繼電保護裝置是電網(wǎng)穩(wěn)定運行的安全衛(wèi)士。隨著現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array, FPGA）技術(shù)的發(fā)展以及智能電網(wǎng)建設的快速推進，采用專用芯片來研發(fā)生產(chǎn)新型的繼電保護裝置，既是技術(shù)發(fā)展的必然，也是現(xiàn)實的需求。

繼電保護專用芯片以應用需求為導向，裁剪大量通用芯片中繼電保護不需要的功能，并將采樣、保護、通信等功能集合于一體，降低繼電保護應用程序開發(fā)難度。另外，研究繼電保護專用芯片，可打破國外壟斷，對實現(xiàn)國家繼電保護裝置的完全自主可控具有重要意義。

作者提出一種繼電保護專用芯片集成差動保護功能的技術(shù)。這種繼電保護專用芯片只要配以相應的外圍器件，就可以實現(xiàn)整個差動保護流程。基于專用芯片的微機差動保護裝置不但可靠性高、維護方便，而且具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

整體框架

繼電保護裝置實現(xiàn)差動保護的常規(guī)方法是：在通用硬件平臺實現(xiàn)本側(cè)電流模數(shù)（analog-digital, AD）采樣和對側(cè)電流接收；在應用軟件平臺實現(xiàn)本側(cè)電流快速傅里葉變換（fast Fourier transformation, FFT）計算、對側(cè)電流同步和差動保護算法；應用軟件平臺的差動保護動作結(jié)果再反饋給硬件平臺，最終實現(xiàn)差動保護的出口。

如圖1所示，作者提出的一種繼電保護專用芯片集成差動保護功能的技術(shù)，在硬件平臺實現(xiàn)全部的差動保護功能，無需依賴應用軟件平臺?；贔PGA的硬件平臺涵蓋的差動保護環(huán)節(jié)包括本側(cè)電流AD采樣模塊、本側(cè)電流FFT計算模塊、對側(cè)電流同步接口模塊、差動保護邏輯模塊。

圖1 專用芯片集成差動保護功能的整體框架

差動電流采集模塊

繼電保護專用芯片集成差動保護功能的技術(shù)中，在進入差動保護邏輯模塊之前，首先需要進行差動電流的采集，包括本側(cè)電流AD采樣、本側(cè)電流FFT計算和對側(cè)電流同步。

1）本側(cè)電流AD采樣模塊

如圖2所示，作者借助一片F(xiàn)PGA來實現(xiàn)16路外部模擬信號的同步采集和存儲。

圖2 AD采樣模塊

AD采集電路由2片數(shù)據(jù)選擇器和1片AD轉(zhuǎn)換器組成。每片數(shù)據(jù)選擇器各接8個通道。控制模塊、數(shù)字倍頻器、隨機存儲器（random access memory, RAM）在FPGA中實現(xiàn)?？刂颇K可以控制需要AD轉(zhuǎn)換的通道，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換通道數(shù)從1到16的任意設置。RAM存放每個通道2個周期的采樣數(shù)據(jù)。

2）本側(cè)電流FFT模塊

FFT計算在繼電保護裝置中通常通過應用軟件編程實現(xiàn)，靈活性較大，但數(shù)字信號處理器（digital signal processor, DSP）的處理速度略顯不足，再加上受程序指令執(zhí)行順序的限制，基于DSP的FFT計算難以實現(xiàn)大規(guī)?？焖龠\算。

FPGA芯片具備在線可編程能力，因此充分利用FPGA芯片設計的靈活性，基于FPGA芯片實現(xiàn)FFT計算，提高FFT計算的速度和實時性。

FFT流水線結(jié)構(gòu)可以進行連續(xù)的數(shù)據(jù)處理。在處理當前數(shù)據(jù)窗的N點數(shù)據(jù)時，可加載下一數(shù)據(jù)窗的N點數(shù)據(jù)，同時輸出前一數(shù)據(jù)窗的N點數(shù)據(jù)。如圖3所示，F(xiàn)FT流水線結(jié)構(gòu)由多個基2/4/8的蝶形處理單元串聯(lián)構(gòu)成，每個蝶形單元都配置存儲單元來存儲輸入輸出和中間處理的數(shù)據(jù)。

