基于FPGA实现多路变电站母线PT信号同步采集

黄高潮 李济山 于战旗 胡鹏

摘要：国家电网在变电站内部署了大量的PMU设备，用以监控变电站内母线信号，实现对母线进行状态监控、故障分析、故障录波等功能并取得大量生产科研成果。但随着电网对测量数据的时间精度要求提高，尤其是对不同母线进行相互信号数据分析的需求的出现。原有PMU设备的信号采集同步精度已经不能满足所需。本文通过对现有信号采集电路进行优化升级，利用FPGA控制单母线内多通道采集，并加入额外差分触发信号，成功将信号采集同步精度大幅度提高；并且经过试制样机，在变电站内进行部署，成功实现了变电站母线PT信号的高精度同步采集，为进一步基于同步采集数据提供了一种通用程度高的硬件基础平台。

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.

關键词：高精度同步采集；FPGA；差分触发

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

中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0186-05

0 引言

随着国家电网变电站基础设施建设日益完备，大量新旧站都已经安装PMU装置来监控母线运行参数。同时随着无人值守变电站的日益增多，主站端已经习惯通过远动获取电网运行数据，这些重要数据作为基础数据提供给管理人员进行处理，所以变电站内PMU装置对数据采集的准确度成为保障电网可靠运行管理的关键点[1]。

由于现代社会和经济的发展，电力用户对供电可靠性的要求越来越高，对短时停电十分敏感。所以目前各地配网多采用闭环设计、开环运行的方式，并频繁存在倒负荷或线路检修的需求。所以通常采用配电网合环操作进行不停电倒负荷操作。这其中如果两路母线电压幅值相位差距过大，易引起过流保护或速断保护误动，造成经济损失。但由于现有PMU装置标准化技术规范成形于本世纪初，其时间同步参数已不适用于多路信号的相位测量，所以此类操作现在均经过主站管理人员通过潮流计算模拟得出。尚无手段在变电站现场对实际信号采集分析。出于以上原因，有必要设计研发一种母线电压信号同步采集装置，以高精度同步信号采集作为设计目标，设计一款站内数据采集装置，用以弥补传统PMU对于多通道同步采集的不足[2]。

1 PMU设备现况分析

目前变电站内的PMU设备按照《Q/GDW 1844 – 2002智能变电站的同步相量测量装置技术规范》所提出的技术指标设计，此规范从装置功能、性能给出了具体设计要求。当前站内所安装的PMU装置均符合此规范，当前PMU主要具备如下功能。

1.1 同步测量功能

可同步测量三相电压、三相电流（线路、主变和母线）和开关量信号。应计算三相电压基波相量、三相电流基波相量、正序电压基波相量、正序电流基波相量、有功无功功率、频率及频率变化等。

1.2 动态数据记录功能

应连续记录正序电压电流基波相量、三相电压基波相量、三相电流基波相量、有功功率、无功功率、频率、频率变化率和开关量信号，并在发生特殊事件时建立事件标识。

1.3 通信功能

装置按照时间顺序逐帧、均匀、实时传送动态数据，传送的数据中应包含整秒数据。

1.4 人机接口功能

装置应显示电压、电流、频率、有功功率、无功功率越线告警等信息；支持监视装置运行状态等信息；支持对装置进行参数配置和定值整定。

1.5 时间状态标识功能

应对数据的时间同步状态进行标识。

1.6 异常告警功能

具有在线自动监测功能；PT/CT断线、直流电源消失、装置故障、通信异常、时钟同步信号异常时，应发出告警信号。

2 变电站母线信号特点分析

针对变电站母线信号的准确分析，可以快速正确的判断电网设备的当前运行状态，保障电网可靠运行。对变电站安全生产起到不可估量的作用。

目前，配网110kV变电站一般均有多个110kV入线以及数量不等的出线。由于不同入线电源存在差异、线路负载存在差异，输电线上情况存在差异。导致入线之间存在程度不同的相位、幅值偏差。出线由于线路负载不同也会存在差异。当这些差异超过设备保护限值后，极易造成设备损坏，甚至出现人身事故等危险情况。因此，对变电站内入线、出现上母线PT信号进行监控，高精度同步对其信号进行采集分析计算。可以显著减少这类不停电倒负荷操作中存在的安全隐患。

