特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試分布式測試系統(tǒng)

1、摘 要本論文面向電力系統(tǒng)特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試測試需求，創(chuàng)新的提出一種基于WLAN無線傳輸技術(shù)的分布式測試系統(tǒng)架構(gòu)，并在此根底上研發(fā)一套滿足工程實際，可以快速、靈活布置，具有高速數(shù)據(jù)采集和精度，大容量數(shù)據(jù)存儲和并行處理能力，并滿足測試的實時性和可靠性要求，以及遠距離協(xié)同操作要求的分布式測試系統(tǒng)。本文首先介紹了特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試工作的目的和意義，并詳細介紹了系統(tǒng)調(diào)試工作和智能變電站系統(tǒng)調(diào)試工作特點，以及分布式測試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，指出創(chuàng)新的將分布式測試系統(tǒng)引入系統(tǒng)調(diào)試工作的目的意義；隨后，通過調(diào)試測試需求與功能需求的分析，結(jié)合傳統(tǒng)與智能變電站的調(diào)試工作特點，確定分布式測試系統(tǒng)的性能指標

2、和預(yù)期成果，并對系統(tǒng)總體方案進行了概述；然后，分別對分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、分布式測試單元硬件設(shè)計、分布式測試平臺軟件開發(fā)三個主要研究內(nèi)容進行了詳細論述；最后對研究成果進行了總結(jié)，并對下一步的研究工作進行了展望。研發(fā)的這套分布式測試系統(tǒng)不但可以提高系統(tǒng)調(diào)試工作的測試質(zhì)量，滿足日益增多的特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試工作，適應(yīng)未來智能電網(wǎng)的需求，還可以改變以往“一人一機，“多點多人效率低下、測試數(shù)據(jù)同步性差的現(xiàn)狀，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。關(guān)鍵詞：特高壓輸電工程；系統(tǒng)調(diào)試；無線傳輸；分布式測試AbstractExternally pressurized gas bearing has been

3、widely used in the field of aviation, semiconductor, weave, and measurement apparatus because of its advantage of high accuracy, little friction, low heat distortion, long life-span, and no pollution. In this thesis, based on the domestic and overseas researchingKeywords: UHV AC Power Transmission P

4、roject，System Commissioning，The distributed test system，Wireless transmisson目 錄摘要Abstract TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc440041796 第1章緒 論 圖11所示。主要包括過程層設(shè)備層、間隔層和站控層三個功能邏輯層，之間通過站控層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò)進行通訊。圖 STYLEREF 1 s 1 SEQ 圖 * ARABIC s 1 1智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過程層設(shè)備層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、合并單元和智能終端，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計

5、量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。間隔層設(shè)備一般指繼電保護裝置、測控裝置等二次設(shè)備，實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。站控層包含自動化系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實現(xiàn)面向全站或一個以上一次設(shè)備的測量和控制的功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制SCADA、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關(guān)功能。由此可見，智能變電站完全有悖于以往傳統(tǒng)變電站的架構(gòu)模式，反映一次設(shè)備各種運行狀態(tài)參數(shù)的信號在過程層便進行了測量和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過數(shù)字信號進行網(wǎng)絡(luò)傳輸。不再是傳統(tǒng)變電站的一次信號經(jīng)互感器降壓后，通過電纜匯至繼保小室。這

6、樣以往在傳統(tǒng)變電站調(diào)試過程中，通過在站內(nèi)有限幾個繼保小室通過多通道測試設(shè)備集中測試的方式已經(jīng)無法實現(xiàn)。如果要實現(xiàn)對一次設(shè)備的測試，只能在每個一次設(shè)備附近裝設(shè)測試設(shè)備，這樣不但需要在現(xiàn)場布更多的測點，而且在一次設(shè)備操作過程中，設(shè)備附近的測試人員存在很大的平安風險。同時，還要受天氣影響，所以按照目前傳統(tǒng)變電站的“一人一機、“多點多機的測試方式是根本無法實現(xiàn)的。在以往750kV智能變電站的系統(tǒng)調(diào)試過程中，只能采用手動觸發(fā)二次系統(tǒng)故障錄波設(shè)備的方法，但由于測試需求不同，這些故障錄波設(shè)備往往采樣率低、記錄時間短，不能滿足對操作過電壓這樣要求高采樣率，和變壓器勵磁涌流這樣要求長時間記錄的測試需求。其次這些

7、設(shè)備本身就是需要通過系統(tǒng)調(diào)試進行檢驗的設(shè)備，因此智能變電站的出現(xiàn)為系統(tǒng)調(diào)試工作提出了新的需求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開展過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究始于上世紀50年代，因其具有的高分辨率和高通用性,可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的信號采集和測試任務(wù),從引起了廣泛重視。到了70年代中后期,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開展過程中逐漸分為兩類,一類是實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),另一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。就使用的總線而言,實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用并行總線,工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用串行數(shù)據(jù)總線。隨著微型機的開展,誕生了采集器、儀表等同計算機融為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良,超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系

8、統(tǒng),因此獲得了驚人的開展 REF _Ref439177834 r h * MERGEFORMAT 3。80年代以后，隨著計算機的普及應(yīng)用,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了迅猛的開展,基于標準總線并帶有高速DSP的高速數(shù)據(jù)采集板卡產(chǎn)品也越來越多,技術(shù)也越來越先進。DSP高速數(shù)據(jù)采集板卡主流廠商主要有Spectrum Siganl Processing，SPEC，Signatec，Acquistion Logic，Blue Wave等公司?，F(xiàn)在，基于標準總線、高速信號處理性能、超高速A/D和具有海量數(shù)據(jù)存儲深度所組成的超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),己經(jīng)成為開展趨勢。對采集系統(tǒng)的設(shè)計和選用時主要考慮以下四個方面：即不僅要考

9、慮高速數(shù)據(jù)采集局部,還要考慮其處理器的性能、數(shù)據(jù)存儲深度和標準總線接口。因為采集系統(tǒng)的整體性能已經(jīng)不再單單取決于高速數(shù)據(jù)采集局部的性能，數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)存儲深度和標準總線接口，也已成為對系統(tǒng)整體性能評價的重要指標。對于不同的應(yīng)用環(huán)境和要求或不同的應(yīng)用領(lǐng)域,系統(tǒng)的這四個組成局部也會有所區(qū)別 REF _Ref439183174 r h * MERGEFORMAT 5。在自動測試、工業(yè)控制和信號處理領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的標準總線有CompactPCI、PCI、PMC、PXI、VME和VXI等,每一種總線都有不同的優(yōu)缺點，所以對于系統(tǒng)的性能來說總線的選擇是很重要的。早期的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ISA、PCI總線

