一种高精度继电保护主控芯片设计

2021-03-27刘晓露黄苏芳

山东电力高等专科学校学报 2021年1期

刘晓露，黄苏芳

（杭州万高科技股份有限公司，浙江杭州 310053）

0 引言

随着智能电网的发展，传统变电站正逐步向智能变电站发展[1]。智能变电站采用先进、可靠、集成、低碳和环保的智能设备，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量、监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能。

目前智能变电站继电保护主控芯片几乎被国外芯片厂商垄断，进口芯片数量占比高达95%，存在巨大安全隐患。国产芯片在此领域只有少部分产品，且设计精度低、响应速度慢，不能满足大部分应用场景。为改变继电保护依赖国外芯片的现状，降低对国外芯片的依赖性，自主研发此类芯片既有一定的经济效益，又可以提高设备芯片的国产化率。

本文设计了一种基于DSP（Digital Signal Processing，简称DSP）的高精度继电保护主控芯片。该芯片是集计量、故障判断、通信功能于一体的SoC芯片，用来实时监视保护对象的电流、电压、频率等参数[2-3]，一旦设备出现短路、断路、接地等故障，可根据预定的保护算法自动给出保护触发信号，并记录分析故障波形[4-5]。其计量功能计算电流、电压的有效值及功率、功率因数等并进行显示。该芯片可用于测量和计量电信号。通过内置高精度模数转换模块（ADC）采集数据，专用DSP处理数据，对计量数据包括有功/能、无功/能、电压的均方根值（RMS）以及电流进行处理[6]。同时，芯片支持过零检测、过压过流、欠压欠流和精确的相位测量，并对故障波形做谐波分析[7]。

1 设计与实现

系统结构如图1所示，主要包括模数转换模块（ADC）、时钟控制模块、数字信号处理模块、系统控制模块、信号监测和波形上传模块，以及通信接口（UART、SPI和通用GPIO）等。

图1 系统结构图

1.1 模数转换模块（ADC）

该模块提供8路高精度模数转换器，分别可以采样三相电压、电流信号以及零序电压和零序电流。由于采样信号可能非常小，在ADC之前增加了超低噪声可编程增益放大器，以提高ADC采样精度。ADC采用单比特的Sigma-delta调制器。Sigma-delta调制器在高精度窄带中得到了广泛的应用。在能量测量中，测量信号的带宽从基频跨越到64次谐波，ADC的采样速率为819.2 kHz。

1.2 系统控制模块（MCU）

MCU采用ARM cortex M33内核，增加了浮点、DSP、并行计算等。嵌套矢量中断控制器具有低延迟、低抖动特点，能快速处理故障中断。该处理器还扩展定义了电能计量装置的专用指令用来实现电能计量的能量累加功能，精简指令处理时间，缩短故障判定时间。同时内核支持硬件加密技术，可防止针对目标设备的软件攻击，提高设备运行的安全性。

该模块可利用继电保护在系统扰动或故障后生成的录波文件，对扰动过程进行分析，从而检验保护设备二次电流、电压等模拟量采样回路及开入开出跳闸回路的完好性，形成继电保护异常状态的智能识别。MCU也可以根据需要直接通过DMA上传故障波形。

1.3 数字信号处理模块（DSP）

DSP模块是数字设计的核心。在该专用芯片中，DSP用来对ADC转换得到的数据进行计算。DSP模块分为测量算法、事件监测和硬件电路三部分。测量算法以硬件形式存储。

1.3.1 计量算法

如图2所示，ADC输出的电压、电流数据为单比特流，需要一个低通滤波器来滤除ADC引入的高频噪声。在低通滤波器中，采用级联积分梳状滤波器（Cascade Integrator Comb，简称CIC），它可以根据不同情况下采样率产生不同字宽的数据。由于CIC滤波器的降采样处理，数据可以以较低的速度运行，降低了功耗。经过CIC滤波器后，采样频率为6.4 kHz。根据奈奎斯特采样定理，该系统可以支持到第64次谐波数据测量。

图2 计量算法

设电压信号和电流信号分别为：

式中：U和I分别为电压幅值和电流幅值；ω为角频率；t为时间值；φu为电压的相位；φi为电流的相位。本算法中有功功率为：

由于余弦信号的周期性，第二项与第一项相比可以忽略，所以有功功率是

如图3所示，该数据经过比差（SP）校正，再经过二次补偿（offset校正）后得到校正后的有功功率：

图3 有功功率计算

无功功率计算采用锰铜电阻分流网络或CT输入电流时，输入的电流信号需要经过一个Hilbert滤波器，图4为Hilbert滤波器的相频响应。在40～960 Hz范围内，电压与电流相位差为π/2。因此，保证了无功功率计算的稳定性。该滤波器所带来额外的1.568倍增益可由比差校正消除。

