暂态保护AD模块开发

彭龙生

（南方电网综合能源有限公司，广东广州 510000）

暂态保护AD模块开发

彭龙生

（南方电网综合能源有限公司，广东广州 510000）

提出了基于复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）的暂态保护AD(Analog-to-Digital)模块。该模块无需主控制器的干涉，采集时间几乎只取决于AD转换器的时间，具有采样速度快、智能化、可靠性高、价格符合工程实际等一系列优点，同时保持与保护主控制器有良好的接口，可方便地嵌入到微机保护装置中，具有较强的工程实际应用价值。关键词：暂态保护；数据采集；模数转换；复杂可编程逻辑器件（CPLD）

0 引言

目前的微机保护装置基本上是基于工频量的，基于工频量的微机保护装置具有可靠性高等一系列优点，但同时由于其基本原理是基于工频量的，虽然也提出了一系列加快保护动作的措施，基于工频量的微机装置的保护速度始终受到限制[1-2]。国外也研发了基于行波的保护装置，保护动作速度虽然可以很快，但可靠性无法保证。随着对电力系统认识的加深，数学水平和信号处理技术的提高，微电子的飞速发展，暂态保护越来越受到人们的关注。由于利用的是故障高频分量信息，暂态保护具有动作速度快的突出优点，和基于工频电气量的保护相比，保护动作时间一般在几毫秒，是很值得进一步研究的方案[3-4]。本文构造了功能强大、符合实际工程需要的暂态保护AD模块。

1 系统设计思路

传统的微机保护采集系统是由主控制器直接控制，采集系统软件上一般是作为主控制器的一个中断子程序，主控制器在通常时间处理其他程序，当采集中断出现后，主控制器便转入采集中断子程序进行相应处理。这种由主控制器直接控制的采集系统具有硬件简单等优点，但是当采样频率要求很高的时候，如果仍然采用这种方法，很可能出现采样子程序频频中断以致主控制器根本没空隙处理其他程序甚至出现主控制器运行崩溃的情况。半导体技术的飞速发展为电路控制提供了许多选择，可编程器件PLD(programmable log⁃ic device)由于具有可以软件灵活修改、硬件并行执行、可靠性高、保密性好等一系列优点完全可以作为采集系统的控制器。由于采集系统所需的控制电路相对简单，不需要大规模的数学运算和复杂的逻辑判断，采用其中一种可编程器件CPLD构造暂态保护AD模块。基于CPLD的AD模块可以根据实际工程的需要灵活地进行软件上的编程，实现电路系统功能的修改和扩充而无需修改硬件电路，大大方便了电路设计[5-6]。因为CPLD本质上是硬件，各项功能可以完全并行实现，相对于以串行指令运行微处理器，具有更高的可靠性和快速性。所以本文设计的暂态保护AD模块采用CPLD为控制器。忽略CPLD内部门和连线的延迟（一般都很短，几个到十几个纳秒），该模组的采样频率完全由AD转换器自身的工作频率决定,可以实现很高的采样速率。

2 具体电路设计与实现

2.1 总体设计

所研究的暂态保护智能AD模组在设计上充分考虑了模组的通用性与灵活性，采用“软（件）硬（件）协同”的开发策略，构造了以CPLD为核心控制元件，辅以多路转换开关（可选）、运放、高性能AD等器件而成的模块。考虑到暂态保护对需要大量的实时数据和主控制器对数据处理的实际能力，采集模组采用了自适应采样速率，在监控状态下采用较低的采样速率，当判别所采集的数据出现突变后，启动快速AD转换，采用高速率采样。快速AD转换启动主要在CPLD内部通过比较器实现，同时考虑到快速AD转换启动的可靠性，还附加了硬件快速AD启动电路，可以作为辅助判据。图1为该模组功能图，其中虚线包围部分为CPLD所实现的控制功能，主要包括了FIFO控制器、AD和模拟量前置处理控制、快速AD启动控制器、GPS对时及分频器等三个模块功能。

图1 暂态保护AD模组功能图

2.2 FIFO控制器

由于CPLD的内部结构形式和资源限制，CPLD目前还不适宜做大容量的存储器，而该采集模组需要保存大量的数据，因此需要另外选择存储器；考虑到所采集的数据是一串有时间顺序的数据流，而FIFO器件只有片选、读/写控制、输出（入）使能等几条控制线，相对于其他存储器件控制简单，PCB布线更加简洁。因此，选择FIFO作为该模组的存储器。FIFO控制器所实现的主要功能是当模数转换结束以后，FIFO控制器与AD控制器配合，将模数转换后的数据送入FIFO以便主控制器读取。

2.3 AD和模拟量前置处理控制器

AD和模拟量前置处理控制器的设计相对简单，主要是根据逻辑顺序用逻辑状态机完成模拟量从CT、PT输出到转换成数字量的控制，主要包括复位AD、启动AD转换、判断AD转换是否完成以及读取AD转换数据等。同时，该控制器配有快速AD转换计时器，用于控制快速AD转换的持续时间。当计时器的设定时间到时，计时器清零同时转入慢速AD转换。

