FPGA在基于IEC61850的饋線保護中的應用

何人望，謝丹丹，楊毅波，饒攀

(華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013)

FPGA在基于IEC61850的饋線保護中的應用

何人望，謝丹丹，楊毅波，饒攀

(華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013)

基于IEC61850面向對象進行變電站饋線微機保護建模，根據(jù)饋線配置的保護方式和所要完成的功能進行功能分解，再逐步合成建立保護信息模型、信息交換模型，合理地選擇智能電子設備IED的配置。以FPGA為處理器實現(xiàn)保護功能。FPGA的并行性、流水線和有限狀態(tài)機設計思想，可以使整個邏輯電路更為合理、穩(wěn)定。FPGA用于實現(xiàn)物理層通信芯片和網(wǎng)絡協(xié)議互連的粘合邏輯，將通信和網(wǎng)絡功能合并到同一設備中，具備較好的互操作性。并用Quartus II進行保護功能仿真。

饋線微機保護;IEC51850;FPGA;Quartus II;功能仿真

國際電工委員會第57技術委員會(IEC TC57)定制了基于通用網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)新標準IEC61850，并于2004年發(fā)行，用以解決實現(xiàn)變電站自動化功能的智能電子設備投入變電站的測試、通信及互操作性問題，解決通信技術飛速發(fā)展但變電站設備生命周期較長這個“瓶頸問題”，該協(xié)議將是變電站(遠程終端單元RTU或者變電站自動化系統(tǒng))到控制中心的唯一通信協(xié)議，也是變電站自動化系統(tǒng)甚至過程到控制中心的唯一的通信協(xié)議［1］。

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)具有現(xiàn)場可編程能力，低功耗、便于升級及穩(wěn)定等優(yōu)勢，是一種面向未來的芯片，適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設計領域，是一種可以實現(xiàn)大規(guī)模邏輯電路的器件。與那些內部功能已被制造商固化的器件相反，編程“在現(xiàn)場”進行，可在實驗室中配置，也可對已應用的電子系統(tǒng)中某個設備進行功能改進;可以滿足IEC61850不受通信約束的互操作性。在變電站綜合自動化未來發(fā)展中，是非常具有發(fā)展前途的芯片。在電力系統(tǒng)及微機保護中也開始應用［2－5］。

1 基于IEC61850的變電站饋線微機保護

基于IEC6180的變電站自動化系統(tǒng)具有分層、分布的體系結構，將變電站系統(tǒng)分成變電站層、間隔層和過程層。微機保護智能電子設備(IED)位于間隔層，各種保護與測控IED按照它們的電壓等級和作用分布在不同的間隔單元。非常規(guī)儀用互感器和智能開關的使用，對通信接口提出新的要求，也使原來由保護測控IED或合并單元完成的任務下放到過程層，保護模式配置更為智能化和網(wǎng)絡化，也為變電站的功能集成和自由配置提供更大的可能性。

首先依據(jù)IEC6180建立饋線微機保護模型。保護信息模型和建模方法有四個主要的部件:保護信息模型、信息交換方法、映射到具體的通信協(xié)議、IED配置。饋線保護配置:三段式低電壓閉鎖方向過流保護，重合閘，過負荷保護等。三段式低電壓閉鎖方向過流保護I段為瞬時電流速斷保護，II段是限時電流速斷保護，III段是過流保護，也可以整定為反時限電流保護。根據(jù)配置的饋線保護類型選擇基本邏輯節(jié)點(LN)，每種保護選擇一個邏輯節(jié)點，分段式保護每段選擇一個邏輯節(jié)點，并選擇保護相關邏輯節(jié)點和其他邏輯節(jié)點。所選擇邏輯節(jié)點如下。

三段式低電壓閉鎖過流保護I段選擇瞬時過電流或上升率邏輯節(jié)點PIOC，II段是限時電流速斷保護，選擇PTOC，III段是過流保護，選擇PTOC，如整定為反時限電流保護則選擇PVOC;過負荷保護選擇PVOC;線路方向比較用邏輯節(jié)點PSCH(用于線路保護功能配合邏輯配置建模，保護配置允許不同保護功能和條件“動作出口”交換);保護跳閘條件PTRC、自動重合閘RREC、斷路器失靈RBEC、斷路器XCBR等邏輯節(jié)點。基于它們的功能，這些邏輯節(jié)點包含帶專用數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)，由專用服務交換信息。

將邏輯節(jié)點按照它們的功能分配到邏輯設備(LD)，最后合成智能電子設備。合成的智能電子設備模型圖如圖1所示。圖中PTOC1表示過流II段，PTOC2表示過流III段。