10、,系統(tǒng)龐大而且難以擴展。單片機的出現(xiàn)使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了蓬勃開展,基于單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在一段時間內(nèi)成為了市場主流。但單片機處理數(shù)據(jù)能力比擬低，隨著數(shù)據(jù)采集的要求不斷提高,基于DSP、FPGA等高端微處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始開展。同時,基于PC的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也日趨成熟,將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與個人計算機結(jié)合起來,以實現(xiàn)采集和控制任務(wù)的自動化也成為一種趨勢。但是，在很多測試場合中要收集的各種測試信息的測點地理位置分散，各測點之間相距十幾米、幾十米、幾百米乃至上千米的情況經(jīng)常出現(xiàn)。這種情況下，如果將大量分散測點的現(xiàn)場信號進行遠距離傳輸，發(fā)送到測試系統(tǒng)集中處理器進行數(shù)據(jù)處理，不僅專用信號電纜的鋪設(shè)量大

11、，導(dǎo)致系統(tǒng)安裝本錢過高，而且微弱的模擬信號在傳輸過程中容易受到現(xiàn)場干擾而大大降低測試質(zhì)量。因此，是實際測試需求催生了數(shù)字信號采集技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的相結(jié)合分布式測試系統(tǒng)。分布式測試系統(tǒng)研究現(xiàn)狀隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的高速開展，測試技術(shù)逐步由單臺儀器測試、局部的自動測試系統(tǒng)開展到全分布式的網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)。日益增多的分布測試需求，使分布式測試系統(tǒng)得到迅速開展。在大型測試系統(tǒng)和工業(yè)現(xiàn)場中，需要進行大容量的多點綜合測量，各測試點之間以及測試點與中央管理計算機之間的測量數(shù)據(jù)交換量巨大，地域高度分散，加之測試的實時性和可靠性要求，以及遠距離協(xié)同操作的要求，需要進行大量分布式綜合測試和并行

12、處理，測試系統(tǒng)現(xiàn)場化、遠程化、網(wǎng)絡(luò)化的需求日益凸現(xiàn) REF _Ref439168170 r h * MERGEFORMAT 3。分布式測試系統(tǒng)是指通過局域網(wǎng)Local Area Network，LAN和國際互聯(lián)網(wǎng)Internet，把分散于各個測點的能獨立完成特定功能的測試設(shè)備和測試用計算機連接起來，以到達測試資源共享、分散操作、集中管理、協(xié)同工作、負載均衡、測試過程監(jiān)控和設(shè)備診斷等目的的計算機測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) REF _Ref439167275 r h * MERGEFORMAT 4。分布式測試的需求由來已久，但直到上世紀70年代，才隨著大規(guī)模集成電路和微計算機技術(shù)的開展，分布式測控理論與應(yīng)用的研

13、究才迅速地展開，工業(yè)上出現(xiàn)了分布式計算機測控系統(tǒng)。80年代末，隨著數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃開展，二者與自動測試技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了通過總線或網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的分布式自動測試系統(tǒng) REF _Ref439172798 r h * MERGEFORMAT 5。90年代中后期, 國內(nèi)外利用日益成熟的以太網(wǎng)技術(shù),對基于以太網(wǎng)的工業(yè)測試系統(tǒng)進行了大量研究和實踐 REF _Ref439172706 r h * MERGEFORMAT 6。從本質(zhì)上講，前者的測試系統(tǒng)核心硬件的連接為集中式，可構(gòu)成以并行總線為根底的虛擬儀器平臺；后者那么為分布式，其核心硬件的配置更靈活，擴展更方便，可構(gòu)成以網(wǎng)絡(luò)為根底的合成測試系

14、統(tǒng)平臺。目前，電力系統(tǒng)中分布式測試系統(tǒng)的實現(xiàn)主要基于有線網(wǎng)絡(luò)，其中最典型應(yīng)用就是智能變電站。智能變電站中一次設(shè)備各種狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過現(xiàn)場采集后聚集至合并單元，并通過網(wǎng)線或者光纖傳輸至站控層，同時將安穩(wěn)、保護命令通過網(wǎng)絡(luò)下達至過程層，完成變電站內(nèi)電能的分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。但是顯然這種基于有線網(wǎng)絡(luò)的分布式測試系統(tǒng)，不能滿足特高壓交流系統(tǒng)調(diào)試即需要快速、靈活的布置測點，又不能隨意搭建有線網(wǎng)絡(luò)的臨時性測試任務(wù)。隨著近幾年電子和計算機技術(shù)的迅猛開展，使得超高速數(shù)據(jù)采集，大容量數(shù)據(jù)并行處理，數(shù)據(jù)可視化分析技術(shù)都有了迅猛開展。A/D轉(zhuǎn)換等電路元件的性能也進一步提升，而

15、且更加模塊和小型化。各種無線傳輸方式可以靈活搭建，為分布式無線網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)的研發(fā)提供了有利的技術(shù)根底。研究內(nèi)容及安排本文的主要研究內(nèi)容本論文面向電力系統(tǒng)特高壓交流系統(tǒng)調(diào)試測試需求，創(chuàng)新的提出一種基于WLAN無線分布式測試系統(tǒng)架構(gòu)，并在此根底上研發(fā)一套滿足工程實際，可以快速、靈活布置，具有高速數(shù)據(jù)采集和精度，大容量數(shù)據(jù)存儲和并行處理能力，并滿足測試的實時性和可靠性要求，以及遠距離協(xié)同操作的要求的分布式測試系統(tǒng)。主要包括以下兩個局部的研究內(nèi)容：分布測量單元硬件研制和分布測試系統(tǒng)平臺軟件開發(fā)。面向電力系統(tǒng)特高壓系統(tǒng)調(diào)試需求，首次提出一種基于WLAN的分布式測試系統(tǒng)架構(gòu)。通過梳理特高壓交流輸電工程系統(tǒng)

16、調(diào)試中各調(diào)試工程測試內(nèi)容需求，提出總體解決方案和各功能模塊設(shè)計。通過比照目前應(yīng)用較廣的無線傳輸技術(shù)，從傳輸范圍、開發(fā)難度、易管理和維護等方面考慮，確定了采用WLAN無線協(xié)議作為分布式測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。并對WLAN新的標準做了介紹。規(guī)劃分布式測試單元硬件各功能模塊，以及功能模塊間協(xié)作方式，并對主要功能模塊做了詳細介紹。依據(jù)特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試需求，開發(fā)了界面友好、使用方便，可以根據(jù)工程實際方便、靈活、快速的組建分布式測試平臺，具有高精度的全局時鐘同步能力，具備同步觸發(fā)能力和大數(shù)據(jù)的并行處理能力，并具有功能完善的數(shù)據(jù)處理工具的系統(tǒng)軟件平臺。本文的章節(jié)安排本論文的結(jié)構(gòu)安排如下：緒論本章首

