数字化保护与测控装置的制作方法

专利名称：：数字化保护与测控装置的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种保护与测控装置，具体讲是涉及一种适用于数字化变电站的、符合IEC61850标准的数字化保护与测控装置，属于电力系统数字化变电站
技术领域：
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背景技术：
：网络通信、计算机自动化与测控保护等技术的飞速发展，为变电站综合自动化系统实现数字化、网络化奠定了技术基础。传统的电磁式互感器只能产生模拟量信号，对于数字化变电站，应用起来较为麻烦。电子式与光电式互感器具有优良的绝缘性能，不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题，并且测量精度更高，因此，代替目前传统电磁式互感器是未来发展的必然趋势；同时，通过数字信号代替传统测量模拟量传输，有利于实现数据信息的共享。由于测量源头互感器的技术升级也引发了保护与测控装置走向数字化。今后，传统变电站将逐步向数字化变电站过渡。IEC标准委员会在2006年正式制定出全球统一的变电站通信标准IEC61850，规范了未来数字化变电站的技术标准，并指明了今后变电站自动化技术发展方向，要求今后变电站内设备都应遵循IEC61850标准。IEC61850标准的应用有利于提高变电站的综合自动化水平，确保更加安全、经济、可靠和高质量的供电。但是目前，还没有一种真正符合IEC61850标准的数字化保护与测控装置，使得全数字化变电站的建设难以实现。
实用新型内容为解决上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于电子式或光电式互感器的数字量输入与符合IEC61850标准的数字化保护与测控装置，可用于电力系统数字化变电站。为实现上述实用新型目的，本实用新型是采取以下的技术方案来实现的一种数字化保护与测控装置，其特征在于包括DSP处理器、大规模可编程门阵列、大容量总线存储器、CPU、电路板、ARM处理器、以太网芯片、光纤以太网接口和显示屏；所述的DSP处理器为32位浮点DSP处理器，采用独立方式处理过程层数据，架构设计上支持多个过程层接口；所述的大容量总线存储器为大容量FLASH存储器；所述的以太网芯片和DSP处理器与过程层接口，处理过程网络的数据，将不同格式和采样速率的原始数据归一为后端保护、测控计算DSP处理器需要的数据，与大规模可编程门阵列间通过数据总线、地址总线连接；采用双端口RAM，通过大规模可编程门阵列内的MM实现；所述的大规模可编程门阵列通过数据总线、地址总线与两个DSP处理器连接，实现两个DSP处理器间互联需要的同步、互锁操作，实现硬件的开关量输出正确性检查以及外围电路的同步与控制；所述的ARM处理器为32位ARM处理器，处理后台通讯、装置界面，与DSP处理器通过同步串行连接。前述的数字化保护与测控装置，其特征在于其测量量输入为数字信号，采用点对点通信方式通过光纤以太网接口输入。本实用新型具有光纤以太网接口，实现了符合IEC61850—9一1的过程层接口，采用独立的DSP处理过程层数据，可以满足任意配置的IEC61850—9一1的过程层接口，且设计构架上已事先考虑在需要的时候可以具有多个过程层接口。前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的DSP芯片采用32位高性能浮点DSP芯片，可以更快地实现算法，提高了保护装置的数据采集与处理能力，使每周波32点逐点计算成为可能，在每个采样点均进行全过程计算，迅速判别故障。同时可保证CPU负荷率(负荷率指32点逐点进行保护计算和控制所占用时间)在20%_30%以内，留有较大的余量可以有能力处理突发情况下的计算任务。实际测量(以计算任务最多的线路保护为例)，每0.625ms计算一次，每次耗时最小100us，最大160us，平均120us。另外，在保护计算时采用无分支编程，在保护程序执行时基本无判断和跳转。本实用新型采用大规模可编程门阵列(FPGA)代替传统的分立器件和一些专用功能的芯片，简化了系统硬件，使许多器件的功能集中于一个芯片中，大大减少了电路板面积和焊点数量，极大的縮短了总线长度，提高了抗干扰性能和电路可靠性(装置故障大部分是由于电路接触不良所造成的而非芯片的原因)。可编程逻辑器件的使用同时增强了装置功能和应用的灵活性。本实用新型采用大容量总线存储器将保护定值存储于大容量FLASH存储器中，可以存储多达256X4个历史事件和8次故障录波数据。