許向東

（云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠冶金研究院設(shè)計中心, 昆明 650051）

繼電保護裝置通用化硬件平臺技術(shù)研究

許向東

（云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠冶金研究院設(shè)計中心, 昆明 650051）

本文以硬件平臺的通用化作為繼電保護裝置研究的出發(fā)點，研究硬件平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、核心總線的設(shè)計、標準模塊的開發(fā)等內(nèi)容。在對國內(nèi)外繼電保護裝置分析比較的基礎(chǔ)上，提出了一種模塊化、自定義總線的設(shè)計方法，并對硬件的抗干擾措施進行了闡述，該方法可擴展性強，適用范圍廣，通過原理樣機驗證了該設(shè)計方法的有效性。

繼電保護 硬件平臺 自定義總線

0 引言

通常，電力系統(tǒng)采用斷路器作為主要保護設(shè)備，但由于系統(tǒng)的短路故障形式多樣，單獨的采用斷路器難以更好的實現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性保護、故障恢復(fù)和系統(tǒng)重組。不利于提高艦船的戰(zhàn)斗力和生命力。而采用“斷路器＋繼電保護裝置”是最佳的技術(shù)方案，核心技術(shù)是繼電保護裝置通用化平臺技術(shù)及其電磁兼容性實驗，即限制短路電流的上升，把它抑制在允許范圍內(nèi)，再通過斷路器分斷（也可以自行分斷），以實現(xiàn)系統(tǒng)短路電流的保護[1]。因此，如何實現(xiàn)綜合全電力系統(tǒng)短路電流的保護是一個十分關(guān)鍵的課題，如何設(shè)計通用化的繼電保護裝置也成為一個刻不容緩的問題。

1 通用化平臺的硬件設(shè)計

通用化平臺的硬件設(shè)計首先要注重整體方案的設(shè)計，確定平臺的整體架構(gòu)，注重平臺的先進性和擴展性，之后開展平臺核心CPU板模塊的設(shè)計及總線接口芯片的設(shè)計，完成平臺的IO板模塊及總線板設(shè)計，完成上述內(nèi)容后組成通用化平臺整機（不包含模擬板模塊和故障快速識別板模塊），進行IO板模塊可自由配置試驗，修正前期設(shè)計中功能上的缺陷。

其次研究模擬信號的濾波及調(diào)理電路，研究數(shù)字濾波算法，設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換控制、數(shù)字信號處理及總線接口控制的FPGA/CPLD程序，完成模擬量模塊的設(shè)計。之后與通用硬件平臺整機配套，實現(xiàn)常規(guī)的基于時間和定值原則的保護功能。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和使用需求，通過靜態(tài)循環(huán)測試，調(diào)整硬件濾波電路的參數(shù)，修正軟件濾波算法。

最后研究故障快速識別技術(shù)，重點研究基于電流上升率的故障電流的快速檢測技術(shù)，濾波方法，聯(lián)鎖信號的傳輸，快速出口電路的設(shè)計，數(shù)字信號的處理，總線接口。選擇典型的應(yīng)用環(huán)境，驗證快速識別技術(shù)的有效性，總結(jié)設(shè)計方法和試驗方法。

如何保證硬件設(shè)計的通用化、易擴展和可調(diào)整，采用總線方案是解決這一問題的關(guān)鍵，本研究在通用硬件平臺的設(shè)計中將設(shè)計一套適合中壓斷路器繼電保護裝置的總線結(jié)構(gòu)，并設(shè)計相應(yīng)的接口協(xié)議和規(guī)則，完成一系列相關(guān)模塊。

繼電保護裝置通用化平臺設(shè)計，需遵循模塊化，易擴展，靈活方便的原則。本設(shè)計中擬采用總線的方式，通過無源底板實現(xiàn)模塊的快速擴展，以CPU模塊為核心，對外圍的模塊進行數(shù)據(jù)交換和控制，插件板確定為4U高度，結(jié)構(gòu)采用4U標準機箱結(jié)構(gòu)。

2 平臺的硬件組成

繼電保護裝置通用化硬件平臺按其功能可分為：信號調(diào)理電路、信號處理與控制電路、液晶顯示以及與上位機通信接口電路、合分閘控制與放電保護電路等，下圖為通用化硬件平臺總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 通用化硬件平臺總體結(jié)構(gòu)框圖

