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EDA技术在数字保护继电器中的应用
作者:张桂青 冯涛 王建华 张杭 郑士泉
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固态继电器, 安全继电器, 热过载继电器, ...
1 引言

保护继电器在电力系统中起着非常重要的作用,它是保证供电可靠性的基础。历史上,它的硬件经历了三个阶段,即电磁式继电器,固态继电器和基于微处理器的数字继电器。数字继电器是集计算机技术、网络技术、微电子技术、传感器技术于一体的智能化保护装置。随着技术的进步,数字保护继电器的硬件也有了较大的发展,32位单片机和DSP已经在当今的数字继电器中相当普遍,虽然和以往技术相比性能上得到了很大的提高,但仍然存在一些不足。EDA(电子设计自动化)技术是近几年发展起来的一项新技术,目前在电信和网络等领域得到了成功的应用。本文试图探讨该技术在智能化电器领域中的应用方式。进一步提高数字保护继电器的集成度和可靠性、使其真正实现片上系统的最高目标。

2 智能化电器硬件的发展

数字保护继电器是80年代以来发展起来的,经历了从简单到复杂,从直接代替电磁式继电器,到逐渐实现智能化的过程。应用范围从高压到超高压,从中压到低压直到低压智能脱扣器,几乎覆盖了电力系统保护的全部内容。随着网络技术的发展,变电站自动化系统、配网自动化系统的技术也日趋完善。作为硬件的主处理器也经历了从8位到16位到32位单片机的发展,从单一CPU结构发展为多CPU结构,从单一DSP结构发展为多DSP以及32位CPU和DSP的混合结构。之所以硬件的发展如此之快,一方面由于市场的推动,因为继电保护要求数字继电器在故障的时候不能拒动而没有故障的时候不能误动。因此,对硬件的可靠性要求越来越高,硬件冗余技术以及自检和互检技术得到了普遍的应用,各种新理论新算法的不断应用就要求微处理器有足够的运算速度。另一方面得益于近几年电子技术的发展,其性能越来越高,价格越来越便宜。尤其最近几年,基于32位单片机以及32位定点或浮点DSP已经成为智能化电器设备的主导产品。

但是,MCU存在着与生俱来的一些不可克服的缺点和弱点。首先是低速,由于MCU的工作方式是通过内部的CPU逐条执行软件指令来完成各种运算和逻辑功能的,因而无论多么高的工作时钟频率和多么好的指令时序方式,在排队式串行指令执行方式(DSP处理器也不能逃脱这种工作方式)面前,其工作速度和效率必将大打折扣。MCU的另一致命弱点是,任何MCU在工作初始都必须经历一个复位过程,否则将无法进行正常工作。MCU的复位必须满足一定的电平条件和时间条件。在工作电平有某种干扰性突变时,MCU不可或缺的复位设置将成为系统不可靠工作的重要因素。尽管人们不断提出了种种改善复位的方法及可靠复位的电路,市场上也有层出不穷的MCU复位监控专用器件,但到目前为止,复位的可靠性问题仍然未能得到根本性的解决。PC的“跑飞”是CPU的另一个缺点。事实证明,无论多么优秀的MCU,无论具有多么良好的抗干扰措施,包括设置任何方式的内外硬件看门狗,在受强干扰特别是强电磁干扰情况下,MCU都无法保证其仍能正常工作而不进入不可挽回的“死机”状态。尤其是当PC跑飞与复位不可靠因素相交错时,情况将变得尤为复杂。

3 EDA技术及发展

EDA是近几年迅速发展起来的一项新技术。主要是借助先进的设计软件在计算机上进行电子设计和仿真,基于EDA技术的CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列)器件的开发应用可以从根本上解决MCU所遇到的问题。

首先它编程方式简便、先进,CPLD/FPGA产品越来越多地采用了先进的JTAG-ISP和在系统配置编程方式。在+5V工作电平下可随时对正在工作的系统上的CPLD/FPGA进行全部或部分地在系统编程。其次是高速,CPLD/FPGA的时钟延迟可达纳秒级,结合其并行工作方式,在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。例如以1024点的16位FFT为例,用目前工业上最快的DSP在800MHZ时钟下需要7.7μS,而用Xilinx公司VirtexⅡ系列芯片在140MHZ时钟下运算不足1μS;高可靠性也是它的优点之一,除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外,CPLD/FPGA的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中,从而大大缩小了体积,易于管理和屏蔽。另外开发工具和设计语言标准化,开发周期短也是另一个优点,和单片机相比它易学易用,开发便捷。

