一种基于FPGA的直流智能断路器控制系统

本技术涉及直流电力系统保护技术，特别涉及一种基于fpga的直流智能断路器控制系统。

背景技术：

1、直流电力系统被广泛应用于舰船、电磁武器、轨道交通等领域。随着直流电力系统容量的不断增加，短路电流最大峰值可达100k，短路电流上升率达20a/μs。直流电力系统发生故障直接危害是造成被快速开关所保护的线路和设备受损，以及电量损失。间接危害是造成舰船、电磁武器和轨道交通等瘫痪。而直流智能断路器是直流电力系统中最主要的保护设备。因此，对直流智能断路器控制系统技术的研究具有重要的意义。

2、目前直流智能断路器控制系统主要有以下类型：基于arm或dsp处理器的单核控制系统和基于arm(dsp)+cpld的双核控制系统。随着电力系统的智能化发展，要求智能断路器等保护设备的智能化程度越来越高，因此目前的控制系统有一些明显的缺陷，例如：智能控制系统基于arm或dsp处理器，传统的arm或dsp等处理器编程语言c语言按顺序执行，需要经历等待指令的执行与缓冲等过程。例如，基于arm+cpld，该方法虽然能够有效发挥可重构电路芯片cpld的硬件属性。但该类系统架构比较繁琐，经济性能较低，开发过程繁琐。而且都采用can等现场总线，通信速率最高1msps。

3、因此，现有arm或dsp单核方案存在故障信息的处理过程时间过长、可靠性较低等技术问题，会造成电力系统运行的风险较高。现有的arm(dsp)+cpld双核方案存在系统架构比较复杂、通信速率较低、经济性能较低以及开发过程繁琐等问题。

技术实现思路

1、本实用新型要主要解决现有的arm(dsp)+cpld双核方案存在的系统架构比较复杂、通信速率较低的问题。

2、为了实现上述目的，本实用新型提供了一种基于fpga的直流智能断路器控制系统，其包括：传感器、轨至轨高速比较器、高速ad转换芯片、可重构电路芯片fpga、flash存储器、千兆以太网phy芯片、sdram高速存储器和上位机；

3、所述传感器分别与所述轨至轨高速比较器和所述高速ad转换芯片连接，所述轨至轨高速比较器和所述高速ad转换芯片均与所述可重构电路芯片fpga连接，所述可重构电路芯片fpga与所述千兆以太网phy芯片双向连接，所述千兆以太网phy芯片与上位机双向连接，所述可重构电路芯片fpga分别与flash存储器以及sdram高速存储器双向连接，所述可重构电路芯片fpga还与所述断路器连接。

4、进一步地，所述传感器为霍尔传感器，用于采集断路器主电路上的电流。

5、进一步地，还包括千兆以太网物理传输层，所述千兆以太网物理传输层分别与所述上位机和所述千兆以太网phy芯片连接。

6、进一步地，所述可重构电路芯片fpga通过快速输出通道电路与所述断路器连接。

7、进一步地，所述传感器通过调理电路与所述轨至轨高速比较器以及所述高速ad转换芯片连接。

8、进一步地，所述轨至轨高速比较器还与基准电压电路连接，所述基准电压电路连接电位器，所述电位器用于调节直流智能断路器控制系统的保护阈值。

9、进一步地，还包括时钟电路和电源电路，所述时钟电路和所述电源电路分别与所述可重构电路芯片fpga连接。

10、优选地，所述电源电路包括1.1v电源电路和3.3v电源电路。

11、优选地，所述时钟电路的频率为50mhz。

12、进一步地，所述可重构电路芯片fpga通过spi与所述flash存储器连接，所述可重构电路芯片fpga通过数据总线和地址总线与所述sdram高速存储器连接。

13、本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：

14、本实用新型提供的直流电力系统智能断路器控制系统具有高速的数据采集、直流电力系统保护、高速电气量信号处理、1gsps速率以太网通信、sdram储存器存储等功能。能够显著提升直流智能断路器的分断速度与能力，有效提高直流智能断路器的智能化，有益于直流智能电力系统的发展，能够很好满足当今直流智能电力系统迅速发展的要求。

技术特征：

1.一种基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，包括：传感器、轨至轨高速比较器、高速ad转换芯片、可重构电路芯片fpga、flash存储器、千兆以太网phy芯片、sdram高速存储器和上位机；

2.根据权利要求1所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，所述传感器为霍尔传感器，用于采集断路器主电路上的电流。

3.根据权利要求1所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，还包括千兆以太网物理传输层，所述千兆以太网物理传输层分别与所述上位机和所述千兆以太网phy芯片连接。

4.根据权利要求1所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，所述可重构电路芯片fpga通过快速输出通道电路与所述断路器连接。

5.根据权利要求1所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，所述传感器通过调理电路与所述轨至轨高速比较器以及所述高速ad转换芯片连接。

6.根据权利要求1所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，所述轨至轨高速比较器还与基准电压电路连接，所述基准电压电路连接电位器，所述电位器用于调节直流智能断路器控制系统的保护阈值。

7.根据权利要求1所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，还包括时钟电路和电源电路，所述时钟电路和所述电源电路分别与所述可重构电路芯片fpga连接。

8.根据权利要求7所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，所述电源电路包括1.1v电源电路和3.3v电源电路。

9.根据权利要求7所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，所述时钟电路的频率为50mhz。

10.根据权利要求1所述基于fpga的直流智能断路器控制系统，其特征在于，所述可重构电路芯片fpga通过spi与所述flash存储器连接，所述可重构电路芯片fpga通过数据总线和地址总线与所述sdram高速存储器连接。

技术总结
本技术提供了一种基于FPGA的直流智能断路器控制系统，包括传感器、轨至轨高速比较器、高速AD转换芯片、可重构电路芯片FPGA、Flash存储器、千兆以太网PHY芯片、SDRAM高速存储器和上位机；由FPGA驱动高速AD转换芯片实现对直流电力系统电气量信息数据以1GSPS速率进行高速采集。电流传感器采集的电流模拟信号输入轨至轨高速比较器与直流电力系统保护阈值比较，当大于保护阈值时，轨至轨高速比较器输出一个高电平给FPGA，FPGA再经过快速输出通道电路驱动断路器分闸，实现直流电力系统保护。同时FPGA可将高速AD转换芯片输入数据存储进SDRAM高速存储器。FPGA通过PHY芯片与千兆以太网传输物理层实现上位机之间的1GSPS速率通信，实现直流电力系统电气量信息的高速传递。

技术研发人员：罗启全,黄元峰,闵光耀
受保护的技术使用者：武汉工程大学
技术研发日：20230417
技术公布日：2024/1/14