该存储器的操作需要程序解锁，一般不会在偶然的情况下发生误写数据的情况。前述的数字化保护与测控装置，其特征在于其硬件平台采用基于嵌入式双以太网、带光纤收发接口的数字式保护硬件；所述的CPU为双CPU。本实用新型保护测控部分采用双CPU设计，大部分装置采用1或2个CPU结构，CPU要处理保护、测量、开关量输入输出、界面显示与后台通讯等，由于受开发能力和生产成本的限制，一般不使用高档处理器或DSP(数字信号处理器)，每个任务按照急迫性优先执行，而不能每时每刻保证所有功能都具备。例如当保护启动时，有的装置将全部的CPU资源用于处理保护，这时界面显示、键盘响应、通讯等功能全部中断，用户就无法知道当前装置和监控设备的运行状况。同样由于受处理能力的限制，不能处理开关量SOE事件和具有多端口后台通讯的能力。采用双CPU设计，人机界面通信管理和保护计算分开，使得DSP和人机界面、通讯接口等没有直接联系，外部干扰对保护/测量计算的影响减到了最小，而DSP只负责保护和测量的计算。前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的测量量输入，其通信标准采用IEC61850标准，过程层通信采用IEC61850-9-1通信标准。IEC61850标准在借鉴美国UCA2.0标准的基础上，充分运用了当前计算机领域最新的异构信息集成技术。IEC61850ACSI中定义了数据访问机制和向具体的通信协议桟的映射，在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到醒S(ManufacturingMessagingSpecification)(IEC61850-8-1)。间隔层禾口过程层间的网络映射成串行单向多点或点对点的传输网络(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802.3标准的过程总线(IEC61850-9-2)(Part7-2，Part8/9)。同时采用了基于XML的SCL语言来描述变电站和自动化系统拓扑以及用于配置装置功能。IEC61850标准有利地解决了当前变电站内系统集成难题，解决了设备之间的互操作问题。前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台同时支持数字信号和模拟信号输入，同时兼有模拟量信号输入。前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台的数字接口具有与传统模拟量输出接口相同的保护处理接口，采用相同的保护处理软件，在底层支撑平台区分数字和模拟两种输入方式。两个平台的软件使用的模块一致，仅在底层支撑平台有所不同，这便于在缺少数字化标准源与数字式测试装置的情况下，仍然可以采用模拟量输出源进行试验测试。本实用新型装置经IEC61850功能测试，测试情况良好。本实用新型支持的IEC61850主要功能服务有:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本实用新型的有益效果是本实用新型的测量量输入来自于电子式互感器(或光电互感器)，采用数字信号输入代替传统电磁式互感器的模拟信号输入，过程层通过点对点光纤通信方式，支持IEC61850-9-1标准。采用独立的DSP处理过程层数据，可以满足任意配置的过程层接口，在构架设计上支持多个过程层接口。采用32位高性能浮点DSP芯片实现更快的算法，提高了保护装置的数据釆集与处理能力；采用FPGA代替传统的分立器件和一些专用功能的芯片，简化了系统硬件；支持IEC61850国际变电站统一通信标准，提高了变电站的综合自动化水平，确保供电安全可靠。图1是本实用新型实施例一的模拟接口数据流程与结构图；图2是本实用新型实施例一的数字接口数据流程与结构图；图3是本实用新型实施例一的应用例示意图(数字化变电站内主要设备及结构示意图)；图4是本实用新型实施例一的应用例过程层示意图5、图6a、图6b分别是本实用新型实施例一的保护软件逐点算法示意图7是本实用新型实施例一的保护软件无状态差别计算流程图；图8是本实用新型实施例一的保护软件无分支保护计算程序图；图9是本实用新型实施例一的IEC61850ACSI映射实现示意具体实施方式以下结合附图实例对本实用新型做进一步详细描述-.图1是本实用新型实施例一的模拟接口数据流程与结构图；图2是本实用新型实施例一的数字接口数据流程与结构图。