继电保护装置通用化硬件平台技术研究

许向东

（云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂冶金研究院设计中心, 昆明 650051）

继电保护装置通用化硬件平台技术研究

许向东

（云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂冶金研究院设计中心, 昆明 650051）

本文以硬件平台的通用化作为继电保护装置研究的出发点，研究硬件平台的系统结构、核心总线的设计、标准模块的开发等内容。在对国内外继电保护装置分析比较的基础上，提出了一种模块化、自定义总线的设计方法，并对硬件的抗干扰措施进行了阐述，该方法可扩展性强，适用范围广，通过原理样机验证了该设计方法的有效性。

继电保护 硬件平台 自定义总线

0 引言

通常，电力系统采用断路器作为主要保护设备，但由于系统的短路故障形式多样，单独的采用断路器难以更好的实现系统的选择性保护、故障恢复和系统重组。不利于提高舰船的战斗力和生命力。而采用“断路器＋继电保护装置”是最佳的技术方案，核心技术是继电保护装置通用化平台技术及其电磁兼容性实验，即限制短路电流的上升，把它抑制在允许范围内，再通过断路器分断（也可以自行分断），以实现系统短路电流的保护[1]。因此，如何实现综合全电力系统短路电流的保护是一个十分关键的课题，如何设计通用化的继电保护装置也成为一个刻不容缓的问题。

1 通用化平台的硬件设计

通用化平台的硬件设计首先要注重整体方案的设计，确定平台的整体架构，注重平台的先进性和扩展性，之后开展平台核心CPU板模块的设计及总线接口芯片的设计，完成平台的IO板模块及总线板设计，完成上述内容后组成通用化平台整机（不包含模拟板模块和故障快速识别板模块），进行IO板模块可自由配置试验，修正前期设计中功能上的缺陷。

其次研究模拟信号的滤波及调理电路，研究数字滤波算法，设计A/D转换控制、数字信号处理及总线接口控制的FPGA/CPLD程序，完成模拟量模块的设计。之后与通用硬件平台整机配套，实现常规的基于时间和定值原则的保护功能。根据不同的应用环境和使用需求，通过静态循环测试，调整硬件滤波电路的参数，修正软件滤波算法。

最后研究故障快速识别技术，重点研究基于电流上升率的故障电流的快速检测技术，滤波方法，联锁信号的传输，快速出口电路的设计，数字信号的处理，总线接口。选择典型的应用环境，验证快速识别技术的有效性，总结设计方法和试验方法。

如何保证硬件设计的通用化、易扩展和可调整，采用总线方案是解决这一问题的关键，本研究在通用硬件平台的设计中将设计一套适合中压断路器继电保护装置的总线结构，并设计相应的接口协议和规则，完成一系列相关模块。

继电保护装置通用化平台设计，需遵循模块化，易扩展，灵活方便的原则。本设计中拟采用总线的方式，通过无源底板实现模块的快速扩展，以CPU模块为核心，对外围的模块进行数据交换和控制，插件板确定为4U高度，结构采用4U标准机箱结构。

2 平台的硬件组成

继电保护装置通用化硬件平台按其功能可分为：信号调理电路、信号处理与控制电路、液晶显示以及与上位机通信接口电路、合分闸控制与放电保护电路等，下图为通用化硬件平台总体结构框图。

图1 通用化硬件平台总体结构框图

图中的电源模块和CPU板模块是必需的，其他模块都可以根据具体的信号要求进行选配。人机交互模块采用高速串行通信电路的形式与CPU模块进行数据交换，完成显示、参数整定等功能，既可以提高CPU模块的运行效率，又可以提高整机的可靠性。总线上每个单板的结构示意图如图1所示[2]。

2.1 CPU板模块

其系统的硬件框图见图2。CPU板实现的任务：1）保护CPU的主要任务包括：a)控制A／D采样系统及开关量输入；b)对采集的数据进行数字滤波，并对滤波后的数据进行各种保护算法操作；c)与控制CPU进行通信，完成处理结果的传送。2）控制CPU的主要任务则为：承担整个系统的控制、通信、存贮的功能，借助uC-OSII操作系统处理各种复杂任务，管理各种外设，监控整个系统的运行状况，为整个微机保护装置提供高效率的处理平台.

双CPU之间的通信是主要解决的问题。在本装置中利用高性能的双口RAM来构成高速数据传送接口的方案。双口RAM 是一个共享式多端口存储器，具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问。保护CPU与监控CPU双方之间按照一定的通信协议，同时通过双口RAM完成数据的读取或存储，对数据进行分析后完成彼此命令的交互并执行相应保护处理子程序。保护装置中的双口RAM采用美国CYPRESS公司开发研制的CY7C028来构成。CY7C028是5V高速64K×16bits的双口静态RAM，最快存取时间可达15 ns，可与大多数高速处理器配合使用，在读存数据时不用插入等待状态[2]。

图2 CPU板模块硬件框图

2.2 开入板模块

开入板的功能主要为接收监测外部的开关量信号及其变位情况，通过总线发给保护CPU及控制CPU，实现相应的保护和控制，同时在人机界面上实现显示、告警、联锁、解锁、等功能；每个板设计23路开入量[3]。开入板的结构框图见图3。

