基于双FPGA的刀闸接口控制箱的设计

摘要：现有变电站改造成数字化变电站时需要增加过程层设备，其中对刀闸接口控制箱的动作可靠性提出了极高的要求。提出一种基于双FPGA实现多重逻辑闭锁的刀闸接口控制箱实现方案。设计了FPGA电源和时钟实现电路，两块FPGA的信息交换方式以及逻辑互锁方法。详细描述了出口电路自检方案。介绍FPGA配置和编程方法，给出了FPGA的时序仿真。测试了电源建立波形，实现并验证了装置运行的可靠性。该方案能够有效防止误动作发生，适用于有此需求的一般装置。
关键词：FPGA；数字化变电站；刀闸接口箱；出口闭锁；回路自检

数字化变电站的核心思想是设备智能化、信息互动化、控制网络化、功能一体化、状态可视化，最终实现高可靠的坚强智能电网。数字化变电站与传统变电站相比在间隔层和一次设备之间增加了一个强大的过程层业务单元，可以把现有一次设备接入数字化变电站。过程层主要设备为智能接口单元：包含断路器操作箱和刀闸接口控制箱，本文介绍刀闸接口控制箱的实现。
刀闸接口箱用来控制隔离开关，其可靠性成为数字化站检修的关键部位，因此需要设计一种高可靠装置以防止带负荷拉、合隔离开关，带电合接地刀闸，带接地线(接地刀闸)合断路器(隔离开关)。装置还要满足智能控制、通讯以保障符合IEC61850标准运行。本文介绍利用双FPGA实现刀闸接口箱的高可靠性以及通讯控制的设计方法。

1 系统设计
一个220 kV断路器需要7个隔离刀闸，一个隔离刀闸需要6个开关量采集点以及1组带闭锁的组合触点。6个开关量分别用于采集三相刀闸的的开和关位置信息。刀闸接口控制箱除实现上述功能外，还具备信号指示灯控制、多种自检功能、通讯控制、现场状态信号采集和上传、上级控制命令接收、解析、执行等，其功能框图如图1所示。为了实现高可靠性控制，逻辑上采用了双FPGA控制，驱动电路上采用独立双启动，采用多继电器“逻辑与”组合实现出口控制。防止刀闸检修时隔离开关误闭合导致人员伤亡事件发生。

1．1 硬件实现方案
数字量开入用于采集现场信号状态和逻辑控制硬压板，开入电路均具备一定的抗干扰能力；出口电路具备7路分闸、7路合闸以及7路闭锁用于执行相应的回路分闸与合闸。开入和出口均有强弱电隔离回路，能够保障4级快速瞬变和浪涌4级抗扰度实验。光收发通道用于实现远动控制，实现现场数据和装置状态量上传和接收控制命令，实现刀闸分合操作。还有14路指示灯用于指示分合闸位置和装置运行状态。装置还有一个CPU单元用于数据运算和解析执行命令。CPU单元与第一个FPGA之间通过串口交换数据，通过GPIO与第二个FPGA交换数据和命令。两块FPGA独立启动和出口；然后再把出口继电器触点进行逻辑组合实现更高等级的可靠传动。出口自检回路包括启动自检、击穿自检和断线自检。其中启动和断线故障立即报警，击穿故障时立即闭锁出口。硬件设计的核心为两块相同的FPGA，该装置的所有逻辑功能都是利用这两块FPGA芯片实现。该芯片选用XILINX的XC3S50AN，拥有50 k个系统门、1 584个逻辑单元、1 MbitFlashROM、65 KRAM、3个乘法器、2个DCM时钟管理器；最大可提供144个IO口。该芯片还具有低功耗、灵活的信号电平兼容性；内核1．2 V、IO为3．3 VTTL支持5 V容限输入。PU单元采用具备串口和GPIO的单元，限于篇幅这里不作介绍，本方案重点是采用先进的出口自检、启动以及出口逻辑组合；FPGA的系统设计方案：电源管理、复位电路、时钟分配以及FPGA配置电路的设计。
1．2 电源、复位及时钟系统的设计方案
本装置需要以下等级电源：24 V电源为出口继电器提供驱动、5 V电源为光信号收发模块提供驱动、3．3 V电源为FPGA的IO、时钟电路提供驱动电源、1．2 V为FPGA内核提供工作电源。选用免维护的LAMDA电源模块HWS50／HD把直流220 V转换为+24 V；DC—DC模块PSS3—24—5把+24 V转换到+5 V。FPGA所需要的3．3 V和1．2 V则选用高效电源管理芯片ISL6410AIU和MIC39101—3．3BM，其实现方法如图2所示。U1-4脚为1．2 V电源建立完成标志，使用该信号控制U2-1脚3．3 V电源使能，保证内核电源可靠工作后再建立IO电源。L1为滤波电感器，应保证负载的通流能力，选用coilcraft公司的DO1813H—153MLD型号。选用高可靠性的集成电路ADM6711TAKS实现手动复位和电平门槛监视复位。复位输出信号PORESET#为低电平有效，保障整个系统可靠复位。选用epson公司的高精度低温漂晶体振荡器OCETGLJ-16 M，所需电源为3．3 V，输出时钟为16 MHz，连接到FPGA的全局时钟入口，可以直接驱动两个FPGA。