книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

2920, остальные БИС являются вспомогательными/функционируя под управлением универсальных МП. Микросхема S2811 может работать ав­ тономно, однако в этом режиме теряет большую часть своей вычисли­ тельной мощности. Принципы построения БИС /iPD7720, МАА1000, А3990 схожи: микропрограммируемость, аппаратная реализация умно­ жения, разделение шин, разделение данных на независимые части (кон­ станты и коэффициенты), конвейерность и совмещение операций. Мик­ росхема К1815ВФЗ является составной частью МПК высокопроизводи­ тельных систем с конвейерными принципами организации обработки потоков данных, эффективной реализацией алгоритмов преобразования Фурье и выполнения крупных операций [8, 12]. Отличительной особен­ ностью БИС является использование знакоразрядной системы представ­ ления чисел. В состав указанного МПК входит ряд БИС, в том числе уни­ версальный МП. Для осуществления операции сложения (вычитания) и умножения комплексных чисел необходимо объединять четыре МГ1. Аналогично строится процессор, реализующий базовую операцию БПФ (быстрое преобразование Фурье). Структурные методы реализации крупных операций и новые принципы обработки информации последова­ тельными кодами старшими разрядами вперед позволяют строить систе­ мы высокой производительности при относительно низких аппаратурных затратах. Для управления, контроля и защиты ЭЭС переменного тока с силовыми тиристорными преобразователями могут быть применены МПС на основе подобных МП, ориентированных на обработку сигналов, так как такие ЭЭС характеризуются сильно искаженной формой кривой напряжения и тока сети при несиммегриях, вызванных токами перегру­ зок и КЗ.

Первыми отечественными специализированными МПК, работающими на основе структурно реализуемых операций, стали цифровые интегра­ торы серии К502 [69]. Эта серия позволяет создавать устройства, реали­ зующие цифровое интегрирование по формулам прямоугольников и трапеций, осуществлять масштабное интегрирование и слежение. Струк­ туры, реализованные на этом МПК, могут выполнять все арифметичес­ кие и логические операции. Особенностью МПК является многофункцио­ нальность и переменность структур, которые могут перестраиваться внешними сигналами. Интегрирующий МП (ИМП) представляет собой операционное устройство, выполняющее операцию приближенного вы­ числения определенного интеграла по одной из формул численного ин­ тегрирования, причем ИМП работает по фиксированному алгоритму. Структура ИМП обеспечивает вычисление приращения интеграла, вычис­ ление подынтегральной функции, а также хранение всех промежуточных величин. В состав МПК К502 входят: 24-разрядный регистр перестраи­ ваемой длины RG на базе микросхемы К502ИР1, сумматор потоков приращения SM на базе микросхемы К502ИС1, масштабный интегратор

72

Рис. 3.4. Функциональная схема интегрирующего МП

SI на базе микросхемы К502ИП1. Процессор, обрабатывающий две входные переменные в реальном времени, содержит четыре микросхе­ мы серии К502 (рис. 3.4) [58].

На основе ИМП возможно построение устройств, функциями которых являются: распознавание ситуаций, экстраполяция, фильтрация, модели­ рование систем алгебраических и дифференциальных уравнений. Струк­ турная схема цифровой интегрирующей структуры (ЦИС) приведена на рис. 3.5. Для решения задачи на ЦИС необходимо предварительно полу-

73

Рис. 3.5. Структурная схема ЦИС

чить из исходной задачи соответствующую входную информацию и по ней настроить структуру. Результатом подготовки задачи является про­ цедура решения, основу которой составляют коммутационная КИ, настроечная НИ, числовая ЧИ и другие виды информации. Упорядочен­ ная определенным образом коммутационная информация содержит сведения о порядке соединения информационных входов и выходов ИМП ЦИС. При автоматической коммутации процессоров коммутацион­ ная информация является входной для коммутационной системы. Настроечная информация представляет собой набор кодов операций МП или набор команд МП, формат которых содержит не только коды опе­ раций, но и номера (адреса) МП, номера самих команд и некоторые признаки, например инверсии знаков. Числовая информация представ­ ляет собой упорядоченный набор заданных числовых начальных значений, обычно используемых в процессе программирования за­ дачи.

