0 引言
2009年國家提出了“智能電網”計劃，并制定了建設“堅強智能電網”的時間表。“智能電網”將實現“電力流、信息流、業務流”的高度一體化的融合。智能化的變電站是堅強智能電網的重要基礎和支撐，它處在智能電網的中心樞紐位置。對上接收著高壓電網的電源輸入，對下要完成變電站和用戶的電源分配，并同時具備接受上級調度中心的信息傳遞、自動控制、智能調節和在線分析功能。因此，監測變電站運行參數有助于供電部門及時了解變電站的運行和用戶用電情況，使智能電網更堅強。
本文針對智能電網的發展需求，設計了一種基于FPGA的變電站開關柜電能ZigBee數據采集系統，并進行了相關測試。
1 應用分析
1．1 SOPC及Nios II技術
SOPC系統是指用可編程邏輯技術把CPU、存儲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，具備了片上系統(SOC)和可編程系統的特點。可將工業自動控制系統、DSP、數字通信系統及數字邏輯技術融為一體，并具備軟／硬件在系統可編程的功能。設計者可從三種由Ahera公司推出的Nios II嵌入式軟核以及超過60個IP核中選擇所需的功能模塊，還可以自行設計所需的IP核。可根據需要調整嵌入式系統的性能及成本，使得產品快速推向市場，擴展了產品的生命周期，避免處理器的更新換代。SOPC及Nios II技術能夠實現一塊芯片中用一個或多個CPU去管理大量的邏輯電路，其具有的高性能、實時化、高度集成化、可重構、低開發成本等特點將成為未來嵌入式系統的發展趨勢。
1．2 系統結構與采集終端構建
系統主要分為三部分，分別是基于FPGA的采集終端、ZigBee傳輸網絡和數據中心上位機，其結構如圖1所示。
圖1 系統結構圖
采集終端負責對變電站開關柜的電能信息進行采集和預處理，利用ZigBee的多跳技術將數據發送到數據中心上位機。數據中心完成對數據的分析處理，以圖形和報表的形式顯示最終的處理結果，并根據需要將數據存儲。
這里主要對變電站開關柜的電能數據采集終端及ZigBee傳輸網絡進行研究和設計。利用CycloneIII系列FPGA芯片EP3C25Q240C8N構建基于SOPC技術的數據采集終端的控制單元，采用低成本、低功耗和傳輸穩的ZigBee傳輸網絡來傳輸監測終端采集的數據。變電站開關柜的電能信息數據采集終端是設計的核心，包括電壓互感器(胛)／電流互感器(CT)、信號調理、信號采集(AD)、FPGA等電路的設計，其結構如圖2所示。
圖2 采集終端結構框圖
工作過程如下：來自電矽電流互感器的信號首先進入信號調理電路，經過濾波、放大后送給AD，經過模數轉換后的數字信號進入FPGA經過簡單的預處理，最后將采集到的數據經過ZigBee無線模塊傳輸給遠端。
2 主要模塊設計
2．1．基于SOPC的FPGA模塊結構設計
采用SOPC技術的嵌入式系統內部模塊的原理如圖3所示。
圖3 SOPC內部模塊與外部模塊連接圖
此系統在一片FPGA上集成了采集終端所需的各種模塊。各模塊問都是通過SOPC內部特殊的Avalon總線結構來完成數據傳遞。這種交換構架支持多種系統結構，能夠進行多路數據的同時處理，吞吐量大，可達到數據在各模塊間最佳傳遞。
2．2信號采集及信號調理模塊
電壓(電流)互感器輸出的往往是微弱的模擬信號。在輸電線監測應用中放大器的選擇主要考慮是低噪聲和低失調電壓放大器。這里選擇有較小的失調電壓和良好低功耗特陛的精密儀表運算放大器INA337作為信號調理用運算放大器，其中芯片的最大輸出電壓可以由R4和民來決定。信號調理電路如圖4所示。
圖4 信號調理電路圖
2．3 AD轉換模塊
模數轉換模塊是數據采集系統設計的核心，其設計是否合理是決定整個系統是否能達到應用要求的關鍵。這里選取AD7656作為模數轉換模塊的芯片。AD7656是美國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、高轉換速率和低功耗的要求，目前在電力監控、儀器控制等系統中得到了廣泛的應用。
