[发明专利]一种基于FPGA实现的安全稳定控制装置电气量测算方法

说明书

技术领域：

本发明属电力系统自动化领域，是一种基于FPGA(Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)对电气量测量采样值进行实时并行计算，得到A、B、C三相电压电流有效值、电压电流零序分量有效值以及各相频率的方法。可以满足智能电网架构下安全稳定控制装置电气量计算的高实时和高精度要求。

背景技术：

在传统电网安全稳定控制装置中，硬件首先对电磁式互感器输出信号进行调理，然后通过模-数转换芯片进行定步长采样(通常为每周波24点)，接着在软件中基于傅氏算法计算电气量。在安全稳定控制装置中需要计算的电气量主要包括各相电压电流有效值、电压电流零序分量有效值以及各相频率。其中测量频率通常采用“过零比较法”将模拟信号转换成方波信号，然后在软件中基于测周法测量频率。由于CPU还需担负复杂的电力系统故障判断等任务，所以软件在实现傅氏算法时为了节省时间通常采用递推离散傅氏算法(DFT)，而不是实时算法。

电网的发展方向是建立坚强智能电网，要求一次设备数字化，二次设备网络化。如国内已投入运行的数字化变电站，其电子式电压、电流互感器将元件模拟信号直接转换成数字信号，然后通过光纤以太网发送给合并单元，合并单元是数字化变电站中位于过程层介于电子式互感器与间隔层设备之间的设备，它按照IEC 61850-9-1标准将7个电流互感器和5个电压互感器组合成帧，通过光纤以太网发送给测控装置。由于一个合并单元对应一条线路或元件(以下都简称为线路)，而安全稳定控制装置需接入多条线路，这就要求CPU不但要在步长时间内实时完成电气量计算、故障判断等已有功能，还要完成光纤以太网多通道数据接收及处理，显然力不从心。所以，在实际应用中大多采用双CPU工作模式，一个CPU负责光纤以太网采样值数据处理，另一CPU负责电气量计算及故障判断处理，这样不仅导致不可靠因素增加，同时又带来了一个新的问题，如何实现双CPU之间的数据通信，解决方法包括：双口RAM通信，高速串行通信等，实际上这些不但增加设计成本，同时大大提高了设计复杂度。另外，由于电子式互感器输出信号为数字信号，无法通过硬件“过零比较法”精确测得频率，而安全稳定控制装置对频率测量要求很高，精度要求0.01Hz。实际上，软件测频计算较复杂，进一步加重了CPU负担导致实现困难。

发明内容：

本发明的发明目的在于克服现有方法的不足，设计一种基于FPGA实现的电气量测算方法，应用于智能电网架构下安全稳定控制装置多条电力线路或元件电气量的实时计算。

本发明采用如下技术方案实现上述发明目的：

一种基于FPGA实现的安全稳定控制装置电气量测算方法，包括以下步骤：

(1)CPU接收合并单元发送的采样报文，获取电力线路或元件三相电压、电流瞬时采样值以及电压电流零序分量瞬时采样值u_a，i_a，u_b，i_b，u_c，i_c，u₀，i₀；

(2)CPU向FPGA内计算缓冲区写入上述电气量瞬时值，并启动计算；

(3)FPGA中的FFT处理模块对步骤(2)中电气量瞬时值进行FFT处理，得到上述电气量基波分量的实部和虚部；

(4)FPGA中的坐标旋转计算机(CORDIC)模块读取步骤(3)中得到的实部和虚部值，从而计算出三相电压、电流有效值，电压、电流零序有效值U_a，I_a，U_b，I_b，U_c，I_c，U₀，I₀以及三相电压当前相角

(5)CPU读取步骤(4)计算出的三相电压当前相角进而计算出电力线路或元件A、B、C三相频率f_a，f_b，f_c；

(6)重复步骤(1)，开始下个采样值计算。

本发明的进一步技术方案可以是：

一种基于FPGA实现的安全稳定控制装置电气量测算方法，所述步骤(1)中CPU接收采样报文是通过光纤以太网实现的。

本发明的进一步技术方案可以是：

一种基于FPGA实现的安全稳定控制装置电气量测算方法，所述步骤(1)中CPU接收到的采样报文是IEC 61850-9-1标准的采样值报文。