以FPGA为核心实现继电保护装置：广域暂态主保护及其系统架构设计

以FPGA为核心实现继电保护装置：广域暂态主保护及其系统架构设计

林伟

摘要：分析了以FPGA为核心实现继电保护装置可能对广域保护架构产生的影响，提出“保护数据、网络传输协议不出芯片”的理念，即在保护芯片内部实现用于在变电站之间交换保护用数据集的组帧、解帧、存储转发功能，实现保护数据在站间的快速、实时、延迟可预测的传输，使站间保护数据集交互的延迟压缩到毫秒级（距离/光纤中的光速），延迟抖动压缩到0.1微秒级（基于北斗/GPS）。进而，结合FPGA实时处理多路暂态信号高速采样值的能力，提出了“广域暂态主保护”的思想，设计了其片内系统架构，描述了其中用于实现变电站间信息交互的关键模块的基本结构、功能实现方式。以一个简单的4x4变电站网络为例，设计了初步的“预定义数据流向的全网数据调度策略”，对基于千兆以太网光纤通道的变电站间保护数据集交互的延迟、数据承载能力进行了量化分析，初步验证了“广域暂态主保护”理念的可行性。

关键词：继电保护，FPGA，暂态保护，广域保护，主保护

0. 引言

广域保护是近期继电保护研究的热点。目前的研究中主要将其作为后备保护，这在一定程度上限制了广域保护在电力系统中所能发挥的作用。

本文借鉴前人的工作，基于以FPGA为核心实现继电保护装置的系统架构，充分利用FPGA高速、并行、运算资源丰富、定时准确的特性，将与保护功能相关的数据采集、处理环节与保护用数据的网络传输功能整合在一片FPGA中，提出了“保护数据、网络传输协议不出芯片”的理念、“广域暂态保护主保护”的思想，并就相关系统架构、关键模块、网络数据调度策略的设计进行了探索。

1. 广域保护及其应用限制

关于广域保护，参考文献[1]指出：广域保护系统根据电力系统多点信息，对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制措施，从而同时实现继电保护和自动控制的功能。

参考文献[1]同时指出：基于目前技术水平，广域保护的应用主要是作为后备保护。

按照本文作者的理解，这里所说的“目前技术水平”主要指DSP芯片运算能力的限制、以CPU中断定时精度为上限的广域帧传输定时精度。如果从这两方面加以提高，就有可能将广域保护提升为主保护，从而使主保护建立在对更多数据源进行分析的基础之上，提高主保护的选择性、可靠性、灵敏性。

2. FPGA在运算速度方面的优势、对广域保护的意义

现代FPGA芯片提供了速度为几百MHz、可以独立/协同运行、功能可配置的几百上千个基础DSP硬核、几百上千个片内RAM块、几十万个带寄存器的多输入逻辑运算单元，以及大量可配置连接方式的分布式连线资源，相比于目前继电保护装置中用于执行保护算法的主流芯片 -- CPU、DSP，具有显著的运算能力优势。

如参考文献[2]、[3]所验证的，中档FPGA对以500kHz采样得到的2路暂态数据进行预处理的延迟为几百us。同时，考虑到FPGA具有并行运算的特征，基于“以硬件资源换性能”的原则，通过使用资源更多的大容量FPGA，完全能够以相同的延迟并行处理从十几个变电站以几百kHz频率采样得到的暂态数据流。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。

与此同时，参考文献[2]、[3]还证明了基于FPGA完成保护核心算法的可行性，破除了“FPGA只适合做外围辅助工作”的传统观念。

因此，以FPGA为核心实现继电保护装置，充分利用其高速并行运算能力，就可以实时处理位于变电站广域网络中多个节点的保护装置高速采集到的暂态数据流，为实现基于暂态数据流的广域主保护提供运算能力基础。

3. FPGA在广域帧传输定时精度方面的优势

3.1 保护数据不出芯片

众所周知，减少数据处理环节对于提高保护算法的执行速度是非常重要的。

参考文献[4]的图1将从数据采集到分合闸逻辑在内的数据处理各环节全部整合在一片FPGA芯片内，消除了数据在芯片间、板卡间、装置间传输导致的额外延迟。也就是说，参考文献[4]事实上提出了“保护数据不出芯片”的理念。