2.1 变电站倒负荷操作的隐患

由于当前配网均采用闭环设计、开环运行的方式，所以存在频繁的倒负荷或线路检修的需求，当进行这些操作时，为了保证用户不停电，通常需采用不停电倒负荷操作，即直接合联络开关将母线连接。

如果此时两条母线的电压相角差过大，根据交流电瞬时电压公式：U=A*sin（2πt+θ）

瞬间电压U将造成很大电流通过开关触点，极易引发过流保护或速断保护误动。造成配电网运行不稳定，用户处断电甚至烧毁设备造成长时间停电。

当前为避免出现此类情况，一般是经由调度人员通过潮流计算软件，模拟计算两条母线的相角、幅值信息。这钟方法存在如下弊端：

①无法保证计算实时性，实际操作时母线运行情况与理论计算存在延迟。②倒负荷操作后对电网运行造成的影响没办法进行全方位评估。

所以，当前在实际变电站运行中，大多数不停电倒负荷操作均安排在线路负荷低，停电影响小的夜间进行，限制要求很多。

2.2 多路母线信号同步测量必要性

综上所述，目前变电站内安装的PMU装置更多强调对单路母线信号测量的准确度，而对多路的同步测量则考虑不够充分。其中规范中针对时间同步的要求仅优于±1μs。

由于多路测量现在需多台PMU协同工作，此误差理论可累计到±2μs，并且由于不同厂家、不同批次设备的差异。实际现场试验测量同一标准信号得到的同步误差可到±1°以上。故基于现有同步精度无法有效对多路数据进行同步分析，所以需要设计新的采集方法，实现多路信号同步采集。

针对此需求，本文将通过设计一款FPGA为核心的高精度数据采集电路，并在多通道间使用差分信号同步触发的采集方案。达到多路母线PT信号采集，满足不停电倒负荷所需计算时间精度。

3 基于FPGA的多通道数据采集

配电网母线PT信号包括A、B、C三相，为实现母线信号的特征分析，对此三相数据采集要求十分高。所以本文方案采用多个高速串行SAR型ADC并发采集，保障三相PT信号数据采样时刻同步，模数转换严格同步，为后续进行母线信号计算并形成相角判据提供可信数据基础[6]。

3.1 基于串行SAR型ADC模数转换

模数转换器ADC，作为信号采集的主要元件，其性能参数对系统性能起决定性作用。ADC主要有转换速度、转换精度和分辨率三大参数。目前商用的ADC从实现原理来说主要分为三类：

①闪速ADC，内部通过大量精密电阻和比较器，同时将输入电压转换为数字比特数据，其具备转换速度快，转换精度高的优点，但由于其实现原理，导致其分辨率一般仅为8bits甚至6bits，提高其分辨率将导致复杂度成指数率增长。多用于高速测量。

②Σ-Δ型ADC，内置低精度ADC和高阶Σ-Δ调制器构成，其通过多位ADC和调制器配合，获得高精度转换数据，其分辨率可以做到16bits以上，但由于其实现原理，其转换速度受到制约，一般不超过100kHz，多用于高精度低频或直流信号测量。

③SAR型ADC，其内置DAC和比较器，通过DAC根据二分法依次产生对应电压，经比较后依次得到外部输入模拟信号从MSB到LSB的结果，其转换精度很高，分辨率也可以做到16bits以上，且由于其实现原理，其转换仅延迟一个时钟周期，转換速度可以达到10MHz，满足一般测量需求。

由于三相交流电的特点，要想得到每个周波内的详细数据，转换速度应大于200kHz以上，且转换精度应大于12bits，才能满足对母线PT上频率、幅值、相角的准确测量，所以在设计时，我们选用了由TI公司生产的高速高精度ADC芯片ADS8329，其分辨率能达到16bits，且其最快转换速度可以达到1MHz，满足系统的设计需求。

ADS8329的控制通过跟SPI兼容的串行总线获取，其SCLK时钟信号最高可达到50MHz，并通过SO，SI，EOC/INT#，CONVST#等信号，实现寄存器读写，转换数据读写，开始采样，采样完成等操作。由于串行接口的设计，其工作所需引脚数量少，芯片封装仅为QFN16，适合多路采集的设计。（图1）