17、先介紹了特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試工作的目的和意義，然后詳細介紹了特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試和分布式測試系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，指出創(chuàng)新的將分布式測試系統(tǒng)引入特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試的目的意義，最后概括了論文的總體安排。需求分析與總體方案設(shè)計本章通過對特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試測試需求與功能需求的分析，結(jié)合傳統(tǒng)與智能變電站的調(diào)試工作特點，確定分布式測試系統(tǒng)的性能指標和預(yù)期成果，并對系統(tǒng)總體方案進行了概述，對主要的功能實現(xiàn)提出了具體的技術(shù)路線。分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計本章通過比照目前應(yīng)用較廣泛的幾種無線傳輸技術(shù)，確定采用WLAN作為分布式測試系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)，對WLAN無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進行了介紹，

18、根據(jù)分布式測試系統(tǒng)自身特點，選擇有中心拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為分布式測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并介紹了如何擴展分布測試區(qū)域的方法。分布式測試單元的硬件設(shè)計分布式測試單元的設(shè)計，充分考慮系統(tǒng)調(diào)試各項測試內(nèi)容對其性能和功能的需求。本章依據(jù)功能規(guī)劃，從組成分布測試單元的4個主要局部中央控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的主要硬件元件選擇和功能實現(xiàn)方法分別進行了介紹。分布式測試平臺的軟件設(shè)計本章對分布式測試平臺軟件的主要模塊進行了規(guī)劃，主要包括5個組成局部：無線控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；對軟件平臺的執(zhí)行流程進行了設(shè)計，并對開發(fā)軟件Labview，以及各模塊的功

19、能實現(xiàn)進行了詳細介紹。應(yīng)用成果與展望對本論文的研究成果進行了總結(jié)，并對下一步的研究工作進行了展望。需求分析與總體方案設(shè)計系統(tǒng)調(diào)試測試需求分析特高壓交流工程系統(tǒng)常規(guī)調(diào)試工程及測試內(nèi)容，如 REF _Ref439349027 h * MERGEFORMAT 表21所示 REF _Ref439350430 r h * MERGEFORMAT 10。表 STYLEREF 1 s 2 SEQ 表 * ARABIC s 1 1特高壓交流工程系統(tǒng)常規(guī)調(diào)試工程及測試內(nèi)容序號調(diào)試工程測試內(nèi)容1投切1000kV空載變壓器測量1000kV變壓器各側(cè)對地過電壓及1000kV高壓電抗器中性點測量1000kV變壓器激磁涌

20、流2投切低壓電抗器試驗測量1000kV線路電壓、電流測量低壓電抗器及中性點的電壓、電流測量1000kV變壓器各側(cè)的過電壓3投切低壓電容器試驗測量1000kV線路電壓、電流測量低壓電容器及中性點的電壓、電流測量1000kV變壓器各側(cè)的過電壓4投切1000kV空載線路測量1000kV線路首末端、首端變電站1000kV母線及1000kV高壓電抗器中性點對地過電壓測量1000kV線路高壓電抗器中性點小電抗電流測量線路充電電流測量避雷器的暫態(tài)電流測量1000kV架空地線感應(yīng)電壓51000kV線路合環(huán)并列、解環(huán)解列試驗合環(huán)并列、解環(huán)解列操作前、后測量1000kV線路電壓、1000kV變壓器三側(cè)母線電壓、頻

21、率合環(huán)并列、解環(huán)解列操作前、后測量1000kV線路電流、有功功率、無功功率測量合環(huán)并列點兩側(cè)的電壓差、相角差及頻率差6同塔雙/多回線路的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流試驗停運線路兩側(cè)接地隔離開關(guān)翻開，在兩側(cè)測量該線路的感應(yīng)電壓停運線路一側(cè)接地隔離開關(guān)翻開，在該側(cè)測量該線路的感應(yīng)電壓停運線路一側(cè)接地隔離開關(guān)翻開，在對側(cè)測量該線路的感應(yīng)電流停運線路兩側(cè)接地隔離開關(guān)合上，在一側(cè)測量該線路的感應(yīng)電流7人工單相短路接地試驗測量1000kV線路首末端、兩側(cè)變電站1000kV母線及1000kV高壓電抗器中性點對地過電壓測量1000kV線路高壓電抗器中性點小電抗電流測量1000kV線路電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率

22、測量1000kV 線路故障時的短路電流、潛供電流及恢復(fù)電壓8系統(tǒng)動態(tài)擾動試驗測量1000kV變電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備的電壓、電流測量系統(tǒng)頻率，各相關(guān)線路的電壓、電流及有功功率、無功功率9大負荷試驗測量1000kV線路電壓、電流，1000kV系統(tǒng)頻率、功角及各相關(guān)線路的有功功率、無功功率測量1000kV架空地線感應(yīng)電壓通過對 REF _Ref439349027 h * MERGEFORMAT 表21中各調(diào)試工程需進行的測試內(nèi)容進行梳理，綜合考慮各被測信號的取得方式、類型及大小，以及測試精度和數(shù)據(jù)的分析、計算要求等要素，分布測試系統(tǒng)應(yīng)具備以下測試能力：具備交流電壓信號測試能力：考慮經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后精度問題

23、，量程應(yīng)分為1mV、1V、150V與500V 4檔，各路之間、各路對地完全隔離；具備交流電流信號測試能力：量程應(yīng)分為5/1A、5/20A 2檔；測試過程中考慮系統(tǒng)平安問題一般不采取斷開電流互感器串接的方式，而是通過鉗形電流互感器轉(zhuǎn)換成電壓信號取得；具備準確計算通道有效值、頻率、諧波，以及有功功率、無功功率、相位等參數(shù)的功能；模擬輸入誤差0.5%；采樣速率：最大100ksps/通道；A/D轉(zhuǎn)換精度16位；記錄時間：全通道開通，并且在最大采樣速率下應(yīng)能記錄5分鐘。系統(tǒng)調(diào)試功能需求分析本文在小節(jié)和中分別對系統(tǒng)調(diào)試工作和智能變電站的系統(tǒng)調(diào)試新特點做了介紹，小節(jié)2.1又對調(diào)試工程測試需求進行了分析，可以

