CN105720684B - 一种基于fpga的微机保护方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于FPGA的微机保护方法及其系统，所述方法包括(1)数据采集将多路输入的电流、电压模拟量转换为模拟信号；(2)将模拟信号转换为数字信号；(3)进行傅氏算法和硬件保护算法；(4)将故障信息和控制信息与MCU通信，完成硬件保护动作。所述系统包括数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理、看门狗电路、静态随机存储器、快闪存储器和对外接口；所述数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理和对外接口连接；所述存储器管理外接实时时钟、看门狗电路、静态随机存储器和快闪存储器。本发明利用FPGA的硬件并行执行程序提高硬件保护逻辑的处理速度，保证系统的安全性和可靠性。

Description

一种基于FPGA的微机保护方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种微机保护系统，具体讲涉及一种基于FPGA的微机保护方法及其系统。

背景技术

继电保护装置在现有电力系统中应用广泛，目前微机保护系统硬件架构中主要采用DSP+CPLD架构，该系统架构存在主频高、抗干扰能力弱、响应时间较长、面积大等不足。

在传统的继电保护系统设计中，也会采用DSP+MCU的架构，它具有一定的灵活性和可操作性，但随着智能电网的不断发展，新一代智能变电站要求变电站小型化、集成化、模块化、智慧化，对继电保护装置在保护动作速度和集成化上提出了更高的要求，通过继电保护中保护算法的硬件集成方案，提出了多原理继电保护系统芯片的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)方案设计，其中采用FPGA+MCU架构，利用FPGA的硬件并行执行程序来提高硬件保护逻辑的处理速度，保证系统的安全性和可靠性；系统芯片的设计压缩了装置的体积，有利于智能电网二次装置的就地化与小型化，为智能电网提供了“核心”支持。同时，新一代智能变电站对于通信的速度和质量有了更高的要求，例如IEC 61850等协议的解析占用大量的MCU资源，而单独依靠提升MCU性能会造成MCU主频过高，使得MCU对噪声的抗干扰能力下降，而且设备发热过大，会使得二次设备就地化难度加大。该系统芯片设计具有可重构性，将继电保护算法独立，可以在不提升MCU主频的前提下，高速响应保护要求。在继电保护的诸多场合，只需要通过改变硬件保护模块，可以使其应用于线路保护、母线保护和变压器保护等领域。但目前却没有一套结合FPGA和MCU的保护方法和系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的微机保护方法及其系统，在基于FPGA和MCU的硬件架构基础上，系统采用数据采集、硬件保护算法、实时时钟与存储器管理、中断管理与对外接口等模块进行分析与设计。本发明提高了继电保护系统的保护动作速度，增强了抗干扰能力，降低了功耗，并在架构上具有通用性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于FPGA的微机保护方法，其改进之处在于，所述方法包括

(1)数据采集将多路输入的电流、电压模拟量转换为模拟信号；

(2)将模拟信号转换为数字信号；

(3)进行傅氏算法和硬件保护算法；

(4)将故障信息和控制信息与MCU通信，完成硬件保护动作。

优选的，所述步骤(1)包括由电流、电压互感器产生的多路电压、电流模拟量输入到前端调理电路中，由频率前端处理和数字频率修正模块修正频率的畸变，并将其输入的模拟量转换为适合AD输入的模拟信号。

优选的，所述步骤(2)包括经多路选择开关选择需要AD转换和输出的信号，通过AD转换为所需的数字信号。

优选的，所述步骤(3)包括缓冲区的数据输入到FFT或小波变换中通过运算产生电压、电流、功率和相位等中间值，将中间值映射到寄存器实时数据分析，将中间值输入到硬件保护算法中。

