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(hù)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(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）的暫態(tài)保護(hù)AD(Analog-to-Digital)模塊。該模塊無需主控制器的干涉，采集時(shí)間幾乎只取決于AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)間，具有采樣速度快、智能化、可靠性高、價(jià)格符合工程實(shí)際等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保持與保護(hù)主控制器有良好的接口，可方便地嵌入到微機(jī)保護(hù)裝置中，具有較強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：暫態(tài)保護(hù)；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換；復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）

0 引言

目前的微機(jī)保護(hù)裝置基本上是基于工頻量的，基于工頻量的微機(jī)保護(hù)裝置具有可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)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(hù)動(dòng)作的措施，基于工頻量的微機(jī)裝置的保護(hù)速度始終受到限制[1-2]。國外也研發(fā)了基于行波的保護(hù)裝置，保護(hù)動(dòng)作速度雖然可以很快，但可靠性無法保證。隨著對(duì)電力系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的加深，數(shù)學(xué)水平和信號(hào)處理技術(shù)的提高，微電子的飛速發(fā)展，暫態(tài)保護(hù)越來越受到人們的關(guān)注。由于利用的是故障高頻分量信息，暫態(tài)保護(hù)具有動(dòng)作速度快的突出優(yōu)點(diǎn)，和基于工頻電氣量的保護(hù)相比，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般在幾毫秒，是很值得進(jìn)一步研究的方案[3-4]。本文構(gòu)造了功能強(qiáng)大、符合實(shí)際工程需要的暫態(tài)保護(hù)AD模塊。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)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(gè)中斷子程序，主控制器在通常時(shí)間處理其他程序，當(dāng)采集中斷出現(xiàn)后，主控制器便轉(zhuǎn)入采集中斷子程序進(jìn)行相應(yīng)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(diǎn)，但是當(dāng)采樣頻率要求很高的時(shí)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(yùn)行崩潰的情況。半導(dǎo)體技術(shù)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(diǎn)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(duì)簡單，不需要大規(guī)模的數(shù)學(xué)運(yùn)算和復(fù)雜的邏輯判斷，采用其中一種可編程器件CPLD構(gòu)造暫態(tài)保護(hù)AD模塊?；贑PLD的AD模塊可以根據(jù)實(shí)際工程的需要靈活地進(jìn)行軟件上的編程，實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)功能的修改和擴(kuò)充而無需修改硬件電路，大大方便了電路設(shè)計(jì)[5-6]。因?yàn)镃PLD本質(zhì)上是硬件，各項(xiàng)功能可以完全并行實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于以串行指令運(yùn)行微處理器，具有更高的可靠性和快速性。所以本文設(shè)計(jì)的暫態(tài)保護(hù)AD模塊采用CPLD為控制器。忽略CPLD內(nèi)部門和連線的延遲（一般都很短，幾個(gè)到十幾個(gè)納秒），該模組的采樣頻率完全由AD轉(zhuǎn)換器自身的工作頻率決定,可以實(shí)現(xiàn)很高的采樣速率。

2 具體電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)

所研究的暫態(tài)保護(hù)智能AD模組在設(shè)計(jì)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(gòu)造了以CPLD為核心控制元件，輔以多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（可選）、運(yùn)放、高性能AD等器件而成的模塊?？紤]到暫態(tài)保護(hù)對(duì)需要大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和主控制器對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)際能力，采集模組采用了自適應(yīng)采樣速率，在監(jiān)控狀態(tài)下采用較低的采樣速率，當(dāng)判別所采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變后，啟動(dòng)快速AD轉(zhuǎn)換，采用高速率采樣?？焖貯D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)主要在CPLD內(nèi)部通過比較器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮到快速AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)的可靠性，還附加了硬件快速AD啟動(dòng)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(shí)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(dòng)控制器、GPS對(duì)時(shí)及分頻器等三個(gè)模塊功能。

圖1 暫態(tài)保護(hù)AD模組功能圖

2.2 FIFO控制器

由于CPLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式和資源限制，CPLD目前還不適宜做大容量的存儲(chǔ)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(chǔ)器；考慮到所采集的數(shù)據(jù)是一串有時(shí)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(duì)于其他存儲(chǔ)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(chǔ)器。FIFO控制器所實(shí)現(xiàn)的主要功能是當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束以后，F(xiàn)IFO控制器與AD控制器配合，將模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)相對(duì)簡單，主要是根據(jù)邏輯順序用邏輯狀態(tài)機(jī)完成模擬量從CT、PT輸出到轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的控制，主要包括復(fù)位AD、啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換、判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成以及讀取AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等。同時(shí)，該控制器配有快速AD轉(zhuǎn)換計(jì)時(shí)器，用于控制快速AD轉(zhuǎn)換的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)計(jì)時(shí)器的設(shè)定時(shí)間到時(shí)，計(jì)時(shí)器清零同時(shí)轉(zhuǎn)入慢速AD轉(zhuǎn)換。

