劉曉露，黃蘇芳

（杭州萬高科技股份有限公司，浙江 杭州 310053）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)變電站正逐步向智能變電站發(fā)展[1]。智能變電站采用先進、可靠、集成、低碳和環(huán)保的智能設備，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量、監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能。

目前智能變電站繼電保護主控芯片幾乎被國外芯片廠商壟斷，進口芯片數(shù)量占比高達95%，存在巨大安全隱患。國產(chǎn)芯片在此領域只有少部分產(chǎn)品，且設計精度低、響應速度慢，不能滿足大部分應用場景。為改變繼電保護依賴國外芯片的現(xiàn)狀，降低對國外芯片的依賴性，自主研發(fā)此類芯片既有一定的經(jīng)濟效益，又可以提高設備芯片的國產(chǎn)化率。

本文設計了一種基于DSP（Digital Signal Processing，簡稱DSP）的高精度繼電保護主控芯片。該芯片是集計量、故障判斷、通信功能于一體的SoC芯片，用來實時監(jiān)視保護對象的電流、電壓、頻率等參數(shù)[2-3]，一旦設備出現(xiàn)短路、斷路、接地等故障，可根據(jù)預定的保護算法自動給出保護觸發(fā)信號，并記錄分析故障波形[4-5]。其計量功能計算電流、電壓的有效值及功率、功率因數(shù)等并進行顯示。該芯片可用于測量和計量電信號。通過內(nèi)置高精度模數(shù)轉換模塊（ADC）采集數(shù)據(jù)，專用DSP處理數(shù)據(jù)，對計量數(shù)據(jù)包括有功/能、無功/能、電壓的均方根值（RMS）以及電流進行處理[6]。同時，芯片支持過零檢測、過壓過流、欠壓欠流和精確的相位測量，并對故障波形做諧波分析[7]。

1 設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括模數(shù)轉換模塊（ADC）、時鐘控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、信號監(jiān)測和波形上傳模塊，以及通信接口（UART、SPI和通用GPIO）等。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1.1 模數(shù)轉換模塊（ADC）

該模塊提供8路高精度模數(shù)轉換器，分別可以采樣三相電壓、電流信號以及零序電壓和零序電流。由于采樣信號可能非常小，在ADC之前增加了超低噪聲可編程增益放大器，以提高ADC采樣精度。ADC采用單比特的Sigma-delta調(diào)制器。Sigma-delta調(diào)制器在高精度窄帶中得到了廣泛的應用。在能量測量中，測量信號的帶寬從基頻跨越到64次諧波，ADC的采樣速率為819.2 kHz。

1.2 系統(tǒng)控制模塊（MCU）

MCU采用ARM cortex M33內(nèi)核，增加了浮點、DSP、并行計算等。嵌套矢量中斷控制器具有低延遲、低抖動特點，能快速處理故障中斷。該處理器還擴展定義了電能計量裝置的專用指令用來實現(xiàn)電能計量的能量累加功能，精簡指令處理時間，縮短故障判定時間。同時內(nèi)核支持硬件加密技術，可防止針對目標設備的軟件攻擊，提高設備運行的安全性。

該模塊可利用繼電保護在系統(tǒng)擾動或故障后生成的錄波文件，對擾動過程進行分析，從而檢驗保護設備二次電流、電壓等模擬量采樣回路及開入開出跳閘回路的完好性，形成繼電保護異常狀態(tài)的智能識別。MCU也可以根據(jù)需要直接通過DMA上傳故障波形。

1.3 數(shù)字信號處理模塊（DSP）

DSP模塊是數(shù)字設計的核心。在該專用芯片中，DSP用來對ADC轉換得到的數(shù)據(jù)進行計算。DSP模塊分為測量算法、事件監(jiān)測和硬件電路三部分。測量算法以硬件形式存儲。

1.3.1 計量算法

如圖2所示，ADC輸出的電壓、電流數(shù)據(jù)為單比特流，需要一個低通濾波器來濾除ADC引入的高頻噪聲。在低通濾波器中，采用級聯(lián)積分梳狀濾波器（Cascade Integrator Comb，簡稱CIC），它可以根據(jù)不同情況下采樣率產(chǎn)生不同字寬的數(shù)據(jù)。由于CIC濾波器的降采樣處理，數(shù)據(jù)可以以較低的速度運行，降低了功耗。經(jīng)過CIC濾波器后，采樣頻率為6.4 kHz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，該系統(tǒng)可以支持到第64次諧波數(shù)據(jù)測量。

圖2 計量算法

設電壓信號和電流信號分別為：

式中：U和I分別為電壓幅值和電流幅值；ω為角頻率；t為時間值；φu為電壓的相位；φi為電流的相位。本算法中有功功率為：

由于余弦信號的周期性，第二項與第一項相比可以忽略，所以有功功率是

如圖3所示，該數(shù)據(jù)經(jīng)過比差（SP）校正，再經(jīng)過二次補償（offset校正）后得到校正后的有功功率：

圖3 有功功率計算

無功功率計算采用錳銅電阻分流網(wǎng)絡或CT輸入電流時，輸入的電流信號需要經(jīng)過一個Hilbert濾波器，圖4為Hilbert濾波器的相頻響應。在40～960 Hz范圍內(nèi)，電壓與電流相位差為π/2。因此，保證了無功功率計算的穩(wěn)定性。該濾波器所帶來額外的1.568倍增益可由比差校正消除。

圖4 Hilbert濾波器的相頻響應

經(jīng)低通濾波器處理后的無功功率數(shù)據(jù)Q(t)，經(jīng)過二次補償（offset校正）和比差（SQ）校正后，得到校正后的無功功率Q′（t），如圖5所示。