优选的，所述硬件保护算法包括复压过流保护、反时限过流保护、差动保护和距离算法。

优选的，所述硬件保护算法根据逻辑动作方程编写相关逻辑代码，并在FPGA上仿真验证。

优选的，所述步骤(4)包括中断管理收集到故障信息后，根据故障的不同向外界提供相应的中断申请和保护动作。

进一步地，根据不同保护模块算法，将设定的定值及实测数据分送给对应的总线，并将发生的SOE事件时的类型号、动作值实时写入FIFO中，根据FPGA与MCU通信的结果，调度不同的系统任务进程，根据任务进程完成调度定值修改、保护投退动作、系统校时、断路器手动控制、SOE事件传输及保护动作。

本发明基于另一目的提供的一种基于FPGA的微机保护系统，其改进之处在于，所述系统包括数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理、看门狗电路、静态随机存储器、快闪存储器和对外接口；

所述数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理和对外接口连接；

所述存储器管理外接实时时钟、看门狗电路、静态随机存储器和快闪存储器。

优选的，所述数据采集模块包括前端调理电路、频率前端处理模块、数字频率修正模块、多路选择开关模块和AD转换模块。

优选的，所述前端调理电路、多路选择开关模块和AD转换模块连接；

所述频率前端处理模块、数字频率修正模块和AD转换模块连接；

所述数字频率修正模块与存储器管理连接。

优选的，所述存储器管理包括MCU和中断管理模块；

所述MCU通过光耦隔离电路与I/O接口、开关量相连。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

(一)采用FPGA+MCU架构，利用FPGA的硬件并行执行程序提高硬件保护逻辑的处理速度，保证系统的安全性和可靠性。

(二)采用基于FPGA的架构，继电保护装置主频低、抗干扰能力强、和功耗低。

(三)系统设计具有通用性，将继电保护算法独立，只需要通过改变硬件保护模块，可以使其应用多种保护领域。

(四)系统芯片的设计压缩了装置的体积，有利于装置的就地化与小型化。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于FPGA的微机保护系统示意图。

图2为本发明提供的的一种基于FPGA的微机保护方法中电流信号采集电路图。

图3本发明提供的一种基于FPGA的微机保护方法中电压信号采集电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

基于FPGA的继电保护装置系统集计量、保护、通信功能为一体，采用FPGA+MCU硬件架构，FPGA完成高速采样、FFT变换和实时保护算法的逻辑运算，MCU完成操作系统与以太网、RS232、CAN等通信。

FPGA继电保护系统设计的结构如图1所示。FPGA继电保护系统设计主要由数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理和对外接口等。

本发明一种基于FPGA的微机保护方法，具体流程问：

1、数据采集将多路输入的电流、电压模拟量转换为适合AD转换的模拟信号；

由电流、电压互感器产生的多路电压、电流模拟量输入到前端调理电路中，由频率前端处理和数字频率修正模块修正频率的畸变，并将其输入的模拟量转换为适合AD输入的模拟信号；具体为：

电力系统理论电压、电流为50Hz工频正统波信号，在实际工况中由于负载和干扰等因素，频率会发生畸变，但是电流与电压之间不会存在频率差。取其中一路模拟输入信号，经过频率前段处理进行滤波、过零处理成比较完善的方波信号，再送给数字频率修正模块逻辑，根据当前采样周期时间来预测下个采样周期的时间，并对线路上的频率进行监测，一方面将修正后的频率输入到多路AD转换前端，另一方面如果频率严重异常直接报告给中断管理单元。

前端调理电路完成电流信号采集和电压信号采集以及电平转换等功能。电流信号采集电路如图2所示。CT(电流互感器)将从电网传来的大电流信号转换为适合AD转换的输入信号，并滤除高频干扰。其中采样电阻R1将CT传送的电流信号转换为电压信号，电阻R2和R3以及电容C1和C2构成二阶无源低通滤波电路，二极管VD1和VD2起到限幅作用，限制输出电压在0V到5V之间。

电压信号采集电路如图3所示。VT(电压互感器)将从电网传来的高电压信号转换为适合AD转换的输入信号，并滤除高频干扰。其中电阻R4为限流电阻，其余部分同电流转换电路。

