繼電保護(hù)裝置是電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的安全衛(wèi)士。隨著現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array, FPGA）技術(shù)的發(fā)展以及智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，采用專用芯片來研發(fā)生產(chǎn)新型的繼電保護(hù)裝置，既是技術(shù)發(fā)展的必然，也是現(xiàn)實(shí)的需求。

繼電保護(hù)專用芯片以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，裁剪大量通用芯片中繼電保護(hù)不需要的功能，并將采樣、保護(hù)、通信等功能集合于一體，降低繼電保護(hù)應(yīng)用程序開發(fā)難度。另外，研究繼電保護(hù)專用芯片，可打破國外壟斷，對(duì)實(shí)現(xiàn)國家繼電保護(hù)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(hù)專用芯片集成差動(dòng)保護(hù)功能的技術(shù)。這種繼電保護(hù)專用芯片只要配以相應(yīng)的外圍器件，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)差動(dòng)保護(hù)流程。基于專用芯片的微機(jī)差動(dòng)保護(hù)裝置不但可靠性高、維護(hù)方便，而且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

整體框架

繼電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的常規(guī)方法是：在通用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)本側(cè)電流模數(shù)（analog-digital, AD）采樣和對(duì)側(cè)電流接收；在應(yīng)用軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)本側(cè)電流快速傅里葉變換（fast Fourier transformation, FFT）計(jì)算、對(duì)側(cè)電流同步和差動(dòng)保護(hù)算法；應(yīng)用軟件平臺(tái)的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果再反饋給硬件平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)的出口。

如圖1所示，作者提出的一種繼電保護(hù)專用芯片集成差動(dòng)保護(hù)功能的技術(shù)，在硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全部的差動(dòng)保護(hù)功能，無需依賴應(yīng)用軟件平臺(tái)。基于FPGA的硬件平臺(tái)涵蓋的差動(dòng)保護(hù)環(huán)節(jié)包括本側(cè)電流AD采樣模塊、本側(cè)電流FFT計(jì)算模塊、對(duì)側(cè)電流同步接口模塊、差動(dòng)保護(hù)邏輯模塊。

圖1 專用芯片集成差動(dòng)保護(hù)功能的整體框架

差動(dòng)電流采集模塊

繼電保護(hù)專用芯片集成差動(dòng)保護(hù)功能的技術(shù)中，在進(jìn)入差動(dòng)保護(hù)邏輯模塊之前，首先需要進(jìn)行差動(dòng)電流的采集，包括本側(cè)電流AD采樣、本側(cè)電流FFT計(jì)算和對(duì)側(cè)電流同步。

1）本側(cè)電流AD采樣模塊

如圖2所示，作者借助一片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)16路外部模擬信號(hào)的同步采集和存儲(chǔ)。

圖2 AD采樣模塊

AD采集電路由2片數(shù)據(jù)選擇器和1片AD轉(zhuǎn)換器組成。每片數(shù)據(jù)選擇器各接8個(gè)通道。控制模塊、數(shù)字倍頻器、隨機(jī)存儲(chǔ)器（random access memory, RAM）在FPGA中實(shí)現(xiàn)。控制模塊可以控制需要AD轉(zhuǎn)換的通道，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換通道數(shù)從1到16的任意設(shè)置。RAM存放每個(gè)通道2個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)。

2）本側(cè)電流FFT模塊

FFT計(jì)算在繼電保護(hù)裝置中通常通過應(yīng)用軟件編程實(shí)現(xiàn)，靈活性較大，但數(shù)字信號(hào)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(zhí)行順序的限制，基于DSP的FFT計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模快速運(yùn)算。

FPGA芯片具備在線可編程能力，因此充分利用FPGA芯片設(shè)計(jì)的靈活性，基于FPGA芯片實(shí)現(xiàn)FFT計(jì)算，提高FFT計(jì)算的速度和實(shí)時(shí)性。