2。4 ZigBee無線模塊
系統中的采用新型第二代ZigBee收發器CC2530芯片來構建ZigBee節點。該芯片沿用了以往CC2430芯片構架，是用于IEEE 802．15．4／ZigBee和RF4CE應用的一個真正的SOC解決方案。它能夠以很低的總材料成本建立強大的網絡節點，結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051內核，系統內可編程閃存，8KB RAM和許多其他強大的功能。它還具有不同的運行模式，適應超低功耗要求的系統。為提高網絡中協調器和路由器節點ZigBee無線模塊傳輸性能，采用了CC2530+CC2591的芯片組合來延長現有ZigBee傳輸模塊的通信距離。
3 軟件設計
3．1基于Nios軟核的控制流程設計
針對變電站開關柜電能數據采集終端的數據采集與傳輸流程圖如圖5所示。程序開始首先對系統的控制寄存器和一些外設進行初始化操作，再判斷是否有中斷信號以及判斷中斷類型，如是開關量中斷則進入開關量控制模塊；如是采集數據中斷則將經傳感器獲得的模擬數據進人調理模塊及A／D轉換，在此模塊中主要進行量程選擇和將模擬量轉化為數字量。同時將轉換后的數字量存在SRAM存儲器中，再由數據處理和運算模塊對其進行處理與分析。處理和分析的結果再經過ZigBee傳輸網絡傳給上位機作進一步的處理。
圖5 Nios軟核的控制流程
3．2 ZigBee數傳模塊發送數據流程
系統具有變電站監測數據實時傳輸功能，通過ZigBee數傳模塊的軟件設計來實現。節點上電后，監測設備和ZigBee RF收發器開始初始化。首先ZigBee數傳模塊要檢查與ZigBee數據采集模塊和路由器之間的通信。正常情況下，ZigBee無線模塊開始發送數據。然后檢查ZigBee模塊發送數據是否成功，若不正確或不成功則重新發送。數據發送正確后，數據經協調器傳至終端設備，由終端數據處理設備完成分析和顯示功能。ZigBee發送數據流程如圖6所示。
圖7 三相有功功率變化曲線
4 監測環境與監測數據
4．1監測環境
為了驗證本系統的可行性，選取了某煤礦變電站進行測試工作。該變電站采用單母線分段方式供電，兩臺變壓器一供一備，容量為12．5MVA。上級進線電源為35kV母線，經變壓器變為6kV母線為全廠負荷供電。6kV母線所帶主要負荷為主井提升機、副井提升機、鼓風機、壓風機、水泵、廠區照明以及井下負荷。監測時間為某正常工作日的08：00至00：30。
4．2部分實驗數據和波形
系統在數據中心上位機設置分析軟件，以報表和圖形的方式對變電站開關柜電能信息監測數據進行顯示分析。
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時變化曲線。從圖中可以看出，所監測的開關柜連接的負荷變化比較劇烈，劇烈持續的時間在兩分鐘左右。而一般情況下煤礦里的提升機是變電站的主要負荷，它的一個提升周期就在兩分鐘左右。結合圖像數據所顯示的變化情況，驗證了該系統能適時監測到變電站開關柜中電能信息的實時情況。圖中可以通過最大值和額定功率的比較，得知是否已經達到最大負荷。
5 結束語
將FPGA及SOPC技術應用于開關柜電能信息的采集，利用ZigBee無線模塊進行數據傳輸，提出了具體的軟、硬件設計方案與流程，并進行了傳輸測試實驗。
測試結果表明，系統能夠及時監測到開關柜的電能信息，便于作出及時處理。在傳輸實驗中，ZigBee數傳模塊對所測得的變電站運行數據可以準確傳輸，展現了良好的傳輸能力。能夠滿足變電站監測實時數據的要求，實現了變電站監測ZigBee數據采集的無線化、智能化，方便工作人員及時掌握運行情況并做出相應調控，在智能電網中具有很高的應用價值。