继电保护装置通用化硬件平台设计方法研究

赵喜军，李世学，王小进



继电保护装置通用化硬件平台设计方法研究

赵喜军，李世学，王小进

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文介绍了一种采用模块化、自定义总线的设计方法，该方法可突破现有的继电保护装置硬件可扩展性差，功能单一，适用范围有限的缺陷。使用该方法设计的继电保护装置，可通过不同的硬件模块组合，实现相应的保护、测量和控制功能。并通过样机的设计，验证该设计方法的有效性。

继电保护 通用化 硬件平台

0 引言

我国从20世纪70年代末开始了继电保护装置的研究，20世纪90年代中期，国内相继开发高压线路继电保护装置系列产品[1]。其设计技术经历了二十多年的积累和完善，各公司已形成了自己的设计规范和设计体系。随着市场的进一步细分和竞争的加剧，各企业对成本的控制日趋精细。在民用领域，继电保护装置产品的更新周期一般为5年，因此产品的功能和性能以及采购维护成本成了客户首要考虑的因素。因此定制化的设计模式在生产企业占主流，其设计流程如图1。

该流程设计的产品的优点是：可细分市场和客户需求，按客户需求定制，给客户尽可能多的选择。产品功能可满足大部分客户的需要，产品的结构形式尽可能一致，通过少量的软硬件变动可实现大部分保护测控功能，降低运行和维护成本。且由于用户群庞大，产品的需求量很大，微小的成本减小，都会对企业形成规模效益，相比为节约成本而投入研发费用，其产出还是很高的。

缺点是：按通用客户的基本需求配置，客户有特殊要求时需要进行非标设计。产品的可扩展性差，后期无法升级。无开放接口或开放接口少，对现场定制的支持比较差。现场实现客户的特殊需求时可能需要更改内部程序。增加了产品质为了弥补上述缺点，提出了一种基于通用化平台的继电保护装置设计方法。本文就通用化平台硬件设计方法开展研究。

2 通用化硬件平台样机设计

如何保证硬件设计的通用化、易扩展和调整，采用总线方案是解决这一问题的有效途径。通用硬件平台设计方法中将研究设计一套适合继电保护装置的总线结构，并设计相应的接口协议和确定接口协议的设计原则。通用化硬件平台设计参照PC机的设计思路，采用总线式结构。针对继电保护的常用电路模块，为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量采集模块分别设计各功能子板，各功能子板通过总线板相连，CPU板驱动总线。如此设计，除CPU板为必选外，其余各子板的数量客户可自由选择，且各板在装置内部的位置可自由配置，便于信号复用和走线。

在具备通用化平台硬件的基础上，则针对客户的需求，产品的设计变成了图2流程：

为了验证该设计方法的可行性和有效性，必须设计通用化硬件平台样机，实现由理论到实践再到理论的研究过程。

2 通用化硬件平台样机设计

通用化平台硬件设计方法的核心在于总线设计、硬件功能模块的划分和便于软件组态。要求个功能子板模块在装置中的位置可任意互换，各功能子板模块可任意选配，各功能子板模块的类型和功能能够被CPU板自动识别。本设计方法中以外发的总线作为载体，通过数据、地址和控制总线，以CPU模块为核心，对外围的模块进行数据交换和控制。总体结构如图3。下面就各功能子板的设计做详细描述。

2.1 总线设计

总线的设计是通用化硬件平台设计的关键，总线的信号定义和传输速度直接影响着通用化平台的整体性能，本设计中总线定义参照了ISA总线的定义[2]。但做了大量的精简，采用来14位地址线和16位数据线以及读写控制和复位信号线等。此外预留了10根备用线，以便传输特殊的信号。总线接口原理框图见图4。

总线板按照6个插槽设计，除CPU板外可插五个子板模块，子板模块的类型可任意选配，且在插槽上的位置可以任意互换而不影响子板的功能。16位总线的速度可达到32 Mbit，初步估算可满足继电保护的需要，此外过高的总线速度容易带来信号完整性的问题，不利于提高整机的电磁兼容性能。

2.2 模拟量采集模块

由于是设计方法研究，故本设计中模拟量采集模块按照8路模拟量采集的配置设计，由CPLD控制A/D转换，并对数据做预处理后送入FIFO暂存，供总线访问读取。在验证该方法有效后我们拟采用FPGA代替CPLD，在数据预处理部分加入必需的滤波与计算功能，并将FPGA中的RAM设置成双口RAM代替FIFO芯片[3]，进一步提高集成度和硬件的灵活性。

2.3 开关量采集模块

监测并接收外部的开关量信号变位情况，通过总线发给CPU，实现相应的显示、告警、联锁、解锁、跳闸或合闸等功能。每块子板可提供23路开关量输入信号的监测。

2.4 开关量输出模块

接收来自总线上的的开关量信号，驱动继电器或光耦动作输出开关量信息。每块子板可提供10路开关量输出信号。

2.5 故障快速识别模块

本模块用于需要提供百微秒级保护的场所，该子板模块含有单独的模拟输入，开入监测及开出量输出电路，与总线仅交互动作信息和整定值信息。开关量输出部分为光纤输出，满足远程传输和抗干扰的需求[4]。

3 可行性评价

通用化平台硬件设计方法研究目前完成了开入模块子板和开出模块子板设计，初步进行了功能的验证，可满足设计需求，证明了该部分设计方法的有效性。

4 结论

虽然该设计方法的部分内容目前还有待验证，但通过已验证的功能可以证明该设计方法与传统的设计方法相比还是占有相当的优势的。首先，它将大部分硬件设计变成了选型，这可以显著的缩小产品的研发周期，减小了研发费用，降低了风险。其次，便于扩展和升级，丰富的IO资源便于实现冗余设计。同一子板模块的硬件完全一致，互换性强，减少了备品备件的数量，降低了运行成本和维护成本。最后，丰富的硬件资源，通过适当的软件设计，可以对用户提供开放的可供现场组态的功能接口，便于实现特殊的控制而无需修改继电保护装置底层软件，降低了质量风险。

[1] 高亮. 电力系统微机继电保护. 北京：中国电力出版社，2007.

[2] 高春甫，艾学忠. 微机测控技术. 北京：科学出版社，2005.

[3] Altera公司. Cyclone II Device Handbook,Volume 1.

[4] A.M.S. Atmadji. Direct current hybrid breakers : A design and its realization. Eindhoven, The Netherlands, Eindhoven University of Technology.

Research on Design Method of Hardware Platform for Relay Protection

Zhao Xijun, Li Shixue, Wang Xiaojin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM581

A

1003-4862（2014）09-0038-03

2014-07-15

赵喜军(1975-),男，高级工程师。研究方向：电子电器。