设计中采用三路ADS8329同时对母线三相PT信号进行采集，由于其SCLK工作频率很高，所以传统MCU作为控制器不可行，其无法保证高速采集，也无法保证严格采样时间同步的设计初衷，所以在设计中，采用FPGA芯片EP4CE6E22C8作为控制器，利用其芯片上的高达270Kb的内嵌RAM和30个M9K内存块。非常合适为每通道采集芯片搭建片上FIFO，经过统一处理后提供给处理器，做进一步数据计算、打包，传输等操作。

3.2 Verilog程序设计要点

作为可编程器件，FPGA的功能很大程度上取决于设计者本身的设计技巧与经验，本文所实现的多通道采集中，为了保证三路高速SAR型ADC的同步控制与FIFO的高效运行，在编程中需要谨慎对待。本小节就设计中遇到的要点进行讨论：

3.2.1 ADC控制逻辑单元模块化设计

三相串行ADC的控制具备完全相同的驱动逻辑，为防止因为编译时优化生成LUT时造成信号时序出现细微差别。首先对串行ADC进行模块化设计，经过实例化实现其所需功能，然后顶层结构设计时将其作为模块分别接入同一时钟、使能、触发逻辑信号。确保了三相数据逻辑单元同步工作。

3.2.2 利用EP4CE系列内部M9K

通常来说，使用FPGA构建大容量RAM存储器将十分占用其内部LUT块，将迅速导致FPGA内部LA资源耗尽，无法实现所需其它逻辑控制功能。但Altera公司的EP4CE系列FPGA内部集成了M9K内存块，此单元有别于其它通用LUT逻辑块，其主要就是为了在FPGA内部实现存储功能所特殊设计的功能单元。配合公用IP核，可实现各类存储器应用。

本文设计中采用FIFO的IP核，三相数据按顺序并发存入数据，然后统一读取。实现多通道数据总线接口，最大化利用FPGA内部资源，减小外部电路和程序设计的复杂度。数据存储高效快捷。

3.2.3 FPGA引脚分配原则

FPGA芯片引脚共分为三类，通用IO引脚、时钟引脚和电源引脚，其中通用IO引脚又根据电源域的不同分为了不同的BANK区间，对于强调高同步的设计来说，主要需要考虑如下：

①对于全局功能的信号，比如触发信号，使能信号，可考虑设置到没有使用到的时钟引脚上，因为时钟引脚经过特殊设计，对于全局来说延迟都是相同的，也就保证了各模块之间对此信号响应一致。

②对于其余信号来说，每个逻辑模块的输入输出信号应绑定到同BANK引脚上，因为每个BANK的IO输入输出延迟均相同，这样可以保证逻辑信号之间的时序正确。不出现因芯片工艺导致的时序问题。

经过对IO引脚合理的分配设计，才可以保证程序的输入输出各逻辑信号按照设计思路正确执行。

3.3 多路采集模块

采集模块设计考虑到电网设备对稳定可靠的要求，采用6层PCB进行电路板设计。并考虑到今后多通道的拓展能力，将模块整体设计的非常小巧。模块目前工作良好，各项指标符合设计要求。

4 基于差分触发信号的多路采集

当前国家电网对于各地配电网多采用“闭环设计，开环运行”的运行方式。每个变电站内母线多为2条以上，出线也有多路。如果要可靠的对多条线路上PT信号进行同步测量，就需要寻找一种简单可靠的同步触发采集信号方案。

4.1 触发信号方案设计

对于多路模块之间协同工作，需要一种保证工作同步的手段，一般来说，根据对同步时间要求的不同，有如下2类实现方法：

4.1.1 基于软件协议触发

多采用数据通信的通道，例如网络，串口等接口，发送一条同步指令后，各模块开始同步进行工作，由于网络通信，数据传输，各模块时钟误差等原因，该种同步方案的误差很大，至少为10ms以上。对于本文所述情景此方案不适用。

4.1.2 基于硬件信号触发

利用外部独立信号，接入到电路板的GPIO输入引脚或者IRQ中断引脚，当信号电平发生变化时，认为是同步开始，这种同步误差小，精度高。且对于多通道拓展简单，本文将采用此种同步方案。

高速采集模块为自主设计，设计时已经在电路板留有相应外部引脚用以实现触发功能，将触发信号接入到板上的FPGA内，可大大提高触发精度，另外由于处理器需处理数据FIFO中高速采集得到的大量数据，所以处理器也响应中断，处理器的中断代码要注意两点：触发信号中断优先级应尽可能高，以便防止其它中断打断；数据搬运要应用DMA模块，降低CPU开销，防止CPU忙于处理其它工作，造成不可控延迟。以上要点需在编程时重点优化，会大幅减少中断响应延迟。以便满足1μs以下同步触发要求。

