基于新能源的新型电力系统（能源互联网 新型电力系统）

一、背景说明

近年来，“工业互联网”技术在能源电力行业取得了长足进步。随着能源互联网信息化融合、电力市场售电改革、新能源微网及储能、智能配电终端、能源四表集中抄网、智能用电巡检等理念和政策的相继出台能源电力行业基于“工业互联网”的核心引领，在上述背景下对嵌入式解决方案的创新应用和升级需求日益强烈。

作为国内知名的嵌入式产品平台提供商，创龙凭借在嵌入式解决方案领域多年的深厚经验以及对能源电力行业的创新理解，推出全新系列行业解决方案，涵盖TI OMAP-L138 、AM335x、AM5708、AM5728、TMS320F2837x、Xilinx ZYNQ等平台，涵盖电力采集、振动故障诊断、通信管理控制、电力电子、配电终端测控、智能电力巡检等专业技术领域。

2. 方案介绍

1项目名称

基于ZYNQ的分布式能源与微网通信与控制单元

2方案特点

（1）采用Xilinx Zynq-7000 SoC高性能低功耗处理器，集成PS侧单核/双核ARM Cortex-A9 + PL侧Artix-7架构可编程逻辑资源；

(2)通过配置CPU/RAM/FLASH组合，实现成本优化/高性价比的多任务能力、本地数据存储、现场组网和高速通信能力；

（3）可外接液晶显示屏和触摸屏控制，分辨率支持2048*2048，支持1080P高清视频播放和HDMI视频输出，满足多种屏幕和人机交互的功能需求；

（4）支持操作系统操作（Linux/RT-Linux），支持多种通信协议转换（IEC61850、DL/T645、DL/T667-1999（IEC60870-5-103））、线路潮流及控制逻辑运算，应用软件远程升级等功能算法；

(5)通过PL侧Artix-7架构可编程逻辑资源，可按需扩展外部通信接口。只要资源充足，理论上数量没有限制。典型应用：CAN（4通道）、千兆以太网（2通道）、100M以太网（4通道）、UART（12通道）、SPI（5通道）。

3 技术参数

图1

4 方案框图

图2

5应用领域

可广泛应用于分布式能源与负荷调节、微电网中央控制、电力通信网关、数据集中器等可同时接入/接收多种不同通信总线，或支持多种通信协议的应用。集中处理、转换。

图3

6AD7606经典开发案例

AD7606是最经典的电力数据采集IC，广泛应用于大多数电力场合。创龙科技ZYNQ评估板TLZ7x-EasyEVM-S提供基于AD7606的AD采集和处理开发案例。下面解释的开发案例描述基于ad7606_fft 例程。

6.1 功能说明

PL侧以200KSPS的采样率采集AD7606的8通道AD信号，通过DMA IP核将数据缓存到PS侧DDR中（每通道采样4096点），然后对数据通过FFT IP核，然后将FFT运算结果保存到PS侧DDR，最后通过ILA显示原始波形和第一通道的FFT运算结果波形。

注意：由于本案例消耗大量逻辑资源，因此本案例不支持xc7z010，仅支持xc7z020。

6.2 案例图

图4

注：x1代表1个通道的数据，x8代表8个通道的数据。

6.3 硬件平台介绍

6.3.1TLZ7x-EasyEVM-S 评估板

图5

点击产品视频查看详细介绍

6.3.2AD7606模块

本案例采用创龙TL7606P AD模块。

点击图片/标题了解更多产品

图6

图7

模块功能说明：

该模块控制AD7606以200K的采样率采集8路AD信号，并通过AXI4-Stream接口发送数据。

6.4 案例测试

将TLP2P-PinBoard转接板连接到评估板的CON8接口，然后将AD模块TL7606P连接到转接板。

图8

进入评估板文件系统，执行以下命令配置PS-PL电平转换寄存器。

目标# devmem0xf8000900 w0xf

图9

使用下载器加载PL端程序以及与PL端程序同目录下的.ltx文件。

图10

单击ila_1的触发设置窗口中的按钮，双击axi_dma_0_m_axis_mm2s_tvalid将其添加为触发信号。

图11

将Value的值修改为R，设置为上升沿触发。

图12

右键单击Channel_1_data[15:0]，单击“波形样式-模拟”，将通道1的原始信号设置为模拟波形。

图13

右键Channel_1_data[15:0]，点击“Radix - Signed Decimal”，将数据设置为有符号类型。

图14

参照上述步骤，在ila_2中添加axi_dma_1_m_axis_mm2s_tvalid作为触发信号，设置为上升沿触发，将FFT IP核输出数据的实部和虚部信号分别设置为模拟波形，并将数据设置为有符号类型。

