[发明专利]一种用于安全稳定控制装置电气量计算的FPGA模块

说明书

技术领域：

本发明属电力系统及其自动化领域，设计了一种集成在FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)中的以电力线路为基本运算单元的硬件运算模块，能实时计算出电力线路三相电压、电流有效值，电压电流零序有效值以及三相电压当前相角，可应用于安全稳定控制装置电气量的计算。

背景技术：

电网安全稳定控制装置需要计算的电力线路或元件电气量主要包括各相电压电流有效值、电压电流零序分量有效值以及各相频率等，传统电网安全稳定控制装置通常在软件中基于傅氏算法计算上述电气量。由于CPU还需担负复杂的电力系统故障判断等任务，所以软件在实现傅氏算法时为了节省时间只能采用递推离散傅氏算法(DFT)，而不是实时算法。进入数字化变电站时代，安全稳定控制装置通过光纤以太网接收电力线路或元件(以下简称为线路)采样值报文实现采样，该采样报文由变电站间隔层设备合并单元按照IEC 61850-9-1标准发送，由于一个合并单元对应一条线路，而安全稳定控制装置需接入多条线路，这就要求CPU不但要在步长时间内实时完成电气量计算、故障判断等已有功能，还要完成光纤以太网多通道数据接收及处理，显然力不从心。所以，在实际应用中大多采用双CPU工作模式，一个CPU负责光纤以太网采样值数据处理，另一CPU负责电气量计算及故障判断处理，这样不仅导致不可靠因素增加，同时又带来了一个新的问题，如何实现双CPU之间的数据通信，解决方法包括：双口RAM通信，高速串行通信等，实际上这些不但增加设计成本，同时大大提高了设计复杂度。另外由于采样值为数字信号，直接实现软件测频算法计算量较大，而安全稳定控制装置对频率测量要求又很高，精度要求0.01Hz，从而导致实现困难。实际上，如果硬件能够实时测量出当前电压各相相角，那么软件只需根据相连1周波的相角差，即可计算出电力线路A、B、C相频率。

FPGA在数字信号高速处理方面很有优势，原因在于其并行运算架构，所以基于FPGA硬件方式实现离散傅氏算法时往往选择全并行快速傅里叶变换(FFT)。在电力系统应用方面，国内部分高校开展了基于FPGA实现电气量FFT计算的仿真研究，但是都存在以下3个缺点：

(1)接口访问时间过长

假设电力系统电气量每周波32点采样，如需对32点进行实时FFT计算，则每次计算前需对FPGA计算缓冲区写入32点数据，然后启动运算，这样大大增加了CPU访问时间。原本希望通过FPGA硬件方式节省时间，实际上，通过这种方式实现后节省的时间非常有限，而且软件操作复杂。

(2)软件后处理任务过重

通常情况下FFT计算结果是信号各次谐波的实部和虚部值，要计算电力元件各相电压电流有效值和相角，软件还需要计算各自实部和虚部的平方和，然后开方求有效值；求相角时则需要计算各相实部与虚部的除法，由于CPU往往仅包含乘法器，所以软件在实现上述算法时非常耗时。

(3)FPGA集成以电力线路为单元的运算模块规模太复杂

电力线路电气量运算包括3相电压，3相电流，电压零序，电流零序等。如果1个FFT单元只能实现1路电气量运算，而1条线路至少需要实现8路电气量计算，如果在FPGA内部采用全并行结构，当需计算多条线路时，可见FPGA内部实现相当复杂。很显然，全并行结构并不合适。

发明内容：

本发明的发明目的在于克服现有技术的不足，设计一种集成在FPGA中的以电力线路为基本运算单元的硬件运算模块，应用于安全稳定控制装置电力线路或元件电气量的实时计算。

本发明采用如下技术方案实现上述发明目的：