24、看出系統(tǒng)調(diào)試工作是一項涉及專業(yè)多、分布范圍廣、測試內(nèi)容和信號類型多，同步性和可靠性要求很高的系統(tǒng)工程。同時，分布測試系統(tǒng)又只是在交流系統(tǒng)工程完工后至調(diào)試工作完成工程投入商運前臨時組建的，因此又要求具有易安裝、易擴展、易管理、易維護和高移動性。因此，綜合考慮交流特高壓工程系統(tǒng)調(diào)試需求，分布式測試系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：可以實現(xiàn)對系統(tǒng)調(diào)試過程中各種類型信號的測試，同時滿足對測試信號轉(zhuǎn)換精度、采樣速率、記錄時間等要求；具備準確計算通道有效值、頻率、諧波，以及有功功率、無功功率、相位等參數(shù)的功能；根據(jù)工程實際需要，可以靈活、快速的組建分布測試系統(tǒng)；為提高測試工作的可靠性，分布測試單元應(yīng)具有獨立完成測試任務(wù)

25、能力，即具備通道閥值觸發(fā)和測試數(shù)據(jù)本地存儲的能力；測試數(shù)據(jù)傳輸需要具備良好的實時性和時間確定性，具備測試數(shù)據(jù)同軸分析能力；測試網(wǎng)絡(luò)要具有高精度的全局時鐘同步能力，如果解決不好，不僅會影響測試系統(tǒng)的性能，增加測試誤差，甚至可能導(dǎo)致完全錯誤的測試結(jié)果 REF _Ref439183475 r h * MERGEFORMAT 7；要使用簡單的傳輸協(xié)議；數(shù)據(jù)格式以短幀信息為主；能夠適應(yīng)大容量的信息交換；具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)負載控制能力；網(wǎng)絡(luò)具有高度的平安性、可靠性及容錯能力；網(wǎng)絡(luò)的安裝本錢要低?？傮w方案設(shè)計基于對特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試測試性能與功能需求的分析，同時綜合考慮數(shù)字信號采集和分布式測試系統(tǒng)的開展

26、方向，本文設(shè)計了一個基于WLAN無線傳輸機制，包括分布式測試單元測試節(jié)點、分布測試測試系統(tǒng)平臺測控中心、通訊網(wǎng)絡(luò)共同組成的分布式測試系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)是連接各測試單元與測控中心的數(shù)據(jù)與命令交換樞紐，應(yīng)具備組網(wǎng)便捷、易于維護、靈活性好，以及具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性。通過比照目前流行的無線傳輸技術(shù)，選擇WLAN無線網(wǎng)絡(luò)標準作為分布式測試平臺的無線傳輸協(xié)議，并采用中心拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選擇，將在本文第3章具體表達分布式測試單元硬件，應(yīng)具備根據(jù)預(yù)先設(shè)置或控制中心指令獨立完成測試任務(wù)的能力。同時，還要滿足系統(tǒng)調(diào)試對測試性能需求，以及數(shù)據(jù)分析的同步性和實時性要求。因此，分布測試單元應(yīng)具

27、有與控制中心通訊的無線網(wǎng)絡(luò)模塊、高速和高精度的數(shù)據(jù)采集模塊、滿足不同類型測試信號的調(diào)理電路模塊、高速數(shù)據(jù)流存儲功能的存儲模塊、滿足數(shù)據(jù)同步和實時性的時鐘同步模塊，以及保證模塊統(tǒng)一協(xié)作的控制模塊。分布式測試單元的硬件設(shè)計，將在本文的第4章具體表達。分布式測試平臺軟件，在系統(tǒng)調(diào)試前負責與各分布式測試單元建立起網(wǎng)絡(luò)通訊聯(lián)系，并對各分布式測試單元進行必要的參數(shù)設(shè)置。在測試過程中負責向分布式測試單元下達測試指令，并負責收集各測點測試數(shù)據(jù)加以儲存。在測試完成后，應(yīng)可以方便、靈活的組織測試數(shù)據(jù)，具有友好、便捷的數(shù)據(jù)分析界面。因此，相應(yīng)的應(yīng)具有分布式測試系統(tǒng)無線控制模塊、分布式測試單元參數(shù)設(shè)置模塊、狀態(tài)監(jiān)控模

28、塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、測試數(shù)據(jù)組織模塊和測試數(shù)據(jù)分析模塊。分布式測試平臺的軟件設(shè)計，將在本文第5章具體表達。本章小結(jié)本章通過對特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試測試需求與功能需求的具體分析，結(jié)合傳統(tǒng)與智能變電站的調(diào)試工作特點，確定分布式測試系統(tǒng)的性能指標和預(yù)期成果。并分別對分布式測試系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)、分布式測試單元、分布式測試平臺，三個主要組成局部總體設(shè)計方案進行了概述。分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無線傳輸技術(shù)選擇無線通信具有抗干擾能力強、可靠性高、平安性好、受地理條件限制少、安裝施工簡便靈活等特點，在許多領(lǐng)域擁有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來短距離無線通信技術(shù)得到飛速開展。按照協(xié)議標準來分，常用的無線傳輸方式有Hom

29、eRF、藍牙、ZigBee、WiMAXWorldwide Interoperability for Microwave Access、UWB(Ultra Wide band)、WLANWireless Local Area Networks等。其中藍牙、紅外、UWB、Zigbee和WLAN等技術(shù)開展得較為成熟,并得到廣泛的應(yīng)用。它們在傳輸速度、距離和距離的擴充性等方面都有各自立足的特點 REF _Ref439336345 r h * MERGEFORMAT 11。Zigbee技術(shù)主要用于近距離無線連接，基于標準，具有低功耗、低本錢、低復(fù)雜度等特點，工作頻率為，數(shù)據(jù)傳輸最快可到達250Kbps，

30、可以利用中間節(jié)點多跳轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)遠距離通信，在工業(yè)控制、汽車電子、智能家居、樓宇、醫(yī)療等方面均有著廣泛的應(yīng)用 REF _Ref439336372 r h * MERGEFORMAT 12。藍牙技術(shù)是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1Mbps，隨著發(fā)送功率的增加傳輸距離可達100米，能夠在設(shè)備間實現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸，具有方便快捷、靈活平安和本錢低的特點，但通信協(xié)議復(fù)雜、組網(wǎng)規(guī)模小、本錢高、通信距離短等缺點 REF _Ref439336381 r h * MERGEFORMAT 13，不適合工業(yè)控制。紅外通信技術(shù)是較早的一種近距離無線點對點通信技術(shù)，具有體積小和功率低等特點，無需申請

