Forschungsbericht 2003 - Fachhochschule Nordwestschweiz

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Forschungsbericht 2003 - Fachhochschule Nordwestschweiz

xibler, via Konfi guration an die jeweiligen

Anforderungen anpassbarer Automationskomponenten

gesehen. Die FPGAs stellen

dafür eine Plattform dar, wie Abb. 3 zeigt.

Die Abkürzung FPGA steht für Field

Programmable Gate Array. Das sind Logikschaltkreise,

die aufgrund ihrer freien

Programmierbarkeit weite Verbreitung gefunden

haben. Sie werden immer dann eingesetzt,

wenn spezielle Funktionen schnell

und kostengünstig realisiert werden müssen.

Ausserdem sind sie für die Entwicklung

von Prototypen für ASICs unentbehrlich,

da die zu entwickelnden Schaltungen

zunächst in den FPGAs implementiert und

getestet werden. Diese Chips sind in den

unterschiedlichsten Grössen verfügbar.

Historische Strukturen werden

aufgebrochen.

Die Entwicklung der Schaltungen, die auf

den FPGAs implementiert werden sollen,

erfolgt meistens mit einem integrierten

HDL-Design-Prozess. Dieser beinhaltet

vereinfacht folgende Schritte: Funktionsbeschreibung

in VHDL und Erstellen einer

Verifi kationsumgebung. Wenn das Design

fehlerfrei ist, wird mit einem Synthese-

Tool eine Netzliste erstellt. Im Layoutprozess

werden die Funktionen in die verfügbaren

Strukturen umgesetzt. Schliesslich

wird ein Konfi gurations-Bit-File generiert,

das in den vorgesehenen Chip geladen

werden kann. Um die Designproduktivität

zu erhöhen, können vorgefertigte IP-Module

eingesetzt werden.

Solche neuen, robusten und digitalen Signalverarbeitungs-,

Kommunikations- und

Sensortechnologien brechen historisch

gewachsene Strukturen auf. Deutlichstes

Zeichen für diese Entwicklung ist die Tatsache,

dass sich bei Neuinstallationen in

den unteren Spannungsebenen kombinierte

Schutz- und Feldleitgeräte durchgesetzt

haben. Dies, weil Kombigeräte vor allem

preiswerter sind als separat ausgeführte

Feldleit- und Schutzgeräte. Diesen Trend

aufgreifend und konsequent weiterverfolgend,

wurden Basiskomponenten eines

hochspezialisierten Schutz- und Feldleitrechners

für Hochspannungsschaltanlagen

auf der Grundlage einer FPGA-basierten

Standardplattform entwickelt, um die

Integrationsdichte von Funktionalität

weiter zu erhöhen. Den besonderen Anforderungen

der speziellen Umgebung

in Hochspannungsschaltanlagen tragen

sowohl die Auslegung der elektronischen

Eingangskreise als auch die an die nichtkonventionellen

Sensoren angepasste digitale

Signalverarbeitung Rechnung.

Signalverarbeitung weiterentwickelt

Mit der neuen Zielplattform wird es

möglich werden, die Leistungsschalter

auf der Basis von Informationen, die im

Zusammenhang mit der Kurzschlussidentifi

kation zur Vermeidung von grossfl

ächigen Blackouts ermittelt werden, im

Netzverband optimaler zu steuern, da die

erforderlichen Informationen bereits auf

der untersten Automationsebene gewonnen,

ausgewertet und sofort zur Steuerung

verwendet werden. Die dafür notwendige

Robustheit wird unter anderem durch eine

an der Fachhochschule Nordwestschweiz

Solothurn weiterentwickelte mathematische

Signalverarbeitungsmethode gewährleistet,

die besser an die verwendeten

Strom- und Spannungssensoren angepasst

wurde [1]. Der Algorithmus macht den

bislang notwendigen digitalen Integrator

im Zeitbereich für die Signale von Rogowski-Spulen

überfl üssig. Er verbessert durch

die Vereinfachung sogar das Einschwingverhalten

nach schnellen Transienten.

Der Algorithmus wurde zusammen mit

mehreren Schutzfunktionen in ein FPGA

implementiert.

Grundsätzlich lässt sich festhalten: Seit

es integrierte Multiplizierer und Speicherelemente

gibt, sind FPGAs auch für

digitale Signalverarbeitung geeignet. Die

oben beschriebene Anwendung ist sehr gut

umsetzbar. In naher Zukunft wird durch

die Implementation von Rechnerstrukturen

eine Ein-Chip-Lösung möglich. Diese

Technologie gestattet den Entwurf von

hochfl exiblen Standardhardware-Plattformen.

Für künftige Entwicklungen von

Hardware-Plattformen von fl exiblen Automationssystemen

mit hohem Bedarf an

Rechenleistung sind FPGAs neben Mikrocontrollern

und DSPs grundsätzlich mit in

Betracht zu ziehen.

Publikation

[1] Stanimirov, M.; Deck, B.; Rüegg, W. (2000): Verfahren zum

Messen des Widerstandes und der Induktivität einer Leitung.

Patentschrift von ABB Research Ltd.

Abb. 3: Vereinfachte

Übersicht zur im FPGA implementierten

Funktionalität.

Abb. 2: Die Highend-

FPGA-Chips sind bereits

derartig leistungsfähig, dass

sich schon mehrere via

P realisierte 32-Bit-Prozessoren

parallel auf einem FPGA

implementieren lassen.

Automation & Microsolutions

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