如图所示，本实用新型的数字化保护与测控装置，包括DSP处理器、大规模可编程门阵列、大容量总线存储器、CPU、电路板、ARM处理器、以太网芯片、光纤以太网接口和显示屏；DSP处理器为32位浮点DSP处理器，采用独立方式处理过程层数据，架构设计上支持多个过程层接口；大容量总线存储器为大容量FLASH存储器；ARM处理器为32位A脂处理器。与过程层接口的以太网芯片和DSP处理器，专用于处理过程网络的数据，将不同格式和采样速率的原始数据归一为后端保护、测控计算DSP处理器需要的数据，与FPGA、以太网芯片间通过数据总线、地址总线等连接。为了实现两个DSP处理器间数据的高速交换，采用了双端口RAM，此双端口RAM由FPGA内RAM实现。FPGA实现了两个DSP处理器间互联需要的同步、互锁等操作，同时还实现硬件的开关量输出正确性检査以及其它外围电路的同步与控制。与两个DSP处理器间通过数据总线、地址总线等连接。保护、测控计算用DSP处理器负责保护和测控的运算，开出的控制。与FPGA间通过数据总线、地址总线等连接。32位ARM处理器负责后台通讯、装置界面等，与保护、测控计算用DSP处理器通过同步串行连接。图3显示了本实用新型实施例一的一个应用例，数字化变电站分为三层-即变电站层、间隔层、过程层。传统变电站没有过程层，由于光电式电流、电压互感器的应用，保护测量量的输入由模拟信号向数字信号转变改变，基于光纤数字网络通信的过程层开始出现。本实用新型属于间隔层设备，与传统保护测控装置突出不同之处就在于具备了数字光纤接口，符合IEC61850-9-1过程层技术标准，适应了今后数字化发展方向。图4显示了本实用新型实施例一的应用例中过程层的示意图。过程层电子式互感器经由合并器合并信号，以点对点方式传给保护与测控装置。采用的是IEC61850-9-1作为通信标准。图5、图6a、图6b显示了本实用新型实施例一采用的基于先进32位高性能DSP芯片的逐点算法。在低压系统中，为了降低成本，变电站综合自动化保护测控系统大部分采用性能较低的单片机系统，CPU的计算速度较慢，因此保护的采样频率较低，且不能够做到保护的逐点中断算法，因此留给保护判别的时间比较少，如处理不当的话比较容易引起保护的误动。采用逐点算法后，数据窗逐点移动，保护在每个采样点均进行全过程计算，判别次数多，能迅速判别故障，经计算连续几次符合出口条件后方可出口跳闸，这样既提高了动作速度又提高了可靠性。算法公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>全周波逐点等间隔采样32个点，k为0-31采样次数，x(k)为采样瞬时值，a为采样瞬时值值实部，b为采样瞬时值虚部，^为计算出的对应采样点等效幅值。图7显示了本实用新型实施例一采用的无状态差别计算流程图。现有技术中当保护启动时，界面显示、通讯等会中断。本实用新型无论保护处于启动、跳闸等任何状态，CPU负荷率低，通讯、界面显示、用户操作的响应等的性能无任何区别，用户随时可以了解保护当前的状态。图8显示了本实用新型实施例一采用的无分支保护计算程序图。本实用新型实施例计算采用无分支编程，在保护程序执行时基本无判断和跳转，而釆用常规最普通的算术表达式/逻辑表达式进行运算，这样做有几个好处a.程序维护工作量少，可靠性高；b.保护程序执行时间不会因为定值不同、输入量值的不同而相差很大，也就是保证在任何情况下，CPU的占用率无很大变化，可以严格保证整个程序按要求的方式执行，不会发生难以预料的软件错误。还能保证当保护启动时，测量量的计算速度和通讯界面处理器的数据交换速度不变。图9显示了本实用新型实施例一的IEC61850ACSI映射实现示意图；IEC61850标准作为下一代变电站的无缝通信标准，充分借鉴了变电站通信、计算机、工业控制等领域的长期经验，采用面向对象思想对变电站涉及的设备与通信服务进行了功能建模、数据建模，并规范了一套抽象的通信接口，使标准拥有足够的开放性以适应未来的变电站通信发展的要求。实现IEC61850的关键在于实现标准中规范的ACSI(AbstractCommunicationServiceInterface)到MMS(ManufacturingMessageSpecification)或其它中间件的映射。ACSI的产生来源于人们对现实设备的实践经验抽象，主要定义了各类通信服务与通信对象及参数，它与下层通信系统独立，与采用的通信标准和具体的实现方法无关。