31、特定頻率即可使用。所受干擾小，傳輸速率最高可以到達4Mbps，在要求傳輸速率高、移動范圍小、價格比擬低的設(shè)備中應(yīng)用廣泛。但通訊距離短、通訊過程中不能移動、遇障礙物通訊中斷和擴展性差等缺點限制其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用 REF _Ref439336391 r h * MERGEFORMAT 14。UWBUltra Wideband超帶寬無線技術(shù)，可同時發(fā)射多個UWB信號，覆蓋范圍在10米以內(nèi)，傳輸速率可達100Mbps。UWB具有設(shè)備簡單，本錢低，系統(tǒng)容量大，傳輸速度快，保密性好，抗干擾能力強的特點，一般用于室內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸 REF _Ref439336403 r h * MERGEFORMAT 1

32、5。WLAN工作在的ISM頻段符合標準，其最高傳輸速率可達54Mbps，能夠支持10到100個接入點，是一種高性能的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。具有可靠性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高以及便于組網(wǎng)、拓展性好等優(yōu)點，適用于大型辦公室或業(yè)務(wù)園區(qū)等有線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)不便的場景。通過 REF _Ref439336064 h * MERGEFORMAT 表31可知，藍牙、紅外技術(shù)與UWB技術(shù)的傳輸速率雖然到達1Mb/s，但因單點覆蓋距離較近，不適合用于分布式測試系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)功耗很低，單點覆蓋距離較遠，但其因組網(wǎng)復(fù)雜、傳輸速率受硬件限制比擬慢，在對傳輸速率要求較高的場合無法使用。WLAN技術(shù)具有組網(wǎng)便捷、傳輸速率快的優(yōu)點，

33、近年來隨著技術(shù)不斷開展成熟，使開發(fā)難度與組網(wǎng)本錢不斷降低，在大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。綜合考慮本系統(tǒng)在速度和距離方面的設(shè)計要求，選用WLAN技術(shù)作為無線分布式測試系統(tǒng)的通信技術(shù)。表 STYLEREF 1 s 3 SEQ 表 * ARABIC s 1 1幾種短距離無線傳輸技術(shù)的比照通信技術(shù)單點覆蓋距離通信速率系統(tǒng)功耗能否遠距離通信本錢保密性紅外技術(shù)2m4Mb/s較低否低好藍牙技術(shù)10m1Mb/s較高否較高差UWB10m100Mb/s較高否較低好Zigbee50m100m54Mb/s高是低好WLAN概述WLAN是計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)Local A

34、rea Network, LAN的功能，能夠使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入。隨著無線終端的普及和無線接入技術(shù)的成熟，WLAN應(yīng)用設(shè)備將逐漸成為主流的網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)品。WLAN 具有便利性和可伸縮性，不需要鋪設(shè)同軸電纜、光纜、雙絞線等信息傳輸線纜，而是利用無線射頻或者紅外線，借助紅外、直接序列擴頻(DSSS)、跳頻(FHSS)、正交頻分復(fù)用OFDM等技術(shù)，實現(xiàn)移動的網(wǎng)絡(luò)終端之間的連接和訪問，進行高速的數(shù)據(jù)信息的交換。1999年，的11Mbps的標準推出，數(shù)據(jù)傳輸速率上超過有線網(wǎng)的上一代Ethernet 10Mbps標準，WLAN成為網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的一種新選擇，WLAN簡單、便利和無需線纜

35、傳輸媒介的特性，使其得到了迅速的開展。2001年，小組通過了WLAN的新標準“IEEE802.11g，根據(jù)該標準在頻帶上可以實現(xiàn)最大54Mbps的數(shù)據(jù)傳送。WLAN易安裝、易擴展、易管理、易維護、高移動性、保密性強、抗干擾等特點是其不可替代的優(yōu)勢，因此，可以在不易布線的場合，又需要進行遠距離數(shù)據(jù)采集和處理的測試終端提供強大的網(wǎng)絡(luò)支持。拓撲結(jié)構(gòu)的選擇IEEE802.11標準支持兩類網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：一種是對等網(wǎng)拓撲Ad-Hoc結(jié)構(gòu)，如 REF _Ref439337474 h * MERGEFORMAT 圖31所示；另一種是有中心網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如 REF _Ref439337481 h * MERGE

36、FORMAT 圖32所示。圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 1對等網(wǎng)絡(luò)拓撲圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 2有中心網(wǎng)絡(luò)拓撲對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)要求網(wǎng)絡(luò)中任意兩個站點均可直接通信。對等網(wǎng)絡(luò)的根本單元稱為獨立根本效勞區(qū)(Independent Basic Service Set,IBSS)，一個IBSS內(nèi)的任何一個基站都可以進行網(wǎng)絡(luò)的初始化，所有基站通過無線網(wǎng)絡(luò)通信形成自組織網(wǎng)絡(luò)。采用這種拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可滿足任意兩個站可直接通信，解決隱藏接點問題，網(wǎng)絡(luò)的站點布局受環(huán)境限制較大。這種拓撲結(jié)構(gòu)適用于基站數(shù)目相對較少或者數(shù)據(jù)傳輸量

37、較少的網(wǎng)絡(luò)。有中心拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求一個無線站點充當接入點Access-Point，AP，所有站點對網(wǎng)絡(luò)的訪問均由其控制。有中心網(wǎng)絡(luò)的根本單元稱為根本效勞區(qū)(Basic Service Set，BSS)，一個BSS以AP為中心，所有基站必須通過AP與其它基站通信。在實際應(yīng)用中，該拓撲無線網(wǎng)絡(luò)通常與有線主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來使用，接入點同時充當無線網(wǎng)與有線主干網(wǎng)的轉(zhuǎn)接器。這種拓撲結(jié)構(gòu)適用于基站數(shù)目相對較多或者數(shù)據(jù)傳輸量較大的網(wǎng)絡(luò)。 REF _Ref439183475 r h * MERGEFORMAT 7在分布測試系統(tǒng)中，各測點的測試單元測點只負責執(zhí)行分布測試平臺控制中心發(fā)布的命令并將測試數(shù)據(jù)上傳，而對