圖中的電源模塊和CPU板模塊是必需的，其他模塊都可以根據(jù)具體的信號要求進行選配。人機交互模塊采用高速串行通信電路的形式與CPU模塊進行數(shù)據(jù)交換，完成顯示、參數(shù)整定等功能，既可以提高CPU模塊的運行效率，又可以提高整機的可靠性?？偩€上每個單板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[2]。

2.1 CPU板模塊

其系統(tǒng)的硬件框圖見圖2。CPU板實現(xiàn)的任務(wù)：1）保護CPU的主要任務(wù)包括：a)控制A／D采樣系統(tǒng)及開關(guān)量輸入；b)對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，并對濾波后的數(shù)據(jù)進行各種保護算法操作；c)與控制CPU進行通信，完成處理結(jié)果的傳送。2）控制CPU的主要任務(wù)則為：承擔整個系統(tǒng)的控制、通信、存貯的功能，借助uC-OSII操作系統(tǒng)處理各種復(fù)雜任務(wù)，管理各種外設(shè)，監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀況，為整個微機保護裝置提供高效率的處理平臺.

雙CPU之間的通信是主要解決的問題。在本裝置中利用高性能的雙口RAM來構(gòu)成高速數(shù)據(jù)傳送接口的方案。雙口RAM 是一個共享式多端口存儲器，具有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系統(tǒng)同時對該存儲器進行隨機性的訪問。保護CPU與監(jiān)控CPU雙方之間按照一定的通信協(xié)議，同時通過雙口RAM完成數(shù)據(jù)的讀取或存儲，對數(shù)據(jù)進行分析后完成彼此命令的交互并執(zhí)行相應(yīng)保護處理子程序。保護裝置中的雙口RAM采用美國CYPRESS公司開發(fā)研制的CY7C028來構(gòu)成。CY7C028是5V高速64K×16bits的雙口靜態(tài)RAM，最快存取時間可達15 ns，可與大多數(shù)高速處理器配合使用，在讀存數(shù)據(jù)時不用插入等待狀態(tài)[2]。

圖2 CPU板模塊硬件框圖

2.2 開入板模塊

開入板的功能主要為接收監(jiān)測外部的開關(guān)量信號及其變位情況，通過總線發(fā)給保護CPU及控制CPU，實現(xiàn)相應(yīng)的保護和控制，同時在人機界面上實現(xiàn)顯示、告警、聯(lián)鎖、解鎖、等功能；每個板設(shè)計23路開入量[3]。開入板的結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 開關(guān)量輸入模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.3 開出板模塊

開出板的功能主要為接收來自保護或控制CPU的開關(guān)量信號，驅(qū)動繼電器動作輸出開關(guān)量信息，實現(xiàn)相應(yīng)的顯示、告警、聯(lián)鎖、解鎖、跳閘或合閘等功能，每個板設(shè)計10路開出。

硬件原理框圖如下：

圖4 開關(guān)量輸出模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.4 數(shù)據(jù)采集板模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成對對小信號放大、濾波、零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等操作，相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。本硬件平臺中主要是將分流器采得的與電流大小相對應(yīng)的弱電壓信號經(jīng)過小信號放大、線性隔離、低通濾波后送入高精度A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換處理，并將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號送入CPU進行運算處理，根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制命令等系列操作，這部分的主要功能是對模擬量進行處理，對A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行運算處理、依據(jù)判據(jù)給出相應(yīng)命令，同時對故障快速識別板送來的信號進行響應(yīng)，此部分為測控單元的核心，電路采用的ADC是AD7656，它是一種16位6通道自同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用了iCMOS工業(yè)制造技術(shù)，具有性價比高、精度高、能耗低、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點，尤其適合于電力系統(tǒng)中模擬量的測量。

2.5 故障快速識別板模塊

本繼電保護裝置擁有獨立的模擬輸入，開關(guān)量輸入和輸出接口，內(nèi)部具有A/D或比較電路及FPGA或CPLD，實現(xiàn)故障的快速診斷、識別和出口[3]。對短路電壓與電流信號進行時間頻率域分析計算，確定特征量與參數(shù)。在故障快速識別電路實現(xiàn)上，采用特種電流傳感器與故障模型的研究成果，以FPGA/CPLD為核心，結(jié)合高速A/D、快速比較器等電路實現(xiàn)故障識別。具體方案如下。以FPGA/CPLD結(jié)合高速A/D轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)方法。

