彭龍生

（南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，廣東廣州 510000）

暫態(tài)保護AD模塊開發(fā)

彭龍生

（南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，廣東廣州 510000）

提出了基于復雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）的暫態(tài)保護AD(Analog-to-Digital)模塊。該模塊無需主控制器的干涉，采集時間幾乎只取決于AD轉換器的時間，具有采樣速度快、智能化、可靠性高、價格符合工程實際等一系列優(yōu)點，同時保持與保護主控制器有良好的接口，可方便地嵌入到微機保護裝置中，具有較強的工程實際應用價值。關鍵詞：暫態(tài)保護；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉換；復雜可編程邏輯器件（CPLD）

0 引言

目前的微機保護裝置基本上是基于工頻量的，基于工頻量的微機保護裝置具有可靠性高等一系列優(yōu)點，但同時由于其基本原理是基于工頻量的，雖然也提出了一系列加快保護動作的措施，基于工頻量的微機裝置的保護速度始終受到限制[1-2]。國外也研發(fā)了基于行波的保護裝置，保護動作速度雖然可以很快，但可靠性無法保證。隨著對電力系統(tǒng)認識的加深，數(shù)學水平和信號處理技術的提高，微電子的飛速發(fā)展，暫態(tài)保護越來越受到人們的關注。由于利用的是故障高頻分量信息，暫態(tài)保護具有動作速度快的突出優(yōu)點，和基于工頻電氣量的保護相比，保護動作時間一般在幾毫秒，是很值得進一步研究的方案[3-4]。本文構造了功能強大、符合實際工程需要的暫態(tài)保護AD模塊。

1 系統(tǒng)設計思路

傳統(tǒng)的微機保護采集系統(tǒng)是由主控制器直接控制，采集系統(tǒng)軟件上一般是作為主控制器的一個中斷子程序，主控制器在通常時間處理其他程序，當采集中斷出現(xiàn)后，主控制器便轉入采集中斷子程序進行相應處理。這種由主控制器直接控制的采集系統(tǒng)具有硬件簡單等優(yōu)點，但是當采樣頻率要求很高的時候，如果仍然采用這種方法，很可能出現(xiàn)采樣子程序頻頻中斷以致主控制器根本沒空隙處理其他程序甚至出現(xiàn)主控制器運行崩潰的情況。半導體技術的飛速發(fā)展為電路控制提供了許多選擇，可編程器件PLD(programmable log?ic device)由于具有可以軟件靈活修改、硬件并行執(zhí)行、可靠性高、保密性好等一系列優(yōu)點完全可以作為采集系統(tǒng)的控制器。由于采集系統(tǒng)所需的控制電路相對簡單，不需要大規(guī)模的數(shù)學運算和復雜的邏輯判斷，采用其中一種可編程器件CPLD構造暫態(tài)保護AD模塊?；贑PLD的AD模塊可以根據(jù)實際工程的需要靈活地進行軟件上的編程，實現(xiàn)電路系統(tǒng)功能的修改和擴充而無需修改硬件電路，大大方便了電路設計[5-6]。因為CPLD本質上是硬件，各項功能可以完全并行實現(xiàn)，相對于以串行指令運行微處理器，具有更高的可靠性和快速性。所以本文設計的暫態(tài)保護AD模塊采用CPLD為控制器。忽略CPLD內部門和連線的延遲（一般都很短，幾個到十幾個納秒），該模組的采樣頻率完全由AD轉換器自身的工作頻率決定,可以實現(xiàn)很高的采樣速率。

2 具體電路設計與實現(xiàn)

2.1 總體設計

所研究的暫態(tài)保護智能AD模組在設計上充分考慮了模組的通用性與靈活性，采用“軟（件）硬（件）協(xié)同”的開發(fā)策略，構造了以CPLD為核心控制元件，輔以多路轉換開關（可選）、運放、高性能AD等器件而成的模塊?？紤]到暫態(tài)保護對需要大量的實時數(shù)據(jù)和主控制器對數(shù)據(jù)處理的實際能力，采集模組采用了自適應采樣速率，在監(jiān)控狀態(tài)下采用較低的采樣速率，當判別所采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變后，啟動快速AD轉換，采用高速率采樣。快速AD轉換啟動主要在CPLD內部通過比較器實現(xiàn)，同時考慮到快速AD轉換啟動的可靠性，還附加了硬件快速AD啟動電路，可以作為輔助判據(jù)。圖1為該模組功能圖，其中虛線包圍部分為CPLD所實現(xiàn)的控制功能，主要包括了FIFO控制器、AD和模擬量前置處理控制、快速AD啟動控制器、GPS對時及分頻器等三個模塊功能。