ACSI主要设定了各类服务模型连接服务模型、变量访问服务模型、数据传输服务模型、设备控制服务模型、文件传输服务模型、时钟同步服务模型等，这些服务模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问，实现了客户应用端和服务器应用端的通信，完成实时数据的访问和检索、对设备的控制、时间报告和记录、设备的自我描述等等。为了保证ACSI的独立性，以及适合未来的网络技术通信发展的变化，IEC61850标准中并没有具体指定实现ACSI的方法，只提供了特殊通信服务映射(SCSM)来描述映射过程，在IEC61850-8-1部分定义了ACSI映射到制造报文规范麗S(ISO/IEC9506第l、2部分)。现行标准中只定义了ACSI到丽S的映射，但同时指出了ACSI映射到其他标准应用层以及中间件技术的可能性。ACSI只提供了类模型与服务，不存在ACSIPDU，ACSI通过各自特定的映射方式SCSM映射到应用层或CORBA中间件技术。以MMS方式为例，标准规定采用ASN:1的BER编码方式构造MMSPDU(丽SStandardDataUnits),标准中暂时只规定了映射到醒S，但同时指出了映射到CORBA中间件或其他的可能性。对于底层标准栈可以自行设计实现OSI标准栈，也可以直接建立在TCP/IP标准基础之上。SCSM是具体的ACSI映射的实现，描述了映射实现的过程，现标准中，可以将ACSI到画S映射的过程称为SCSM1。ACSI到醒S映射的实现IEC61850核心所在，ACSI的设计主要分为三部分。第一部分是最上层应用层的ACSI的各个类的设计，先采用面向对象语言设计出ACSI服务与86个逻辑节点和公共数据类，应用层数据的导入(可能来源于数据库，XML配置文件)，各个逻辑功能拥有的服务，并将服务与醒S标准的服务相映射。第二部分是将应用层的服务语义与应用层的数据在表示层实现ASN.1的BER编码化，是一个编解码的部分，这一部分设计是核心关键，编解码是一个相反的过程，因为它涉及到实现设备的互操作，需要进行报文的一致性测试。第三部分是比特流报文在网络中的传输形式，分为TCP方式的面向关联与G00SE报文与采样报文的UDP无连接方式。本实用新型实施例的开关量及电源电路中，开关量共有22路，且均是输出特性。采用光耦隔离电路，抗干扰能力强。各路开关量均由FPGA定义实现。CPU板输入电压为5V,工作电压为3.3V，处理器的内核电压为1.8V，电源之间转换采用功耗低，线性特性较好的低压差稳压电源转换电路来实现的。DSP保护电路保护算法采用32位高性能浮点DSPVC33来实现，保护运算的数据从FPGA中获得。本实用新型实施例的以太网CPU电路中，以太网CPU主要是将以太网接口所收到的以太网包进行解压。将解压的数字信号传至FPGA，由FPGA将数据传至DSP进行保护逻辑运算。光纤以太网接口电路中合并器的电流电压数字信号可以采用两种方式接入，即RJ45双绞线和ST光纤模式。该部分采用单芯片以太网控制器和物理层'芯片，光纤接口采用收发一体的光纤接口。本实用新型实施例的ARMCPU及以太网接口电路中A腦处理器的频率为l謹Hz，外围的动态RAM存储空间为16M，誦DFLASH存储空间为16M，主要完成人机接口功能。A固处理器内核自带MAC，与外围的物理层芯片构成以太网接口，该以太网接口主要用于与后台通讯，通讯规约为IEC61850。本实用新型实施例的硬件结构中，印刷电路板设计选用静电放电保护(ESD)的芯片以及快速瞬变电压抑制器件，采用表面安装技术(SMT)及多层印制板，体积小、可靠性高，以及全部选用工业级芯片，装置的电磁兼容能力大大提高，使装置可稳定运行于多种环境。本实用新型的数字式保护与测控装置与传统保护装置接口不同传统基于电磁式的互感器采用的是模拟式的CT/PT板，数字式采用的是基于光纤的以太网，同时带以太网口，支持TCP/IP协议。本实用新型装置结构采用全密封设计，抗干扰性强；印刷电路板设计用静电放电保护(ESD)的芯片以及快速瞬变电压抑制器件，采用表面安装技术(SMT)及多层印制板，体积小、可靠性高，以及全部选用工业级芯片，装置的电磁兼容能力大大提高，使装置可稳定运行于多种环境。本实用新型装置适用于110kV及以下成套保护测控装置。实现的装置主要有a)PSI-01数字式线路保护测控装置b)PSI-02数字式变压器差动保护装置c)PSI-03数字式变压器后备保护装置d)PSI-04数字式电容器保护装置e)PSI-07数字式测控装置各个装置主要差别在于保护功能，数据采集及控制功能基本类似，主要采集电流、电压、有功、无功、功率因数、频率、4路脉冲量、48路遥信量，具有谐波测量与故障录波、多路遥控、直控及远方软压板投退、定值修改以及远方定值区切换功能。'