Работой всех узлов ЦИС управляет блок программного управления БПУ, подающий на все функциональные узлы управляющие сигналы и потенциалы. Как правило, для хранения различных видов информации ЦИС содержит тот или иной вид ЗУ, параметры и характеристики кото­ рого определяются классом решаемых задач. Набор ИМП и системы электронной коммутации КС позволяют помимо распараллеливания

74

самого процесса вычислений выполнять перестройку конфигурации структуры.

Цифровые интеграторы разрабатывались как элементная база про­ цессоров ЦИС. Как показано в [69], для прогнозирования непрерыв­ ных функций МПК К502 в ряде случаев превосходят универсальный МП К580 по точности и быстродействию. Известны примеры применения цифровых интеграторов в устройствах дистанционной защиты ВЛ напря­ жением 220 и 500 кВ и РЗ подстанций [70,71] на основе использования алгоритма линейной фильтрации (цифровой аналог полосового частотно­ го фильтра) и алгоритма вычисления коэффициентов Фурье по форму­ лам Бесселя. Для реализации коэффициентов ряда Фурье требуется шесть интеграторов, а для реализации фильтра второго порядка допол­ нительно требуется еще один интегратор, а также сумматор.

В настоящее время исследуются пути совершенствования МП с пере­ страиваемой структурой, выполняющих крупные операции. Разработана, например, БИС однокристального интегратора. Ее быстродействие в 8—10 раз выше, чем у БИС К502, а тактовая частота увеличена до 2,5 МГц, максимальное потребление мощности не превышает 30 мВт, разрядность 16, 24 бит. По уровням сигналов БИС согласуется с ИС серий 564, 561 и выполняется на основе КМОП-технологии. Однокри­ стальный ИМП имеет дополнительные функции, расширяющие его воз­ можности.

3.2. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОЦЕДУРНО-АППАРАТНО ПРОГРАММИРУЕМЫХ СТРУКТУР ГИБКИХ РЗ

При процедурной реализации функций логики контроля и управления на традиционных МП последние часто не способны обеспечить необходи­ мые быстродействие, надежность и живучесть реализованных на их ос­ нове систем РЗ. Рассмотрим потенциальные возможности использования в устройствах гибких РЗ БИС с матричной структурой, которые поз­ воляют (наряду с МП, выполняющими крупные операции, характерные для РЗ, например БПФ) реализовать процедурно-аппаратно программи­ руемые структуры защит. К указанным БИС относятся прежде всего программируемые логические матрицы, БИС коммутирующих элемен­ тов (коммутаторы и программируемые мультиплексоры). Здесь же рас­ сматриваются БИС ОЗУ и ПЗУ, которые могут использоваться как в процедурно, так и в процедурно-аппаратно программируемых структу­ рах гибких РЗ.

Программируемые логические матрицы (ПЛМ) представляют собой комбинационную структуру, предназначенную для реализации последо­ вательных логических функций [72,73]. Традиционные ПЛМ вычисляют некоторую булеву функцию, сочетают в себе регулярность структуры с большими возможностями обработки информации, имеют определенные преимущества перед МП при реализации сложных алгоритмов управле-

75

л

IN

TN

Рис. 3.6. Функциональная схема ПЛМ:

* - установленные при программировании соединения

ния и контроля, когда необходимо обеспечить высокое быстродействие, но не требуется запоминание большого объема промежуточной информа­ ции.

