一种基于FPGA的防止继电保护误动作的方法及系统与流程

本发明属于电力工程的继电保护自动化领域，特别涉及一种基于fpga的防止继电保护误动作的方法及系统。

背景技术：

为了适应经济、社会发展的要求，应对全球气候变化以及电网面临的重大挑战，许多国家开展了智能电网的研究与实践。建设智能变电站已成为电力工业发展的必然选择，对我国积极应对气候变化、确保经济社会持续快速发展、促进能源结构优化和高效利用、保障电力供应安全、培育战略性新兴产业、带动相关产业发展具有重要意义。

智能变电站的实现是通过智能保护测控装置对开关和刀闸安全进行可靠正确的保护动作和操作，实现输变电设备的正常运转，从而保证整个电网系统的坚强可靠运行。在智能变电站系统中，开关刀闸的保护动作和操作是通过智能保护测控装置内部的启动和出口继电器动作实现的。目前，触发保护测控装置继电器动作的方式，主要是通过cpu经外部总线发送保护数据到出口插件，由出口插件发送保护启动、出口信号驱动相应的继电器动作。由于cpu异常等因素，使得出口插件接收到的保护数据存在一定的不确定性，从而导致保护误启动、误出口，严重影响电网系统的安全运行。为了最大程度的保证电网运行的安全可靠，需要开发出一种实现保护数据稳定正确的方法。

公开号为“cn102420462b”，名称为“一种智能变电站过程层智能终端设备”的中国专利文件，该专利公开的智能终端设备包括cpu、控制fpga模块、出口fpga，该专利对cpu发送的内容经过两层fpga校验，如果cpu异常，死循环一直发出对某一个开关刀闸的操作命令，那么通过多个fpga校验后，与cpu发出的命令内容是一致的，仍然会造成继电保护误动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于fpga的防止继电保护误动作的方法，用于解决因cpu异常造成保护数据错误使继电保护误动的问题，同时还提供了一种基于fpga的防止继电保护误动作的系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于fpga的防止继电保护误动作的方法，包括控制启动继电器的步骤：

cpu以设定的周期向fpga持续地发送保护启动数据，所述保护启动数据包括保护启动状态信号和保护启动执行信号；

当fpga检测到保护启动状态信号有效，由fpga转发保护启动数据，控制启动继电器动作；当fpga检测到保护启动状态信号无效，而计时未持续设定的时间后再次检测到保护启动状态信号有效，则由fpga转发保护启动数据，控制启动继电器动作；或者当fpga检测到保护启动状态信号无效，计时且持续设定的时间后，控制启动继电器不动作。

进一步地，还包括控制出口继电器的步骤：

cpu以设定的周期向fpga持续地发送保护出口数据，所述保护出口数据包括保护出口状态信号和保护出口执行信号；

当fpga检测到保护出口状态信号有效，由fpga转发保护出口数据，控制出口继电器动作；当fpga检测到保护出口状态信号无效，而计时未持续设定的时间后再次检测到保护出口状态信号有效，则由fpga转发保护出口数据，控制出口继电器动作；或者当fpga检测到保护出口状态信号无效，计时且持续设定的时间后，控制出口继电器不动作。

进一步地，由所述fpga形成第一单稳态触发器，以判断保护启动状态信号，并且进行计时。

进一步地，由所述fpga形成第二单稳态触发器，以判断保护出口状态信号，并且进行计时。

本发明还提供了一种基于fpga的防止继电保护误动作的系统，所述系统包括cpu、fpga、启动回路，所述cpu与所述fpga连接，所述fpga分别通过启动回路用于与启动继电器连接，所述cpu以设定的周期向fpga持续地发送保护启动数据，所述保护启动数据包括保护启动状态信号和保护启动执行信号；当fpga检测到保护启动状态信号有效，由fpga转发保护启动数据，控制启动继电器动作；当fpga检测到保护启动状态信号无效，而计时未持续设定的时间后再次检测到保护启动状态信号有效，则由fpga转发保护启动数据，控制启动继电器动作；或者当fpga检测到保护启动状态信号无效，计时且持续设定的时间后，控制启动继电器不动作。

进一步地，还包括出口回路，所述出口回路用于与出口继电器连接，所述cpu以设定的周期向fpga持续地发送保护出口数据，所述保护出口数据包括保护出口状态信号和保护出口执行信号；

当fpga检测到保护出口状态信号有效，由fpga转发保护出口数据，控制出口继电器动作；当fpga检测到保护出口状态信号无效，而计时未持续设定的时间后再次检测到保护出口状态信号有效，则由fpga转发保护出口数据，控制出口继电器动作；或者当fpga检测到保护出口状态信号无效，计时且持续设定的时间后，控制出口继电器不动作。

进一步地，由所述fpga形成第一单稳态触发器，以判断保护启动状态信号，并且进行计时。

进一步地，由所述fpga形成第二单稳态触发器，以判断保护出口状态信号，并且进行计时。

本发明的有益效果是：

本发明的cpu周期性的向fpga发送保护启动/出口数据，当fpga检测到保护启动/出口数据有效时控制启动/出口继电器动作；当fpga检测到保护出口状态信号无效，而计时未持续设定的时间后再次检测到保护启动/出口状态信号有效，控制启动/出口继电器动作；或者当fpga检测到保护启动/出口状态信号无效，计时且持续设定的时间后，控制启动/出口继电器不动作。本发明提高了保护启动/出口数据的正确率，进而提高了继电保护动作的可靠性，且直接通过fpga发出保护启动、出口信号，不再经出口插件，减少了数据的多层传递，提高了继电保护的速动性、可靠性和正确性；而且对保护数据周期性的判断，逻辑简单，省去了繁琐的信号内容解析，节省fpga内部资源。