方案采用高速A/D轉(zhuǎn)換器對電流等信號進行轉(zhuǎn)換，由FPGA/CPLD實現(xiàn)幅值計算、變化率求取、濾波、判斷等關(guān)鍵算法，并輸出動作信號，結(jié)構(gòu)見圖5。本硬件平臺的關(guān)鍵是FPGA/CPLD的設(shè)計，它既要完成高速A/D轉(zhuǎn)換器的控制，同時也實現(xiàn)算法。它的優(yōu)點是在實現(xiàn)一定程度的復(fù)雜算法的同時，保證了處理的實時性（運算時間為微秒級）；完全的數(shù)字化整定，參數(shù)整定方便，不需要模擬電路的調(diào)整；算法可以靈活調(diào)整；解決了以CPU為核心實現(xiàn)快速故障識別所需要的高速軟件設(shè)計難題。本方案的缺點為FPGA/CPLD設(shè)計比較復(fù)雜，開發(fā)周期長。

3 硬件抗干擾措施

本通用化硬件平臺的工作環(huán)境中存在很強的電磁場干擾，影響控制系統(tǒng)的正常運行，給系統(tǒng)帶來誤差，甚至會損壞系統(tǒng)。因此必須采取相應(yīng)的措施。設(shè)計中主要采用了如下一些硬件抗干擾措施。

3.1 印刷電路板抗干擾措施

在結(jié)構(gòu)布局上，數(shù)字電路、模擬電路、大電流器件和噪聲源器件(如繼電器)等分開放置。對于頻率很高的CPU時鐘電路，盡量靠近管腳放置，使時鐘線盡量短，同時采用地線將整個電路圈起來。另外，在布線層也采用了地線大面積敷銅，在每兩根印制線之間盡可能地加入一條地線進行靜電屏蔽；同時使印制線之間的距離盡可能地大；使頂層和底層的布線相互垂直，從而最大限度地減小印制線之間的耦合干擾，盡量加粗各種印制線，減小印制線本身的阻抗；布線時，電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)線傳遞的方向一致，增強系統(tǒng)抗噪聲的能力：盡量避免長距離的平行走線，以防止它們之間的相互串擾；拐角處應(yīng)為斜線，避免直角；A／D轉(zhuǎn)換器下面避免走數(shù)據(jù)線等等。

3.2 隔離抗干擾措施

在本硬件平臺中，輸入模擬信號由分流器采得經(jīng)過OPA2227運算放大后送入A/D, OPA2227可以將控制單元與直流強電系統(tǒng)完全隔離，有效抑制了強干擾對電路的影響，提高了系統(tǒng)運行的安全性。信號輸出采用光耦TLP181進行隔離，命令信號由CPU給出后控制光耦驅(qū)動電流的通斷，從而實現(xiàn)對放電回路中可控硅的控制?？刂茊卧c放電回路只有信號聯(lián)系，沒有電氣的直接接觸，從而保證了放電回路產(chǎn)生的強電流不會對系統(tǒng)造成太大影響。此外，與上位機接口電路采用高速光電耦合器將其與上位機隔離開來，避免二者之間互相影響。另外，還采取了接地、硬件看門狗、濾波抗干擾等措施。

圖5 故障快速識別實現(xiàn)方案

4 結(jié)束語

本文能比較客觀實際的反映繼電保護裝置硬件平臺的通用化設(shè)計技術(shù)及其抗干擾措施的研究，完成了模塊化總線方式的通用化平臺的軟硬件設(shè)計，同時完成了故障快速識別電路。該方法擴展性強，適用范圍廣，通過原理樣機驗證了總線方式和硬件平臺的通用性。

[1] 王維儉．電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用．北京：中國電力出版社，1996.

[2] 趙峰．高性能雙端口RAM及其應(yīng)用[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，1997，(7).

[3] 羅承廉．繼電保護及自動化新原理、新技術(shù)研究及用用[M]．武漢：華中科技大學出版社，2005.

Research on Universal Hardware Platform Technology of Protective Relay Device

Xu Xiangdong
(Yunnan Copper Company Metallurgy Research Institute Design Center, Kunming 650051, China)

In this paper, the universal hardware platform is taken as the starting point for the research on the relay protective devices, including the research on hardware platform architecture, the design of core bus, the development of the standard module. On the basis of analyzing the protective devices home and abroad, the paper proposes a modular and custom bus design method with characteristics of easier extension and more wider use, and validate the effectiveness of the design method through the designed protective device.

relay protection; hardware platform; user-defined bus

TM561

A

1003-4862（2013）05-0001-03

2012-11-08

許向東(1966-)，男，高級工程師。研究方向：電氣自動化及電氣設(shè)計。