數字化變電站的核心思想是設備智能化、信息互動化、控制網絡化、功能一體化、狀態可視化，最終實現高可靠的堅強智能電網。數字化變電站與傳統變電站相比在間隔層和一次設備之間增加了一個強大的過程層業務單元，可以把現有一次設備接入數字化變電站。過程層主要設備為智能接口單元：包含斷路器操作箱和刀閘接口控制箱，本文介紹刀閘接口控制箱的實現。

刀閘接口箱用來控制隔離開關，其可靠性成為數字化站檢修的關鍵部位，因此需要設計一種高可靠裝置以防止帶負荷拉、合隔離開關，帶電合接地刀閘，帶接地線(接地刀閘)合斷路器(隔離開關)。裝置還要滿足智能控制、通訊以保障符合IEC61850標準運行。本文介紹利用雙FPGA實現刀閘接口箱的高可靠性以及通訊控制的設計方法。

1 系統設計

一個220 kV斷路器需要7個隔離刀閘，一個隔離刀閘需要6個開關量采集點以及1組帶閉鎖的組合觸點。6個開關量分別用于采集三相刀閘的的開和關位置信息。刀閘接口控制箱除實現上述功能外，還具備信號指示燈控制、多種自檢功能、通訊控制、現場狀態信號采集和上傳、上級控制命令接收、解析、執行等，其功能框圖如圖1所示。為了實現高可靠性控制，邏輯上采用了雙FPGA控制，驅動電路上采用獨立雙啟動，采用多繼電器“邏輯與”組合實現出口控制。防止刀閘檢修時隔離開關誤閉合導致人員傷亡事件發生。

1．1 硬件實現方案

數字量開入用于采集現場信號狀態和邏輯控制硬壓板，開入電路均具備一定的抗干擾能力；出口電路具備7路分閘、7路合閘以及7路閉鎖用于執行相應的回路分閘與合閘。開入和出口均有強弱電隔離回路，能夠保障4級快速瞬變和浪涌4級抗擾度實驗。光收發通道用于實現遠動控制，實現現場數據和裝置狀態量上傳和接收控制命令，實現刀閘分合操作。還有14路指示燈用于指示分合閘位置和裝置運行狀態。裝置還有一個CPU單元用于數據運算和解析執行命令。CPU單元與第一個FPGA之間通過串口交換數據，通過GPIO與第二個FPGA交換數據和命令。兩塊FPGA獨立啟動和出口；然后再把出口繼電器觸點進行邏輯組合實現更高等級的可靠傳動。出口自檢回路包括啟動自檢、擊穿自檢和斷線自檢。其中啟動和斷線故障立即報警，擊穿故障時立即閉鎖出口。硬件設計的核心為兩塊相同的FPGA，該裝置的所有邏輯功能都是利用這兩塊FPGA芯片實現。該芯片選用XILINX的XC3S50AN，擁有50 k個系統門、1 584個邏輯單元、1 MbitFlashROM、65 KRAM、3個乘法器、2個DCM時鐘管理器；最大可提供144個IO口。該芯片還具有低功耗、靈活的信號電平兼容性；內核1．2 V、IO為3．3 VTTL支持5 V容限輸入。PU單元采用具備串口和GPIO的單元，限于篇幅這里不作介紹，本方案重點是采用先進的出口自檢、啟動以及出口邏輯組合；FPGA的系統設計方案：電源管理、復位電路、時鐘分配以及FPGA配置電路的設計。

1．2 電源、復位及時鐘系統的設計方案

本裝置需要以下等級電源：24 V電源為出口繼電器提供驅動、5 V電源為光信號收發模塊提供驅動、3．3 V電源為FPGA的IO、時鐘電路提供驅動電源、1．2 V為FPGA內核提供工作電源。選用免維護的LAMDA電源模塊HWS50／HD把直流220 V轉換為+24 V；DC—DC模塊PSS3—24—5把+24 V轉換到+5 V。FPGA所需要的3．3 V和1．2 V則選用高效電源管理芯片ISL6410AIU和MIC39101—3．3BM，其實現方法如圖2所示。U1-4腳為1．2 V電源建立完成標志，使用該信號控制U2-1腳3．3 V電源使能，保證內核電源可靠工作后再建立IO電源。L1為濾波電感器，應保證負載的通流能力，選用coilcraft公司的DO1813H—153MLD型號。選用高可靠性的集成電路ADM6711TAKS實現手動復位和電平門檻監視復位。復位輸出信號PORESET#為低電平有效，保障整個系統可靠復位。選用epson公司的高精度低溫漂晶體振蕩器OCETGLJ-16 M，所需電源為3．3 V，輸出時鐘為16 MHz，連接到FPGA的全局時鐘入口，可以直接驅動兩個FPGA。

1．3 啟動、出口及自檢回路

為了實現出口閉鎖，設計了出口啟動電路，只有出口電路和啟動電路同時動作時才能把信號開出。為了防止電路故障而導致拒動，設計了啟動及出口回路的自檢電路如圖3所示。兩個FPGA各有一套完整的啟動及自檢回路，組合出口是利用兩個FPGA驅動的繼電器觸點進行“邏輯與”后實現出口。啟動自檢方法：關閉出口信號(OUT1高電平)，打開啟動繼電器(START低電平)；OP1導通，J1動作+24VC接通24 V電源、OP2導通，OUT_RET變為低電平，實現啟動自檢。出口自檢方法：關閉啟動繼電器(START高電平)，打開出口(OUT1低電平)；OP3、OP4導通，OUT_ RET變為低電平，實現出口回路自檢。多路出口自檢時，需要每一路輪流自檢，由于可能會有干擾，可以通過設定某一路10輪自檢均錯誤時才判定該回路故障。