CPLD/FPGA是近几年集成电路中发展最快的产品。自从1978年Xilinx公司推出第一颗FPGA芯片至今,无论从工艺还是从集成度方面都获得了极大的发展。目前,CPLD/FPGA可供选择范围很大,可根据不同的应用选用不同容量的芯片。利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。在国内,这项技术逐渐得到重视,目前在网络通讯、工业控制等领域已经得到了广泛的应用。不言而喻,我国的电子设计技术发展到今天,又将面临另一次更大意义的突破,即CPLD/FPGA在EDA基础上的广泛应用。从某种意义上说,新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构,但却是一种更高层次的循环,它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分,对MCU系统将是一种扬弃,而在电子设计的技术操作和系统构成的整体上却发生了质的飞跃。随着EDA技术的发展和CPLD/FPGA在深亚微米领域的进军,它们与MCU、MPU、DSP、A/D、D/A、RAM和R0M等独立器件间的物理与功能界限已日趋模糊。特别是软/硬IP(Intellectual Property)芯核产业的迅猛发展,正越来越受到业内人士的密切关注。EDA技术打破了软硬件之间最后的屏障,使软硬件工程师们有了真正的共同语言,使目前一切仍处于计算机辅助性设计(CAD)和规划的电子设计活动产生了实在的设计实体。基于EDA的IP芯核产业的推动应是我国在21世纪知识经济发展的重要切入点之一。电子设计专家认为,单片机时代已经结束,未来将是EDA的时代。

4 CPLD/FPGA在智能电器中的应用

EDA技术带来了电子设计的革命,对依赖数字技术不断发展的智能化电器也必将产生深远的影响,下面笔者试图归纳一下在这一领域的使用方法。

4.1 用CPLD作通用的外围接口

CPLD是在GAL的基础上发展而来,其最基本的用法是作为CPU的外围接口来使用。例如译码器、编码器、锁存器以及可编程I/O等。它可实现几乎所有的数字逻辑。图1所示的电路当中,除了完成译码等以外,对开关量输入信号可以在CPLD中设计用于去抖的施密特电路;在控制继电器的开关量输出电路中在CPLD中增加防误跳的保护电路;在键盘显示接口中实现键盘编码和其它控制等。这样一方面由于其引脚(除个别外)可以通过软件重新配置,使得在实际应用当中非常灵活和方便。另一方面,用一个芯片代替了以往的几个芯片,不仅减小了PCB板的面积,重要的是提高了可靠性。另一优点就是保密性好,使得产权得到了很好的保护。这种用法事实上已经在国内外的微机保护装置中得到了实现。

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图1 CPLD用于通用I/O的结构框图

4.2 作为协处理器使用

在早期商用计算机的80386-CPU中,为了提高其浮点数据的处理能力,Intel公司专门开发了协处理器80387,在单片机中则没有专门的协处理器芯片。现在数字保护继电器的算法为数众多,但是其中一些需要复杂计算的算法,由于受到硬件的限制而得不到应用。如卡尔曼滤波算法,用在多变量的估计时,需要进行矩阵运算,而一般的微型计算机很难满足速度上的要求,致使该算法在微机保护中未得到很好的应用。事实上,如果利用FPGA进行数据的处理就可以很好地满足这一要求,在许多场合用它作为协处理器的设计已经成功地应用,例如用CPLD/FPGA独立完成数据的采集与处理功能。其他各种复杂的数据处理算法都可以参照这样实现,在该系统中,FPGA实现了32点(点数可以设置)FFT,实时进行16次及以下谐波的计算与分析。这充分发挥了它的高速和并行处理的能力,尤其在高速采样的场合,减轻了CPU的负担,可以实现DSP速度都无法满足要求的场合,为小波变换等复杂的保护算法的实现提供保障。