4.2 引进差分触发信号

变电站内的工作条件十分恶劣。对于硬件设备来说，由于站内高压设备，低压设备密度很高，在电路板外的信号线极易收到干扰，考虑到这种实际情况，对于触发信号的传输设计采用差分方式进行。尽可能降低恶劣环境所造成的影响。

差分信号作为一种有效提升信號传输质量的手段，广泛应用于很多领域，工业方面例如以太网，CAN，RS485均采用了差分传输，常见的USB接口，HDMI接口，LVDS接口也是采用差分传输，由于差分信号参考于两根正负信号线之间的电压差得到有效数据位，所以比起单根线参考于信号地来说，对因传输引入的干扰抑制能力很强。

通过将多路模块并联接入到差分触发信号上，所有模块统一由变电站内标准IRGB-DC卫星授时模块输出的整点脉冲进行同步采样，经过实际测试，本方案可以实现触发误差小于0.4μs。优于原设计目标1μs的要求。通过差分触发信号对多路采集的控制，将为多路采集数据的后期处理分析提供重要保障。

5 试验结果

本文所制多路母线PT信号同步采集装置已经安装于华北某110kV变电站内，接入了站内两条110kV母线PT电压，同时接入站内远动通信线缆，卫星授时线缆，实现了对两条母线PT三相电压的高精度同步测量，并得到了实际运行数据。

运行时，两条母线联络开关处于闭合状态，所以可以认为两个母线上电压相位相同，可根据两路同步采集模块得到的采样数据的差异来判断本文所设计的同步采样的数据可靠性。另将一路母线PT同时接入第三路采集模块，作为其它两路数据参考，用以综合评估采样数据质量。

整秒触发采样得到了100组数据，数据为16bits分辨率，500kHz采样率数据，每组数据包含20K个数据点。对其中第一通道采样模块得到三相数据绘图，得到图5所示波形图。

从图中可以看出，A B C三相呈现近似正弦波，符合电网母线三相的电压信号规律，相间电角度相差120°。仔细观察，可以发现波形并不成理想正弦波，均叠加有谐波成分，导致波形出现畸变。此处畸变主要是由于电网中一次设备，例如变压器，电抗器的电容，电感效应，远距离输电线路上的低频振荡所引起。畸变的大小指示了电网供电质量。

通过对同组数据进行频域分析，可得到图6，图中可以看到，经过对高精度数据的频域分析。频域上除了50Hz标准基频外，还混杂有其它频率上的谐波，可得到如下结论：

①三相频率主要为50Hz。

②较强谐波主要集中在50Hz附近。

③谐波比例很小，母线电能质量较好。

对单模块上整秒时刻获得的100组信号的频率进行绘图，可以得到图7，分析图中曲线，可以发现电网中基频也会有变化，并不是严格的50Hz。其围绕中心频率以低频振荡，振荡频率约为0.05Hz至0.1Hz之间。并根据所带负载不同，有所变化。

电网的低频振荡主要来自于变压器断开，配电网负载变化，线路发电主机进行调整等，对低频振荡进行监控、分析，可以有效还原电网运行状况，以及发生突发事件的实时分析。

由于试验共接入了三个通道同步采样模块，将三个通道同步采样模块的采样结果进行分析，得到图8至图12，三幅图分别对三个通道同步采样的幅值、频率、相角分析。

从图11中可知，三个通道采集同组信号，由于电路板元件差异，会引入误差。将各板数据同均值求误差后，可以得到采样误差平均分布在±0.5%以下，满足对数据测量精度的要求。

6 结束语

为解决新时期配电网对于多通道母线测量的实际需求，将多通道的采样精度，分辨率和同步误差都进行明显提升。通过分析这些新技术手段得到的高精度数据，可以得到很多配电网运行时所需的数据支撑，对指导运行人员更好的管理电网，变电站提供了新手段。

新设计的多通道采集模块，性能优越，体积小巧，性价比高，可大量应用于配电网信号采集处理中，对于今后为基于数据，实现配电网全线路可测量提供了基础技术手段。

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