附图说明

图1为基于fpga的单稳态电路防止保护误动作的原理示意图；

图2为fpga对保护数据进行处理的流程图；

图3为fpga利用单稳态触发器对错误的保护启动数据过滤的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明的一种基于fpga的防止继电保护误动作的系统的实施例：

一种基于fpga的防止继电保护误动作的系统，包括电源、cpu、启动回路、出口回路、外部flash和fpga；cpu通过外部总线发送保护数据给fpga；外部flash用于存放fpga程序，并在上电时引导加载fpga程序；电源为fpga提供正常工作所需要的电源、配置芯片；cpu发出的保护数据信号经过fpga处理后，发出保护启动信号和保护出口信号，分别通过启动回路、出口回路驱动相应的启动继电器和出口继电器动作，同时fpga通过单稳态触发器触发宽度5ms的脉冲信号对错误数据进行过滤，防止保护误启动、误出口。

基于该系统的防止继电保护误动作的方法的具体过程如下：

1、当cpu收到开关刀闸操作、故障等信息后，通过外部总线每2ms向fpga发送保护启动数据和保护出口数据。

2、系统上电fpga程序加载后，fpga实时检测cpu发送的保护启动数据和保护出口数据。fpga每100us产生一个clk1k_en脉冲信号，当fpga检测到cpu发送的保护启动数据时，进行处理，对于fpga，保护启动数据由start_updata、startp_i、startn_i、startp_o和startn_o组成，如果start_updata＝1，发出对应的保护启动状态信号，则由fpga转发保护启动数据，同时fpga输出对应的保护启动执行信号startp_o＝startp_i、startn_o＝startn_i，直接通过启动回路驱动启动继电器正确动作，不再经出口插件，减少了数据的多层传递，提高了继电保护的速动性、可靠性和正确性。

同时，fpga利用clk1k_en脉冲信号生成第一单稳态触发器，宽度为5ms，利用单稳态触发器对cpu发出的异常信号进行过滤，当cpu异常时，由于发出的命令时间和命令内容都是随机的，具有很大的不确定性，通过检测命令中的start_updata信号，过滤错误数据，分为以下情况：

(1)可能不发保护启动数据，此时检测不到start_updata，或者当start_updata＝0，计数器开始计时，每产生一个脉冲信号计时器累加1，计时5ms后，输出启动数据startp_o＝0、startn_o＝1，启动继电器正确不动作。

(2)如果正确数据中有部分错误数据，检测到start_updata＝0，计数器计数一次，计数器计时小于5ms时，fpga不输出，直到检测到start_updata＝1时，计数器进行置0，同时fpga输出对应的保护启动信号startp_o＝startp_i、startn_o＝startn_i，通过启动回路驱动启动继电器正确动作，由于cpu发送保护数据的周期是2ms，而只有当计数器计时大于等于5ms时，每检测到start_updata＝0，计数器计数累加一次，计数器计时大于等于5ms时，fpga才输出startp_o＝0、startn_o＝1，这样就可以把周期小于5ms的错误数据过滤掉，不影响正常出口，同时出口信号返回，使启动信号维持在无效位的状态，启动继电器不动作，防止误出口，提高了启动继电器不动作的安全可靠性。

3、当fpga检测到cpu发送的保护出口数据时，进行处理，对于fpga，保护出口数据由ck_updata、ck_i、ck_o组成，如果ck_updata＝1，发出对应的保护出口状态信号，则由fpga转发保护出口数据，同时fpga输出对应的保护出口执行信号ck_o＝ck_i，直接通过出口回路驱动出口继电器正确动作，不再经出口插件，减少了数据的多层传递，提高了继电保护的速动性、可靠性和正确性。

同时，fpga利用clk1k_en脉冲信号生成第二单稳态触发器，宽度为5ms，利用单稳态触发器对cpu发出的异常信号进行过滤，当cpu异常时，由于发出的命令时间和命令内容都是随机的，具有很大的不确定性，通过检测命令中的start_updata信号，过滤错误数据，分为以下情况：

(1)可能不发保护出口数据，此时检测不到ck_updata，或者当ck_updata＝0，计数器开始计时，每产生一个脉冲信号计时器累加1，计时5ms后，输出出口数据ck_o＝0，出口继电器正确不动作。

(2)如果正确数据中有部分错误数据，检测到ck_updata＝0，计数器计数一次，计数器计时小于5ms时，fpga不输出，直到检测到ck_updata＝1时，计数器进行置0，同时fpga输出对应的出口启动信号ck_o＝ck_i，通过出口回路驱动出口继电器正确动作，由于cpu发送保护数据的周期是2ms，而只有当计数器计时大于等于5ms时，每检测到ck_updata＝0，计数器计数累加一次，计数器计时大于等于5ms时，fpga才输出ck_o＝0，这样就可以把周期小于5ms的错误数据过滤掉，不影响正常出口，同时出口信号返回，使出口信号维持在无效位的状态，启动继电器不动作，防止误出口，提高了出口继电器不动作的安全可靠性。

本实施例中，把cpu发送保护数据的周期设置为2ms，单稳态触发器的脉冲宽度设置为5ms，作为其他实施方式，可以根据需要设置为其他的数值，也可以设置为一个范围。

本实施中的cpu发送保护数据的周期需小于单稳态触发器的脉冲宽度，这样才能把错误信号过滤出去。

本发明只对cpu发送的周期性保护信号进行判断，逻辑简单，不用解析cpu具体发送的是什么内容，节省了fpga内部资源，提高了继电保护的速动性。

本发明通过fpga实现对保护信号出口的模块化封装，增强了可移植性，缩短了再次开发的周期。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。