На рис. 3.6 показана типичная реализация ПЛМ в виде двух матриц. Программируемые логические матрицы позволяют реализовать комби­ наторные переключательные функции из первоначально изготовленных ’’ненастроенных” матриц И и ИЛИ, которые на конечном этапе программ мируюгся для получения требуемой логической функции. Часто про­ граммирование ПЛМ осуществляется с помощью обычной маски на ко­ нечном этапе металлизации. Выпускаются БИС, позволяющие пользова­ телю программировать функцию путем плавления ’’мягких” связей в матрице; появились схемы с микропрограммным перепрограммирова­ нием функций. На основе ПЛМ традиционной структуры строятся управ­ ляющие микропрограммные автоматы. Введение обратной связи внут­ ри БИС расширяет их функциональные возможности, конкретный на­ бор которых характеризуется видом и составом элементов обратных связей, их функциональной сложностью, при этом обычно в обратную связь вводятся элементы памяти. По сравнению с БИС МПК, которые считаются наиболее перспективным направлением в создании элементной

76

базы цифровых систем упрвления, ПЛМ с памятью выгодно отличается по стоимости и времени изготовления, проигрывая в быстродействии и плотности размещения. Важным аспектом проектирования структур на основе ПЛМ с памятью является легкость перехода от формальных ло­ гических моделей к рабочим схемам.

По функциональным особенностям ПЛМ могут быть разделены на несколько видов: логические программируемые матрицы, программиру­ емые генераторы последовательностей, программируемые вентильные матрицы, программируемые ПЗУ-панели, программируемые логические блоки, программируемые мультиплексоры [73].

формулой NxMx Р, где N —количество входных битов; М —число ис­ пользуемых входных комбинаций; Р —число используемых выходных комбинаций. Для матрицы 16x8x48 число программируемых соедине­ ний составляет 1928. Для ПЛМ типа FPLA характерно, что в конкретном запрограммированном устройстве адрес каждого элемента И не обяза­ тельно содержит все N входных битов (в отличие от ПЗУ), и некоторые комбинации входных разрядов могут адресовать более одного элемен­ та И или не адресовать ни одного. Матрицы типа FPLA выпускаются ря­ дом зарубежных фирм, наиболее крупными из которых являются Signetics, TI, Fairchild, Intersel (США). Когда требования по быстродейст­ вию невысоки, а ограничения по рассеиваемой мощности и габаритам жесткие, рекомендуются к применению матрицы FPLA: их использова­ ние позволяет существенно повысить надежность устройств. Матрицы типа FPLA удобны для реализации устройств, в которых используется только небольшое подмножество всего набора состояний. Сюда отно­ сятся преобразователи кодов, таблицы переходов, схемы поиска и т.д. На таких ПЛМ можно реализовать отдельные узлы РЗ. В них за счет введения избыточной функциональной полноты можно реализовать од­ ну и ту же логическую функцию путем программирования разными ком­ бинациями. Это дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что неработоспособные конъюнкторы (элементы И) отключаются от матрицы ИЛИ и заменяются запасными вентилями И (рис. 3.7).

Программируемые генераторы последовательностей (Field Program­ mable Logic Sequence — FPLS) представляют собой сочетание матрицы типа FPLA и внутренних регистров в цепи обратной связи. Одна из БИС типа FPLS содержит 48 схем И, 6-разрядный регистр состояния, 8-разряд- ный регистр выходной схемы ИЛИ, управляющий схемами триггеров. Каждая схема И имеет 45 входов. Матрицы FPLS используются в фор­ мирователях последовательностей управляющих импульсов, генерато­ рах сигналов сложной формы, блоках формирования данных. Генератор последовательностей фактически является автономным устройством с конечным числом состояний (конечным автоматом), поскольку его

77

Рис. 3.7. Аппаратное редактирование ПЛМ:

а - F х = XYZ + XY, F2 = X Y ; 6 - F [ = XYZ + XY, F2 = XY; запасной вентиль

&С использован для замены в цепях, реализующих выходные функции F x и F2

можно программировать на выполнение любой синхронизированной по тактам логической последовательности. Число состояний в последова­ тельности зависит от длительности и сложности алгоритма. На ПЛМ данного типа можно реализовать относительно простые функциональ­ ные узлы РЗ с гибкой структурой и их устройства управления.