2、经AD转换将模拟信号转换为高精度的数字信号；

经多路选择开关选择需要AD转换和输出的信号，最后通过AD转换为所需的数字信号；具体为：

由于电力系统中均为三相电，分别有三组电压电流量，而每组电压电流信号又分高低两种不同精度，再加上线圈的中间量，一般输入的电压电流模拟量在14路以上，故采用多路选择开关，保证多路输入模拟量在一个采样周期内都能够进行AD转换。

AD转换通常采用16位以上的高精度转换芯片，保证测量的精度。经AD转换后的采样数据被同时送到内部总线进入片内缓冲和片面SRAM存储器，以备故障录波使用。

3、经FPGA完成进行傅氏算法和硬件保护算法等逻辑；

傅氏算法：目前电力系统继电保护中，绝大多数保护原理都是基于故障信号的基波相量，根据故障电压、电流基波相量或二者的组合来进行故障判断。但是由于故障发生后的暂态过程，故障电压、电流中含有丰富的暂态噪声，继电保护装置中必须采用滤波算法滤除这些噪声。在众多滤波算法中，傅氏滤波算法以其良好的性能和相对简便的算法，在微机保护中获得广泛应用。

傅氏算法实现由数据缓冲、FFT运算和寄存器映射组成。采样数据通过内部总线到达片内N点缓冲，由于为了提高保护器动作的准确度，有时要求用两种以上的不同保护算法共同判断执行保护动作。此时，缓冲区的数据可以同时共享给多种不同的的保护算法，如小波变换等。通过缓冲区的数据输入到FFT或小波变换中通过运算产生电压、电流、功率和相位等中间值，再将这些中间值映射到寄存器，方便外界的实时数据分析，同时将这些中间值输入到硬件保护算法中。

硬件保护算法：为了保证保护器动作的准确度和实时性，同时满足多原理继电保护的需要，硬件保护算法采用多种算法实现，包括：复压过流保护、反时限过流保护、差动保护和距离算法。硬件保护算法根据逻辑动作方程编写相关逻辑代码，并在FPGA上仿真验证。

4、将故障信息和控制信息与MCU通信，最后完成硬件保护动作；

当中断管理收集到相应故障信息后，根据故障的不同向外界提供相应的中断申请和保护动作，以确保继电保护的准确性和实时性；

故障信息包括在各种保护动作下的过流、过压、过负荷等故障状态，控制信息包括控制继电器和断路器开关等待信息。根据FPGA与MCU通讯结果(自定义FPGA与MCU通讯的内部总线协议)完成实测数据、定值信息、SOE事件信息和继电器控制信息的调度方式设计和任务进程的系统级调度方法设计。该模块根据不同保护模块算法的需要，将设定的定值及实测数据分送给对应的总线，并将发生的SOE事件时的类型号、动作值实时写入FIFO中，根据FPGA与MCU通信的结果，调度不同的系统任务进程，根据任务进程完成调度定值修改、保护投退动作、系统校时、断路器手动控制、SOE事件传输及保护动作等不同任务。

FPGA上的保护系统可以根据不同的功能需求、不同的实现算法和原理分成很多种类型；而每个保护系统都抽象成一片外设IC，使用统一的接口挂在嵌入式系统的局部总线上，由嵌入式系统来统一调配它们的工作。嵌入式系统有操作系统的支持，在通信、用户交互方面占有很大的优势。基于FPGA和嵌入式技术实现智能化微机保护装置，保护动作判断和执行全部由硬件逻辑完成，处理器与保护逻辑相互独立，不仅简化了装置的内部结构，而且使装置具有更高的稳定性和可靠性。

本发明一种基于FPGA的微机保护系统，包括数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理、看门狗电路、静态随机存储器、快闪存储器和对外接口；