2.4 快速AD啟動(dòng)控制器

當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束將數(shù)據(jù)傳送到FIFO時(shí)，快速AD啟動(dòng)控制器配合動(dòng)作，同時(shí)也將數(shù)據(jù)送到比較器跟事先設(shè)定的閥值做比較?？紤]AD轉(zhuǎn)換誤差的客觀存在以及快速轉(zhuǎn)換啟動(dòng)精度要求不是十分嚴(yán)格，可以選擇AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)其中適當(dāng)?shù)奈粩?shù)而無需全部的位數(shù)送入CPLD跟閥值進(jìn)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(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)格式有關(guān)。如果比較的數(shù)據(jù)大于閥值，計(jì)數(shù)器便開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器超過設(shè)定的閥值時(shí)間時(shí)，便輸出啟動(dòng)信號(hào)到邏輯判斷器，邏輯判斷器同時(shí)根據(jù)該輸出信號(hào)和硬件觸發(fā)電路的判斷邏輯決定是否需要快速AD啟動(dòng)。快速AD采集啟動(dòng)的同時(shí)，也啟動(dòng)快速AD采集計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)器增加到設(shè)定的時(shí)間時(shí)，便結(jié)束快速AD采集，自動(dòng)轉(zhuǎn)入慢速AD采集。在本設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省CPLD資源，采用了移位方式來構(gòu)成計(jì)數(shù)器。

2.5 GPS對(duì)時(shí)及分頻器

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

3 關(guān)鍵問題討論

3.1 快速AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)

快速AD轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)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(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)連續(xù)超過了閥值，便啟動(dòng)快速AD轉(zhuǎn)換；硬觸發(fā)則需要外部電路輔助完成，主要由比較器構(gòu)成。硬觸發(fā)需要外部硬件電路，使電路復(fù)雜和PCB面積增大。在保證軟觸發(fā)可靠動(dòng)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(zhuǎn)換的啟動(dòng)設(shè)為軟觸發(fā)和硬觸發(fā)的“與”或“或”輸出，這只需在CPLD編程時(shí)軟件實(shí)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(duì)其加上“標(biāo)簽”，以方便主控制器對(duì)從FIFO讀出的數(shù)據(jù)流做可靠處理。本設(shè)計(jì)中，CPLD判斷出AD的采樣速率，然后在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束數(shù)據(jù)送入FIFO時(shí)，根據(jù)不同的采樣速率自動(dòng)添加一個(gè)采樣速率標(biāo)志位，從數(shù)據(jù)流看，每一個(gè)FIFO數(shù)據(jù)比AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)多了一個(gè)采樣速率判斷標(biāo)志位。這樣主機(jī)不但可以根據(jù)采樣速率標(biāo)志位知道對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的采樣速率并進(jìn)行相應(yīng)的處理，而且可以了解數(shù)據(jù)流的變化信息，因?yàn)闃?biāo)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(dòng)判斷。

3.2 采樣速率選擇

采樣速率的選擇是需要綜合評(píng)估的，需跟實(shí)際工程要求和電路設(shè)計(jì)能力相結(jié)合，不完全是采樣速率越快越好。否則不僅對(duì)采集模組的存儲(chǔ)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(dǎo)致采集模組中存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)而主控制器不能及時(shí)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(chǔ)能力決定。同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，啟動(dòng)快速AD轉(zhuǎn)換，保證暫態(tài)保護(hù)所需數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)采集，以便主控制器做進(jìn)一步處理。

當(dāng)然由于電網(wǎng)的污染，各種干擾隨時(shí)都可能出現(xiàn)，有必要采取一定的措施避免干擾導(dǎo)致快速AD轉(zhuǎn)換的頻繁啟動(dòng)。

4 結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)向著大聯(lián)網(wǎng)以及更高電壓等級(jí)的趨勢發(fā)展，對(duì)繼電保護(hù)提出了更高的要求，需要探索新的保護(hù)來補(bǔ)充目前以工頻量為主的繼電保護(hù)方式，暫態(tài)保護(hù)是最有可能和最有前途的保護(hù)方式。實(shí)現(xiàn)暫態(tài)保護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵就是能否根據(jù)暫態(tài)保護(hù)的要求實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集。本文提出并構(gòu)造了基于CPLD的暫態(tài)保護(hù)AD模塊。該模組最大的采樣頻率幾乎等于AD轉(zhuǎn)換器自身的頻率，可以靈活地根據(jù)實(shí)際工程的需要進(jìn)行軟件上的編程，很容易進(jìn)行修改以滿足功能擴(kuò)充等需求，具有可靠性高、保密性好、價(jià)格符合工程實(shí)際等一系列優(yōu)點(diǎn)，有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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

［2］葛耀中.高壓輸電線路高頻保護(hù)［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(shù)，1998，22（1）：17-21.

［4］曾祥君，尹項(xiàng)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(dòng)化學(xué)報(bào)，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(hào)同步錄波裝置［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，27（20）：92-94.

［6］林濤，丁杏明，尹項(xiàng)根，等.微機(jī)保護(hù)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(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)自動(dòng)化和可靠運(yùn)行。

(編輯：向 飛)

2014－06－10