38、測試數(shù)據(jù)的調(diào)用、組織、存儲等功能那么由分布測試平臺控制中心統(tǒng)一完成。顯然在分布測試系統(tǒng)中，應(yīng)選擇有中心拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分布測試區(qū)域的擴展在工程實際應(yīng)用過程中，如遇見各測點分布范圍較廣，可能會出現(xiàn)超出單個AP點覆蓋范圍的情況，即當一個BSS缺乏以覆蓋整個測試區(qū)域時，可以采用將多個BSS通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)連接，形成統(tǒng)一的擴展效勞區(qū)(Extended Service Set，ESS)以擴大分布測試范圍的方法。有線區(qū)域擴展如 REF _Ref439337420 h * MERGEFORMAT 圖33所示，無線區(qū)域擴展如 REF _Ref439337435 h * MERGEFORMAT 圖34所示。為

39、保障相鄰的AP不互相干擾，提高傳輸容量，各BSS內(nèi)AP一般工作在不同的兩個頻率。還可以采用支持多個發(fā)射頻率的AP，可以讓一個AP工作在3個頻率下，大大增大了信息、數(shù)據(jù)的交換量，從而提高了測試數(shù)據(jù)上傳速度和指令下達的實時性。圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 3有線連接的區(qū)域擴展圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 4無線連接的區(qū)域擴展系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸組成分布式測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸主要由分布式測試單元內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)模塊、無線接入點AP和系統(tǒng)軟件平臺無線控制模塊組成，如 REF _Ref439602929 h * MERGEFORMAT

40、圖35所示。 圖 STYLEREF 1 s 3 SEQ 圖 * ARABIC s 1 5分布式測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用有中心的拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件平臺無線控制模塊相當于人的大腦，負責下達控制指令和接收各分布測點數(shù)據(jù)；AP相當于人的中樞神經(jīng)，通過無線傳輸神經(jīng)下達控制指令和上傳各分布測試平臺的測試數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)軟件平臺主機間通過無線有線網(wǎng)絡(luò)連接，可以大大提高數(shù)據(jù)交換的速度和可靠性；分布測試單元內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)模塊相當于人的神經(jīng)末梢，用于接收AP傳來的指令傳遞給測試單元執(zhí)行，并將執(zhí)行的測試結(jié)果上傳給控制中心。對于測試分布區(qū)域超出無線傳輸距離的，可以采取無線擴展的方式，未來還可以考慮在測試的變電站間通過有線網(wǎng)

41、絡(luò)擴展的方式，進一步提高調(diào)試的效率和組織能力。本章小結(jié)本章通過比照目前應(yīng)用較廣泛的幾種無線傳輸技術(shù)，確定采用WLAN作為分布式測試系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)，對WLAN無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進行了介紹，根據(jù)分布式測試系統(tǒng)自身特點，選擇有中心拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為分布式測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并介紹了如何擴展分布測試區(qū)域的方法，最后對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸組成進行了介紹。分布式測試單元的硬件設(shè)計特高壓交流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試是一項涉及專業(yè)多，空間跨度大幾百至上千公里且分散的系統(tǒng)工程。特高壓交流輸電工程是否到達設(shè)計預(yù)期，投入正式運行后是否滿足系統(tǒng)平安穩(wěn)定運行要求，主要是通過對各種電氣參數(shù)的測試反映的。同時在特高壓交流輸電工程投運前，也

42、必然需要對各種電氣設(shè)備、裝置和保護控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的校核、調(diào)整，這些也都離不開在系統(tǒng)調(diào)試過程中進行大量的現(xiàn)場實際測試工作。因此，分布測試單元的設(shè)計應(yīng)充分考慮各種測試工程、測試設(shè)備的不同測試需求，滿足各類測試的采集速率、A/D轉(zhuǎn)換精度、存儲時間和流盤速度等需求，具備測試不同類型信號的能力；滿足不同測點數(shù)據(jù)的同時軸分析需求，具備較高的實時和同步性。同時，由于一些重要的調(diào)試工程具有不可重復(fù)性，要求分布測試單元具備獨立完成測試任務(wù)的能力。即在失去網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的情況下，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通道閥值自動觸發(fā)啟動，獨立完成數(shù)據(jù)的采集和存儲工作。分布式測試單元的設(shè)計，充分考慮系統(tǒng)調(diào)試各項測試內(nèi)容對其性能和功能的需求

43、，依據(jù)功能劃分將分布測試單元規(guī)劃成中央控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊4個主要局部。分布測試單元結(jié)構(gòu)設(shè)計如 REF _Ref439954669 h * MERGEFORMAT 圖41所示。圖 STYLEREF 1 s 4 SEQ 圖 * ARABIC s 1 1分布測試單元結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖中央控制模塊如 REF _Ref439954669 h * MERGEFORMAT 圖41所示，中央控制模塊是分布測試系統(tǒng)的功能實現(xiàn)核心，負責將經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)程序進行計算，將結(jié)果送至Flash中存儲，將預(yù)覽通道數(shù)據(jù)推送至網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊上傳至分布測試系統(tǒng)主機，這些任務(wù)都需要同時完

44、成。同時，還要接受系統(tǒng)主機下達的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)授時、通道參數(shù)設(shè)置、手動觸發(fā)信號、通道參數(shù)設(shè)置等指令。這就要求中央控制模塊具有一顆強大的“大腦，具有超高的數(shù)據(jù)處理和指令執(zhí)行速度，具備并行處理能力，豐富的電平接口易，以及隨時根據(jù)需求更改編程的能力。因此，分布測試單元采用了基于FPGA(Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編程門陣列)芯片，作為中央控制模塊核心。下面將從FPGA的選擇、開發(fā)流程、開發(fā)工具、仿真工具4個方面進行詳細介紹。FPGA的選擇目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要存在以下幾種技術(shù)路線：基于MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：這類系統(tǒng)是伴隨著20世紀80年代至90年代，ICInteg

45、rated Circuit,集成電路技術(shù)的蓬勃開展蘊育而生的，結(jié)構(gòu)簡單、實時性差，只適合用于對實時性要求低，測試精度要求不高的測試系統(tǒng)。基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：20世紀90年代以后出現(xiàn)了以單片機為核心的采集系統(tǒng)。這類系統(tǒng)無論是在指令執(zhí)行速度，還是在采集精度和數(shù)據(jù)處理能力上都得到了大幅提升，并且具有非常好的實時性。但是束縛于串行指令流的影響，不具備并行處理多任務(wù)能力，當采樣速率高于幾MHZ的時候，僅能實現(xiàn)非常簡單的數(shù)據(jù)運算。基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：以ARM處理器為核心的數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備擁有良好的控制能力以及數(shù)據(jù)處理能力，功能豐富，且功耗低，可實現(xiàn)對采集信號快速精確地處理，但ARM的計算能力