图3 开关量输入模块结构框图

2.3 开出板模块

开出板的功能主要为接收来自保护或控制CPU的开关量信号，驱动继电器动作输出开关量信息，实现相应的显示、告警、联锁、解锁、跳闸或合闸等功能，每个板设计10路开出。

硬件原理框图如下：

图4 开关量输出模块结构框图

2.4 数据采集板模块

数据采集模块主要完成对对小信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等操作，相应的执行电路统称为信号调理电路。本硬件平台中主要是将分流器采得的与电流大小相对应的弱电压信号经过小信号放大、线性隔离、低通滤波后送入高精度A/D转换器进行转换处理，并将转换成的数字信号送入CPU进行运算处理，根据处理结果发出相应的控制命令等系列操作，这部分的主要功能是对模拟量进行处理，对A/D转换器的转换结果进行运算处理、依据判据给出相应命令，同时对故障快速识别板送来的信号进行响应，此部分为测控单元的核心，电路采用的ADC是AD7656，它是一种16位6通道自同步模数转换器，使用了iCMOS工业制造技术，具有性价比高、精度高、能耗低、转换速度快等优点，尤其适合于电力系统中模拟量的测量。

2.5 故障快速识别板模块

本继电保护装置拥有独立的模拟输入，开关量输入和输出接口，内部具有A/D或比较电路及FPGA或CPLD，实现故障的快速诊断、识别和出口[3]。对短路电压与电流信号进行时间频率域分析计算，确定特征量与参数。在故障快速识别电路实现上，采用特种电流传感器与故障模型的研究成果，以FPGA/CPLD为核心，结合高速A/D、快速比较器等电路实现故障识别。具体方案如下。以FPGA/CPLD结合高速A/D转换器的实现方法。

方案采用高速A/D转换器对电流等信号进行转换，由FPGA/CPLD实现幅值计算、变化率求取、滤波、判断等关键算法，并输出动作信号，结构见图5。本硬件平台的关键是FPGA/CPLD的设计，它既要完成高速A/D转换器的控制，同时也实现算法。它的优点是在实现一定程度的复杂算法的同时，保证了处理的实时性（运算时间为微秒级）；完全的数字化整定，参数整定方便，不需要模拟电路的调整；算法可以灵活调整；解决了以CPU为核心实现快速故障识别所需要的高速软件设计难题。本方案的缺点为FPGA/CPLD设计比较复杂，开发周期长。

3 硬件抗干扰措施

本通用化硬件平台的工作环境中存在很强的电磁场干扰，影响控制系统的正常运行，给系统带来误差，甚至会损坏系统。因此必须采取相应的措施。设计中主要采用了如下一些硬件抗干扰措施。

3.1 印刷电路板抗干扰措施

在结构布局上，数字电路、模拟电路、大电流器件和噪声源器件(如继电器)等分开放置。对于频率很高的CPU时钟电路，尽量靠近管脚放置，使时钟线尽量短，同时采用地线将整个电路圈起来。另外，在布线层也采用了地线大面积敷铜，在每两根印制线之间尽可能地加入一条地线进行静电屏蔽；同时使印制线之间的距离尽可能地大；使顶层和底层的布线相互垂直，从而最大限度地减小印制线之间的耦合干扰，尽量加粗各种印制线，减小印制线本身的阻抗；布线时，电源线、地线的走向与数据线传递的方向一致，增强系统抗噪声的能力：尽量避免长距离的平行走线，以防止它们之间的相互串扰；拐角处应为斜线，避免直角；A／D转换器下面避免走数据线等等。

3.2 隔离抗干扰措施

在本硬件平台中，输入模拟信号由分流器采得经过OPA2227运算放大后送入A/D, OPA2227可以将控制单元与直流强电系统完全隔离，有效抑制了强干扰对电路的影响，提高了系统运行的安全性。信号输出采用光耦TLP181进行隔离，命令信号由CPU给出后控制光耦驱动电流的通断，从而实现对放电回路中可控硅的控制。控制单元与放电回路只有信号联系，没有电气的直接接触，从而保证了放电回路产生的强电流不会对系统造成太大影响。此外，与上位机接口电路采用高速光电耦合器将其与上位机隔离开来，避免二者之间互相影响。另外，还采取了接地、硬件看门狗、滤波抗干扰等措施。

图5 故障快速识别实现方案

4 结束语

本文能比较客观实际的反映继电保护装置硬件平台的通用化设计技术及其抗干扰措施的研究，完成了模块化总线方式的通用化平台的软硬件设计，同时完成了故障快速识别电路。该方法扩展性强，适用范围广，通过原理样机验证了总线方式和硬件平台的通用性。

[1] 王维俭．电气主设备继电保护原理与应用．北京：中国电力出版社，1996.

[2] 赵峰．高性能双端口RAM及其应用[J]．现代电子技术，1997，(7).

[3] 罗承廉．继电保护及自动化新原理、新技术研究及用用[M]．武汉：华中科技大学出版社，2005.

Research on Universal Hardware Platform Technology of Protective Relay Device

Xu Xiangdong
(Yunnan Copper Company Metallurgy Research Institute Design Center, Kunming 650051, China)

In this paper, the universal hardware platform is taken as the starting point for the research on the relay protective devices, including the research on hardware platform architecture, the design of core bus, the development of the standard module. On the basis of analyzing the protective devices home and abroad, the paper proposes a modular and custom bus design method with characteristics of easier extension and more wider use, and validate the effectiveness of the design method through the designed protective device.

relay protection; hardware platform; user-defined bus

TM561

A

1003-4862（2013）05-0001-03

2012-11-08

许向东(1966-)，男，高级工程师。研究方向：电气自动化及电气设计。