面向智能变电站的手持式培训装置的硬件研制

摘要

近年，国家电网公司努力推动智能变电站保护和测量技术就地化工作，在追求技术先进性的同时，完善智能变电站的设计和运行维护技术，成为重要追求目标。 随着大量智能变电站建成投产，提高一线继电保护及自动化班组技术人员对智能变电站数字化二次系统与设备的运行维护能力，成为保障电网安全运行的基本措施。围绕智能变电站特点加强一线班组技术人员的技能培训，已经成为国网公司重点关注的工作方向。考虑到智能变电站的发展需求、及一线班组的培训需要，结合2016年四川省电力公司所立项目《开展服务于二次班组运维技术支持的便携式智能变电站一体化仿真装置研制》，力图为班组自组织培训提供工具。装置的研制包括软件和硬件两方面，作为项目的子课题，主要介绍了装置的硬件平台，即面向智能变电站的手持式培训装置的硬件设计，旨在为软件平台实现智能变电站一体化仿真系统提供实现基础。 论文结合了智能变电站的通信网络结构和整体的网络配置，确定了手持式培训装置的主要硬件指标及总体设计方案。装置主要由工控主板、仿真电路板、通信电路板3个模块组成，其中仿真和通信电路板基于FPGA进行了高速电路的设计。 在具体的手持式培训装置的设计过程中，论文对硬件系统的设计和PCB设计/仿真两个方面进行了叙述。在系统的设计部分中，论文首先介绍了装置核心部分工控主板的具体参数与应用；其次，为实现装置计算、仿真的功能，本文设计了基于多FPGA系统的仿真电路板，重点介绍多FPGA系统的结构设计、辅助电路模块设计、系统存储模块的设计；接下来，为实现装置收发变电站网络报文信息的功能，文本设计了装置通信电路板，着重介绍了其中千兆光纤收发器电路和其物理层电路；随后设计了基于Mini-PCIE总线的通信链路；最后设计了符合装置要求的电源网络。 在PCB设计/仿真部分中，首先通过对PCB层叠设计和走线设计的原则进行分析，针对装置的PCB完成层叠与走线设计；其次对信号反射、信号串扰原理进行研究，通过仿真平台搭建模型对PCB的信号完整行进行分析；随后，通过对去耦网络仿真完成装置PCB的电源完整性分析，确保设计的正确性、可行性；最后对装置的部分功能进行测试，结果表明本次设计基本满足项目要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1智能变电站应用技术发展与完善

1.1.2 智能变电站技术培训工作的问题

1.1.3 课题的研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要工作安排

第二章 智能变电站信息交互结构研究及培训装置系统分析

2.1智能变电站信息交互结构

2.1.1 智能变电站通信网络结构

2.1.2 智能变电站整体网络配置

2.2 智能变电站网络报文

2.2.1 站控层网络报文

2.2.2 过程层网络报文

2.3 手持式培训装置主要指标及设计方案

2.4 本章小结

第三章 手持式培训装置硬件系统设计与实现

3.1 工控主板简介

3.2 仿真电路板设计

3.2.1 多FPGA系统设计

3.2.2 多FPGA系统辅助电路设计

3.2.3多FPGA系统存储模块设计

3.3通信电路板设计

3.3.1 千兆光纤收发器电路设计

3.3.2 PHY层电路设计

3.4 Mini-PCIE接口电路设计

3.4.1 Mini-PCIE连接模块设计

3.4.1 Mini-PCIE差分信号线设计

3.5 手持式培训装置电源网络设计

3.5.1 仿真电路板电源设计

3.5.2 通信电路板电源设计

3.6 本章小结

第四章 PCB设计及SI/PI仿真研究与装置功能测试

4.1 手持式培训装置PCB设计

4.1.1 装置PCB层叠设计

4.1.2 装置PCB布线设计

4.2 培训装置PCB的SI仿真分析

4.2.1 装置PCB信号反射研究

4.2.2 装置PCB信号串扰研究

4.3 培训装置PCB的PI仿真分析

4.4 手持式培训装置部分功能测试

4.4.1 DDR2存储芯片功能测试

4.4.2 装置数据收发功能测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录