Программируемые вентильные матрицы (Field Programmable Gate Array —FPGA), упрощенный вариант матриц FPLA, представляют собой одноуровневую логическую матрицу ИЛИ. Область применения FPGA включает декодеры состояния, схемы обнаружения ошибок, дешифра­ торы, схемы выборки периферийных устройств.

Программируемые логические блоки (Programmable Array Logic — PAL) образуют семейство программируемых логических матриц (FPGA), дополненных типовыми структурными элементами БИС: вентилями, триггерами и т.д. При создании и использовании матриц PAL учтено, что, хотя существует бесчисленное множество конфигура­ ций логических схем, некоторые конфигурации оказываются необходи­ мыми практически всегда. Особенностью матриц PAL является наличие ’’последней перемычки”, которая обеспечивает засекречивание внут­ ренней структуры запрограммированной БИС. Если эта перемычка разорвана, установить структуру простой схемы можно, однако это

78

Рис. 3.8. Конфигурация отладочной системы

представляет определенные трудности, а для сложной схемы это прак­ тически невозможно.

Программируемый мультиплексор (Programmable Multiplexer — PMVX) представляет набор параллельных входов с выходными муль­ типлексорами. Матрица типа PMVX используется в микропрограм­ мных управляющих устройствах.

Для программирования ПЛМ выпускаются программаторы, которые могут быть простыми приборами с набором ключей или представлять собой сложные системы, имеющие интерфейс связи с ЭВМ для реализа­ ции булевых функций. Данные вводятся в форме таблиц истинности с клавиатуры дисплея, перфоленты или через интерфейс с ЭВМ. В послед­ нее время появился ряд программаторов, обеспечивающих программи­ рование широкого спектра логических устройств, а также ППЗУ. К та­ ким устройствам, в частности, относятся Data 1/0, System 17/19, Didgiles (США) и др. Программирование ПЛМ в принципе не отличается от программирования ППЗУ. Разница состоит только в методах досту­ па к выплавляемым перемычкам, подготовке данных и методах контро­ ля запрограммированного устройства. Тем не менее на сегодняшний день наибольшие трудности в использовании ПЛМ связаны именно с этапом программирования. Сходство способов и методов программирования позволяет создавать единые программно-аппаратные средства для зане­ сения информации в БИС ПЛМ и ПЗУ, состоящие из специальных аппа­ ратных модулей программирования и пакетов прикладных программ (рис. 3.8).

79

Матрицы ПЛМ допускают объединение для наращивания ресурсов. Единственное ограничение состоит в том, что такие расширенные выходы приходится программировать как выходы с активным низким уровнем. Конфигурация матрицы зависит от взаимосвязей между элементами И и ИЛИ и магистралями. Все внутрикристальные функции ввода-вывода также реализуются через магистральную сеть. Эффективный способ разделения матриц и магистральной сети на подмножества позволяет создать гибкую структуру РЗ, реализуемую на матрицах с требуемыми логическими функциями. Архитектура ПЛМ позволяет использовать разнообразные комбинации входов и выходов, наиболее удобные для данного применения, причем их полное число зависит от общего числа контактов на модуле. Любой контакт можно трансформировать в тре­ буемый канал ввода-вывода. Гибкая архитектура ПЛМ позволяет разра­ ботчику выбирать структуру входов и выходов, применять различные регистры и внешние схемы управления, многократно повышать функ­ циональные возможности матриц без квадратического уреличения раз­ меров кристалла. Такая гибкая структура существенно расширяет воз­ можные области применения ПЛМ. Характеристики некоторых ти­ пов ПЛМ, выпускаемых в нашей стране и за рубежом, приведены в табл. 3.6.

В системах РЗ основное назначение коммутационных систем (КС) — связывать между собой устройства с аналоговыми выходом и входом при переключениях и подключениях их к измерительным органам; при этом к микроэлектронным коммутаторам предъявляются требования выполнения операций переключения с заданными метрологическими ха­ рактеристиками. В связи с разработкой гибких РЗ с процедурно-аппарат­ ным программированием структуры коммутаторы приобретают новое качество —они становятся устройствами, участвующими непосредствен-

80