雙核超高壓線路微機保護裝置的研究

王惠中 孫晨宇

(蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

當前，隨著智能電網的建設，我國大規模超(特)高壓輸電線路已經投入運行。作為骨干網架，超(特)高壓線路輸送容量大、對穩定性要求極高，因此，當線路故障時，要求繼電保護能在極短時間內發現并切除故障。

目前，超高壓輸電線路上廣泛采用的是反映故障時工頻電氣量變化的微機保護裝置。超(特)高壓線路存在線路電壓高、線路充電電容大、時間常數大、常規電流差動保護以及距離保護整定困難等問題。

小波分析是奇異性檢測的有效工具?；谛〔ǚ治龅男胁ú顒涌梢岳霉收闲胁ú^信息快速檢測到故障而不受充電電容、過渡電阻以及系統振蕩的影響[1]。但是，小波分析運算較復雜，傳統的DSP處理器仍然不能以極快的速度得到高精度的計算結果，難以發揮行波保護的速動性優勢?，F場可編程門陣列(field programmable gate array，FPGA)具有現場可編程、信號并行處理的優點?；贔PGA的離散小波變換具有耗時短、功耗低等特點[2]。

1 超高壓輸電線路故障特征

超高壓輸電線路采用并聯電抗器來補償分布電容的影響，以防止線路過電壓，并且線路還包含串補電容，以縮短線路的電氣距離。由于輸電線路受參數分布特性、弧光故障、母線分布電容等的影響，超高壓長距離輸電線路故障時，除了包含工頻信息外，還會包含相當寬頻帶的高頻暫態分量和非周期分量。這些高頻暫態分量包含了諸如故障方向、類型及持續時間等故障信息。受線路參數及故障工況的影響，故障電壓初始角會顯著影響各分量的幅值，但不會影響分量的頻率和衰減時間常數[3]。因此，可以利用故障產生的高頻行波來構成保護，用以判別線路故障位置以及類型。超高壓輸電線路發生故障后產生的暫態行波信號頻譜范圍為1～1 000 kHz。

目前，我國超高壓線路全線速動主保護的動作時間大約為25 ms，而采用基于小波分析技術的超高壓輸電線路行波保護理論動作時間小于10 ms，這將大大縮短保護的動作時間。因此，行波保護越來越受到研究人員的青睞[4]。

2 行波保護原理

當輸電線路發生故障時，由于輸電線路的分布參數特性，會在線路兩端產生以接近光速傳播的暫態電壓行波和電流行波，其示意圖如圖1所示。

圖1 故障行波示意圖Fig.1 Schematic diagram of fault traveling wave

忽略導線能量損耗，則分布參數存在如下關系：

式中：L為線路的單位長度電感，H;C為線路的單位長度對地電容，F;u為線路上的電壓，V;i為線路流過的電流，A;x為線路上距離起始點的位置，m;t為傳播時間，s。將式(1)變換后得到如下波動方程：

式(2)的達朗貝爾解為：

輸電線路故障行波的重要特征就是波德折射與反射。當行波沿導線運動時，如果線路的波阻抗在某一點突然發生改變，那么在該點將發生波的反射與折射。行波保護就是利用波動方程及波的反射、折射實現的超高速保護，它利用故障初期產生的行波電壓、電流信息，檢測出故障，可以實現線路超高速保護[5]。

3 故障信號的小波分析

高壓輸電線路發生故障后的行波初始波頭、故障點反射波、母線端反射波在到達保護裝置檢測點時表現為明顯的奇異性。奇異性包含故障的發生地點、方向、極性和幅值等信息，這些信息能否準確提取直接關系到微機保護裝置的動作性能。

線路故障產生的行波是一種非平穩變化的高頻信號，小波變換最大的特點就是具有良好的時頻局部化能力，能夠從時域和頻域描述奇異信號的每一個細節，非常適合非平穩變化的信號分析，因此，小波變換成為分析行波較為有效的數學工具。小波變換可以實現信號的無重疊分解，非常適合暫態行波信號的奇異性檢測[6－7]。

