一种基于FPGA的配电网电流差动保护装置的制作方法

本发明涉及一种基于fpga的配电网电流差动保护装置，属于配电网保护技术领域。

背景技术：

分布式电源的并网和配电网网架结构的变化使得传统配电网呈现多源、多端、潮流双向流动的特征，配电网也由于分布式电源接入导致故障电流流向和故障特征改变。传统的配电网三段式电流保护难以满足当前配电网的保护要求，出现了保护范围短、整定困难、上下级保护可能失配等问题，而在配电网配置电流差动保护这类全线速动性保护可以有效解决上述问题。

目前，电流差动保护主要作为主保护用于高压输电系统，保护对通信通道的要求比较高，现有通信方案多基于各站之间的光纤通信通道。不同于高压输电网，当前配电自动化建设水平参差不齐，部分地区配电自动化程度低，部分已安装开关和环网柜处并无光纤等通信设备，不具备采用光纤通信的条件。受制于新建光纤通道建设环境和投资成本，当前配电网无法满足光纤电流差动保护的通信配置要求。

目前，基于无线通信技术的电流差动保护方案网络传输功能大部分基于软件tcp/ip协议栈，保护用数据传输延时长、抖动大，从而导致出现电流差动保护不可靠、不及时动作的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于fpga的配电网电流差动保护装置，解决了基于软件tcp/ip协议栈的无线通信方式导致的电流差动保护不可靠、不及时动作的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于fpga的配电网电流差动保护装置，包括fpga模块、无线通信模块、模拟量采集模块、开关量采集模块、电流差动模块和开关量输出模块；无线通信模块、模拟量采集模块、开关量采集模块、电流差动模块均与fpga模块连接，开关量输出模块与电流差动模块连接；

其中，fpga模块：控制模拟量采集模块和开关量采集模块对电气量进行采样；将采样的电气量和电流差动模块输出的控制命令组成tcp/ip数据包，通过无线通信模块发送至对侧电流差动保护装置；解析无线通信模块接收的对侧电流差动保护装置tcp/ip数据包，将解析出的对侧电气量、对侧控制命令和本侧采样的电气量发送给电流差动模块。

fpga模块和无线通信模块之间还设置有网络接口模块。

fpga模块还包括电气量采集模块、数据交互模块、tcp/ip发送模块和tcp/ip接收模块；

电气量采集模块：等时间间隔采样模拟量采集模块和开关量采集模块采集的电气量，将采样的电气量发送给tcp/ip发送模块和数据交互模块；

tcp/ip发送模块：将本侧采样的电气量和电流差动模块输出的控制命令、tcp/ip接收模块输出的协议数据组成tcp/ip数据包，将tcp/ip数据包发送给无线通信模块；

tcp/ip接收模块：向tcp/ip发送模块输出协议数据；解析无线通信模块接收的对侧电流差动保护装置tcp/ip数据包，将解析出的对侧电气量、对侧控制命令发送给数据交互模块；

数据交互模块：接收电气量采集模块采样的电气量，接收tcp/ip接收模块解析出的对侧电气量、对侧控制命令，通过dma方式将对侧电气量、对侧控制命令和本侧采样的电气量发送给电流差动模块；接收电流差动模块输出的控制命令，将控制命令发送给tcp/ip发送模块。

fpga模块还包括以太网mac模块，tcp/ip发送模块和tcp/ip接收模块均通过以太网mac模块连接无线通信模块。

电气量采集模块通过本侧数据接收模块连接数据交互模块，本侧数据接收模块用以缓存电气量采集模块输出的采样电气量。

tcp/ip发送模块通过控制数据发送模块连接数据交互模块，控制数据发送模块用以缓存电流差动模块输出的控制命令。

tcp/ip接收模块通过对侧数据接收模块连接数据交互模块，对侧数据接收模块用以缓存tcp/ip接收模块输出的对侧电气量、对侧控制命令。

fpga模块还包括配置及监视模块，配置及监视模块连接fpga模块其他各子模块，用以缓存电流差动模块对fpga模块内部电路的配置参数、缓存fpga模块其他各子模块的工作状态。