每種信息模型定義一些服務，服務對包含在邏輯節(jié)點的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)屬性和其他屬性進行操作。抽象通信服務接口(ACSI)將具體應用映射到不同的通信棧，提供了通過虛擬鏡像訪問真實數(shù)據(jù)和真實設備、設備內部和設備之間的接口，對傳統(tǒng)的保護算法內容不做描述，只規(guī)定保護功能所在邏輯節(jié)點的對外表達和接口。抽象通信服務接口在通信和應用之間建立的接口由特定通信服務映射(SCSM)來實現(xiàn)，達到應用和通信之間的獨立，應用設備和應用軟件可以在遵循新通信技術的系統(tǒng)中重復使用，應用軟件和技術的更新也可以在通用開發(fā)平臺上下載到設備。通過變電站配置語言(SCL)實現(xiàn)對智能電子設備功能和數(shù)據(jù)的配置描述［6］。Kalkitech SCL Manager軟件提供了一種軟件工程平臺，可進行基于IEC61850變電站的設計和配置，并可以定義通信方案，按照要求進行數(shù)據(jù)映射;它還提供了邏輯節(jié)點模板，可協(xié)助建立完整功能的智能電子設備。

圖1 微機保護信息模型

2 FPGA在微機保護種的應用

IEC61850主要目的是實現(xiàn)智能電子設備之間的互操作性，是一種面向未來的標準，F(xiàn)PGA作為微機保護智能電子設備的處理器可現(xiàn)場可編程能力、便于升級，是一種面向未來的芯片。其掉電易失性使得其在微機保護中的應用受到限制，因此必須采取斷電保護措施或者選擇非易失性芯片［7］。

FPGA可編程部分采用靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)、反熔絲等技術，一般采用SRAM，將編程信息存儲在靜態(tài)隨機存取存儲器的存儲單元之中。常用的查找表(Look Up Table)形式的FPGA的一個SRAM單元中存儲LUT真值表中的一個值，由輸入個數(shù)來決定邏輯電路的規(guī)模。FPGA能夠反復使用，使用非常靈活，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。FPGA基本組成部分有可編程輸入/輸出、邏輯塊、嵌入式塊隨機存儲器、底層嵌入功能單元、專用硬核等。FPGA的集成度很高，從數(shù)萬系統(tǒng)門到千萬系統(tǒng)門不等，可以完成復雜的時序與組合邏輯電路功能。

FPGA可以包涵內嵌的乘法器、專用計算例程和大量的片上隨機存儲器等所有數(shù)字信號處理器(DSP)操作所需要的特性，加上FPGA的并行性，比最快的DSP芯片還要快至500倍甚至更多，可以更好的滿足微機保護對數(shù)據(jù)處理的高速性;其并行性和可重配置性來實現(xiàn)軟件算法的“硬件加速”。FPGA長期以來用于實現(xiàn)物理層通信芯片和網(wǎng)絡協(xié)議互連的粘合邏輯，可將通信和網(wǎng)絡功能合并到同一設備中。

目前常用硬件描述語言(HDL)設計方法，有利于自頂向下設計、模塊的劃分和復用，可移植性和通用性好，設計不會因為芯片的工藝與結構的變化而變化。最流行的HDL語言是Verilog和VHDL。系統(tǒng)級設計和軟硬件聯(lián)合設計，在系統(tǒng)級層次進行設計和仿真，抽象層次高，仿真和結構描述代碼一致，優(yōu)化效果好，可縮短設計周期。

傳統(tǒng)變電站饋線微機保護的硬件結構如圖2所示，F(xiàn)PGA作為處理器，保護程序存儲于閃存(FLASH)中，每次上電先從FLASH中將程序下載到FPGA中。圖2中EPROM是電可編程只讀存儲器，RAM是隨機存取存儲器。

3 保護建模和仿真

實現(xiàn)饋線保護的FPGA選擇Altera公司的芯片，并使用其提供的Quartus II軟件。從下向上建立保護模型。首先針對所配置的保護，根據(jù)保護邏輯圖獨立的設計和優(yōu)化每個保護及保護功能相關模塊(為了識別方便，保護模塊和邏輯節(jié)點取相同的名稱)，通過分析綜合，建立波形文件進行功能仿真，再生成圖形文件;在頂層設計中集成所有的保護及保護功能相關的已優(yōu)化的圖形文件，然后進行優(yōu)化驗證，分析綜合、布局布線、匯編、時序分析，通過仿真(也可以使用modelsim仿真)。通過JTAG(Joint Test Action Group)接口將程序下載FPGA對其進行配置，測試時通過主動串行配置AS(Active Serial Programming)方式將程序下載到FLASH中，每次上電即將程序下載到FPGA進行工作。