4 裝置的硬件設計

微機保護裝置的硬件結構如圖2所示。信號經互感器采集后送入微機保護裝置內部，硬件結構包含信號調理模塊、FPGA信號處理模塊以及ARM核心處理器模塊3大模塊。

圖2 裝置硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of device

4.1 信號調理

行波信號的有效提取是實現行波保護的前提，而行波信號能否獲取依賴于互感器能否正確地傳遞高頻暫態量。實踐表明，電容式電壓互感器可以有效傳遞700 kHz高頻信號的幅值信息，電磁式電流互感器可以有效傳遞500 kHz以下的高頻信號的幅值信息。本系統提取1～500 kHz的高頻信號，因此可以使用傳統互感器對高頻信號進行有效提取。

信號調理電路[7]完成信號的電平匹配、信號放大、初級濾波、采樣保持以及A/D轉換。高頻行波分量較工頻量小，容易被湮沒，初級濾波將信號中的工頻信號濾除。

根據采樣定理，如果隨時間變化的模擬信號最高頻率為fmax，采樣頻率滿足fs≥fmax即可恢復原始信號，則A/D采樣頻率不低于1 MHz，實際中使用的頻率約為3～5倍。本次設計共采集6路模擬信號，分別為三相電壓、電流。為了簡化電路設計，采用兩片具有最高6 MHz采樣率的高速A/D轉換器THS1206。該芯片具有4個模擬通道的12位A/D轉換器，可以通過編程對模擬通道進行選擇采樣或循環采樣，并對提取的高頻信號進行精確轉換。

4.2 FPGA 模塊

FPGA具有現場可編程、低功耗、設計靈活、可以實現并行運算等優點，被逐步應用于實時信號處理中。本系統采用ALTERA公司的高性能、低成本Cyclone II系列EP2C20F484C8的FPGA芯片。該芯片內部包含大量的可編程邏輯單元以及獨立的硬件乘法器，其豐富的片上資源可完全滿足設計要求。

在FPGA處理器內部搭建NIOS II/f軟核處理器，控制A/D采樣以及各個外設模塊，內部設置FIFO緩存，存放運算結果。由于在處理過程中產生大量的中間數據，為實現快速存取，片外擴展SRAM存儲器。采用DSP Builder/Simulink開發環境設計db3小波算法模塊作為NIOS II處理器自定義外設，采用定制指令模式，即采用一條指令可以實現一次小波運算。采用DSP Builder設計算法模塊，可以充分利用Matlab中Simulink系統建模的優勢，大大簡化了FPGA的設計難度[8－10]。算法模塊采用流水線方式設計，并且通過邏輯復制實現多通道并行計算。該模塊優于傳統DSP處理器，可大大提高小波分析的速度。

4.3 ARM 模塊

ARM處理器為系統的控制中心，裝置選用S3C2440A(ARM920T系列)芯片作為主處理器。S3C2440最高頻率達400 MHz，是低成本、低功耗、高性能處理器，被廣泛應用于工業控制領域[9]。

ARM控制器模塊包括片外容量為8 MB SDRAM動態存儲器，用來存放運行程序、數據，2 MB Flash存儲器，用來存放原始程序，磁盤存儲器，用來存放歷史運行數據。此外，ARM模塊還包括JTAG調試模塊、復位模塊、通信接口模塊、人機交互模塊以及開關量輸入輸出模塊。

人機交互模塊是管理員與微機保護裝置進行對話的界面，主要部件為液晶屏、鍵盤、USB接口。液晶屏顯示保護運行狀況、系統實時運行狀態參量，鍵盤用來完成對裝置的設定。USB接口可以連接打印機或外接通用的USB存儲設備，完成對故障信息的打印、拷貝。

通信模塊應嚴格按照變電站自動化通信規約IEC 61850設計，通信接口為RS-232/485接口、以太網接口以及無線通信接口。裝置通過以太網與站控中心互聯，將保護裝置的運行狀態以及線路故障信息向控制中心發送，并且接受站控中心與調度中心的指令，實現全站的數據共享以及站控中心或調度中心對裝置的遙測、遙信、遙控、遙調(遠動功能)。RS-232接口用于對裝置的調試，RS-485接口用于對裝置進行GPS對時以及遠程通信。無線通信模塊采用冗余模塊設計，防止常規通信線路因自然災害等損壞而造成保護裝置無法遠程通信，方便裝置的升級。