圖1 暫態(tài)保護AD模組功能圖

2.2 FIFO控制器

由于CPLD的內部結構形式和資源限制，CPLD目前還不適宜做大容量的存儲器，而該采集模組需要保存大量的數(shù)據(jù)，因此需要另外選擇存儲器；考慮到所采集的數(shù)據(jù)是一串有時間順序的數(shù)據(jù)流，而FIFO器件只有片選、讀/寫控制、輸出（入）使能等幾條控制線，相對于其他存儲器件控制簡單，PCB布線更加簡潔。因此，選擇FIFO作為該模組的存儲器。FIFO控制器所實現(xiàn)的主要功能是當模數(shù)轉換結束以后，F(xiàn)IFO控制器與AD控制器配合，將模數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)送入FIFO以便主控制器讀取。

2.3 AD和模擬量前置處理控制器

AD和模擬量前置處理控制器的設計相對簡單，主要是根據(jù)邏輯順序用邏輯狀態(tài)機完成模擬量從CT、PT輸出到轉換成數(shù)字量的控制，主要包括復位AD、啟動AD轉換、判斷AD轉換是否完成以及讀取AD轉換數(shù)據(jù)等。同時，該控制器配有快速AD轉換計時器，用于控制快速AD轉換的持續(xù)時間。當計時器的設定時間到時，計時器清零同時轉入慢速AD轉換。

2.4 快速AD啟動控制器

當AD轉換結束將數(shù)據(jù)傳送到FIFO時，快速AD啟動控制器配合動作，同時也將數(shù)據(jù)送到比較器跟事先設定的閥值做比較?？紤]AD轉換誤差的客觀存在以及快速轉換啟動精度要求不是十分嚴格，可以選擇AD轉換后數(shù)據(jù)其中適當?shù)奈粩?shù)而無需全部的位數(shù)送入CPLD跟閥值進行比較，這樣將極大減少CPLD的資源要求，具體位數(shù)的選定跟AD轉換后的數(shù)據(jù)格式有關。如果比較的數(shù)據(jù)大于閥值，計數(shù)器便開始計數(shù)，當計數(shù)器超過設定的閥值時間時，便輸出啟動信號到邏輯判斷器，邏輯判斷器同時根據(jù)該輸出信號和硬件觸發(fā)電路的判斷邏輯決定是否需要快速AD啟動?？焖貯D采集啟動的同時，也啟動快速AD采集計時器，當計時器增加到設定的時間時，便結束快速AD采集，自動轉入慢速AD采集。在本設計中，為了節(jié)省CPLD資源，采用了移位方式來構成計數(shù)器。

2.5 GPS對時及分頻器

數(shù)據(jù)采集需要精確的時間間隔和同步控制，僅依靠晶振給CPLD提供時間基準是不夠的，時間一長會導致時間累積誤差。因此，本設計中，除了高精度恒溫晶振提供CPLD的全局時鐘外,還有GPS秒脈沖信號接口。晶振提供的全局時鐘驅動CPLD的計數(shù)器直到秒級，并由GPS部件發(fā)出秒脈沖信號清零校準。必要時，計數(shù)器里累加值添加區(qū)別于AD轉換值的標志位后插入FIFO中作為主控制器提供微秒時標。由于該采集模組需要快、慢兩種采樣速率，所以計數(shù)器分頻輸出兩種采樣脈沖,由快速AD啟動控制器判斷選擇其中一種合適的采樣脈沖控制AD轉換器。分頻器由比較器構成，根據(jù)所需分頻的倍數(shù)，選擇合適的位數(shù)與計數(shù)器的累加值做比較即可。

3 關鍵問題討論

3.1 快速AD轉換啟動

快速AD轉換的啟動可以采用兩種方式：軟觸發(fā)和硬觸發(fā)。軟觸發(fā)具體指的是CPLD不斷根據(jù)AD轉換后的數(shù)據(jù)進行判斷，當AD轉換后的數(shù)據(jù)連續(xù)超過了閥值，便啟動快速AD轉換；硬觸發(fā)則需要外部電路輔助完成，主要由比較器構成。硬觸發(fā)需要外部硬件電路，使電路復雜和PCB面積增大。在保證軟觸發(fā)可靠動作的情況下，硬觸發(fā)作為輔助判據(jù)，可以根據(jù)需要靈活決定是否需要硬觸發(fā)功能。在模組具有軟觸發(fā)和硬觸發(fā)兩種觸發(fā)功能的情況下，根據(jù)靈敏性和可靠性的具體要求，靈活地將快速AD轉換的啟動設為軟觸發(fā)和硬觸發(fā)的“與”或“或”輸出，這只需在CPLD編程時軟件實現(xiàn)。