电流差动模块：分析本侧和对侧电气量，寻找各自的保护启动时刻，以本侧和对侧的保护启动时刻作为时间同步基准点，对原始数据进行同步对齐，再依据线路电流差动保护判别原理，进行差动保护运算。

电流差动模块还连接有人机交互模块。

本发明所达到的有益效果：本发明引入了fpga模块，采用基于fpga的硬件tcp/ip协议栈实现网络通信，利用fpga实现电气量高速采样、组包发送及接收解包，实现电流差动保护装置之间的实时、高速数据交互，使装置内部从本侧电气量采集、组包到从网络接口模块发出之间响应时间小于1毫秒，并且在1毫秒内完成接收到的对侧数据解包并解析，避免了因基于软件tcp/ip协议栈的无线通信方式所带来的保护用数据传输延时长、抖动大而导致的电流差动保护不可靠、不及时动作的问题，提升了基于无线通信方式的电流差动保护的动作性能，提高了其可靠性及实用性。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为fpga模块的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于fpga的配电网电流差动保护装置，包括fpga模块、无线通信模块、网络接口模块、模拟量采集模块、开关量采集模块、电流差动模块、开关量输出模块和人机交互模块。

网络接口模块、模拟量采集模块、开关量采集模块、电流差动模块均与fpga模块连接，人机交互模块和开关量输出模块均与电流差动模块连接，无线通信模块与网络接口模块连接。

无线通信模块采样5g无线通信模块，5g无线通信模块对内提供以太网接口，采用固定ip的方式，用于与其它电流差动保护装置通过tcp/ip方式进行tcp/ip数据包的交互。

网络接口模块用于无线通信模块与fpga模块之间的数据转换，包括隔离网络变压器、千兆网络phy芯片，实现网络数据的隔离、串/并转换、物理层的编解码。

模拟量采集模块将电压/电流模拟电气量进行隔离及模数转换，并传送给fpga模块，即用以采集模拟电气量。采集时，模拟量首先接入电压、电流互感器进行电气隔离，再将互感器二次侧输出的模拟信号输入到a/d采集回路。采用1片a/d芯片，实现8路数据采集功能。a/d芯片采用adi公司的16bit精度8通道自同步模数转换器ad7606，片上集成模拟输入钳位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、逐次逼近型adc内核、高速串行和并行接口。

开关量采集模块将开关电气量进行隔离及状态转换，并传送给fpga模块，即用以采集开关电气量。采集时，开关量通过光耦隔离，将强电转换成弱电，通过16位并行总线接口的方式接入fpga系统。

fpga模块控制模拟量采集模块和开关量采集模块对电气量进行采样；将采样的电气量和电流差动模块输出的控制命令组成tcp/ip数据包，通过无线通信模块发送给对侧电流差动保护装置；解析无线通信模块接收的对侧电流差动保护装置tcp/ip数据包，将解析出的对侧电气量、对侧控制命令和本侧采样的电气量发送给电流差动模块。

如图2所示，fpga模块还包括以太网mac模块、电气量采集模块、数据交互模块、tcp/ip发送模块、tcp/ip接收模块、本侧数据接收模块、控制数据发送模块、对侧数据接收模块、配置及监视模块。

数据交互模块连接电流差动模块、本侧数据接收模块、控制数据发送模块和对侧数据接收模块，电气量采集模块连接模拟量采集模块、开关量采集模块、本侧数据接收模块和tcp/ip发送模块，tcp/ip发送模块还连接控制数据发送模块、以太网mac模块和tcp/ip接收模块，tcp/ip接收模块还连接对侧数据接收模块和以太网mac模块，配置及监视模块连接fpga模块其他各子模块。