图15

图16

使用信号发生源将信号分别输入到TL7606P模块的8个通道。本例测试的输入信号为正弦波，频率为2KHz，峰峰值为3.3Vpp。

将案例“sw\linux_system\image\”目录下的所有脚本文件复制到评估板文件系统中。执行以下命令使能axi_dma_0的S2MM通道并将数据收集到PS侧DDR中。

目标# ./axi_dma_0_ad7606_to_ddr.sh

执行以下命令使能axi_dma_1的S2MM通道（FFT转换后的数据保存到PS侧DDR）并等待FFT IP核工作。

目标# ./axi_dma_1_fft_to_ddr.sh

执行以下命令启用axi_dma_0的MM2S通道并将原始数据从DDR发送到FFT IP核。

目标# ./axi_dma_0_ddr_to_fft.sh

执行以下命令打开axi_dma_1的MM2S通道，并将FFT转换后的数据从DDR发送到ILA进行显示。

目标# ./axi_dma_1_ddr_to_ila.sh

图17

axi_dma_0_ad7606_to_ddr.sh

配置axi_dma_0的S2MM通道向DDR传输数据。

图18

配置DMA后，配置axi gpio输出1，设置adc_enable为1，并启用ADC转换。确保在启用ADC 转换和数据传输之前配置DMA。

图19

axi_dma_0_ddr_to_fft.sh

配置axi_dma_0的MM2S通道，将DDR中的数据通过AXI4-Stream发送到FFT IP核。

图20

ila_1原始波形

输入信号为正弦波，频率为2KHz，峰峰值为3.3Vpp（电压幅度为1.65V）。总共有4096个采样点，每个采样点有4个时钟周期，即4096=16384/4。

图21

图22

波形峰值为+10729，谷值为-10794，峰值=(10729+10794)/(2^16)x10V3.2841V，采样范围为5V。

图23 波峰

图24 谷值

Ila_2FFT 波形

Channel_1_fft_IM_Dout 是虚部，Channel_1_fft_RE_Dout 是实部。

图25

频率计算

FFT变换点数N=4096，AD采样率Fs为200KSPS。某点n所代表的频率为Fn=(n-1)*(Fs/N)(n=1)。当n=1时，Fn为0。由于第一个点代表直流分量，因此频率为0，幅度也为0。这个正弦波没有直流分量。

从下图可以看出，当第164个周期（即第42个采样点）出现信号时，信号频率Fn=(42-1)*(Fs/N)=41*200KHz/4096=2001.95 Hz，与原来的信号频率基本一致，均为2KHz。

图26

振幅（波峰）计算

某一点的幅度An=(root(实部^2 + 虚部^2))*压缩因子/(N/2)，则信号幅度An=(root(4448^2 + 3008^2)) x4096/4096x210739.23，信号电压幅值=10739.23/(2^16/2)x5V1.64V，与原始信号电压幅值1.65V基本一致。

查看原始数据

每个采样点为32位（包括实部和虚部），每个通道的数据地址从地址0x19000000开始依次递增。

Target# devmem0x19000000 //查看V1通道原始数据

Target# devmem0x19000004 //查看V2通道原始数据

Target# devmem0x19000008 //查看V3通道原始数据

Target# devmem0x1900000c //查看V4通道原始数据

Target# devmem0x19000010 //查看V5通道原始数据

Target# devmem0x19000014 //查看V6通道原始数据

Target# devmem0x19000018 //查看V7通道原始数据

Target# devmem0x1900001c //查看V8通道原始数据

图27 查看V1通道原始数据

查看FFT 数据

每个采样点为32位（包括实部和虚部），每个通道的数据地址从地址0x19100000开始依次递增。

Target# devmem0x19100000 //查看V1通道FFT数据

Target# devmem0x19100004 //查看V2通道FFT数据

Target# devmem0x19100008 //查看V3通道FFT数据

Target# devmem0x1910000c //查看V4通道FFT数据

Target# devmem0x19100010 //查看V5通道FFT数据

Target# devmem0x19100014 //查看V6通道FFT数据

Target# devmem0x19100018 //查看V7通道FFT数据

Target# devmem0x1910001c //查看V8通道FFT数据

图28 查看V1通道FFT数据

3.更多解决方案

图29