圖2 微機保護硬件結構

三段式低壓閉鎖方向過流保護邏輯圖如圖3所示。圖3中YB=1表示某段電流保護軟壓板投入;CB1=1表示低壓閉鎖控制字投入;CB2=1表示方向閉鎖控制字投入;CB3=1表示PT斷線控制字投入;CB4=1表示PT斷線閉鎖保護控制字投入;UL為低壓閉鎖定值;Iset為某段過流定值;t為某段過流延時;DA、DB、DC分別為A相、B相、C相滿足動作條件的方向。

Quartus II功能仿真波形圖如圖4所示。圖中DA、DC為高電平，表示A、C相滿足動作的方向要求，DB為低電平，表示B相不滿足方向要求，即使B相電流超過設定值，保護也不會動作。

圖3 三段低壓閉鎖方向過流保護邏輯圖

圖4 三段低壓閉鎖方向過流保護功能仿真

Ia、Ib、Ic為高電平部分說明電流超過整定值，在相關控制字投入的情況下，如果低壓沒有閉鎖則輸出out為高電平，發(fā)出跳閘信號，并驅動重合閘。每段整定值和跳閘時間不同，各種定值用parameter設定并可修改。

過負荷保護邏輯圖如圖5所示。圖5中YB=1表示過負荷軟壓板投入;CB=0表示過負荷保護控制字投信號，CB=1表示過負荷保護控制字投跳閘;Iset是過負荷定值，Imax表示三相電流中的最大值，t是過負荷延時。仿真圖如圖6所示。CB=0，YB=1且負荷電流超過整定值，經(jīng)過時間t輸出out2為高電平發(fā)出信號。CB=1，YB=1且電流超過整定值，經(jīng)過延時t輸出out1為高電平，發(fā)出跳閘信號并閉鎖重合閘。

圖5 過負荷保護邏輯圖

圖6 過負荷保護仿真圖

通過同樣的方式，建立重合閘模塊，之后將三段式低壓閉鎖方向過流保護、過負荷和重合閘的Verilog語言描述文件轉換成圖形符號，組成頂層保護模塊符號圖，如圖7所示，圖中3個模塊分別是重合閘模塊chz、過負荷模塊gfh和三段低壓閉鎖方向過電流模塊sbgl，為顯示方便，三段式電流保護模塊只顯示了一個。圖中符號模塊上方的表格是參數(shù)表，表中Parameter和Value項分別是此模塊的參數(shù)名稱和所設定的參數(shù)值。

圖7 三段過流保護、過負荷、重合閘合成

4 結論

IEC61850是關于變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的新標準，基于此標準根據(jù)饋線配置的保護選擇邏輯節(jié)點，面向對象建模，并用層次化和模塊化的設計方法對保護方式建立FPGA模塊，以FPGA作為變電站饋線微機保護智能電子設備IED的處理器，可以為微機保護和變電站自動化系統(tǒng)提供廣闊的發(fā)展空間，只是這個發(fā)展前景及互操作性的實現(xiàn)還有賴于通用平臺的建立和完善。

［1］田國政.變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡及傳輸規(guī)約選擇［J］.電網(wǎng)技術，2003，27(9):66－68.

［2］周鵬，李楠.FPGA的設計及其在電力系統(tǒng)中的應用［J］.河南電力，2005(2):52－54.

［3］陳志敏，曹建.電力系統(tǒng)繼電保護的FPGA方案設計與研究［J］.華中電力，2007(3):11－14.

［4］阮建國，林家駿.數(shù)字保護算法的FPGA實現(xiàn)方法［J］.華東理工大學學報，2006，32(4):449－455.

［5］田志國，易永輝，劉崇新等.基于FPGA的微機保護圖形化編程設計［J］.繼電器，2006，34(1):15－17.

［6］童曉陽，李崗，陳德明，王曉茹.采用IEC61850的變電站間隔層IED軟件設計方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(14): 54－57.

［7］陳凡，李從飛，魯雅斌，張金貴.基于FPGA的微機保護板間通信技術［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36(18):73－77.

(責任編輯 王建華)

Application of FPGA in Feeder Protection Based on IEC61850

He Renwang，Xie Dandan，Yang Yibo，Rao Pan

(School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)

An object－oriented model for substation feeder digital protection is established based on IEC61850.Functions are decomposed according to the feeder protection methods and functions to be accomplished.Then the functions are gradually synthesized to establish the protection information model and information exchanging model，and choose a reasonable configuration for intelligent electronic device.The protection functions are realized using an FPGA processor.Parallelism，pipelining，and finite state machine design of FPGA can make the whole logic more reasonable and stable.FPGA is used to implement the glue logic of physical layer communication chip and network protocols interconnect.Functions of communications and network will be merged into the same device with a better interoperability.The protection functions are simulated using Quartus II.

feeder microprocessor－based protection;IEC61850;FPGA;Quartus II;functional simulation

TM773

A

1005－0523(2010)04－0052－05

2010－03－29

何人望(1963－)，男，博士研究生，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。