基于FPGA的数字化电能表的设计与实现

发布时间：2020-08-12 23:23

【摘要】：伴随着智能电网的出现和发展,数字化电能表已大范围应用于变电站中,因此,对数字化电能表的研究成为了一个研究热点。虽然,目前数字化电能表已经在实际生活中应用,并有比较成熟的技术,但是,在变电站的应用中,还存在着一些问题,如:大数据量的处理速度不够快、MAC地址固定化不可更改等。而FPGA不仅具有现场可编程能力、处理数据的速度快、实时性好、自带IP核等优点,且比较适合在高速采样频率下工作。由此可以看出,它非常适合作为需要实时控制的数字化电能表内部的一个CPU。本课题以变电站数字化电能表为起点,详细讲述目前变电站唯一的协议IEC61850标准,以及IEC61850-9-2标准规范,最后阐述了本课题研究的数字化电能表的系统框架,主要包含硬件电路的搭建与FPGA逻辑设计两个部分。在硬件电路的搭建部分,首先介绍了器件及芯片的选型,然后采用Altuim Designer软件进行电路设计,最后搭建了基于目标芯片EP4CE115F29C7N、AFBR-5803AT光纤以太网收发器和DP83849IFVS物理器件的硬件平台。在FPGA逻辑设计部分,在Quartus II 13.0平台上采用Verilog HDL硬件描述语言对数字化电能表进行模块化逻辑设计——设计子模块,并利用ModelSim进行模块功能仿真,在硬件电路允许的情况下,通过SignalTap II对FPGA周围的管脚进行实时监控。最后,将硬件电路和FPGA逻辑模块整合在一起,完成基于FPGA的数字化电能表的设计,并利用实验室现有的器件——DE2-115开发板和100M多模光纤以太网收发器,构建模拟合并单元模块,以验证本课题设计的电能表能基本实现其功能。
【学位授予单位】：武汉轻工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM933.4;TN791
【图文】：

结构图,电能计量芯片,电能表,结构图

增加了其可靠性，符合了电力系统的发展需求。2 数字化电能表技术着国内计算机和微电子技术的发展以及电力市场对电能表提出的，推动了数字化电能表的不断发展。目前，根据不同计量结构的原能表可以分为：基于专用电能计量芯片型和基于双核处理器型两种[13]。. 基于专用计量芯片型的数字化电能表[14] 1.1 是基于专用的计量芯片型的数字化电能表的典型结构，它采用片为数据处理核心器件，直接使用硬件芯片算出无功和有功电能等仅只需要一片主 CPU 对计量芯片输出的各类数据进行实时读出保。

结构图,电能表,双核,典型结构

图 1.1 基于专用电能计量芯片型的数字化电能表的结构图专用的计量芯片内部含有专门用作数据处理的 DSP 电能计量模块、SPI 通信接口模块以及高精度的 A/D 转换器等，因此，它属于一种片上系统芯片（SOC），且拥有高度集成的性能。典型产品有美国 ADI 的 ADE7878，珠海炬力公司的ATY7026A，SAMES 公司的 SA9904A 等，电压、电流通过这些片上系统芯片都能够得到其有效值，完成有功和无功的计量。由于采用专用的计量芯片的数字化电能表，其抗干扰能力和计量精度主要取决于专用的计量芯片内部 DSP 和高精度的 A/D 转换器，因此，为了使计量功能越来越复杂，就需要更好的电能计量芯片，但这不仅会使电能表的开发成本增加，还会使电能参量计量在电能表中的灵活性下降[15,16]。2. 基于双核处理器（DSP+ARM）型的数字化电能表基于双核处理器（DSP+ARM）型的数字化电能表，典型结构图如图 1.2 所示，这类电表直接将电压和电流信号整合到了 IEC61850-9-2 数据包中，通过光纤传输到双核处理器（ARM+DSP）中，其中 ARM 主要负责对其帧格式进行解包处理，而 DSP 则利用程序算法计算出电能参量，最后传递给 ARM 驱动显示。

格式,三元组,语法,八位位组

无无 SO/iec8802-3 和按照 IEEE802.1Q 的优先权标记或 VLAN.3 的-FXIEEE802.3 的10Base-FL 码准遵循的编码方式是 ASN.1（Abstract S是一种 ISO/TUI-T 标准，它定义了抽象的的编码、传输和表示的标记方法。广泛定义lean)、八位位组串类型(OCTET String)、GER）等。BER 作为第一个定义的编码规则都只需要在 BER 上增加新的规则，A9,30,31]。

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