智能变电站的一体化测控装置和系统的制作方法

智能变电站的一体化测控装置和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能变电站的一体化测控装置和系统，设有可提供各模块数据交换的智能管理器，实现测控功能，动态、暂态数据监测以及网络报文分析功能，过程层功能，液晶面板管理功能，各个电路在智能管理器的控制下协同工作完成各项功能，减少了二次设备的占地面积，提高了变电站二次设备的集成度，简化了维护管理的工作量，提高维护管理效率,同时可为电力自动化系统提供统一的稳态、动态、暂态、过程层报文，集成稳态、动态、暂态数据监测、集成网络报文分析功能。
【专利说明】智能变电站的一体化测控装置和系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及智能电网【技术领域】，特别是涉及一种智能变电站的一体化测控装置和 系统。

【背景技术】
[0002] 智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基 础，将现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网 高度集成而形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力 供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、适应电力市场化发展等为目的，实现对用 户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。
[0003] 智能变电站是智能电网的重要组成部分，采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能 设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采 集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能 调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。
[0004] 现有技术的智能变电站测控装置的服务对象是单个间隔，功能单一，测控装置工 程维护工作量大。在保测一体化装置存在争议的情况下，维持测控装置的独立性，顺应智能 电网发展方向，将测控装置向多间隔化和多功能化发展的方式已经成为一种趋势。另外， 随着电子信息技术及网络化的发展，作为独立化存在测控装置集成多种应用功能已成为可 能，如集成三态数据监测、集成录波和网络报文分析等，将大大减轻测控装置工程维护工作 量，提高维护管理效率。


【发明内容】

[0005] 基于上述情况，本发明提出了一种智能变电站的一体化测控装置和系统，以提高 变电站二次设备的集成度，减少测控装置工程维护工作量。为此，采用的技术方案如下。
[0006] -种智能变电站的一体化测控装置，设有测控功能电路，动态、暂态数据监测以及 网络报文分析的多功能电路，过程层功能电路和用于数据交换的智能管理器；
[0007] 所述智能管理器连接测控功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多 功能电路和过程层功能电路；
[0008] 所述过程层功能电路处理常规互感器的交流采样和具有电子式互感器的数字采 样，进行常规继电器控制的输入和输出，进行基于面向通用对象的变电站事件GOOSE的数 字化输入和输出；
[0009] 所述智能管理器负责对时，与测控功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分 析的多功能电路和过程层功能电路之间的通信；
[0010] 所述测控功能电路由智能管理器上取得原始采样数据并进行计算；
[0011] 所述动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路用于完成动态数据、暂 态录波数据、网络报文分析的工作，再传输到用户电脑上，同时通过智能管理器传输到液晶 面板管理电路提供数据显示。
[0012] 一种智能变电站的一体化测控系统，设有设置在测控功能电路中的测控功能模 块，设置在动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路中的同步相量测量模块、暂 态扰动监测模块，设置在液晶面板管理电路中的液晶面板管理模块，设置在过程层管理电 路中的过程层功能模块和智能管理器模块；所述测控功能模块、同步相量测量模块、暂态扰 动监测模块、液晶面板管理模块和过程层功能模块通过智能管理器模块实现相互通信；
[0013] 所述测控功能模块接收到智能管理器模块传输过来的原始采样数据后，进行测量 和控制方面的处理；
[0014] 所述同步相量测量模块接收过程层功能模块上送的原始采样数据，利用GPS卫星 同步时钟实现对电网母线电压和线路电流相量的同步测量，通过通信系统传送到电网的控 制中心或保护、控制器中，用于实现全网运行监测控制或实现区域保护和控制；
[0015] 所述暂态扰动监测模块接收过程层功能电路上送的原始采样数据，进行暂态扰动 监测的计算并将结果通过智能管理器模块传输到液晶面板管理模块进行实时显示；