以太网mac模块实现以太网mac层的功能，用于网络数据包（即报文）的封装/解析，报文的发送和接收控制、流量控制以及实现与外部物理层phy接口控制逻辑。

电气量采集模块给出与模拟量采集模块、开关量采集模块之间的接口控制逻辑，在本地时钟的基础上，等时间间隔高速采样模拟量采集模块和开关量采集模块采集的电气量，将采样的电气量发送给tcp/ip发送模块和数据交互模块。具体为依据采样频率配置，向a/d芯片发送采样指示脉冲，检测a/d转换完成后通过并行接口读取a/d采样数据；通过并行总线接口，读取外部开关量输入信号。

tcp/ip发送模块将本侧采样的电气量和电流差动模块输出的控制命令、tcp/ip接收模块输出的协议数据组成tcp/ip数据包，将tcp/ip数据包发送给以太网mac模块。tcp/ip发送模块实现tcp/ip协议栈的功能，包括tcp服务器模块、ip组包模块、arp请求以及icmp请求模块。

tcp/ip接收模块向tcp/ip发送模块输出协议数据；解析无线通信模块接收的对侧电流差动保护装置tcp/ip数据包，将解析出的对侧电气量、对侧控制命令发送给对侧数据接收模块缓存。tcp/ip接收模块实现tcp/ip协议栈的功能，包括tcp解析模块、ip解包模块、arp应答及icmp响应模块。

本侧数据接收模块用以缓存电气量采集模块输出的采样电气量，即利用双端口ram缓存本侧模拟量电气量和开关电气量。

控制数据发送模块用以缓存电流差动模块输出的控制命令，即利用双端口ram缓存电流差动模块所发送的控制命令，当电流差动模块需要通过无线对外发送控制命令时，将控制命令写入此ram内，当tcp/ip发送模块检测到此ram非空时，读出命令，进行组包发送。

对侧数据接收模块用以缓存tcp/ip接收模块输出的对侧电气量、对侧控制命令，即利用双端口ram缓存tcp/ip接收模块输出的对侧发送的电气量及控制命令。

数据交互模块接收电气量采集模块采样的电气量，接收tcp/ip接收模块解析出的对侧电气量、对侧控制命令，通过dma方式将对侧电气量、对侧控制命令和本侧采样的电气量发送给电流差动模块；接收电流差动模块输出的控制命令，将控制命令发送给tcp/ip发送模块。

数据交互模块主要功能是实现电流差动模块与fpga模块之间的数据交互。可采用pci总线进行互连，包括pci总线接口电路及dma电路，pci总线接口电路实现慢速双向数据传输功能，dma电路实现高效数据传输功能，将本侧采集及对侧接收的数据通过dma主动传输的方式送至电流差动模块内，减少电流差动模块的运算负荷。

配置及监视模块用以缓存电流差动模块对fpga模块内部电路的配置参数、缓存fpga模块其他各子模块的工作状态。实现配置以太网mac地址、ip地址、端口号、tcp链路配置参数以及监视tcp链路通信的状态。

电流差动模块分析本侧和对侧电气量，寻找各自的保护启动时刻，以本侧和对侧的保护启动时刻作为时间同步基准点，对原始数据进行同步对齐，再依据线路电流差动保护判别原理，进行差动保护运算。

具体为：电流差动模块采用嵌入式cpu处理器平台实现，平台采用freescalepowerpcmpc8313、主频333mhz、256mbyteddr2内存以及32mbytenorflash存储空间，与fpga模块之间通过pci总线进行互连。cpu从fpga模块中获取本侧及对侧采集的电气量，分析本侧及对侧的高速采样电气量，寻找各自的保护启动时刻，以本侧与对侧的保护启动时刻作为时间同步基准点，对原始数据进行同步对齐，再依据线路电流差动保护判别原理，进行差动保护运算。

开关量输出模块用于接收电流差动模块发出的控制命令，由光耦与继电器实现电气隔离及外部状态的控制。

人机交互模块用于人机之间的状态显示及命令交互，包括液晶显示、状态指示灯和控制按键。

本发明引入了fpga模块，采用基于fpga的硬件tcp/ip协议栈实现网络通信，利用fpga实现电气量高速采样、组包发送及接收解包，实现电流差动保护装置之间的实时、高速数据交互，使装置内部从本侧电气量采集、组包到从网络接口模块发出之间响应时间小于1毫秒，并且在1毫秒内完成接收到的对侧数据解包并解析，避免了因基于软件tcp/ip协议栈的无线通信方式所带来的保护用数据传输延时长、抖动大而导致的电流差动保护不可靠、不及时动作的问题，提升了基于无线通信方式的电流差动保护的动作性能，提高了其可靠性及实用性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。