2.4 快速AD启动控制器

当AD转换结束将数据传送到FIFO时，快速AD启动控制器配合动作，同时也将数据送到比较器跟事先设定的阀值做比较。考虑AD转换误差的客观存在以及快速转换启动精度要求不是十分严格，可以选择AD转换后数据其中适当的位数而无需全部的位数送入CPLD跟阀值进行比较，这样将极大减少CPLD的资源要求，具体位数的选定跟AD转换后的数据格式有关。如果比较的数据大于阀值，计数器便开始计数，当计数器超过设定的阀值时间时，便输出启动信号到逻辑判断器，逻辑判断器同时根据该输出信号和硬件触发电路的判断逻辑决定是否需要快速AD启动。快速AD采集启动的同时，也启动快速AD采集计时器，当计时器增加到设定的时间时，便结束快速AD采集，自动转入慢速AD采集。在本设计中，为了节省CPLD资源，采用了移位方式来构成计数器。

2.5 GPS对时及分频器

数据采集需要精确的时间间隔和同步控制，仅依靠晶振给CPLD提供时间基准是不够的，时间一长会导致时间累积误差。因此，本设计中，除了高精度恒温晶振提供CPLD的全局时钟外,还有GPS秒脉冲信号接口。晶振提供的全局时钟驱动CPLD的计数器直到秒级，并由GPS部件发出秒脉冲信号清零校准。必要时，计数器里累加值添加区别于AD转换值的标志位后插入FIFO中作为主控制器提供微秒时标。由于该采集模组需要快、慢两种采样速率，所以计数器分频输出两种采样脉冲,由快速AD启动控制器判断选择其中一种合适的采样脉冲控制AD转换器。分频器由比较器构成，根据所需分频的倍数，选择合适的位数与计数器的累加值做比较即可。

3 关键问题讨论

3.1 快速AD转换启动

快速AD转换的启动可以采用两种方式：软触发和硬触发。软触发具体指的是CPLD不断根据AD转换后的数据进行判断，当AD转换后的数据连续超过了阀值，便启动快速AD转换；硬触发则需要外部电路辅助完成，主要由比较器构成。硬触发需要外部硬件电路，使电路复杂和PCB面积增大。在保证软触发可靠动作的情况下，硬触发作为辅助判据，可以根据需要灵活决定是否需要硬触发功能。在模组具有软触发和硬触发两种触发功能的情况下，根据灵敏性和可靠性的具体要求，灵活地将快速AD转换的启动设为软触发和硬触发的“与”或“或”输出，这只需在CPLD编程时软件实现。

由于采用了两种采样速率，必须区分两种不同采样速率下的数据，对其加上“标签”，以方便主控制器对从FIFO读出的数据流做可靠处理。本设计中，CPLD判断出AD的采样速率，然后在AD转换结束数据送入FIFO时，根据不同的采样速率自动添加一个采样速率标志位，从数据流看，每一个FIFO数据比AD转换后的数据多了一个采样速率判断标志位。这样主机不但可以根据采样速率标志位知道对应数据的采样速率并进行相应的处理，而且可以了解数据流的变化信息，因为标志位的变化也说明了数据流的突变信息，方便了故障启动判断。

3.2 采样速率选择

采样速率的选择是需要综合评估的，需跟实际工程要求和电路设计能力相结合，不完全是采样速率越快越好。否则不仅对采集模组的存储要求很高，很可能出现的情况是：一直采用非常高的采样率频采，导致采集模组中存储大量数据而主控制器不能及时处理而引发数据流崩溃。因此，本模组采用两种采样速率，在一般情况下用较低的采样速率，该采样频率具体由主控制器的处理、通讯能力和本模组的存储能力决定。同时，当出现异常情况时，启动快速AD转换，保证暂态保护所需数据能够准确、及时采集，以便主控制器做进一步处理。

当然由于电网的污染，各种干扰随时都可能出现，有必要采取一定的措施避免干扰导致快速AD转换的频繁启动。

4 结论

随着电力系统向着大联网以及更高电压等级的趋势发展，对继电保护提出了更高的要求，需要探索新的保护来补充目前以工频量为主的继电保护方式，暂态保护是最有可能和最有前途的保护方式。实现暂态保护的一个关键就是能否根据暂态保护的要求实现快速、准确的数据采集。本文提出并构造了基于CPLD的暂态保护AD模块。该模组最大的采样频率几乎等于AD转换器自身的频率，可以灵活地根据实际工程的需要进行软件上的编程，很容易进行修改以满足功能扩充等需求，具有可靠性高、保密性好、价格符合工程实际等一系列优点，有较好的工程应用价值。

［1］薄志谦.新一代电力系统继电保护──暂态保护［J］.电网技术，1996（03）：34-36，40.

［2］葛耀中.高压输电线路高频保护［M］.北京：水利电力出版社，1987.

［3］董新洲，葛耀中.新型输电线路故障测距装置的研制［J］.电网技术，1998，22（1）：17-21.

［4］曾祥君，尹项根.电力系统暂态过程同步记录的研究［J］.电力系统及其自动化学报，2001，13（1）：1-4.

［5］牟晓勇，黄益庄，李志康.嵌入式双速暂态信号同步录波装置［J］.电力系统及其自动化学报，2003，27（20）：92-94.

［6］林涛，丁杏明，尹项根，等.微机保护用高速数据采集模块的研究［J］.继电器，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

彭龙生，男，1988年生，广东广州人，大学本科，助理工程师。研究领域：电力系统自动化和可靠运行。

(编辑：向 飞)

2014－06－10