[0016] 所述液晶面板管理模块接收智能管理器模块发来的数据并通过液晶显示器进行 实时显示；
[0017] 所述过程层功能模块从变电站电压、电流互感器获取电压、电流原始采样值，从变 电站的开关设备获得开入量的采样值，获取的电压、电流及开入量的采样值后将这些原始 采样数据传送给智能管理器模块；
[0018] 所述智能管理器模块收到过程层功能模块发送来的原始采样数据后将这些原始 数据分别传输到测控功能模块、同步相量测量功能模块以及暂态扰动监测功能模块；同时 将测控功能模块、同步相量测量功能模块以及暂态扰动监测功能模块发送来的结果传输到 液晶面板管理模块进行实时显示。
[0019] 与现有技术相比，本发明的智能变电站的一体化测控装置和系统设有可提供各模 块数据交换的智能管理器，实现测控功能，动态、暂态数据监测以及网络报文分析功能，过 程层功能，液晶面板管理功能，各个电路在智能管理器的控制下协同工作完成各项功能，减 少了二次设备的占地面积，提高了变电站二次设备的集成度，简化了维护管理的工作量，提 高维护管理效率，同时可为电力自动化系统提供统一的稳态、动态、暂态、过程层报文，集 成稳态、动态、暂态数据监测、集成网络报文分析功能。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1是本发明智能变电站的一体化测控装置中过程层功能电路的结构示意图；
[0021] 图2是本发明智能变电站的一体化测控装置中液晶面板管理电路的结构示意图；
[0022] 图3是本发明智能变电站的一体化测控装置中测控功能电路的结构示意图。
[0023] 图4是本发明智能变电站的一体化测控装置中多功能电路的结构示意图；
[0024] 图5是本发明智能变电站的一体化测控系统的结构示意图。

【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的智能变电站的一体 化测控装置（装置），设有测控功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能 电路（多功能电路），过程层功能电路，液晶面板管理电路，用于数据交换的智能管理器。智 能管理器连接测控功能电路、多功能电路、过程层功能电路和液晶面板管理电路。测控功能 电路、多功能电路、过程层功能电路和液晶面板管理电路分别以板卡的结构独立设置，以保 证各电路的功能实现的安全性。
[0026] 如图1所示，过程层功能电路设有第一 CPU (图中的PowerPC)，第一 CPU连接有 内存芯片；第一 CPU连接有闪存FLASH (Flash EEPROM Memory) :FLASH的一部分用于存放 操作系统和应用系统，另一部分用于存放记录文件；第一 CPU连接有时钟电路和无盘启动 (B00TR0M)插座；第一 CPU连接有两片模拟信号转换为数字信号的（A/D)芯片，支持A/D采 样，采集变电站电压和电流数据；第一 CPU经以太网PHY网卡连接调试网口；第一 CPU通过 第一现场可编程门阵列FPGA连接8个介质访问控制层（MAC)接口，支持8对光口（8收8 发），第一 FPGA还连接两路光串口校时输入，支持光B码或者光秒脉冲；第一 FPGA连接有 FPGA配置芯片。过程层功能电路经第一 FPGA与板卡的输入输出10总线、数据总线、校时总 线、秒脉冲输出口连接。
[0027] 过程层功能电路通过模拟信号转换为数字信号的电路（A/D芯片）采集到的变电 站电气量、运行设备的状态参数、操作控制执行与驱动的数据后，送入第一 CPU，第一 CPU将 采集到的变电站电气量、运行设备的状态参数、操作控制执行与驱动的数据通过智能管理 器，上送至测控功能电路与多功能电路，测控功能电路与多功能电路将计算出的电力系统 四遥数据、动态数据、暂态录波数据、网络报文分析结果据通过网络传输给变电站的站控层 系统。
[0028] 过程层功能电路处理常规互感器的交流采样和具有电子式互感器的数字采 样，可以进行常规继电器控制的输入和输出，可以进行基于面向通用对象的变电站事件 GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)的数字化输入和输出。
[0029] 如图2所示，液晶面板管理电路设有第二CPU，第二CPU连接有同步动态随机存储 器SDRAM，还连接有闪存FLASH和时钟电路；第二CPU连接有一个薄膜场效应晶体管TFT、按 键和网络控制器，网络控制器连接交换芯片，交换芯片连接调试网口、网口 1、网口 2和网口 3。液晶面板管理电路经网口 1、网口 2和网口 3与板卡的总线板连接。
[0030] 液晶面板管理电路负责完成人机交互，将用户命令通过智能管理器下发到各个电 路。使用者通过安装在操作面板上按键下达控制指令，通过智能管理器下发给测控功能电 路、多功能电路、过程层功能电路。
[0031] 智能管理器采用高速现场可编程门阵列FPGA，FPGA负责智能管理器对时和测控 功能电路、多功能电路、过程层功能电路和液晶面板管理电路之间的通信功能。智能管理器 内设有智能管理系统，采用电路化架构，按实现的功能作为电路形式出现，相互独立，接口 明确，高内聚、低耦合，智能管理系统实现的功能作为电路包括：管理总线电路、数据总线电 路、对时总线电路。