46、一般比擬弱，且專用性比擬強 REF _Ref439957340 r h * MERGEFORMAT 16，適合用于控制領(lǐng)域或者具有界面化的場合等?；贔PGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：隨著FPGA技術(shù)的不斷開展，F(xiàn)PGA在信號采集和處理方面的優(yōu)勢日益凸顯。FPGA打破了以往指令只能順序執(zhí)行的技術(shù)瓶頸，不同邏輯可以并行執(zhí)行，可在同一個時間實現(xiàn)多任務(wù)操作，大幅度提高了工作效率。FPGA功能十分強大、高效、靈活，電平接口豐富，便于實現(xiàn)不同種類的協(xié)議，內(nèi)部邏輯資源豐富，能夠完成非常復(fù)雜的組合邏輯電路功能和時序功能，適合應(yīng)用于多任務(wù)并行和高速的實時數(shù)據(jù)處理中，并且抗干擾性和可擴展性強，還可以根據(jù)需要隨時改變編程。

47、顯然，中央控制模塊應(yīng)選用FPGA作為處理核心，滿足分布測試單元高速、并行、可擴展和現(xiàn)場編程等實際需求。綜合考慮各方面因素，決定采用Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE6F17C8芯片，其具體指標如下：具有高至6272個邏輯元件/單元數(shù)，392個LABLogic Macro Cell，即可編程邏輯陣列/CLBConfigurable Logic Block，即可配置邏輯模塊數(shù)，具有非常豐富的連線資源,而且它的運行速度很快，高至260MHz。內(nèi)部嵌有高至276480bit的RAM，它的主要組成局部是 4KBit 的 M4K塊，而且每一個塊的運算速度非?？欤咧?50MHz。且配置

48、靈活，每一個M4K模塊都能夠配置為各種各樣的存儲器，如單口或雙口RAM、ROM及FIFO等。內(nèi)部嵌有多達15個1818bit的硬件乘法器，運行速度高至幾百MHz，還擁有能夠選擇的輸入輸出存放器。提供兩個鎖相環(huán)PLL與10條全局時鐘網(wǎng)絡(luò)連線，便于時鐘的控制應(yīng)用和管理。提供多個專用的時鐘輸入引腳。能夠支持多電平單端I/O標準：1.5V、1.8V、2.5V和3.3V25。支持多種I/O標準的高速端口，并提供高達200MHz的 DDR2 SDRAM接口，以及167MHz的QDRII SRAM和DDR SDRAM，本設(shè)計即利用FPGA的這些端口進行SDRAM控制器的設(shè)計。如上所述，EP4CE6F17C8

49、擁有非常豐富的資源，足以滿足分布測試單元的功能需求。FPGA開發(fā)流程一般FPGA的開發(fā)采用自上而下，模塊化編程的方法。FPGA開發(fā)流程一般包含功能定義、器件選型、設(shè)計輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實現(xiàn)布線后仿真、板級仿真及芯片編程與調(diào)試等步驟 REF _Ref439965945 r h * MERGEFORMAT 17，具體流程如 REF _Ref439100849 h 圖11所示。圖 STYLEREF 1 s 4 SEQ 圖 * ARABIC s 1 2 FPGA開發(fā)流程圖電路設(shè)計輸入將根據(jù)功能需求所設(shè)計的系統(tǒng)或電路以開發(fā)軟件要求的某種形式表示出來，并輸入給EDA軟件的過程。實際應(yīng)用

50、中，常用的設(shè)計方法包含HDL硬件描述語言及原理圖輸入方式?，F(xiàn)應(yīng)用最多的是HDL設(shè)計輸入方式，它利用文本描述設(shè)計，可分為普通HDL和行為HDL。普通HDL多用于簡單的小型設(shè)計。在中大型工程中，主要使用行為HDL，其主流語言分為兩種：Verilog HDL和VHDL，它們的共同特征是：語言相對獨立，不受芯片制造工藝的影響，比擬適合自頂向下的設(shè)計模式，方便用在模塊劃分和移植中，可移植性好，輸入效率高，且具有很強的邏輯描述和仿真功能。功能仿真功能仿真又稱前仿真，它在編譯前對用戶設(shè)計的電路進行邏輯功能驗證，這時的仿真無延遲信息，只檢測初步功能。仿真前需用波形編輯器與HDL等建立波形文件和測試向量，仿真結(jié)

51、果會生成報告文件并輸出信號波形，從中可觀察每個節(jié)點信號的變化。假設(shè)發(fā)現(xiàn)錯誤，那么返回設(shè)計修改。綜合優(yōu)化綜合優(yōu)化是依據(jù)目標與要求優(yōu)化而產(chǎn)生的邏輯連接，使層次設(shè)計平面化，供FPGA布局布線軟件實現(xiàn) REF _Ref439966995 r h * MERGEFORMAT 18。從目前層次設(shè)計來看，其是指將設(shè)計輸入編譯為由或門、與門、非門、觸發(fā)器以及RAMrandom access memory，即隨機存儲器等根本邏輯單元組成的邏輯連接網(wǎng)表，并非真實的門級電路。真實的門級電路需采用FPGA制造商提供的布局布線功能，依據(jù)綜合后生成的標準門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。在此過程中，HDL 程序的編寫一定要符合特定綜合

52、器所要求的風格，以便能轉(zhuǎn)化成比擬標準的門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表。綜合后仿真 綜合后仿真用于檢查綜合結(jié)果是否與原設(shè)計一致，把綜合生成的標準延時文件反標注到綜合仿真模型中，可估計門延時帶來的影響。實現(xiàn)與布局布線布局布線指利用實現(xiàn)工具把邏輯映射到目標器件結(jié)構(gòu)的資源中，選擇邏輯與輸入輸出功能鏈接的布線通道進行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件。實現(xiàn)是將綜合生成的邏輯網(wǎng)表配置到具體的FPGA芯片上，布局布線是其中最關(guān)鍵的過程。通常情況下，進行布局布線這一步驟時一般選擇可編程邏輯器件芯片生產(chǎn)制造公司提供的工具，因為其對生產(chǎn)的芯片結(jié)構(gòu)及原理最為熟悉和明確。時序仿真時序仿真，也被稱為后仿真。將布局布線的延時信息反標注到設(shè)計網(wǎng)表中來檢測