图4 Hilbert滤波器的相频响应

经低通滤波器处理后的无功功率数据Q(t)，经过二次补偿（offset校正）和比差（SQ）校正后，得到校正后的无功功率Q′（t），如图5所示。

图5 无功功率计算

1.3.2 事件监测

设计支持对8路ADC进行波形监测，每一路都具有两个上下限阈值。当半周波采样超过上限阈值的点数超过设定值时，判定该半周波波形超限；当连续超限半周波数量达到设定值时，则判定过压（过流）事件发生，同理可断定欠压（欠流）事件的发生，如图6所示。一个周波最大采样1 024点，最快事件监测响应时间为20 ms/1 024，即19.53 μs。

图6 事件监测判定

1.3.3 DSP硬件电路设计

DSP硬件电路使用了Harvard架构，分别存储程序和数据，如图7所示。其中SAMPLE模块用于实现CIC滤波器。PROG模块以硬件形式存储计量算法。DECODE模块用于解码来自PROG模块的指令。在ALU模块中实现加、减、乘、开、移运算。REG模块被设计为操作寄存器。CTRL模块控制发送给PROG模块的程序计数。RAM模块是操作结果的存储器，MMU模块是控制寄存器的存储器。

图7 DSP硬件架构

由于片外信号采集装置可能会在电流通道和电压通道之间引入角度误差，因此有必要进行角度校正，并在采样模块中实现。将数据经过模拟处理后发送到DSP。通过CTRL模块的地址控制，每条指令被输出到解码模块。解码模块根据对应的指令向ALU模块和REG模块发送不同的控制信号。在任何时候，通信模块都可以读写MMU或RAM数据。

2 内部时钟精度保证

2.1 谐波测量

谐波电流和谐波电压的出现，会危害系统中的一次和二次设备，干扰设备的正常工作。通过谐波检测和分析，建立电网谐波检测系统，加强监视并统计系统中的谐波水平和潮流分布。

利用快速傅里叶变换（FFT）计算信号的频谱，并用与信号真实频谱的抽样比较的方法（简称T2F法）生成频谱信息，可计算总谐波有功功率、无功功率、畸变率及分次谐波的有功功率、无功功率、有效值、谐波含有量等。这里只计算基波能量与2～64次谐波能量。

式中：ak、bk分别是电压信号的实部和虚部，ck、dk分别是电流信号的实部和虚部。

2.2 精确的相位测量

该芯片可用于多相分解，实现精确的电压相位测量。通过ADC采样，电压信号由带通滤波器进行处理，然后用插值算法计算相位。

带通滤波器为二阶椭圆滤波器，其传递函数为：

式中：a和b是滤波器的系数。

带通滤波器的中心频率可由系数设定，以保证中心频率与芯片内部一致性（RC时钟偏差可在通信模块中计算）。本设计采用插值算法，对采样数据的符号位进行检测。当负采样点变为正采样点时，DSP将记录两个采样点的数据，如图8所示。

图8 相位测量的插值算法

根据三角定理：

式中：ya为过零点前记录的数据；yb为过零点后记录的数据；Tp为两个连续采样点之间的时间；Ts是额外的时间。

同时，DSP将记录从相位检测开始到符号位变化结束的时间值（Tphase）。最后，检测到的相位为（Tphase-Ts），精度可达（3e-7）°。

3 测试结果

芯片设计采用0.13 μm CMOS工艺，其信息汇总在表1中。

表1 芯片信息

通过与测试平台的实测值进行比较，有功功率和无功功率在10 000∶1的动态范围内的计量误差如表2所示。电压与电流相位差的余弦值称为功率因数。其中，L表示电流相位滞后于电压相位，C表示电流相位超前于电压相位。在不同的负载条件下测试芯片，功率因数选择1.0、0.5 L和0.8C。在10 000∶1的动态范围内，测试结果都优于0.1%。

表2 动态范围内计量误差

此外，在不同的温度条件（23℃、-40℃和85℃）下，对计量误差进行了测试。在温度测试中，第一种情况是功率因数为1.0，电流为最大输入值。第二种情况是功率因数为0.5L，电流为最大输入值。第三种情况是功率因数为1.0，电流为5%额定值。测量误差的判据是温度从23℃变化到-40℃或者85℃的测量误差应该小于0.5%。不同温度的计量误差如表3所示，测试结果满足要求。