圖3 FFT計算模塊

基2蝶形單元如圖4所示。

圖4 第i級基2蝶形單元

3）對側(cè)同步接口模塊

兩側(cè)電流可靠、準確地同步是差動保護正確動作的關(guān)鍵。利用FPGA實現(xiàn)兩側(cè)電流的傳輸和同步邏輯。考慮到保護裝置的冗余性，這里設計雙光纖通道，如圖5所示。在實際條件只能使用單光纖通道的場合，可以通過調(diào)整保護定值來控制通道的使能信號EN。

圖5 對側(cè)同步接口模塊

FPGA_A通道和FPGA_B通道的工作邏輯如圖6所示。一方面，F(xiàn)PGA接收串行通信控制器送過來的保護數(shù)據(jù)，在并串轉(zhuǎn)換模塊前在保護數(shù)據(jù)后面加上附加數(shù)據(jù)，且插入一些比特使數(shù)據(jù)符合編碼規(guī)則，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼模塊形成碼流，發(fā)送給光收發(fā)模塊，經(jīng)光纖發(fā)送到對側(cè)保護裝置。

圖6 FPGA光纖通道工作邏輯圖

另一方面，F(xiàn)PGA接收光收發(fā)模塊送過來的對側(cè)碼流。碼流一路經(jīng)解碼模塊和串并轉(zhuǎn)換模塊分解成保護數(shù)據(jù)和附加數(shù)據(jù)，發(fā)送給串行通信控制器，從而使保護裝置獲取對側(cè)電流數(shù)據(jù)。碼流另一路發(fā)送給數(shù)字鎖相環(huán)模塊，提取出系統(tǒng)的接收時鐘，從而使保護裝置獲取對側(cè)電流時標，實現(xiàn)兩側(cè)電流數(shù)據(jù)的同步。

FPGA接收和發(fā)送數(shù)據(jù)采用各自的時鐘，分別為接收時鐘和發(fā)送時鐘。接收時鐘固定選擇接收碼流中的提取時鐘；發(fā)送時鐘可選擇內(nèi)部晶振時鐘，也可選擇接收碼流中的提取時鐘。

差動保護邏輯模塊

差動保護是繼電保護中應用較為廣泛的保護算法，線路保護、變壓器保護、母線保護中都用到了電流差動保護。差動保護模塊在這些具體的應用中，除了定值不同，結(jié)構(gòu)幾乎相同。差動保護是比幅式保護，可以由比較器和定時器實現(xiàn)。

如圖7所示，根據(jù)差動保護的動作方程設計差動保護模塊。兩個動作方程分別用兩個比較器實現(xiàn)，兩個比較器的輸出結(jié)果經(jīng)過與門后控制定時器。當與門的輸出信號由低變高時，起動定時器，定時器到達設定時間后，輸出指定寬度的觸發(fā)脈沖，驅(qū)動出口繼電器動作。當與門的輸出信號由高變低時，立即復位定時器。

圖7 差動保護模塊

基于FPGA技術(shù)的差動保護模塊，還可應用于零序電流保護、過電壓保護等保護原理。差動保護模塊可形成IP核（intellectual property core），在功能界限足夠清晰，產(chǎn)品形成一定規(guī)模后，可以將IP核移植到專用集成電路（application specific integr- ated circuit, ASIC）芯片中，形成更可靠穩(wěn)定的繼電保護專用集成芯片。

本文編自《電氣技術(shù)》，標題為“繼電保護專用芯片集成差動保護技術(shù)的研究”，作者為趙青春、陸金鳳 等。