0 引言
2009年国家提出了“智能电网”计划，并制定了建设“坚强智能电网”的时间表。“智能电网”将实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化的融合。智能化的变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑，它处在智能电网的中心枢纽位置。对上接收着高压电网的电源输入，对下要完成变电站和用户的电源分配，并同时具备接受上级调度中心的信息传递、自动控制、智能调节和在线分析功能。因此，监测变电站运行参数有助于供电部门及时了解变电站的运行和用户用电情况，使智能电网更坚强。
本文针对智能电网的发展需求，设计了一种基于FPGA的变电站开关柜电能ZigBee数据采集系统，并进行了相关测试。
1 应用分析
1．1 SOPC及Nios II技术
SOPC系统是指用可编程逻辑技术把CPU、存储器等功能模块集成到一块芯片上，是一种特殊的嵌入式系统，具备了片上系统(SOC)和可编程系统的特点。可将工业自动控制系统、DSP、数字通信系统及数字逻辑技术融为一体，并具备软／硬件在系统可编程的功能。设计者可从三种由Ahera公司推出的Nios II嵌入式软核以及超过60个IP核中选择所需的功能模块，还可以自行设计所需的IP核。可根据需要调整嵌入式系统的性能及成本，使得产品快速推向市场，扩展了产品的生命周期，避免处理器的更新换代。SOPC及Nios II技术能够实现一块芯片中用一个或多个CPU去管理大量的逻辑电路，其具有的高性能、实时化、高度集成化、可重构、低开发成本等特点将成为未来嵌入式系统的发展趋势。
1．2 系统结构与采集终端构建
系统主要分为三部分，分别是基于FPGA的采集终端、ZigBee传输网络和数据中心上位机，其结构如图1所示。
图1 系统结构图
采集终端负责对变电站开关柜的电能信息进行采集和预处理，利用ZigBee的多跳技术将数据发送到数据中心上位机。数据中心完成对数据的分析处理，以图形和报表的形式显示最终的处理结果，并根据需要将数据存储。
这里主要对变电站开关柜的电能数据采集终端及ZigBee传输网络进行研究和设计。利用CycloneIII系列FPGA芯片EP3C25Q240C8N构建基于SOPC技术的数据采集终端的控制单元，采用低成本、低功耗和传输稳的ZigBee传输网络来传输监测终端采集的数据。变电站开关柜的电能信息数据采集终端是设计的核心，包括电压互感器(胛)／电流互感器(CT)、信号调理、信号采集(AD)、FPGA等电路的设计，其结构如图2所示。
图2 采集终端结构框图
工作过程如下：来自电矽电流互感器的信号首先进入信号调理电路，经过滤波、放大后送给AD，经过模数转换后的数字信号进入FPGA经过简单的预处理，最后将采集到的数据经过ZigBee无线模块传输给远端。
2 主要模块设计
2．1．基于SOPC的FPGA模块结构设计
采用SOPC技术的嵌入式系统内部模块的原理如图3所示。
图3 SOPC内部模块与外部模块连接图
此系统在一片FPGA上集成了采集终端所需的各种模块。各模块问都是通过SOPC内部特殊的Avalon总线结构来完成数据传递。这种交换构架支持多种系统结构，能够进行多路数据的同时处理，吞吐量大，可达到数据在各模块间最佳传递。
2．2信号采集及信号调理模块
电压(电流)互感器输出的往往是微弱的模拟信号。在输电线监测应用中放大器的选择主要考虑是低噪声和低失调电压放大器。这里选择有较小的失调电压和良好低功耗特陛的精密仪表运算放大器INA337作为信号调理用运算放大器，其中芯片的最大输出电压可以由R4和民来决定。信号调理电路如图4所示。
图4 信号调理电路图
2．3 AD转换模块
