暫態保護AD模塊開發

彭龍生

（南方電網綜合能源有限公司，廣東廣州 510000）

暫態保護AD模塊開發

彭龍生

（南方電網綜合能源有限公司，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：暫態保護；數據采集；模數轉換；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。隨著對電力系統認識的加深，數學水平和信號處理技術的提高，微電子的飛速發展，暫態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，暫態保護具有動作速度快的突出優點，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保護AD模塊。

1 系統設計思路

傳統的微機保護采集系統是由主控制器直接控制，采集系統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具有硬件簡單等優點，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主控制器運行崩潰的情況。半導體技術的飛速發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、硬件并行執行、可靠性高、保密性好等一系列優點完全可以作為采集系統的控制器。由于采集系統所需的控制電路相對簡單，不需要大規模的數學運算和復雜的邏輯判斷，采用其中一種可編程器件CPLD構造暫態保護AD模塊?；贑PLD的AD模塊可以根據實際工程的需要靈活地進行軟件上的編程，實現電路系統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，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,可以實現很高的采樣速率。

2 具體電路設計與實現

2.1 總體設計

所研究的暫態保護智能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）協同”的開發策略，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]到暫態保護對需要大量的實時數據和主控制器對數據處理的實際能力，采集模組采用了自適應采樣速率，在監控狀態下采用較低的采樣速率，當判別所采集的數據出現突變后，啟動快速AD轉換，采用高速率采樣?？焖貯D轉換啟動主要在CPLD內部通過比較器實現，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。圖1為該模組功能圖，其中虛線包圍部分為CPLD所實現的控制功能，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據，因此需要另外選擇存儲器；考慮到所采集的數據是一串有時間順序的數據流，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控制器所實現的主要功能是當模數轉換結束以后，FIFO控制器與AD控制器配合，將模數轉換后的數據送入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，主要是根據邏輯順序用邏輯狀態機完成模擬量從CT、PT輸出到轉換成數字量的控制，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轉換數據等。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轉換結束將數據傳送到FIFO時，快速AD啟動控制器配合動作，同時也將數據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轉換后數據其中適當的位數而無需全部的位數送入CPLD跟閥值進行比較，這樣將極大減少CPLD的資源要求，具體位數的選定跟AD轉換后的數據格式有關。如果比較的數據大于閥值，計數器便開始計數，當計數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該輸出信號和硬件觸發電路的判斷邏輯決定是否需要快速AD啟動。快速AD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，為了節省CPLD資源，采用了移位方式來構成計數器。

2.5 GPS對時及分頻器

數據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的計數器直到秒級，并由GPS部件發出秒脈沖信號清零校準。必要時，計數器里累加值添加區別于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，根據所需分頻的倍數，選擇合適的位數與計數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：軟觸發和硬觸發。軟觸發具體指的是CPLD不斷根據AD轉換后的數據進行判斷，當AD轉換后的數據連續超過了閥值，便啟動快速AD轉換；硬觸發則需要外部電路輔助完成，主要由比較器構成。硬觸發需要外部硬件電路，使電路復雜和PCB面積增大。在保證軟觸發可靠動作的情況下，硬觸發作為輔助判據，可以根據需要靈活決定是否需要硬觸發功能。在模組具有軟觸發和硬觸發兩種觸發功能的情況下，根據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和硬觸發的“與”或“或”輸出，這只需在CPLD編程時軟件實現。

由于采用了兩種采樣速率，必須區分兩種不同采樣速率下的數據，對其加上“標簽”，以方便主控制器對從FIFO讀出的數據流做可靠處理。本設計中，CPLD判斷出AD的采樣速率，然后在AD轉換結束數據送入FIFO時，根據不同的采樣速率自動添加一個采樣速率標志位，從數據流看，每一個FIFO數據比AD轉換后的數據多了一個采樣速率判斷標志位。這樣主機不但可以根據采樣速率標志位知道對應數據的采樣速率并進行相應的處理，而且可以了解數據流的變化信息，因為標志位的變化也說明了數據流的突變信息，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據而主控制器不能及時處理而引發數據流崩潰。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，當出現異常情況時，啟動快速AD轉換，保證暫態保護所需數據能夠準確、及時采集，以便主控制器做進一步處理。

當然由于電網的污染，各種干擾隨時都可能出現，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

隨著電力系統向著大聯網以及更高電壓等級的趨勢發展，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，暫態保護是最有可能和最有前途的保護方式。實現暫態保護的一個關鍵就是能否根據暫態保護的要求實現快速、準確的數據采集。本文提出并構造了基于CPLD的暫態保護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點，有較好的工程應用價值。

［1］薄志謙.新一代電力系統繼電保護──暫態保護［J］.電網技術，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］.電網技術，1998，22（1）：17-21.

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

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

［6］林濤，丁杏明，尹項根，等.微機保護用高速數據采集模塊的研究［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：電力系統自動化和可靠運行。

(編輯：向 飛)

2014－06－10