[0032] 如图3所示，测控功能电路设有第三CPU，第三CPU连接有内存芯片；第三CPU连接 有闪存FLASH、时钟电路和B00TR0M插座，FLASH用于存放操作系统、应用系统和FPGA配置 系统；第三CPU经以太网PHY网卡连接光/电接口（光/电口）和调试接口或电接口（调 试口或电口），第三CPU连接串口、校时接口和外存储卡；第三CPU经第三FPGA与板卡的10 总线、校时总线连接，实现测控功能电路与输入/输出控制总线和对时总线连接。第三CPU 经板卡的三个介质访问控制层MAC、以太网PHY网卡分别连接对外光/电接口或对外数据总 线和2个对外光/电接口。
[0033] 测控功能电路由智能管理器控制的数据总线、10总线上取得原始采样数据，通 过FPGA芯片将数据传送给第三CPU(对应图4中的增强型精简指令集的性能优化芯片 (PowerPC))，由第三CPU进行计算，再将计算结果通过MAC及串口传输给液晶面板管理电路 供用户使用。
[0034] 测控功能电路依据变电站实际工况自由配置、投退。用户可以通过输入设备（安 装在操作面板上按键）来操作智能管理器，设置测控功能电路在装置内是否使能，从而改 变装置的运行方式。
[0035] 如图4所示，多功能电路设有第四CPU，第四CPU连接有内存芯片、闪存FLASH、时 钟电路和B00TR0M插座，FLASH用于存放操作系统、应用系统、FPGA配置系统和数据存储设 备Compact Flash(CF)卡；第四CPU经以太网PHY网卡连接光/电接口（光/电口）和调 试接口或电接口（调试口或电口），第四CPU连接串口、两路校时接口。第四CPU可通过校 时接口接收对时信号，也可用第2、3网口进行IEEE1588网络对时。第四CPU经第四FPGA 与板卡的输入输出10总线、数据总线、校时总线、FPGA配置芯片连接。第四CPU经板卡的 三个介质访问控制层MAC、以太网PHY网卡分别连接3个对外光/电接口。
[0036] 多功能电路完成动态数据、暂态录波数据、网络报文分析的相关工作，再通过本电 路上的网卡传输到用户电脑上，同时通过智能管理器传输到液晶面板管理电路提供数据显 /_J、1 〇
[0037] 多功能电路可依据变电站实际工况自由配置、投退。用户可以通过操作智能管理 器，设置多功能电路在装置内是否使能，从而改变装置的运行方式。
[0038] 多功能电路具有的网络报文分析功能录取本间隔的采样值SV (Sampled Value)报 文、GOOSE报文等过程层。采用实时记录、滚动存储的方式保存采集到的报文，用户可以通 过IEC61850协议，调取报文进行高级应用和深入分析。
[0039] 根据变电站自动化的应用需求，本实施例的智能变电站的一体化测控装置，采用 以下配置：
[0040] 半层4U插箱结构，共有5个槽位，从右至左编号依次为1号槽、2号槽、3号槽、4号 槽、5号槽，共插入4块板件，如表1所示：
[0041]

【权利要求】
1. 一种智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 设有测控功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路，过程层功能 电路和用于数据交换的智能管理器； 所述智能管理器连接测控功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能 电路和过程层功能电路； 所述过程层功能电路处理常规互感器的交流采样和具有电子式互感器的数字采样，进 行常规继电器控制的输入和输出，进行基于面向通用对象的变电站事件GOOSE的数字化输 入和输出； 所述智能管理器负责对时，与测控功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分析的 多功能电路和过程层功能电路之间的通信； 所述测控功能电路由智能管理器上取得原始采样数据并进行计算； 所述动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路用于完成动态数据、暂态录 波数据、网络报文分析的工作，再传输到用户电脑上，同时通过智能管理器传输到液晶面板 管理电路提供数据显示。
2. 根据权利要求1所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述智能管理器连接有液晶面板管理电路； 所述液晶面板管理电路负责完成人机交互，将用户命令通过智能管理器下发到各个电 路；使用者通过按键下达控制指令，通过智能管理器下发给测控功能电路，动态、暂态数据 监测以及网络报文分析的多功能电路，过程层功能电路； 所述测控功能电路由智能管理器上取得原始采样数据并进行计算，再将计算结果传输 给液晶面板管理电路供用户使用； 所述动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路将完成的动态数据、暂态录 波数据、网络报文分析通过智能管理器传输到液晶面板管理电路提供数据显示。
3. 根据权利要求2所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述智能管理器采用高速现场可编程门阵列；所述智能管理器内设有智能管理系统， 所述智能管理系统实现的功能电路为：管理总线电路、数据总线电路、对时总线电路。