数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理和对外接口连接；

存储器管理外接实时时钟、看门狗电路、静态随机存储器和快闪存储器。

其中，

数据采集模块由前端调理电路、频率前端处理、数字频率修正模块、多路选择开关和AD转换模块组成。

FPGA继电保护模块由傅氏算法、硬件保护算法、和硬件保护动作等组成。

实时时钟(Real-Time Clock,简称RTC)，是系统从外界引入的一个标准的1Hz或2Hz的同步时钟信号，使用内部高速时钟在同步时钟信号的脉宽内计数以提高时钟精度，即时间秒级精度由外界负责，而息肉只负责维护毫秒、微秒以及更高级别的精度。

存储器管理包括中断管理模块和MCU，在FPGA外扩展静态随机存储器(SRAM)和快闪存储器(FLASH)，SRAM用来存放微机保护的运行程序和寄存器值等，FLASH用来存放数据采集的中间值、定值以及录波数据等。

中断管理收集片内各个部件单元发出的中断申请，如：频率严重畸变、线路故障和故障录波等。

在MCU与开关量连接时，为避免外界干扰对装置产生不稳定的影响以及损坏装置，需要在开关量进入处理器时接光耦隔离电路，从而增强装置的可靠性，同时I/O接口也通过光耦隔离后与处理器相连。开关量输出主要包括装置跳闸出口以及本地中央信号输出等，一般均采用并行输出的方式控制有接点的继电器，最后通过继电器执行动作保护。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的微机保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)数据采集将多路输入的电流、电压模拟量转换为模拟信号；

(2)将模拟信号转换为数字信号；

(3)进行傅氏算法和硬件保护算法；

(4)将故障信息和控制信息与MCU通信，完成硬件保护动作；

所述步骤(3)包括缓冲区的数据输入到FFT或小波变换中通过运算产生电压、电流、功率和相位中间值，将中间值映射到寄存器实时数据分析，将中间值输入到硬件保护算法中；

所述步骤(4)包括中断管理收集到故障信息后，根据故障的不同向外界提供相应的中断申请和保护动作；

根据不同保护模块算法，将设定的定值及实测数据分送给对应的总线，并将发生的SOE事件时的类型号、动作值实时写入FIFO中，根据FPGA与MCU通信的结果，调度不同的系统任务进程，根据任务进程完成调度定值修改、保护投退动作、系统校时、断路器手动控制、SOE事件传输及保护动作。

2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的微机保护方法，其特征在于，所述步骤(1)包括由电流、电压互感器产生的多路电压、电流模拟量输入到前端调理电路中，由频率前端处理模块和数字频率修正模块修正频率的畸变，并将其输入的模拟量转换为适合AD输入的模拟信号。

3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的微机保护方法，其特征在于，所述步骤(2)包括经多路选择开关选择需要AD转换和输出的信号，通过AD转换为所需的数字信号。

4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的微机保护方法，其特征在于，所述硬件保护算法包括复压过流保护、反时限过流保护、差动保护和距离算法。

5.如权利要求1所述的一种基于FPGA的微机保护方法，其特征在于，所述硬件保护算法根据逻辑动作方程编写相关逻辑代码，并在FPGA上仿真验证。

6.一种基于FPGA的微机保护系统，其特征在于，所述系统包括数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理、看门狗电路、静态随机存储器、快闪存储器和对外接口；

所述数据采集模块、FPGA继电保护模块、存储器管理和对外接口连接；

所述存储器管理外接实时时钟、看门狗电路、静态随机存储器和快闪存储器；

所述数据采集模块包括前端调理电路、频率前端处理模块、数字频率修正模块、多路选择开关模块和AD转换模块；

所述前端调理电路、多路选择开关模块和AD转换模块连接；

所述频率前端处理模块、数字频率修正模块和AD转换模块连接；

所述数字频率修正模块与存储器管理连接。

7.如权利要求6所述的一种基于FPGA的微机保护系统，其特征在于，所述存储器管理包括MCU和中断管理模块；

所述MCU通过光耦隔离电路与I/O接口、开关量相连。