53、有無時序違規(guī) REF _Ref439967386 r h * MERGEFORMAT 19。時序仿真囊括的延遲信息非常精確和完整，能很好地表達出芯片的真實工作狀況。在實際仿真實驗中，不同芯片的內(nèi)部延時不一樣，不同的布局布線策略也會給芯片內(nèi)部的延時帶來各種各樣的不同程度的影響，所以當進行布局布線操作之后，需要對系統(tǒng)及各個子設(shè)計模塊分別實施時序仿真這一操作，來深入分析其內(nèi)部具體的時序關(guān)系，判斷整個系統(tǒng)和各模塊的性能，并檢查和消除競爭冒險情況或者從中發(fā)現(xiàn)其他系統(tǒng)問題。另外，在上述功能仿真中提到的仿真工具一般也適用于時序仿真。板級仿真與驗證板級仿真可對高速系統(tǒng)信號的完整性和電磁干擾等特點進行分析，通常

54、以第三方工具進行仿真及驗證。板級仿真與建立原理圖及布線一樣至關(guān)重要，可以幫助設(shè)計者盡早發(fā)現(xiàn)問題及解決問題。芯片編程與調(diào)試這是整個設(shè)計流程的最后一個環(huán)節(jié)。芯片編程的含義是在滿足一定的要求下，如編程時序、編程電壓以及編程算法等條件的前提下，首先產(chǎn)生需要的位數(shù)據(jù)流文件，再把編程的數(shù)據(jù)下載到FPGA器件上。市場上發(fā)行的用于芯片編程與調(diào)試的工具有很多，一般選擇邏輯分析儀(Logic Analyzer)進行操作，有些 FPGA 器件制造商把邏輯分析儀嵌入到了器件內(nèi)部，這種方法實現(xiàn)了在占用芯片邏輯資源較少的情況下，完成更多的功能操作，使用起來也更方便，在實際應(yīng)用中越來越受到人們的青睞。 REF _Ref43

55、9967397 r h * MERGEFORMAT 20本設(shè)計使用Verilog HDL語言實現(xiàn)各功能模塊的軟件編寫。Verilog HDL語言是一種典型的行為描述語言和結(jié)構(gòu)描述語言，它按照一定的規(guī)那么編寫代碼，將功能行為模塊通過工具自動轉(zhuǎn)化為門級互聯(lián)的結(jié)構(gòu)模塊。FPGA開發(fā)工具本設(shè)計采用Altera公司開發(fā)的QuartusII作為FPGA集成開發(fā)工具。QuartusII是一款綜合性開發(fā)軟件，支持原理圖、VerilogHDL、VHDL和 AHDL等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌綜合器及仿真器 REF _Ref439968134 r h * MERGEFORMAT 21，能完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整

56、 PLD設(shè)計流程。其運行速度快，界面友好統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用 REF _Ref439968124 r h * MERGEFORMAT 22 REF _Ref439968125 r h * MERGEFORMAT 23。FPGA仿真工具ModelSim是一款Mentor公司開發(fā)的硬件描述語言仿真軟件，其是目前唯一支持單內(nèi)核Verilog HDL和VHDL兩種硬件語言混合仿真的仿真軟件 REF _Ref439968320 r h * MERGEFORMAT 24。其采用直接優(yōu)化的編譯技術(shù)、單內(nèi)核仿真技術(shù)和TCL/TK技術(shù)，編譯的代碼和平臺關(guān)，利于IP核的保護，且編譯速度快，個性化的圖形界面及用

57、戶接口，為廣闊設(shè)計使用者提供了及時發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的有效手段。因此，本設(shè)計選擇ModelSim對系統(tǒng)模塊功能進行仿真。數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊的功能是將各種類型的被測模擬信號經(jīng)由信號調(diào)理，轉(zhuǎn)換至ADC轉(zhuǎn)換芯片輸入電壓范圍內(nèi)，并通過ADC芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換后，交由FPGA處理后進行保存。數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計框圖如 REF _Ref440031777 h 圖43所示。圖 STYLEREF 1 s 4 SEQ 圖 * ARABIC s 1 3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計框圖數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計，充分考慮了特高壓交流系統(tǒng)調(diào)試對測試性能和功能需求，以及電力系統(tǒng)測試工作的特點：通過對系統(tǒng)調(diào)試各種測試的采樣速率與精度需求

58、分析，綜合考慮數(shù)據(jù)計算、分析，無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率等因素，設(shè)計單通道最大采樣率應(yīng)不低于100kbps，并具有16bit的采樣精度；考慮電力系統(tǒng)通常是對3相4線制設(shè)備進行測試，同時考慮制造本錢和一般使用工況等因素，設(shè)計每臺分布測試單元具有8個獨立測試通道，輸入電阻500 M；為簡化電路、降低本錢，采用單ADC芯片，通過多路選擇器以及同步邏輯實現(xiàn)對8個通道的同步采集；調(diào)理電路采用模塊化設(shè)計，將各類被測信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至ADC芯片輸入電平范圍內(nèi)，并封裝至具有相同尺寸和接口的通用外殼內(nèi)。這樣就可以根據(jù)實際測試工況選擇不同的調(diào)理電路模塊，插入分布測試單元輸入接口，來滿足不同測試需求。還可以根據(jù)新的測試需求，

59、依照相同標準制作新的信號類型調(diào)理模塊，大大提升了分布測試單元的適用性和可擴展性。ADC的性能指標AD芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心，直接決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，衡量ADC轉(zhuǎn)換性能的指標主要有：采樣速率、采樣精度、無雜散動態(tài)范圍、信噪比、有效轉(zhuǎn)換位數(shù)、孔徑誤差、轉(zhuǎn)換靈敏度、全功率輸入帶寬等。采樣速率與采樣精度采樣速率是指模數(shù)變換的速率，而采樣精度(分辨率)表示變換輸出數(shù)據(jù)的比特數(shù)。較高的采樣速率與采樣精度對應(yīng)較寬的信號輸入帶寬和動態(tài)范圍，因此這兩個指標對于ADC芯片性能是非常重要的衡量標準。信噪比與無雜散動態(tài)范圍信噪比(SNR)是信號電平的有效值和各種噪聲(包括量化噪聲、熱噪聲、

60、白噪聲等)有效值之比。對于一個滿量程的正弦輸入信號，理論SNR為：SNR=6.02n+1.76dB+10lgs (4-1)式中 n 為采樣位數(shù);s 為采樣頻率;B 為模擬帶寬。實際上，ADC的信噪比還要考慮內(nèi)部非線性、孔徑抖動等因素，實際的信噪比要小得多。而無雜散動態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range，SFDR)是指ADC輸入信號的功率與ADC輸出信號頻譜的最大信號峰值功率之比。這一指標反映的是在ADC輸入大信號時，器件對小信號的檢測和分辨能力。SNR是信號功率和殘差功率之比，而SFDR是信號功率與最大的寄生信號的峰值功率之比。殘差功率包括最大寄生信號的峰值功率，因此