3.2 保护数据、传输网络协议不出芯片

3.2.1  FPGA的定时精度

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。FPGA进行定时的方式是：在每个主频时钟周期寻找外部定时信号的跳变沿，然后以主频时钟周期为单位进行计数，以输出的计数值作为相关操作（例如发送数据帧）的定时基准。

所以，如果忽略装置外部定时信号源精度的影响，在采用外部高稳晶振的情况下，FPGA能实现的定时误差不大于其运行的主频时钟周期x2（寻找跳变沿的1个时钟周期+实际启动数据运算、传输的1个时钟周期）。参考文献[2]、[3]验证的FPGA运行主频为200MHz，即时钟周期为5ns、定时误差为10ns（若采用硬件架构更先进、速度等级更高的芯片还可以更快）。

3.2.2  保护数据、传输网络协议不出芯片

以此为基础，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、存储转发等网络功能，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时刻抖动将不超过10纳秒。

至于理想发送时刻的定时精度，也就是装置外部定时信号源的精度，由于北斗、GPS系统的授时精度已经达到了0.1us[5][6]，所以整体实现的暂态数据采样时刻定时、帧传输时刻定时的定时精度完全可以达到0.1us级 -- 这对于广域帧全局定时、暂态保护来说已经足够了。

进而，以符合IEC61850-9-2标准的采样值帧作为广域传输帧，其携带的UTCTime字段在秒以下的数据位数为24比特，即略小于60ns，完全可以用于表达由北斗/GPS+FPGA采样、计数得到的0.1微秒级精度的暂态数据采样定时信息、帧传输时刻定时信息。

也就是说，如果变电站之间的距离为200km，则光信号传输导致的延迟为1ms（光纤中的光速约为真空中光速的三分之二），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略大于5ms（需要加上PHY芯片、光电/电光转换器的延迟 --这些延迟量是可以预先确定的），帧传输时刻相对于理想时刻的精度为0.1微秒级。

4. 将广域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，可以实现对来自多个变电站的暂态信号高速采样数据流的实时处理，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数据集（或/和预处理后数据集、特征量值集、保护特征判断结果集、分合闸信号集）实时序列的广域暂态保护提供了技术基础。

结合第2、3节对数据处理延迟的估计、对广域帧传输延迟的计算，对于第3.2.2节例举的变电站网络来说，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，到本地变电站基于区域内各变电站的高速暂态信号做出分合闸决策，延迟不会超过10ms。

这已经是主保护的速度级别了。

当然，这里没有提到具体的保护算法。如何利用FPGA在数据预处理阶段获得的由多个变电站采集到的暂态量信息发现新的特征量、设计新的保护原始算法，需要电力系统故障分析师、保护算法设计师做进一步的理论研究 -- 这一研究可以以FPGA远远超出DSP的并行运算能力为基本前提，也就是说，可以在很大程度上忽略DSP架构下的运算能力不足的问题（关于如何基于FPGA的并行运算能力设计新的保护原始算法的建议在参考文献[2]、[3]、[7]都有专门章节予以介绍，本文不再赘述，请感兴趣的专业人士查阅、参考。实际开发过程中，这一工作应该由保护算法设计师、FPGA应用研发设计师协同完成）。此后，FPGA应用研发设计师负责将新开发的原始算法转化为可以由FPGA实现的工程算法。

字数超限，待续......

天津大学王成山教授今年1、2月份在《中国电机工程学报》上发表了两篇论文：《基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究（一）：功能模块实现》、《基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究（二）：系统架构与算例验证》。

尽管王教授的工作针对的是配电网暂态实时仿真，在算法特征上与继电保护算法有一定程度的区别，但这两篇论文在基于FPGA的电力系统计算方面做了很多工作，验证了用FPGA实现比较复杂的算法的可行性，对于评估“以FPGA为核心实现继电保护装置”这一技术方向具有重要的借鉴意义。

建议对此感兴趣的网友查阅王教授的这两篇论文。