好。

對單模塊上整秒時刻獲得的100組信號的頻率進行繪圖，可以得到圖7，分析圖中曲線，可以發現電網中基頻也會有變化，并不是嚴格的50Hz。其圍繞中心頻率以低頻振蕩，振蕩頻率約為0.05Hz至0.1Hz之間。并根據所帶負載不同，有所變化。

電網的低頻振蕩主要來自于變壓器斷開，配電網負載變化，線路發電主機進行調整等，對低頻振蕩進行監控、分析，可以有效還原電網運行狀況，以及發生突發事件的實時分析。

由于試驗共接入了三個通道同步采樣模塊，將三個通道同步采樣模塊的采樣結果進行分析，得到圖8至圖12，三幅圖分別對三個通道同步采樣的幅值、頻率、相角分析。

從圖11中可知，三個通道采集同組信號，由于電路板元件差異，會引入誤差。將各板數據同均值求誤差后，可以得到采樣誤差平均分布在±0.5%以下，滿足對數據測量精度的要求。

6 結束語

為解決新時期配電網對于多通道母線測量的實際需求，將多通道的采樣精度，分辨率和同步誤差都進行明顯提升。通過分析這些新技術手段得到的高精度數據，可以得到很多配電網運行時所需的數據支撐，對指導運行人員更好的管理電網，變電站提供了新手段。

新設計的多通道采集模塊，性能優越，體積小巧，性價比高，可大量應用于配電網信號采集處理中，對于今后為基于數據，實現配電網全線路可測量提供了基礎技術手段。

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