4.3 代替CPU实现独立的保护算法

目前的数字继电器产品中,多CPU型微机保护硬件结构已经非常普遍,各种方案总的来说可分为两类:一类是将保护功能和人机界面等功能分开,由不同的CPU分别承担电气量的采集与变换、控制逻辑运算、人机对话和打印输出、与上位机通信、数字量输入和处理等功能。另一类是多CPU并行处理式结构,不同保护功能(高频、距离等)由不同的CPU完成。此外也有的只将信号采集与处理的功能分离出来由一个专用CPU承担,而保护的其余任务仍由主CPU完成。

当今的CPLD/FPGA完全可以代替以上各方案中的任意一个或几个CPU,事实上早在1998年,国外就有人提出了用FPGA实现多个保护模块的方案。算法虽然简单,但首次实现了以往只能由软件来实现的保护算法,这给在保护算法一级增加硬件冗余,和保护未来的自主产权的算法提供了很好的途径。尤其今天的FPGA规模已经从那时的几万门,增加到了几百万甚至上千万门,价格也越来越低、配套的开发工具越来越简单易用。同时FPGA的可重复编程的特性,对算法的不断改进提供了保障。由于其并行处理的特点,可以使得单片FPGA实现多CPU达到的效果。对简化系统的设计、降低成本和增加可靠性都具有特殊的意义。

4.4 设计数字保护专用芯片

由于FPGA可以完成几乎所有的数字逻辑及数据处理,将来的智能化电器设备中可以不再需要CPU。因为随着大规模集成电路的发展以及我国改革开放的进一步深入,开发自主知识产权的专用芯片实现数字保护已成为一种发展的趋势,它具有体积小、价格低、可靠性高、保密性好、功耗低、速度快的特点。EDA技术使得电子系统设计工程师利用相应的EDA软件设计自己的ASIC(Application Specific Integrated Circuits)器件。ASIC代替CPU也就是必然的发展趋势。目前已成功设计出数字保护的专用芯片,实现了片上系统的功能。从国家的发展战略来讲,信息产业部提出我国集成电路产业必须从扩大应用入手,优先发展芯片设计业的思想。强调在涉及国防、国家安全和关键经济领域,要具备开发所需自主版权芯片的能力。国家电力公司副总经理陆延昌在“第26届中国电网调度运行会闭幕式的讲话”中也强调指出:从长远考虑,要优先使用国产保护装置,促进国内继电保护专业发展,消化吸收新原理、新技术,支持开发、生产继电保护专用处理器。

4.5 实现在系统可编程

系统内配置可以分为静态配置和动态配置,静态配置是指通过在系统可编程技术(In system programmability,ISP)实现的,像基于EEPROM或FLASH的可编程器件,都是采用静态配置来实现的。具有ISP功能的可编程逻辑器件,其工作电压和编程电压采用同一电压,编程数据可通过一根编程电缆从计算机写入芯片。动态配置指的是在系统运行中,根据需要对芯片重新配置以改变系统的功能。ISP在数字保护继电器中具有很大的应用前景,它可以大大简化系统的设计,在标准硬件的基础上通过现场不同的组态来满足用户实际应用中的要求。FPGA/CPLD的现场可编程特点正是满足了系统的这一要求。动态配置虽然可以在一定程度上实现自适应保护功能,但在电力系统运行过程中改变保护继电器的配置是否会带来新的隐患有待进一步研究。

5 结束语

不可否认,在一些系统中MCU与CPLD/FPGA有很强的功能互补性。但从长远看,随着EDA技术的发展、CPLD/FPGA集成水平的进一步提高和IP芯核产业的进一步扩大,可以预言,在大部分的电子设计领域,MCU、MPU、DSP或A/D、D/A和RAM等必将以各种软/硬IP芯核的形式大一统于CPLD/FPGA,实现真正的单片系统。更广的兼容性、更高的性价比、更好的开发手段和更快的上市节奏,是确立一项主导性新技术不可动摇地位的必要条件。如何更快更有效地利用这一技术成为智能化电器新技术研究人员的共同课题,电子设计的最高境界是片上系统(System On Chip,SOC),智能化电器硬件的发展也不例外。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (3/15/2012)
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