0 引言
2009年國(guó)家提出了“智能電網(wǎng)”計(jì)劃，并制定了建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的時(shí)間表。“智能電網(wǎng)”將實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化的融合。智能化的變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐，它處在智能電網(wǎng)的中心樞紐位置。對(duì)上接收著高壓電網(wǎng)的電源輸入，對(duì)下要完成變電站和用戶的電源分配，并同時(shí)具備接受上級(jí)調(diào)度中心的信息傳遞、自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)和在線分析功能。因此，監(jiān)測(cè)變電站運(yùn)行參數(shù)有助于供電部門(mén)及時(shí)了解變電站的運(yùn)行和用戶用電情況，使智能電網(wǎng)更堅(jiān)強(qiáng)。
本文針對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的變電站開(kāi)關(guān)柜電能ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。
1 應(yīng)用分析
1．1 SOPC及Nios II技術(shù)
SOPC系統(tǒng)是指用可編程邏輯技術(shù)把CPU、存儲(chǔ)器等功能模塊集成到一塊芯片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，具備了片上系統(tǒng)(SOC)和可編程系統(tǒng)的特點(diǎn)。可將工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、DSP、數(shù)字通信系統(tǒng)及數(shù)字邏輯技術(shù)融為一體，并具備軟／硬件在系統(tǒng)可編程的功能。設(shè)計(jì)者可從三種由Ahera公司推出的Nios II嵌入式軟核以及超過(guò)60個(gè)IP核中選擇所需的功能模塊，還可以自行設(shè)計(jì)所需的IP核。可根據(jù)需要調(diào)整嵌入式系統(tǒng)的性能及成本，使得產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)，擴(kuò)展了產(chǎn)品的生命周期，避免處理器的更新?lián)Q代。SOPC及Nios II技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一塊芯片中用一個(gè)或多個(gè)CPU去管理大量的邏輯電路，其具有的高性能、實(shí)時(shí)化、高度集成化、可重構(gòu)、低開(kāi)發(fā)成本等特點(diǎn)將成為未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與采集終端構(gòu)建
系統(tǒng)主要分為三部分，分別是基于FPGA的采集終端、ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心上位機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
采集終端負(fù)責(zé)對(duì)變電站開(kāi)關(guān)柜的電能信息進(jìn)行采集和預(yù)處理，利用ZigBee的多跳技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心上位機(jī)。數(shù)據(jù)中心完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，以圖形和報(bào)表的形式顯示最終的處理結(jié)果，并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
這里主要對(duì)變電站開(kāi)關(guān)柜的電能數(shù)據(jù)采集終端及ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。利用CycloneIII系列FPGA芯片EP3C25Q240C8N構(gòu)建基于SOPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集終端的控制單元，采用低成本、低功耗和傳輸穩(wěn)的ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸監(jiān)測(cè)終端采集的數(shù)據(jù)。變電站開(kāi)關(guān)柜的電能信息數(shù)據(jù)采集終端是設(shè)計(jì)的核心，包括電壓互感器(胛)／電流互感器(CT)、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)采集(AD)、FPGA等電路的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 采集終端結(jié)構(gòu)框圖
工作過(guò)程如下：來(lái)自電矽電流互感器的信號(hào)首先進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)濾波、放大后送給AD，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的預(yù)處理，最后將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ZigBee無(wú)線模塊傳輸給遠(yuǎn)端。
2 主要模塊設(shè)計(jì)
2．1．基于SOPC的FPGA模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用SOPC技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部模塊的原理如圖3所示。
圖3 SOPC內(nèi)部模塊與外部模塊連接圖
此系統(tǒng)在一片FPGA上集成了采集終端所需的各種模塊。各模塊問(wèn)都是通過(guò)SOPC內(nèi)部特殊的Avalon總線結(jié)構(gòu)來(lái)完成數(shù)據(jù)傳遞。這種交換構(gòu)架支持多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行多路數(shù)據(jù)的同時(shí)處理，吞吐量大，可達(dá)到數(shù)據(jù)在各模塊間最佳傳遞。
2．2信號(hào)采集及信號(hào)調(diào)理模塊
電壓(電流)互感器輸出的往往是微弱的模擬信號(hào)。在輸電線監(jiān)測(cè)應(yīng)用中放大器的選擇主要考慮是低噪聲和低失調(diào)電壓放大器。這里選擇有較小的失調(diào)電壓和良好低功耗特陛的精密儀表運(yùn)算放大器INA337作為信號(hào)調(diào)理用運(yùn)算放大器，其中芯片的最大輸出電壓可以由R4和民來(lái)決定。信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。
圖4 信號(hào)調(diào)理電路圖
2．3 AD轉(zhuǎn)換模塊
模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其設(shè)計(jì)是否合理是決定整個(gè)系統(tǒng)是否能達(dá)到應(yīng)用要求的關(guān)鍵。這里選取AD7656作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的芯片。AD7656是美國(guó)AD公司推出的一款16位同步采樣高集成度的6通道逐次逼近(SAR)型ADC芯片。可以滿足高分辨率、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和低功耗的要求，目前在電力監(jiān)控、儀器控制等系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
