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（续1）

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5. 广域暂态主保护的系统架构设计

5.1 基于“保护数据、传输网络协议不出芯片”理念的FPGA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FPGA片内系统架构如图1所示。

图1  广域暂态主保护中位于网络节点的FPGA的片内系统架构

本图是在参考文献[7]图1基础上发展而来的。相对于参考文献[7]图1，本图中取消了用于连接合并单元的“SV帧接收、解帧、过滤模块”和“GOOSE帧接收、解帧、过滤模块”，取消了“本地模拟量、开关量采集、预处理板”以及相关的“高速串行通信接口模块”。作为替代，在FPGA芯片内添加了“模拟量、开入量采集模块”（提供ADC控制、数字量读取、开入量去抖动等功能）、“电子式互感器输出帧解帧、插值同步模块”，用于分别从图中位于芯片之外的“ALF+高速ADC（接本站常规互感器）、开入量端子+光隔”模块、“光电转换器（接本站电子式互感器）”模块获取保护算法所需的采样值、开入量。

同时，取消了用于驱动智能终端进行分合闸操作的“GOOSE帧成帧、发送模块”，由“本地分合闸信号生成、发送模块”产生的分合闸操作信号单独驱动分合闸出口接点。

这样做的结果是：将包括数据采集、数据预处理、特征量提取、保护算法、出口逻辑在内的数据处理各环节全部整合在一片FPGA芯片内，实践了参考文献[4]提出的“保护数据不出芯片”的理念。

进而，为在FPGA芯片内实现对广域帧的成帧、解帧、收发控制，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”。

图1中的其它模块与参考文献[7]图1相同，对其功能的描述请查阅参考文献[7]。

5.2 邻站数据交互模块的结构

从图1可以看出，“邻站数据交互模块”是实现“传输网络协议不出芯片”的关键。

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，从而为基于FPGA实现简单的数据帧存储转发功能、实践“保护数据、传输网络协议不出芯片”的理念提供了可能性。

5.2.1 邻站数据交互模块的结构框图

“邻站数据交互模块”的结构框图及与片内外其它模块的连接关系如图2所示：

图2  邻站数据交互模块（以4个邻站为例）的结构框图及与片内外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。下面以基于符合IEC 61850-9-2标准的采样值帧传输暂态信号采样值及其采样时刻为例，介绍这两种模块的功能。

5.2.2 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数据序列、某一时段内（见第5.3.3节）首个采样时刻的UTCTime值，打包存入符合IEC 61850-9-2标准的采样值帧中，形成待发送广播帧，并行提交给模块内的所有“邻站数据帧收发控制子模块”。

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符合IEC 61850-9-2标准的采样值帧序列，其中携带了这些联网保护装置生成的高速暂态采样数据集序列、某一时段内（见第5.3.3节）首个采样时刻的UTCTime值，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”，作为广域暂态保护算法的数据源、采样时刻定时信息。

5.2.3 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，校验通过后，根据管理节点（见第5.3.2节）提供的配置信息（防止重复接收），确定是否提供给“邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块”。

同时根据以太网帧的源地址判断某个帧来自哪个邻站或较远的站，然后根据管理节点（见第5.3.2节）提供的配置信息，确定其应被转发给哪个邻站，然后转发给本模块中与此邻站对应的“邻站数据帧收发控制子模块”（请注意，在图2中必须实现各“邻站数据帧收发控制子模块”之间的硬件全连通 -- 这需要依赖于第2节提及的由FPGA提供的大量可配置连接方式的分布式连线资源），由其负责完成转发。全网数据的调度方法请参阅第5.3.2节。

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，实现发送本地帧的功能。

5.3  预定义数据流向的全网数据调度策略

本文方案中节点之间只进行点对点通信，不存在介质共享问题，各节点实质上就是一些独立的存储转发式交换机。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、数据流量在无故障状况下是固定的，所以本文采用“预定义数据流向的全网数据调度策略”。下面以一个简化的4x4变电站广域网络模型为例进行介绍。

5.3.1  简化的变电站广域网络模型及设计目标

模型结构如图7所示。

图3  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，每个变电站中配备一台如图1所示的在FPGA片内实现广域网络通信功能的继电保护装置，各装置通过如图2所示的“邻站数据交互模块”实现与相邻变电站中保护装置的通信。发送的帧都是以太网帧。

各节点中，S22为主节点，实现网络数据流向配置功能，其余节点为从节点。视具体情况可以设置多个有排序的热备用主节点（能够实现主节点的全部功能），实时监测主节点的健康状况，在主节点出现故障时依次自动担负起网络数据流向配置的功能。

为方便讨论，设相邻变电站之间的距离略短于200km，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。站间网络介质为点对点（所谓“点”即为图2中的“邻站数据帧收发控制子模块”）连接的千兆以太网光纤。

本机制的设计目标：任何网络节点都能在6.5ms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。

5.3.2  主节点对网络数据流向的配置

主节点开机运行后，首先以广播形式向保护范围内的各广域节点的地址发送“请求确认帧”，收到“应答帧”后，结合已经存储的无故障状况下的网络架构，确定当前可用的网络架构。

然后，根据现有的网络架构确定各节点（包括自己）的帧转发模式，即：每个节点的保护装置FPGA芯片中的每个“邻站数据帧收发控制子模块”在收到来自某个地址的以太网帧后，是否应将其提交给自己的“邻站接收数据解帧、本站发送数据成帧子模块”，应将其转发给本芯片中的哪个“邻站数据帧收发控制子模块” -- 以此确保保护范围内的每个节点都能收到其它节点发出的暂态信号采样值帧，并且尽可能减少重复接收、重复发送的现象。[注：笔者在网络通信方面的知识积累很有限，不知道现在是否已经有相关的成熟技术，欢迎精通此领域的业内人士提出宝贵意见，谢谢！]

此项工作属于初始化过程中的慢速运算，可以由图1中的“嵌入片内的软核CPU”运行软件来完成，以节省昂贵的高端FPGA硬件资源。相关信息请查阅参考文献[7]。

然后，主节点将每个可用从节点需要的帧转发模式信息分别发往其各自的地址，收到接收确认帧之后，所有可用节点在约定的时刻（比如在主节点开始发送配置帧后的第二个秒沿到来时）同时开始采样、传输、转发、接收工作。

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。