開關量輸入輸出模塊包括輸入與輸出兩個部分，輸入部分負責采集斷路器、隔離刀閘的狀態信息以及裝置特定功能開關的開閉信息;輸出部分負責報警信號輸出、控制出口繼電器，完成保護執行。

4.4 FPGA與ARM模塊通信

FPGA與ARM的通信包括實時信號的傳輸與ARM對FPGA的在線配置兩部分。

4.4.1 ARM與FPGA實時數據的通信

FPGA內部時鐘與ARM不同步，在本次設計中，ARM與FPGA的接口采用總線存儲方式，將FPGA直接連接在ARM芯片的外圍總線(advanced peripheral bus，APB)存儲總線上，即將FPGA映射成為ARM外設存儲器的一部分。ARM處理器通過存儲器指令訪問FPGA，進行數據、控制信號的傳輸，并且接受FPGA的中斷請求信號。試驗表明，這種連接方式方式穩定性較好[10]。

4.4.2 ARM 在線配置 FPGA

ALTERA公司Cyclone II系列FPGA是基于SRAM LUT的配置結構，掉電易失，因此在系統上電時必須重新配置。為了節約成本、簡化硬件設計并且方便遠程升級，設計中采用ARM處理器在線配置FPGA芯片。

基于ARM在線配置FPGA共有PS(被動串行)、PPS(被動并行同步)、PPA(被動并行異步)、PSA(被動串行異步)和JTAG等5種方式。JTAG接口被廣泛應用于芯片測試和配置等過程中。

ARM在線配置FPGA電路如圖3所示。

圖3 ARM在線配置FPGA電路Fig.3 Online configuration circuit from ARM to FPGA

圖3中，與 AS、PS配置方式相關的 nCONFIG、MSEL0和MSEL1引腳全部接地，而將nCONFIG引腳置為高電平。Data0和DCLK引腳可以任意配置，現將其全部接地。使用S3C2440A處理器的通用引腳GPB7、GPB8、GPB9、GPB10引腳分別作為 JTAG 接口的TDO、TMS、TDI和 TCK。

5 系統軟件設計

本裝置軟件系統包括FPGA和ARM兩大部分。其中，FPGA負責采樣控制與信號處理，ARM完成故障判別、保護執行、后臺通信、人機交互、事件記錄等。

5.1 實時操作系統的引入

保護裝置運行時處理任務十分繁雜，包括數據處理、后臺通信、人機交互、保護執行、事件記錄等，而且都要求實時處理，因此，裝置的軟件設計是一件十分復雜的工作。

嵌入式實時操作系統(ROTS)的出現，為多任務的實時處理提供了解決方法，使軟件開發變得便捷高效。在微機保護中引入實時操作系統，還可以將保護算法的編寫與底層的驅動開發分離，大大加快了保護裝置的開發速度。本次設計在ARM處理器中嵌入裁剪后的Linux操作系統，不僅可以提高ARM多任務處理的能力，而且簡化開發難度，可有效提高ARM處理器多任務執行的效率。

5.2 ARM主程序設計

ARM模塊采用標準C語言編程，整個軟件分成系統監控、保護子程序、通信管理、人機交互等幾個大模塊，每個大模塊又分成若干個功能子模塊。ARM主程序流程如圖4所示。

圖4 ARM主程序流程圖Fig.4 Flowchart of main program in ARM

5.3 FPGA模塊程序設計

FPGA模塊前端連接數據采集部分，后端與ARM處理器相連接，主要完成采樣控制、數據預處理功能，其中的NIOS II處理器作為芯片控制核心。FPGA程序流程如圖5所示。

圖5 FPGA模塊流程圖Fig.5 Flowchart of FPGA module

6 結束語

本文設計了新型的基于FPGA+ARM雙處理器平臺的行波保護裝置。該裝置在FPGA內部采用邏輯電路搭建多通道并行計算的小波分析模塊，并且采用NIOS II處理器自定義指令的功能加速數據處理;ARM模塊作為控制核心，引入嵌入式實時操作系統實現多任務調度。雙核處理器分工明確、各取所長，解決了長久以來行波保護難以實現的問題。FPGA具備現場可編程功能，這不但為以后的升級提供了方便，而且還為目前大量超高壓特高壓線路實現保護的超高速動作提供了理想的解決方案。

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