2。4 ZigBee無(wú)線模塊
系統(tǒng)中的采用新型第二代ZigBee收發(fā)器CC2530芯片來(lái)構(gòu)建ZigBee節(jié)點(diǎn)。該芯片沿用了以往CC2430芯片構(gòu)架，是用于IEEE 802．15．4／ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的SOC解決方案。它能夠以很低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。它還具有不同的運(yùn)行模式，適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。為提高網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)ZigBee無(wú)線模塊傳輸性能，采用了CC2530+CC2591的芯片組合來(lái)延長(zhǎng)現(xiàn)有ZigBee傳輸模塊的通信距離。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1基于Nios軟核的控制流程設(shè)計(jì)
針對(duì)變電站開(kāi)關(guān)柜電能數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)采集與傳輸流程圖如圖5所示。程序開(kāi)始首先對(duì)系統(tǒng)的控制寄存器和一些外設(shè)進(jìn)行初始化操作，再判斷是否有中斷信號(hào)以及判斷中斷類型，如是開(kāi)關(guān)量中斷則進(jìn)入開(kāi)關(guān)量控制模塊；如是采集數(shù)據(jù)中斷則將經(jīng)傳感器獲得的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)人調(diào)理模塊及A／D轉(zhuǎn)換，在此模塊中主要進(jìn)行量程選擇和將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量存在SRAM存儲(chǔ)器中，再由數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算模塊對(duì)其進(jìn)行處理與分析。處理和分析的結(jié)果再經(jīng)過(guò)ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)作進(jìn)一步的處理。
圖5 Nios軟核的控制流程
3．2 ZigBee數(shù)傳模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程
系統(tǒng)具有變電站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能，通過(guò)ZigBee數(shù)傳模塊的軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)上電后，監(jiān)測(cè)設(shè)備和ZigBee RF收發(fā)器開(kāi)始初始化。首先ZigBee數(shù)傳模塊要檢查與ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊和路由器之間的通信。正常情況下，ZigBee無(wú)線模塊開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。然后檢查ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)是否成功，若不正確或不成功則重新發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送正確后，數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器傳至終端設(shè)備，由終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備完成分析和顯示功能。ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖6所示。
圖7 三相有功功率變化曲線
4 監(jiān)測(cè)環(huán)境與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
4．1監(jiān)測(cè)環(huán)境
為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，選取了某煤礦變電站進(jìn)行測(cè)試工作。該變電站采用單母線分段方式供電，兩臺(tái)變壓器一供一備，容量為12．5MVA。上級(jí)進(jìn)線電源為35kV母線，經(jīng)變壓器變?yōu)?span lang="EN-US">6kV母線為全廠負(fù)荷供電。6kV母線所帶主要負(fù)荷為主井提升機(jī)、副井提升機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、水泵、廠區(qū)照明以及井下負(fù)荷。監(jiān)測(cè)時(shí)間為某正常工作日的08：00至00：30。
4．2部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形
系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心上位機(jī)設(shè)置分析軟件，以報(bào)表和圖形的方式對(duì)變電站開(kāi)關(guān)柜電能信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示分析。
圖7 三相有功功率變化曲線
圖7為截取的部分三相有功功率實(shí)時(shí)變化曲線。從圖中可以看出，所監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)柜連接的負(fù)荷變化比較劇烈，劇烈持續(xù)的時(shí)間在兩分鐘左右。而一般情況下煤礦里的提升機(jī)是變電站的主要負(fù)荷，它的一個(gè)提升周期就在兩分鐘左右。結(jié)合圖像數(shù)據(jù)所顯示的變化情況，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能適時(shí)監(jiān)測(cè)到變電站開(kāi)關(guān)柜中電能信息的實(shí)時(shí)情況。圖中可以通過(guò)最大值和額定功率的比較，得知是否已經(jīng)達(dá)到最大負(fù)荷。
5 結(jié)束語(yǔ)
將FPGA及SOPC技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)關(guān)柜電能信息的采集，利用ZigBee無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提出了具體的軟、硬件設(shè)計(jì)方案與流程，并進(jìn)行了傳輸測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到開(kāi)關(guān)柜的電能信息，便于作出及時(shí)處理。在傳輸實(shí)驗(yàn)中，ZigBee數(shù)傳模塊對(duì)所測(cè)得的變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確傳輸，展現(xiàn)了良好的傳輸能力。能夠滿足變電站監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的要求，實(shí)現(xiàn)了變電站監(jiān)測(cè)ZigBee數(shù)據(jù)采集的無(wú)線化、智能化，方便工作人員及時(shí)掌握運(yùn)行情況并做出相應(yīng)調(diào)控，在智能電網(wǎng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。