繼電保護裝置通用化硬件平臺設計方法研究

趙喜軍，李世學，王小進

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繼電保護裝置通用化硬件平臺設計方法研究

趙喜軍，李世學，王小進

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了一種采用模塊化、自定義總線的設計方法，該方法可突破現有的繼電保護裝置硬件可擴展性差，功能單一，適用范圍有限的缺陷。使用該方法設計的繼電保護裝置，可通過不同的硬件模塊組合，實現相應的保護、測量和控制功能。并通過樣機的設計，驗證該設計方法的有效性。

繼電保護 通用化 硬件平臺

0 引言

我國從20世紀70年代末開始了繼電保護裝置的研究，20世紀90年代中期，國內相繼開發高壓線路繼電保護裝置系列產品[1]。其設計技術經歷了二十多年的積累和完善，各公司已形成了自己的設計規范和設計體系。隨著市場的進一步細分和競爭的加劇，各企業對成本的控制日趨精細。在民用領域，繼電保護裝置產品的更新周期一般為5年，因此產品的功能和性能以及采購維護成本成了客戶首要考慮的因素。因此定制化的設計模式在生產企業占主流，其設計流程如圖1。

該流程設計的產品的優點是：可細分市場和客戶需求，按客戶需求定制，給客戶盡可能多的選擇。產品功能可滿足大部分客戶的需要，產品的結構形式盡可能一致，通過少量的軟硬件變動可實現大部分保護測控功能，降低運行和維護成本。且由于用戶群龐大，產品的需求量很大，微小的成本減小，都會對企業形成規模效益，相比為節約成本而投入研發費用，其產出還是很高的。

缺點是：按通用客戶的基本需求配置，客戶有特殊要求時需要進行非標設計。產品的可擴展性差，后期無法升級。無開放接口或開放接口少，對現場定制的支持比較差。現場實現客戶的特殊需求時可能需要更改內部程序。增加了產品質為了彌補上述缺點，提出了一種基于通用化平臺的繼電保護裝置設計方法。本文就通用化平臺硬件設計方法開展研究。

2 通用化硬件平臺樣機設計

如何保證硬件設計的通用化、易擴展和調整，采用總線方案是解決這一問題的有效途徑。通用硬件平臺設計方法中將研究設計一套適合繼電保護裝置的總線結構，并設計相應的接口協議和確定接口協議的設計原則。通用化硬件平臺設計參照PC機的設計思路，采用總線式結構。針對繼電保護的常用電路模塊，為開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量采集模塊分別設計各功能子板，各功能子板通過總線板相連，CPU板驅動總線。如此設計，除CPU板為必選外，其余各子板的數量客戶可自由選擇，且各板在裝置內部的位置可自由配置，便于信號復用和走線。

在具備通用化平臺硬件的基礎上，則針對客戶的需求，產品的設計變成了圖2流程：

為了驗證該設計方法的可行性和有效性，必須設計通用化硬件平臺樣機，實現由理論到實踐再到理論的研究過程。

2 通用化硬件平臺樣機設計

通用化平臺硬件設計方法的核心在于總線設計、硬件功能模塊的劃分和便于軟件組態。要求個功能子板模塊在裝置中的位置可任意互換，各功能子板模塊可任意選配，各功能子板模塊的類型和功能能夠被CPU板自動識別。本設計方法中以外發的總線作為載體，通過數據、地址和控制總線，以CPU模塊為核心，對外圍的模塊進行數據交換和控制。總體結構如圖3。下面就各功能子板的設計做詳細描述。

2.1 總線設計

總線的設計是通用化硬件平臺設計的關鍵，總線的信號定義和傳輸速度直接影響著通用化平臺的整體性能，本設計中總線定義參照了ISA總線的定義[2]。但做了大量的精簡，采用來14位地址線和16位數據線以及讀寫控制和復位信號線等。此外預留了10根備用線，以便傳輸特殊的信號。總線接口原理框圖見圖4。

總線板按照6個插槽設計，除CPU板外可插五個子板模塊，子板模塊的類型可任意選配，且在插槽上的位置可以任意互換而不影響子板的功能。16位總線的速度可達到32 Mbit，初步估算可滿足繼電保護的需要，此外過高的總線速度容易帶來信號完整性的問題，不利于提高整機的電磁兼容性能。

2.2 模擬量采集模塊

由于是設計方法研究，故本設計中模擬量采集模塊按照8路模擬量采集的配置設計，由CPLD控制A/D轉換，并對數據做預處理后送入FIFO暫存，供總線訪問讀取。在驗證該方法有效后我們擬采用FPGA代替CPLD，在數據預處理部分加入必需的濾波與計算功能，并將FPGA中的RAM設置成雙口RAM代替FIFO芯片[3]，進一步提高集成度和硬件的靈活性。

2.3 開關量采集模塊

監測并接收外部的開關量信號變位情況，通過總線發給CPU，實現相應的顯示、告警、聯鎖、解鎖、跳閘或合閘等功能。每塊子板可提供23路開關量輸入信號的監測。

2.4 開關量輸出模塊

接收來自總線上的的開關量信號，驅動繼電器或光耦動作輸出開關量信息。每塊子板可提供10路開關量輸出信號。

2.5 故障快速識別模塊

本模塊用于需要提供百微秒級保護的場所，該子板模塊含有單獨的模擬輸入，開入監測及開出量輸出電路，與總線僅交互動作信息和整定值信息。開關量輸出部分為光纖輸出，滿足遠程傳輸和抗干擾的需求[4]。

3 可行性評價

通用化平臺硬件設計方法研究目前完成了開入模塊子板和開出模塊子板設計，初步進行了功能的驗證，可滿足設計需求，證明了該部分設計方法的有效性。

4 結論

雖然該設計方法的部分內容目前還有待驗證，但通過已驗證的功能可以證明該設計方法與傳統的設計方法相比還是占有相當的優勢的。首先，它將大部分硬件設計變成了選型，這可以顯著的縮小產品的研發周期，減小了研發費用，降低了風險。其次，便于擴展和升級，豐富的IO資源便于實現冗余設計。同一子板模塊的硬件完全一致，互換性強，減少了備品備件的數量，降低了運行成本和維護成本。最后，豐富的硬件資源，通過適當的軟件設計，可以對用戶提供開放的可供現場組態的功能接口，便于實現特殊的控制而無需修改繼電保護裝置底層軟件，降低了質量風險。

[1] 高亮. 電力系統微機繼電保護. 北京：中國電力出版社，2007.

[2] 高春甫，艾學忠. 微機測控技術. 北京：科學出版社，2005.

[3] Altera公司. Cyclone II Device Handbook,Volume 1.

[4] A.M.S. Atmadji. Direct current hybrid breakers : A design and its realization. Eindhoven, The Netherlands, Eindhoven University of Technology.

Research on Design Method of Hardware Platform for Relay Protection

Zhao Xijun, Li Shixue, Wang Xiaojin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM581

A

1003-4862（2014）09-0038-03

2014-07-15

趙喜軍(1975-),男，高級工程師。研究方向：電子電器。