模数转换模块是数据采集系统设计的核心，其设计是否合理是决定整个系统是否能达到应用要求的关键。这里选取AD7656作为模数转换模块的芯片。AD7656是美国AD公司推出的一款16位同步采样高集成度的6通道逐次逼近(SAR)型ADC芯片。可以满足高分辨率、多通道、高转换速率和低功耗的要求，目前在电力监控、仪器控制等系统中得到了广泛的应用。
2。4 ZigBee无线模块
系统中的采用新型第二代ZigBee收发器CC2530芯片来构建ZigBee节点。该芯片沿用了以往CC2430芯片构架，是用于IEEE 802．15．4／ZigBee和RF4CE应用的一个真正的SOC解决方案。它能够以很低的总材料成本建立强大的网络节点，结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051内核，系统内可编程闪存，8KB RAM和许多其他强大的功能。它还具有不同的运行模式，适应超低功耗要求的系统。为提高网络中协调器和路由器节点ZigBee无线模块传输性能，采用了CC2530+CC2591的芯片组合来延长现有ZigBee传输模块的通信距离。
3 软件设计
3．1基于Nios软核的控制流程设计
针对变电站开关柜电能数据采集终端的数据采集与传输流程图如图5所示。程序开始首先对系统的控制寄存器和一些外设进行初始化操作，再判断是否有中断信号以及判断中断类型，如是开关量中断则进入开关量控制模块；如是采集数据中断则将经传感器获得的模拟数据进人调理模块及A／D转换，在此模块中主要进行量程选择和将模拟量转化为数字量。同时将转换后的数字量存在SRAM存储器中，再由数据处理和运算模块对其进行处理与分析。处理和分析的结果再经过ZigBee传输网络传给上位机作进一步的处理。
图5 Nios软核的控制流程
3．2 ZigBee数传模块发送数据流程
系统具有变电站监测数据实时传输功能，通过ZigBee数传模块的软件设计来实现。节点上电后，监测设备和ZigBee RF收发器开始初始化。首先ZigBee数传模块要检查与ZigBee数据采集模块和路由器之间的通信。正常情况下，ZigBee无线模块开始发送数据。然后检查ZigBee模块发送数据是否成功，若不正确或不成功则重新发送。数据发送正确后，数据经协调器传至终端设备，由终端数据处理设备完成分析和显示功能。ZigBee发送数据流程如图6所示。
图7 三相有功功率变化曲线
4 监测环境与监测数据
4．1监测环境
为了验证本系统的可行性，选取了某煤矿变电站进行测试工作。该变电站采用单母线分段方式供电，两台变压器一供一备，容量为12．5MVA。上级进线电源为35kV母线，经变压器变为6kV母线为全厂负荷供电。6kV母线所带主要负荷为主井提升机、副井提升机、鼓风机、压风机、水泵、厂区照明以及井下负荷。监测时间为某正常工作日的08：00至00：30。
4．2部分实验数据和波形
系统在数据中心上位机设置分析软件，以报表和图形的方式对变电站开关柜电能信息监测数据进行显示分析。
图7 三相有功功率变化曲线
图7为截取的部分三相有功功率实时变化曲线。从图中可以看出，所监测的开关柜连接的负荷变化比较剧烈，剧烈持续的时间在两分钟左右。而一般情况下煤矿里的提升机是变电站的主要负荷，它的一个提升周期就在两分钟左右。结合图像数据所显示的变化情况，验证了该系统能适时监测到变电站开关柜中电能信息的实时情况。图中可以通过最大值和额定功率的比较，得知是否已经达到最大负荷。
5 结束语
将FPGA及SOPC技术应用于开关柜电能信息的采集，利用ZigBee无线模块进行数据传输，提出了具体的软、硬件设计方案与流程，并进行了传输测试实验。
测试结果表明，系统能够及时监测到开关柜的电能信息，便于作出及时处理。在传输实验中，ZigBee数传模块对所测得的变电站运行数据可以准确传输，展现了良好的传输能力。能够满足变电站监测实时数据的要求，实现了变电站监测ZigBee数据采集的无线化、智能化，方便工作人员及时掌握运行情况并做出相应调控，在智能电网中具有很高的应用价值。