本实用新型了使用软件陷阱技术，每执行一段程序，就校验相应关键字是否正确，如果不正确，说明程序没有按预设的流程执行，而发生了某些错误，此时闭锁出口，重新启动。本实用新型程序、设定值自校验，处理器空闲时不停地校验程序、数据(定值区)的正确性。在关键点(如跳闸出口程序)入口处先校验设定值及存储器的功能，然后才会执行相应功能(跳闸出口)。同时保证有严格时序的信号线不离开线路板，提高了抗干扰性能。本实用新型具备设备状态参数显示，能报告保护计算程序的耗时最大最小和平均值，保护计算中断的延迟时间最大值和最小值，保护的重启动次数等。保护计算中断的延迟时间已经过校正，保证延迟最大值和最小值一致，和自动频率跟踪配合，极大地提高了测量量及保护量的计算精度。本实用新型实现了全汉化人机界面，传统用户界面没有全部汉化，定值等大多以拼音或英文縮写以及控制字0/l来表示投退，无法一看就能明白，必须仔细对照说明书操作，很容易发生错误。而本实用新型采用大屏幕全汉化液晶显示，人机对话采用树状菜单，简便易学，无须记忆操作命令；定值整定取消了控制字方式，保护的投/退直观明了，消除了常规数字式保护采用软件控制字方式引起的进制转换困难和计算错误，人机界面清晰、友好、操作方便。上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。权利要求1、数字化保护与测控装置，其特征在于包括DSP处理器、大规模可编程门阵列、大容量总线存储器、CPU、电路板、ARM处理器、以太网芯片、光纤以太网接口和显示屏；所述的DSP处理器为32位浮点DSP处理器，采用独立方式处理过程层数据，架构设计上支持多个过程层接口；所述的大容量总线存储器为大容量FLASH存储器；所述的以太网芯片和DSP处理器与过程层接口，处理过程网络的数据，将不同格式和采样速率的原始数据归一为后端保护、测控计算DSP处理器需要的数据，与大规模可编程门阵列间通过数据总线、地址总线连接；采用双端口RAM，通过大规模可编程门阵列内的RAM实现；所述的大规模可编程门阵列通过数据总线、地址总线与两个DSP处理器连接，实现两个DSP处理器间互联需要的同步、互锁操作，实现硬件的开关量输出正确性检查以及外围电路的同步与控制；所述的ARM处理器为32位ARM处理器，处理后台通讯、装置界面，与DSP处理器通过同步串行连接。2、根据权利要求l所述的数字化保护与测控装置，其特征在于其测量量输入为数字信号，采用点对点通信方式通过光纤以太网接口输入。3、根据权利要求1所述的数字化保护与测控装置，其特征在于其硬件平台采用基于嵌入式双以太网、带光纤收发接口的数字式保护硬件；所述的CPU为双CPU。4、根据权利要求2所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的测量量输入，其通信标准釆用IEC61850标准。5、根据权利秀求1所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的过程层，其通信采用IEC61850-9-1通信标准。6、根据权利要求3所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台同时支持数字信号和模拟信号输入，同时兼有模拟量信号输入。7、根据权利要求6所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台的数字接口具有与传统模拟量输出接口相同的保护处理接口，采用相同的保护处理软件，在底层支撑平台区分数字和模拟两种输入方式。专利摘要本实用新型涉及一种数字化保护与测控装置，包括DSP处理器、大规模可编程门阵列、光纤以太网接口等；DSP处理器为32位浮点DSP处理器；以太网芯片和DSP处理器与过程层接口，通过数据/地址总线与大规模可编程门阵列连接；采用双端口RAM；大规模可编程门阵列通过数据/地址总线与两个DSP处理器连接；ARM处理器为32位ARM处理器，与DSP处理器通过同步串行连接。本实用新型的测量量输入为数字信号，过程层通过点对点光纤通信，支持IEC61850-9-1标准；采用32位高性能浮点DSP芯片实现更快的算法，提高保护装置的数据采集与处理能力；采用FPGA代替传统的分立器件和专用功能的芯片，简化了系统硬件。文档编号G05B19/418GK201191379SQ20082003114公开日2009年2月4日申请日期2008年1月29日优先权日2008年1月29日发明者澄李,王伏亮,聂国际,伟黄申请人:江苏省电力试验研究院有限公司;江苏方天电力技术有限公司