FFT流水線結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)處理。在處理當(dāng)前數(shù)據(jù)窗的N點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，可加載下一數(shù)據(jù)窗的N點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出前一數(shù)據(jù)窗的N點(diǎn)數(shù)據(jù)。如圖3所示，F(xiàn)FT流水線結(jié)構(gòu)由多個(gè)基2/4/8的蝶形處理單元串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)蝶形單元都配置存儲(chǔ)單元來存儲(chǔ)輸入輸出和中間處理的數(shù)據(jù)。

圖3 FFT計(jì)算模塊

基2蝶形單元如圖4所示。

圖4 第i級(jí)基2蝶形單元

3）對(duì)側(cè)同步接口模塊

兩側(cè)電流可靠、準(zhǔn)確地同步是差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作的關(guān)鍵。利用FPGA實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電流的傳輸和同步邏輯。考慮到保護(hù)裝置的冗余性，這里設(shè)計(jì)雙光纖通道，如圖5所示。在實(shí)際條件只能使用單光纖通道的場合，可以通過調(diào)整保護(hù)定值來控制通道的使能信號(hào)EN。

圖5 對(duì)側(cè)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，F(xiàn)PGA接收串行通信控制器送過來的保護(hù)數(shù)據(jù)，在并串轉(zhuǎn)換模塊前在保護(hù)數(shù)據(jù)后面加上附加數(shù)據(jù)，且插入一些比特使數(shù)據(jù)符合編碼規(guī)則，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼模塊形成碼流，發(fā)送給光收發(fā)模塊，經(jīng)光纖發(fā)送到對(duì)側(cè)保護(hù)裝置。

圖6 FPGA光纖通道工作邏輯圖

另一方面，F(xiàn)PGA接收光收發(fā)模塊送過來的對(duì)側(cè)碼流。碼流一路經(jīng)解碼模塊和串并轉(zhuǎn)換模塊分解成保護(hù)數(shù)據(jù)和附加數(shù)據(jù)，發(fā)送給串行通信控制器，從而使保護(hù)裝置獲取對(duì)側(cè)電流數(shù)據(jù)。碼流另一路發(fā)送給數(shù)字鎖相環(huán)模塊，提取出系統(tǒng)的接收時(shí)鐘，從而使保護(hù)裝置獲取對(duì)側(cè)電流時(shí)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電流數(shù)據(jù)的同步。

FPGA接收和發(fā)送數(shù)據(jù)采用各自的時(shí)鐘，分別為接收時(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘。接收時(shí)鐘固定選擇接收碼流中的提取時(shí)鐘；發(fā)送時(shí)鐘可選擇內(nèi)部晶振時(shí)鐘，也可選擇接收碼流中的提取時(shí)鐘。

差動(dòng)保護(hù)邏輯模塊

差動(dòng)保護(hù)是繼電保護(hù)中應(yīng)用較為廣泛的保護(hù)算法，線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)中都用到了電流差動(dòng)保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)模塊在這些具體的應(yīng)用中，除了定值不同，結(jié)構(gòu)幾乎相同。差動(dòng)保護(hù)是比幅式保護(hù)，可以由比較器和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。

如圖7所示，根據(jù)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作方程設(shè)計(jì)差動(dòng)保護(hù)模塊。兩個(gè)動(dòng)作方程分別用兩個(gè)比較器實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)比較器的輸出結(jié)果經(jīng)過與門后控制定時(shí)器。當(dāng)與門的輸出信號(hào)由低變高時(shí)，起動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)器到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，輸出指定寬度的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)出口繼電器動(dòng)作。當(dāng)與門的輸出信號(hào)由高變低時(shí)，立即復(fù)位定時(shí)器。

圖7 差動(dòng)保護(hù)模塊

基于FPGA技術(shù)的差動(dòng)保護(hù)模塊，還可應(yīng)用于零序電流保護(hù)、過電壓保護(hù)等保護(hù)原理。差動(dòng)保護(hù)模塊可形成IP核（intellectual property core），在功能界限足夠清晰，產(chǎn)品形成一定規(guī)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(wěn)定的繼電保護(hù)專用集成芯片。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“繼電保護(hù)專用芯片集成差動(dòng)保護(hù)技術(shù)的研究”，作者為趙青春、陸金鳳 等。