以FPGA为核心实现继电保护装置：对装置架构、站内网络架构、广域保护架构的影响(续1)

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具体而言，就是构想“保护数据、非保护数据分离”理念，在将保护功能集中于FPGA芯片内部的同时，由FPGA中另外的硬件资源形成与保护功能模块并行运行的功能模块，将采样值（以及处理后的采样值）中慢速的非保护数据、各种待提交的状态量提取出来，按照其原本所属的间隔重新进行分组，经总线提供给独立于FPGA芯片、相对慢速的CPU系统，由CPU将这些数据组分别打包进SV/GOOSE帧，提供给间隔层装置（例如测控装置）；同时，CPU还负责接收、下传各种配置信息，实现标准的合并单元装置所必须实现的各种协议、功能，使保护装置在间隔层装置看来包含了“分别位于各自所属间隔中的过程层上的多个合并单元”。

当然，CPU也需要提供传统意义上位于间隔层的保护装置所应提供的符合IEC 61850标准的各种功能、接口，以实现间隔层装置与已有的站控层装置、过程层装置、其它间隔层装置的信息交互、功能配合。

这样，就需要在图1中的右下角加上一个“慢速数据提取、外部CPU总线接口模块”，如图2所示。

图2  FPGA片内系统架构（第一步改进）

另外，如果CPU的运算能力不足以实现这么多装置与外界的接口，可以附加一片低成本FPGA（相对于承担保护算法的高性能FPGA而言它是低成本的），以分担部分SV/GOOSE帧、其它逻辑接口帧的成帧、解帧工作。此时，装置的整体框图如图3所示。

图3  保护--合并单元联合装置系统架构

于是，此方案在“保护数据不出芯片”、高速实现保护功能的同时，既保持了IEC 61850架构在互操作性、网络分层方面的优势，又方便了高级业务功能、管理功能（例如在线定值下发、在线变更保护逻辑组态、MMS等）的实现，而且尽可能地减少了对三层结构中其它装置的影响，兼顾了已有的投资。

3. 以FPGA为核心实现继电保护装置对广域保护架构的影响

3.1 目前业内对广域保护的共识

参考文献[4]指出，基于目前技术水平，广域保护的开发应以基于工频量测量的保护原理为主，集成和广域保护的应用主要是作为后备保护。个人理解，这里所说的“目前技术水平”主要就是指DSP芯片的运算能力、以CPU中断定时精度为上限的广域帧传输定时精度。

3.2 FPGA在运算能力方面的突破

关于应以基于工频量测量的保护原理为主，FPGA技术已经将DSP的“运算能力天花板”抬升到了前所未有的高度。参考文献[5]、[6]的工作证明：对于大多数保护算法来说运算量最大的特征量提取环节，完全可以以远高于DSP运算能力上限的速度在FPGA中予以实现，尤其是在处理高速采样的暂态信号数据的情况下。也就是说，FPGA提供了基于暂态信号分析开发广域保护系统的运算能力。

3.3 FPGA在广域帧传输定时精度方面的突破

关于广域帧传输的定时精度问题，FPGA技术的特性之一正是定时准确[1]。也就是说，如果充分利用FPGA提供的大量高速、并行运算资源，在FPGA中实现变电站之间交换保护用快速数据集的组帧、解帧、通道时分复用、直通转发等网络功能，也就是说，实现“保护数据传输网络协议不出芯片”，FPGA芯片出口处的帧发送延迟抖动将以纳秒为单位计算 -- FPGA的定时误差不大于其运行的主频时钟周期（参考文献[3]验证的FPGA运行主频为200MHz，即时钟周期为5ns，若采用硬件架构更先进、速度等级更高的芯片还可以更快）。如果忽略装置定时精度的影响，帧发送时刻的抖动量将取决于理想发送时刻与FPGA主频时钟周期之间的“相位关系”。

至于理想发送时刻的定时精度，也就是装置本身的定时精度，对于广域帧全局定时来说，GPS、北斗系统的微秒级定时精度已经足够了。进而，如果由FPGA实现与GPS、北斗芯片的交互（即图1中的“校时、故障录波模块”的部分功能），就可以将产生于实现阶段的误差降低到最小程度。

3.4 将广域智能暂态保护提升为主保护

基于上述内容，以FPGA为核心实现继电保护装置，可以在多个变电站之间实现暂态保护数据源采样时刻、帧发送时刻的微秒级精度的同步，可以实现对高速采样的暂态信号数据的及时处理，从而为整合广域暂态信息、形成基于多变电站高速暂态采样值集（或/和特征量值集、保护特征判断结果集、分合闸信号集）序列的广域暂态保护提供了技术基础。

如果变电站之间的距离为300km，则光信号传输导致的延迟为1ms，对于一个节点（变电站）间最大跳数为5的网络，其站间数据交互的最大延迟约为5~6ms。由于FPGA具备高速并行运算能力，如参考文献[5]、[6]所验证的，其对高速采样得到的暂态数据进行预处理的延迟为几百us数量级。笔者根据经验保守估计，在考虑到积累数据以形成有效数据窗的因素后，完成特征量提取、保护算法的延迟不会超过3~4ms，理想情况下应该在2ms之内。

也就是说，按照笔者的估计，从暂态故障信号到达网络中位于最远端变电站的AD转换芯片数字量出口，到本地变电站收到这个远端变电站的跳闸出口驱动信号 -- 包括比它近的所有变电站的信号 -- 延迟不会超过10ms。

这已经是主保护的速度级别了。

3.5 基于“保护数据传输网络协议不出芯片”理念的片内系统架构

基于“保护数据传输网络协议不出芯片”理念的片内系统架构如图4所示。

图4  FPGA片内系统架构（第二步改进）

相对于图2，本架构中添加了“邻站数据交互模块”、“PHY芯片+光电/电光转换器（接各邻站光纤）模块”，以实现对广域帧的成帧、解帧、收发控制。

相应的，支持“保护数据传输网络协议不出芯片”的保护--合并单元联合装置的整体框图改为图5。

图5  保护--合并单元联合装置系统架构（改进）

3.6 邻站数据交互模块的结构及功能实现

由于变电站保护装置形成的广域网络具有节点个数有限的特征，且网络拓扑、工作模式、数据流量都基本固定，所以不需要以复杂的方式、频繁地改变实时数据路由，从而为以FPGA实现简单交换功能提供了可能性。

3.6.1 邻站数据交互模块的结构框图

“邻站数据交互模块”的结构框图及与其它模块的连接关系如图6所示：

图6  邻站数据交互模块（以4个邻站为例）的结构框图及与其它模块的连接关系

如图，邻站数据交互模块由一个“邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块”、四个“邻站数据帧收发控制子模块”构成。3.6.2邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块

“邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块”接收“数据、信号调度模块”发来的本装置生成的高速暂态采样值集（或/和特征量值集、保护特征判断结果集、分合闸信号集）序列，添加本站地址、控制信息（帧序号等）、校验信息，形成待发送广播帧，并行提交给各“邻站数据帧收发控制子模块”。

长度超限，待续......

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