4. 根据权利要求3所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述过程层功能电路设有第一 CPU，第一 CPU分别连接有内存、闪存、时钟电路、无盘启 动插座以及模拟信号转换为数字信号的电路；第一 CPU经以太网网卡连接调试网口；第一 CPU通过第一 FPGA连接介质访问控制层接口，所述第一 FPGA还连接光串口校时输入、FPGA 配置芯片；过程层功能电路经第一 FPGA与板卡的输入输出10总线、数据总线、校时总线、秒 脉冲输出口连接。
5. 根据权利要求4所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述液晶面板管理电路设有第二CPU，第二CPU分别连接有同步动态随机存储器、闪 存、时钟电路、薄膜场效应晶体管、按键以及网络控制器，网络控制器连接交换芯片，所述交 换芯片分别连接调试网口、网口 1、网口 2和网口 3,所述液晶面板管理电路经网口 1、网口 2 和网口 3与板卡的总线板连接。
6. 根据权利要求5所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述测控功能电路设有第三CPU，第三CPU分别连接有内存、闪存、时钟电路以及无盘 启动插座；第三CPU经以太网网卡连接光/电接口和调试接口或电接口，第三CPU连接还连 接有串口、经串并转换口连接的串口、两路全球定位系统校时；第三CPU经第三FPGA与板卡 的10总线、校时总线连接；第三CPU还经板卡的介质访问控制层、以太网网卡分别连接对外 光/电接口或对内数据总线、对外光/电接口。
7. 根据权利要求6所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路设有第四CPU，第四CPU连接 有内存、闪存、时钟电路和无盘启动插座；第四CPU经以太网网卡连接光/电接口和调试接 口或电接口，第四CPU连接串口、经16V554串并转换口连接的串口、两路GPS校时，或用第 2、3网口进行IEEE1588网络对时；第四CPU经第四FPGA与板卡的输入输出10总线、数据 总线、校时总线、FPGA配置芯片连接，第四CPU经板卡的介质访问控制层、以太网网卡分别 连接对外光/电接口。
8. 根据权利要求7所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述测控功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路，过程层功能 电路和液晶面板管理电路分别以板卡的结构独立设置。
9. 根据权利要求8所述的智能变电站的一体化测控装置，其特征在于： 所述智能变电站的一体化测控装置设有机箱，所述机箱采用半层4U插箱结构，过程层 功能电路，动态、暂态数据监测以及网络报文分析的多功能电路，测控功能电路插接在机箱 的插槽上；液晶面板管理电路安装在机箱的前面板上，智能管理器安装在机箱的背板上，在 机箱的插槽上还插接有电源电路，所述电源电路分别为过程层功能电路、多功能电路、测控 功能电路、液晶面板管理电路和智能管理器供电。
10. -种智能变电站的一体化测控系统，其特征在于： 设有设置在测控功能电路中的测控功能模块，设置在动态、暂态数据监测以及网络报 文分析的多功能电路中的同步相量测量模块、暂态扰动监测模块，设置在液晶面板管理电 路中的液晶面板管理模块，设置在过程层管理电路中的过程层功能模块和智能管理器模 块；所述测控功能模块、同步相量测量模块、暂态扰动监测模块、液晶面板管理模块和过程 层功能模块通过智能管理器模块实现相互通信； 所述测控功能模块接收到智能管理器模块传输过来的原始采样数据后，进行测量和控 制方面的处理； 所述同步相量测量模块接收过程层功能模块上送的原始采样数据，利用GPS卫星同步 时钟实现对电网母线电压和线路电流相量的同步测量，通过通信系统传送到电网的控制中 心或保护、控制器中，用于实现全网运行监测控制或实现区域保护和控制； 所述暂态扰动监测模块接收过程层功能电路上送的原始采样数据，进行暂态扰动监测 的计算并将结果通过智能管理器模块传输到液晶面板管理模块进行实时显示； 所述液晶面板管理模块接收智能管理器模块发来的数据并通过液晶显示器进行实时 显示； 所述过程层功能模块从变电站电压、电流互感器获取电压、电流原始采样值，从变电站 的开关设备获得开入量的采样值，获取的电压、电流及开入量的采样值后将这些原始采样 数据传送给智能管理器模块； 所述智能管理器模块收到过程层功能模块发送来的原始采样数据后将这些原始数据 分别传输到测控功能模块、同步相量测量功能模块以及暂态扰动监测功能模块；同时将测 控功能模块、同步相量测量功能模块以及暂态扰动监测功能模块发送来的结果传输到液晶 面板管理模块进行实时显示。
【文档编号】H02J13/00GK104242447SQ201410364501
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】胡荣, 陶文伟, 张喜铭, 周华锋, 李金 , 顾慧杰, 樊腾飞, 何锡祺, 熊慕文, 陈桂友, 陈玉林, 王建东, 陈宇恩, 谢晓冬, 黎强, 江浩, 周俊峰 申请人:中国南方电网有限责任公司, 南京南瑞继保电气有限公司, 北京四方继保自动化股份有限公司, 长园深瑞继保自动化有限公司