由于采用了兩種采樣速率，必須區(qū)分兩種不同采樣速率下的數(shù)據(jù)，對其加上“標簽”，以方便主控制器對從FIFO讀出的數(shù)據(jù)流做可靠處理。本設計中，CPLD判斷出AD的采樣速率，然后在AD轉換結束數(shù)據(jù)送入FIFO時，根據(jù)不同的采樣速率自動添加一個采樣速率標志位，從數(shù)據(jù)流看，每一個FIFO數(shù)據(jù)比AD轉換后的數(shù)據(jù)多了一個采樣速率判斷標志位。這樣主機不但可以根據(jù)采樣速率標志位知道對應數(shù)據(jù)的采樣速率并進行相應的處理，而且可以了解數(shù)據(jù)流的變化信息，因為標志位的變化也說明了數(shù)據(jù)流的突變信息，方便了故障啟動判斷。

3.2 采樣速率選擇

采樣速率的選擇是需要綜合評估的，需跟實際工程要求和電路設計能力相結合，不完全是采樣速率越快越好。否則不僅對采集模組的存儲要求很高，很可能出現(xiàn)的情況是：一直采用非常高的采樣率頻采，導致采集模組中存儲大量數(shù)據(jù)而主控制器不能及時處理而引發(fā)數(shù)據(jù)流崩潰。因此，本模組采用兩種采樣速率，在一般情況下用較低的采樣速率，該采樣頻率具體由主控制器的處理、通訊能力和本模組的存儲能力決定。同時，當出現(xiàn)異常情況時，啟動快速AD轉換，保證暫態(tài)保護所需數(shù)據(jù)能夠準確、及時采集，以便主控制器做進一步處理。

當然由于電網(wǎng)的污染，各種干擾隨時都可能出現(xiàn)，有必要采取一定的措施避免干擾導致快速AD轉換的頻繁啟動。

4 結論

隨著電力系統(tǒng)向著大聯(lián)網(wǎng)以及更高電壓等級的趨勢發(fā)展，對繼電保護提出了更高的要求，需要探索新的保護來補充目前以工頻量為主的繼電保護方式，暫態(tài)保護是最有可能和最有前途的保護方式。實現(xiàn)暫態(tài)保護的一個關鍵就是能否根據(jù)暫態(tài)保護的要求實現(xiàn)快速、準確的數(shù)據(jù)采集。本文提出并構造了基于CPLD的暫態(tài)保護AD模塊。該模組最大的采樣頻率幾乎等于AD轉換器自身的頻率，可以靈活地根據(jù)實際工程的需要進行軟件上的編程，很容易進行修改以滿足功能擴充等需求，具有可靠性高、保密性好、價格符合工程實際等一系列優(yōu)點，有較好的工程應用價值。

［1］薄志謙.新一代電力系統(tǒng)繼電保護──暫態(tài)保護［J］.電網(wǎng)技術，1996（03）：34-36，40.

［2］葛耀中.高壓輸電線路高頻保護［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［3］董新洲，葛耀中.新型輸電線路故障測距裝置的研制［J］.電網(wǎng)技術，1998，22（1）：17-21.

［4］曾祥君，尹項根.電力系統(tǒng)暫態(tài)過程同步記錄的研究［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2001，13（1）：1-4.

［5］牟曉勇，黃益莊，李志康.嵌入式雙速暫態(tài)信號同步錄波裝置［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2003，27（20）：92-94.

［6］林濤，丁杏明，尹項根，等.微機保護用高速數(shù)據(jù)采集模塊的研究［J］.繼電器，1999（01）：29-31.

Development of Transient Protection AD Module

PENG Long-sheng
（China Southern Power Grid Comprehensive Energy Co.，Ltd.，Guangzhou510640，China）

It’s proposed transient protection AD modules based on CPLD.This module is without interfering with the main controller，the acquisition time depends almost exclusively on time AD converter with sampling speed，which is with high intelligence，reliability，price in line with engineering a series of advantages，while maintaining and protecting the main control module has a good interface，which can be easily embedded into microprocessor-based protection device，with a strong practical value engineering.

transient protection；data collection;analog to digital conversion；complex programmable logic device(CPLD)

TM77

：A

：1009－9492(2014)12－0111－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.026

彭龍生，男，1988年生，廣東廣州人，大學本科，助理工程師。研究領域：電力系統(tǒng)自動化和可靠運行。

(編輯：向 飛)

2014－06－10