继电保护专用芯片的集成差动保护技术:开发难度低,可靠性高

针对目前国内继电保护装置核心芯片普遍依赖国外进口的问题,国网公司提出了继电保护专用芯片的概念。南京南瑞继保电气有限公司、国网福建省电力有限公司电力科学研究院的研究人员赵青春、陆金凤、李智诚、唐志军、林国栋,在2020年第10期《电气技术》杂志上撰文,研究了一种继电保护专用芯片集成差动保护技术。
基于现场可编程门阵列的硬件平台涵盖了全部的差动保护环节:本侧电流数字采样、电流快速傅氏计算、对侧电流同步接口、差动保护逻辑。继电保护专用芯片只要配以相应的外围器件,就可以实现差动保护功能,无需依赖应用软件平台,降低继电保护应用程序开发难度,可靠性高、维护方便。
继电保护装置是电网稳定运行的安全卫士。随着现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)技术的发展以及智能电网建设的快速推进,采用专用芯片来研发生产新型的继电保护装置,既是技术发展的必然,也是现实的需求。
继电保护专用芯片以应用需求为导向,裁剪大量通用芯片中继电保护不需要的功能,并将采样、保护、通信等功能集合于一体,降低继电保护应用程序开发难度。另外,研究继电保护专用芯片,可打破国外垄断,对实现国家继电保护装置的完全自主可控具有重要意义。
作者提出一种继电保护专用芯片集成差动保护功能的技术。这种继电保护专用芯片只要配以相应的外围器件,就可以实现整个差动保护流程。基于专用芯片的微机差动保护装置不但可靠性高、维护方便,而且具有自主知识产权。
整体框架
继电保护装置实现差动保护的常规方法是:在通用硬件平台实现本侧电流模数(analog-digital, AD)采样和对侧电流接收;在应用软件平台实现本侧电流快速傅里叶变换(fast Fourier transformation, FFT)计算、对侧电流同步和差动保护算法;应用软件平台的差动保护动作结果再反馈给硬件平台,最终实现差动保护的出口。
如图1所示,作者提出的一种继电保护专用芯片集成差动保护功能的技术,在硬件平台实现全部的差动保护功能,无需依赖应用软件平台。基于FPGA的硬件平台涵盖的差动保护环节包括本侧电流AD采样模块、本侧电流FFT计算模块、对侧电流同步接口模块、差动保护逻辑模块。
图1  专用芯片集成差动保护功能的整体框架
差动电流采集模块
继电保护专用芯片集成差动保护功能的技术中,在进入差动保护逻辑模块之前,首先需要进行差动电流的采集,包括本侧电流AD采样、本侧电流FFT计算和对侧电流同步。
1)本侧电流AD采样模块
如图2所示,作者借助一片FPGA来实现16路外部模拟信号的同步采集和存储。
图2  AD采样模块
AD采集电路由2片数据选择器和1片AD转换器组成。每片数据选择器各接8个通道。控制模块、数字倍频器、随机存储器(random access memory, RAM)在FPGA中实现。控制模块可以控制需要AD转换的通道,实现转换通道数从1到16的任意设置。RAM存放每个通道2个周期的采样数据。
2)本侧电流FFT模块
FFT计算在继电保护装置中通常通过应用软件编程实现,灵活性较大,但数字信号处理器(digital signal processor, DSP)的处理速度略显不足,再加上受程序指令执行顺序的限制,基于DSP的FFT计算难以实现大规模快速运算。
FPGA芯片具备在线可编程能力,因此充分利用FPGA芯片设计的灵活性,基于FPGA芯片实现FFT计算,提高FFT计算的速度和实时性。
FFT流水线结构可以进行连续的数据处理。在处理当前数据窗的N点数据时,可加载下一数据窗的N点数据,同时输出前一数据窗的N点数据。如图3所示,FFT流水线结构由多个基2/4/8的蝶形处理单元串联构成,每个蝶形单元都配置存储单元来存储输入输出和中间处理的数据。
图3  FFT计算模块
基2蝶形单元如图4所示。
图4  第i级基2蝶形单元
3)对侧同步接口模块
两侧电流可靠、准确地同步是差动保护正确动作的关键。利用FPGA实现两侧电流的传输和同步逻辑。考虑到保护装置的冗余性,这里设计双光纤通道,如图5所示。在实际条件只能使用单光纤通道的场合,可以通过调整保护定值来控制通道的使能信号EN。
图5  对侧同步接口模块
FPGA_A通道和FPGA_B通道的工作逻辑如图6所示。一方面,FPGA接收串行通信控制器送过来的保护数据,在并串转换模块前在保护数据后面加上附加数据,且插入一些比特使数据符合编码规则,数据经编码模块形成码流,发送给光收发模块,经光纤发送到对侧保护装置。
图6  FPGA光纤通道工作逻辑图
另一方面,FPGA接收光收发模块送过来的对侧码流。码流一路经解码模块和串并转换模块分解成保护数据和附加数据,发送给串行通信控制器,从而使保护装置获取对侧电流数据。码流另一路发送给数字锁相环模块,提取出系统的接收时钟,从而使保护装置获取对侧电流时标,实现两侧电流数据的同步。
FPGA接收和发送数据采用各自的时钟,分别为接收时钟和发送时钟。接收时钟固定选择接收码流中的提取时钟;发送时钟可选择内部晶振时钟,也可选择接收码流中的提取时钟。
差动保护逻辑模块
差动保护是继电保护中应用较为广泛的保护算法,线路保护、变压器保护、母线保护中都用到了电流差动保护。差动保护模块在这些具体的应用中,除了定值不同,结构几乎相同。差动保护是比幅式保护,可以由比较器和定时器实现。
如图7所示,根据差动保护的动作方程设计差动保护模块。两个动作方程分别用两个比较器实现,两个比较器的输出结果经过与门后控制定时器。当与门的输出信号由低变高时,起动定时器,定时器到达设定时间后,输出指定宽度的触发脉冲,驱动出口继电器动作。当与门的输出信号由高变低时,立即复位定时器。
图7  差动保护模块
基于FPGA技术的差动保护模块,还可应用于零序电流保护、过电压保护等保护原理。差动保护模块可形成IP核(intellectual property core),在功能界限足够清晰,产品形成一定规模后,可以将IP核移植到专用集成电路(application specific integr- ated circuit, ASIC)芯片中,形成更可靠稳定的继电保护专用集成芯片。

本文编自《电气技术》,标题为“继电保护专用芯片集成差动保护技术的研究”,作者为赵青春、陆金凤 等。

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