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2)

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与此同时，“邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块”并行接收各“邻站数据帧收发控制子模块”发来的由网络中其它各变电站保护装置提供的数据帧（系广播帧）序列，其中携带了这些联网保护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，从中解析出这些载荷信息，由“数据、信号调度模块”转交给本装置的“保护算法模块”，作为广域智能暂态保护算法的数据源。

3.6.3 邻站数据帧收发控制子模块

各“邻站数据帧收发控制子模块”接收由广域网络中与本子模块对应的一个邻站的保护装置发来的广播数据帧序列，根据帧序号、源地址判断某个帧是否已经接收或转发给另外3个“邻站数据帧收发控制子模块”，若4个方向都已发送则丢弃，若存在未发送的方向，则接收、提供给“邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块”，或（和）转发给未经转发的“邻站数据帧收发控制子模块”，由其转发给各自连接的单个邻站。

与此同时，各“邻站数据帧收发控制子模块”接收的由“邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块”提供的待发送广播数据帧序列，将其发送到广域网络中与本子模块对应的一个邻站。

3.6.4 基于时分复用、保护时隙的防碰撞机制

共享介质的网络帧传输的核心问题之一是防碰撞机制。由于以变电站为节点的广域网络的节点个数有限，网络拓扑、工作模式、数据流量都基本固定，所以本文采取基于时分复用、保护时隙的防碰撞机制。以下基于图7所示的4x4变电站广域网络为例进行介绍。

图7  4x4变电站广域网络拓扑

图中，Smn（m=1,2,3,4; n= 1.2.3.4）为16个变电站，为方便讨论，设相邻变电站之间的距离略短于300km，在考虑PHY芯片、光电/电光转换器导致的延迟的情况下，邻站保护装置中执行保护算法的FPGA之间的帧传输延迟为1ms。站间网络介质为千兆光纤。

本机制的设计目标：任何网络节点都能在6ms之内无遗漏地接收到另外15个节点在此前0.25ms内发出的帧。

图8所示为各节点的发送帧时序。

图8  各网络节点发送帧时序

图中，Tmn（m=1,2,3,4; n= 1.2.3.4）为分别分配给16个节点的发送时间窗，前半部分为实际发送时段，后半部分为保护时隙。所有节点都必须在分配给自己的实际发送时段内从最多4个“邻站数据帧收发控制子模块”发完各子模块需发送、转发的最多16个帧。

图9为帧载荷能力计算表。

图9  帧载荷能力计算

说明：自上而下进行计算，除计算“每帧净载荷可用带宽”、“每帧净载荷可用的比特数”用乘法之外，其它未知量的计算都用除法。

由此可见，本例中每个节点可以以4000帧/秒的速度发送广播帧，每帧携带61个字节的有效载荷。这相当于15个32位有符号数（或单精度浮点数）+1个8比特的状态量，也就是说，等效的单路暂态信号采样频率为4000x15=60kHz。如果适当提高净载荷占空比（0.5的确比较保守），还可以携带更多的状态量。

当节点间距离不是300km时，可以在FPGA中调节帧发送时刻。由于网络结构比较简单、带宽占用方式固定、节点间传输延迟固定，这种调节可以预先设定好。

补充说明1：本例中的网络带宽是1000Mbps，这已经是N年前的技术，如果提高到10G或者更多，则可以携带更多的有效载荷。

补充说明2：这里给出的只是最简单的防碰撞方案，留有余量，仅仅用于说明将广域暂态保护提升为主保护的可行性。工程意义上的最优方案需要后续的专业人士来确定。

4. 结语

基于FPGA的优异性能，本文提出了“保护数据不出芯片”、“保护--合并单元联合装置”、“保护数据及网络传输协议不出芯片”、“将广域暂态保护提升为主保护”四种观点，为优化保护装置的快速性提供了思路。

希望本文的工作能帮助更多继电保护业内人士了解“以FPGA为核心实现继电保护装置”的重要意义，促使更多资源投入到这一充满创新机会的领域。

在此引用参考文献[1]结语部分的内容：

“以FPGA为核心实现继电保护装置，将CPU、DSP架构下的“运算能力天花板”抬升到了前所未有的高度，为各种新算法的开发、实现提供了坚实的基础。采取“以硬件资源换性能”的策略提高保护装置的性能，需要各方面技术人员的通力协作，尤其需要保护算法设计师在设计理念上进行一定程度的调整，需要电力系统故障分析师、保护算法设计师、FPGA应用研发设计师、PCB设计师密切配合，甚至可能需要借鉴大型机系统架构设计师的经验，需要多方协作进行大量的理论探索、算法研究、实践验证，不可能一蹴而就。

事实上，这个过程在技术上必将是困难重重、成本高昂的。而且，由于其将在很大程度上改变继电保护行业现有的技术格局、产业格局，从而必将面对来自方方面面的阻力。尽管如此，正如历史上一再上演的由技术手段突破导致的产业变革一样，这一变革将是不可阻挡的。因为，一旦有企业（尤其是国外企业）率先取得成功，其产品将在性能上取得显著的优势，从而迫使其他企业在技术跟进与退出市场之间做出选择。”

参考文献：

1. 《以FPGA为核心实现继电保护装置的片内系统架构及保护算法实现策略》，林伟，2014年6、7月发布于各大电力论坛。

2. 《基于直采直跳模式的智能变电站的母线保护应用研究》，王晓晨等，电力系统保护与控制 第39卷第19期  2011年10月。

3. 《电力系统继电保护导论》（ppt课件），刘益青，2014年编写。

4. 《保护智能化的发展与智能继电器网络》，薄志谦等，电力系统保护与控制第41卷第2期  2013年1月。

5. 《以FPGA为核心实现继电保护装置：暂态信号可定制实时时频精细分析算法及实现》，林伟，2014年10月发布于各大电力论坛。

6. 《以FPGA为核心实现继电保护装置：暂态保护中以多种小波基实时处理多路采样值》，林伟，2014年9月发布于各大电力论坛。

这篇文章中有一部分内容是错误的，必须进行删节、修改。


在此谨向本文读者道歉！