一种通用安全可控保护测控装置的制作方法

本发明涉及一种通用安全可控保护测控装置，属于电力自动化产品。

背景技术：

1、当前国内110kv及以上保护自动化设备超过100万套，每年新增和改造超过16万套；10kv保护测控装置超过500万套，每年新增和改造超过50万套。随着高效运营模式的转变，潜在产品市场前景广阔。各厂家硬件平台不一致，导致现场备品备件存在种类繁多，管理繁杂，利用率不高等问题。落后的技术与运营模式导致人员与运检任务的矛盾日益突出。

2、与此同时，随着通讯、计算机、自动化等技术在电网中得到广泛深入的应用，并与传统电力技术有机融合，极大提升了电网的智能化水平，智能电网应运而生。智能电网即电网的智能化，是电网技术发展的必然趋势，智能电网的主要特征是电力系统能量流与通信系统信息流的高度融合。随着大量智能终端设备的应用，尤其是以iec61850标准化网络通信平台为基础的智能变电站不断发展，常规变电站中错综复杂的电缆硬连线转化为智能变电站中数据信息流的逻辑关系，数据传输通过以太网交换机和光纤构成的通信网络来实现。智能变电站基于iec61850规约统一建模与网络化传输，为二次设备信息交互、充分共享以及各种高级应用提供了基础，二次硬件回路简化带来的是保护装置对信息数字化、网络化的依赖。面对电力系统发展的新形势，继电保护装置又迎来了新挑战。

3、近些年，南方电网和国家电网先后完成了国产10kv-500kv全电压等级、全品类交流继电保护挂网试运行，在调度领域核心装备国产化方面积累了一定应用经验，但在供应链层面自主可控芯片及装置方案尚无成熟经验，长期运行稳定性有待观察，自主可控的应用需要通过元器件高速迭代提高设备可靠性，必须提升设备的迭代能力。

4、当前电力自动化产品大多采用传统工控架构，尤其是主网继电保护与自动化装置本质上是一个复杂的嵌入式系统，保护功能多样化、采集信息多来源、开出信息多对象等都意味着其是定制、专用的产品。随着国产化替代战略的执行和实施，自主可控保护测控装置面临着元器件高速迭代的与传统研发测试周期长的矛盾，现各厂家硬件平台不一致，软硬件深度捆绑，应用软件跨硬件平台迁移困难，导致场备品备件存在种类繁多，管理繁杂，利用率不高等问题。现场人员越来越少，装置越来越多，落后的技术与运营模式导致人员与运检任务的矛盾日益突出。

5、传统继电保护装置在开发过程中需要在厂内经历硬件板卡设计、驱动设计及操作系统适配、保护应用程序移植、装置单板及整机测试等阶段，还需要通过电网公司组织的静模、动模和emc等专项检测才具备批量应用条件，研发测试周期较长，设备的迭代能力受限，客观上需要具备软硬件解耦能力的新型二次设备，以适应发展需要。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：提供一种通用安全可控保护测控装置，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

2、本发明采取的技术方案为：一种通用安全可控保护测控装置，包括cpu插件、电源插件、出口插件、操作插件、交流插件以及人机插件，所述cpu插件用于读取开关量输入，完成模拟量ad转换，采集模拟量数据，执行保护测控逻辑运算，控制开关量输出；通过数据控制线，与人机插件进行信息交互；

3、电源插件用于将交流或直流高电压转换为低电压；

4、出口插件用于开出回路的启动自检、开关管击穿自检、继电器断线自检功能，并能准确定位故障位置；

5、操作插件用于完成跳合闸、防跳、断路器位置监视等功能，包括跳合闸保持回路、跳合位监视回路、永跳监视回路、防跳回路、合后回路、手动跳闸回路、开出回路等；

6、交流插件通过面板端子接入需要采样的电流或电压回路中，互感器一次绕组接入电流或电压后，根据电磁感应原理，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流或电压，如若为电流互感器，二次绕组需要并接采样电阻产生电压，产生的小电压信号进入滤波回路，最后ad芯片将采样的小电压信号按一定的通信协议交互给后级电路；

7、人机插件用于完成人机接口、按键操作以及装置调试功能等。

8、优选的，所述cpu插件为soc芯片。

9、优选的，所述cpu插件包括以下功能子模块：ddr3 sdram、nor flash存储器、emmc存储器、can总线、模拟量采集通道、iic总线、uart、开入总线、开出总线，所述ddr3 sdram用于提供系统内存；