圖5 無功功率計算

1.3.2 事件監(jiān)測

設計支持對8路ADC進行波形監(jiān)測，每一路都具有兩個上下限閾值。當半周波采樣超過上限閾值的點數(shù)超過設定值時，判定該半周波波形超限；當連續(xù)超限半周波數(shù)量達到設定值時，則判定過壓（過流）事件發(fā)生，同理可斷定欠壓（欠流）事件的發(fā)生，如圖6所示。一個周波最大采樣1 024點，最快事件監(jiān)測響應時間為20 ms/1 024，即19.53 μs。

圖6 事件監(jiān)測判定

1.3.3 DSP硬件電路設計

DSP硬件電路使用了Harvard架構，分別存儲程序和數(shù)據(jù)，如圖7所示。其中SAMPLE模塊用于實現(xiàn)CIC濾波器。PROG模塊以硬件形式存儲計量算法。DECODE模塊用于解碼來自PROG模塊的指令。在ALU模塊中實現(xiàn)加、減、乘、開、移運算。REG模塊被設計為操作寄存器。CTRL模塊控制發(fā)送給PROG模塊的程序計數(shù)。RAM模塊是操作結果的存儲器，MMU模塊是控制寄存器的存儲器。

圖7 DSP硬件架構

由于片外信號采集裝置可能會在電流通道和電壓通道之間引入角度誤差，因此有必要進行角度校正，并在采樣模塊中實現(xiàn)。將數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬處理后發(fā)送到DSP。通過CTRL模塊的地址控制，每條指令被輸出到解碼模塊。解碼模塊根據(jù)對應的指令向ALU模塊和REG模塊發(fā)送不同的控制信號。在任何時候，通信模塊都可以讀寫MMU或RAM數(shù)據(jù)。

2 內(nèi)部時鐘精度保證

2.1 諧波測量

諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，會危害系統(tǒng)中的一次和二次設備，干擾設備的正常工作。通過諧波檢測和分析，建立電網(wǎng)諧波檢測系統(tǒng)，加強監(jiān)視并統(tǒng)計系統(tǒng)中的諧波水平和潮流分布。

利用快速傅里葉變換（FFT）計算信號的頻譜，并用與信號真實頻譜的抽樣比較的方法（簡稱T2F法）生成頻譜信息，可計算總諧波有功功率、無功功率、畸變率及分次諧波的有功功率、無功功率、有效值、諧波含有量等。這里只計算基波能量與2～64次諧波能量。

式中：ak、bk分別是電壓信號的實部和虛部，ck、dk分別是電流信號的實部和虛部。

2.2 精確的相位測量

該芯片可用于多相分解，實現(xiàn)精確的電壓相位測量。通過ADC采樣，電壓信號由帶通濾波器進行處理，然后用插值算法計算相位。

帶通濾波器為二階橢圓濾波器，其傳遞函數(shù)為：

式中：a和b是濾波器的系數(shù)。

帶通濾波器的中心頻率可由系數(shù)設定，以保證中心頻率與芯片內(nèi)部一致性（RC時鐘偏差可在通信模塊中計算）。本設計采用插值算法，對采樣數(shù)據(jù)的符號位進行檢測。當負采樣點變?yōu)檎蓸狱c時，DSP將記錄兩個采樣點的數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 相位測量的插值算法

根據(jù)三角定理：

式中：ya為過零點前記錄的數(shù)據(jù)；yb為過零點后記錄的數(shù)據(jù)；Tp為兩個連續(xù)采樣點之間的時間；Ts是額外的時間。

同時，DSP將記錄從相位檢測開始到符號位變化結束的時間值（Tphase）。最后，檢測到的相位為（Tphase-Ts），精度可達（3e-7）°。

3 測試結果

芯片設計采用0.13 μm CMOS工藝，其信息匯總在表1中。

表1 芯片信息

通過與測試平臺的實測值進行比較，有功功率和無功功率在10 000∶1的動態(tài)范圍內(nèi)的計量誤差如表2所示。電壓與電流相位差的余弦值稱為功率因數(shù)。其中，L表示電流相位滯后于電壓相位，C表示電流相位超前于電壓相位。在不同的負載條件下測試芯片，功率因數(shù)選擇1.0、0.5 L和0.8C。在10 000∶1的動態(tài)范圍內(nèi)，測試結果都優(yōu)于0.1%。

表2 動態(tài)范圍內(nèi)計量誤差

此外，在不同的溫度條件（23℃、-40℃和85℃）下，對計量誤差進行了測試。在溫度測試中，第一種情況是功率因數(shù)為1.0，電流為最大輸入值。第二種情況是功率因數(shù)為0.5L，電流為最大輸入值。第三種情況是功率因數(shù)為1.0，電流為5%額定值。測量誤差的判據(jù)是溫度從23℃變化到-40℃或者85℃的測量誤差應該小于0.5%。不同溫度的計量誤差如表3所示，測試結果滿足要求。

表3 不同溫度的計量誤差

4 結語

本文設計的應用于繼電保護領域的高精度低功耗主控芯片，在10 000∶1的動態(tài)范圍內(nèi)有功功率、無功功率計量精度均優(yōu)于0.1%，相位測量誤差小于0.5°。SoC一體化高集成度的總體設計方案，專用保護算法的實現(xiàn)，有利于一、二次設備的融合。

基于該設計的繼電保護主控芯片已成功流片，應用于10 kV變電站并完成了功能和性能試驗驗證，可實現(xiàn)電力設備狀態(tài)監(jiān)測，提高電力系統(tǒng)智能化水平及安全等級，緩解運維檢修工作壓力。該芯片可在高壓繼電保護裝置的開發(fā)工作中進一步推廣。