- 頭條繼電保護專用芯片的集成差動保護技術：開發難度低，可靠性高2021-11-01 作者：趙青春 陸金鳳 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語針對目前國內繼電保護裝置核心芯片普遍依賴國外進口的問題，國網公司提出了繼電保護專用芯片的概念。南京南瑞繼保電氣有限公司、國網福建省電力有限公司電力科學研究院的研究人員趙青春、陸金鳳、李智誠、唐志軍、林國棟，在2020年第10期《電氣技術》雜志上撰文，研究了一種繼電保護專用芯片集成差動保護技術。 基于現場可編程門陣列的硬件平臺涵蓋了全部的差動保護環節：本側電流數字采樣、電流快速傅氏計算、對側電流同步接口、差動保護邏輯。繼電保護專用芯片只要配以相應的外圍器件，就可以實現差動保護功能，無需依賴應用軟件平臺，降低繼電保護應用程序開發難度，可靠性高、維護方便。
繼電保護裝置是電網穩定運行的安全衛士。隨著現場可編程門陣列（field-programmable gate array, FPGA）技術的發展以及智能電網建設的快速推進，采用專用芯片來研發生產新型的繼電保護裝置，既是技術發展的必然，也是現實的需求。
繼電保護專用芯片以應用需求為導向，裁剪大量通用芯片中繼電保護不需要的功能，并將采樣、保護、通信等功能集合于一體，降低繼電保護應用程序開發難度。另外，研究繼電保護專用芯片，可打破國外壟斷，對實現國家繼電保護裝置的完全自主可控具有重要意義。
作者提出一種繼電保護專用芯片集成差動保護功能的技術。這種繼電保護專用芯片只要配以相應的外圍器件，就可以實現整個差動保護流程。基于專用芯片的微機差動保護裝置不但可靠性高、維護方便，而且具有自主知識產權。
整體框架
繼電保護裝置實現差動保護的常規方法是：在通用硬件平臺實現本側電流模數（analog-digital, AD）采樣和對側電流接收；在應用軟件平臺實現本側電流快速傅里葉變換（fast Fourier transformation, FFT）計算、對側電流同步和差動保護算法；應用軟件平臺的差動保護動作結果再反饋給硬件平臺，最終實現差動保護的出口。
如圖1所示，作者提出的一種繼電保護專用芯片集成差動保護功能的技術，在硬件平臺實現全部的差動保護功能，無需依賴應用軟件平臺。基于FPGA的硬件平臺涵蓋的差動保護環節包括本側電流AD采樣模塊、本側電流FFT計算模塊、對側電流同步接口模塊、差動保護邏輯模塊。
圖1 專用芯片集成差動保護功能的整體框架
差動電流采集模塊
繼電保護專用芯片集成差動保護功能的技術中，在進入差動保護邏輯模塊之前，首先需要進行差動電流的采集，包括本側電流AD采樣、本側電流FFT計算和對側電流同步。
1）本側電流AD采樣模塊
如圖2所示，作者借助一片FPGA來實現16路外部模擬信號的同步采集和存儲。
圖2 AD采樣模塊
AD采集電路由2片數據選擇器和1片AD轉換器組成。每片數據選擇器各接8個通道。控制模塊、數字倍頻器、隨機存儲器（random access memory, RAM）在FPGA中實現。控制模塊可以控制需要AD轉換的通道，實現轉換通道數從1到16的任意設置。RAM存放每個通道2個周期的采樣數據。
2）本側電流FFT模塊
FFT計算在繼電保護裝置中通常通過應用軟件編程實現，靈活性較大，但數字信號處理器（digital signal processor, DSP）的處理速度略顯不足，再加上受程序指令執行順序的限制，基于DSP的FFT計算難以實現大規模快速運算。
FPGA芯片具備在線可編程能力，因此充分利用FPGA芯片設計的靈活性，基于FPGA芯片實現FFT計算，提高FFT計算的速度和實時性。
FFT流水線結構可以進行連續的數據處理。在處理當前數據窗的N點數據時，可加載下一數據窗的N點數據，同時輸出前一數據窗的N點數據。如圖3所示，FFT流水線結構由多個基2/4/8的蝶形處理單元串聯構成，每個蝶形單元都配置存儲單元來存儲輸入輸出和中間處理的數據。
圖3 FFT計算模塊
基2蝶形單元如圖4所示。
圖4 第i級基2蝶形單元
3）對側同步接口模塊
兩側電流可靠、準確地同步是差動保護正確動作的關鍵。利用FPGA實現兩側電流的傳輸和同步邏輯。考慮到保護裝置的冗余性，這里設計雙光纖通道，如圖5所示。在實際條件只能使用單光纖通道的場合，可以通過調整保護定值來控制通道的使能信號EN。
圖5 對側同步接口模塊
FPGA_A通道和FPGA_B通道的工作邏輯如圖6所示。一方面，FPGA接收串行通信控制器送過來的保護數據，在并串轉換模塊前在保護數據后面加上附加數據，且插入一些比特使數據符合編碼規則，數據經編碼模塊形成碼流，發送給光收發模塊，經光纖發送到對側保護裝置。
圖6 FPGA光纖通道工作邏輯圖
另一方面，FPGA接收光收發模塊送過來的對側碼流。碼流一路經解碼模塊和串并轉換模塊分解成保護數據和附加數據，發送給串行通信控制器，從而使保護裝置獲取對側電流數據。碼流另一路發送給數字鎖相環模塊，提取出系統的接收時鐘，從而使保護裝置獲取對側電流時標，實現兩側電流數據的同步。
FPGA接收和發送數據采用各自的時鐘，分別為接收時鐘和發送時鐘。接收時鐘固定選擇接收碼流中的提取時鐘；發送時鐘可選擇內部晶振時鐘，也可選擇接收碼流中的提取時鐘。
差動保護邏輯模塊
差動保護是繼電保護中應用較為廣泛的保護算法，線路保護、變壓器保護、母線保護中都用到了電流差動保護。差動保護模塊在這些具體的應用中，除了定值不同，結構幾乎相同。差動保護是比幅式保護，可以由比較器和定時器實現。
如圖7所示，根據差動保護的動作方程設計差動保護模塊。兩個動作方程分別用兩個比較器實現，兩個比較器的輸出結果經過與門后控制定時器。當與門的輸出信號由低變高時，起動定時器，定時器到達設定時間后，輸出指定寬度的觸發脈沖，驅動出口繼電器動作。當與門的輸出信號由高變低時，立即復位定時器。
圖7 差動保護模塊
基于FPGA技術的差動保護模塊，還可應用于零序電流保護、過電壓保護等保護原理。差動保護模塊可形成IP核（intellectual property core），在功能界限足夠清晰，產品形成一定規模后，可以將IP核移植到專用集成電路（application specific integr- ated circuit, ASIC）芯片中，形成更可靠穩定的繼電保護專用集成芯片。
本文編自《電氣技術》，標題為“繼電保護專用芯片集成差動保護技術的研究”，作者為趙青春、陸金鳳 等。