10、所述nor flash存储器通过qspi接口，可以对串行nor flash器件进行访问；

11、所述emmc存储器用于存储驱动程序、平台程序、应用程序、配置文件、日志等数据信息；

12、所述can总线设置为2组，其中一组用于接收开入插件的开关量开入信号，另一组用于向出口插件发送出口信号；

13、所述模拟量采集通道，用于采集经ct、pt变换后的电压、电流模拟量信息；

14、所述iic总线连接4个iic控制器，使用iic0控制点灯和按键，使用iic1连结cpu插件内rtc及测温芯片，测温芯片用于板卡环境温度测量；

15、所述uart设置为6个，uart0控制器设计成rs-232接口用于插件内部的调试接口，uart1控制器设计成rs-232接口用于插件外部的打印接口，uart2控制器设计成rs-485接口用于装置内部的b码对时，uart3控制器设计成rs-485接口用于装置内部的pps对时，uart4和uart5控制器设计成rs-485接口用于2路装置外部的103规约通信，uart6控制器设计成rs-485接口用于装置外部的电b码对时；

16、所述开入总线用于采集开入信号，通过片选信号来控制读取通道；

17、所述开出总线用于扩出口，总共24路出口，经启动和不经启动可选。

18、优选的，所述ddr3 sdram芯片的内存为4gb。

19、优选的，所述emmc存储器的内存为4gb。

20、优选的，电源插件具备输入过电流保护、输出过电流保护、过热保护、输出过电压保护等保护功能，不设输入欠压保护功能。

21、优选的，模拟量采集通道采用2片16通道同步采样adc芯片，可支持双ad采集。

22、优选的，电源插件的面板上应具有led灯指示电源模块的工作状态，具有控制电源模块掉电和上电的开关。

23、本发明的工作原理：

24、一、硬件标准接口关键技术——与开入插件通信，使用数据总线方式，通过片选分时控制多路开入信号的读取；与出口插件通信，使用三极管直接驱动继电器，三极管放在cpu插件上，出口插件上的继电器连接至5v或24v电源正极，由于省去can总线等中间环节，出口继电器的可靠性得到了极大提高；与人机插件通信，人机插件的按键、指示灯和液晶均由5v供电控制，按键和指示灯通过iic扩展io控制，iic扩展io芯片放在人机插件上，起到电平匹配的同时还可以起到一定的隔离作用，防止干扰信号通过带缆线直接损伤cpu管脚。

25、二、多电源域、多外设情况下的硬件电源设计——随着soc越来越复杂，包含的ip越来越多，单个soc上实现了cpu、mac控制器、pcie控制器、ddr控制器、外设等等功能，使用pmic(电源管理单元)给soc供电，由于诸多电源都集中在一片ic上，势必导致pmic发热严重，若散热处理不好，会导致其温度过高影响寿命，甚至会触发过温保护而无法给soc供电。而使用分立元件给soc供电，热量则分布在多个元件上，避免了热量过度集中在一个芯片上，且多个分立元件的表面积更大，散热效果更好，因此可大大降低热处理难度。内核电源、ddr电源、高速serdes电源、外设电源等功耗较大的电源域使用直流直流转换器(dc/dc)供电，pll电源、模拟电源等功耗较低但要求低纹波电压的电源域使用低压差线性稳压器(ldo)供电。为满足不同电源域对上电时序的要求，可使用前一级dc-dc变换器或低压差线性稳压器(ldo)的power good管脚来控制下一级dc-dc变换器或低压差线性稳压器(ldo)使能管脚。

26、本发明的有益效果：

27、1.与现有技术相比，本发明迭代周期短。装置软硬件解耦，功能应用软件app化，解决了保护测控装置面临的国产元器件高速迭代与传统研发测试周期长的矛盾问题。装置采用核心板+应用结构，板卡统一，硬件通用，支持第三方app应用快速部署，通过统一的运行框架，支持保护应用app的敏捷开发、快速配置、灵活迁移和高效部署，通过业务生态共建、共享的方式，以统一的终端为平台，引入生态软件开发伙伴，并通过标准化的平台引入各类新型业务应用能力，能在较长的时间满足装置运行过程中不断变化的业务应用升级需求，支撑多类型业务场景应用和全生命周期管理。

28、2.与现有技术相比，本发明备品备件利用率高。统一的硬件平台、标准接口、规格尺寸，使得硬件备货更单一，提高了管理效率和利用率。

29、3.与现有技术相比，本发明散热效果好。使用分立元件给soc供电，热量则分布在多个元件上，避免了热量过度集中在一个芯片上，且多个分立元件的表面积更大，可大大降低热处理难度

30、4.本发明基于自主芯片的硬件平台架构及可靠性研究，解决在基础器件可靠性不确定的情况下实现装置整体的高可靠及全栈国产化问题，通过组件化、模块化的分层解耦，构建可软件定义的通用装置，通过统一的运行框架，屏蔽不同厂家硬件差异，实现软硬件平台与应用解耦，支持功能集成、软硬件分离测试等自主可控装置迭代需求。