就地化继电保护系统的制作方法

本发明涉及一种电力系统保护系统，特别是一种数字化变电站的继电保护系统。

背景技术：

现有技术的数字化变电站有以下两种结构模式：1.数字式合并单元+智能终端+纯数字式保护装置(采样值SV和面向通用对象的变电站事件Goose跳闸)，2.传统采样合并单元+智能终端+纯数字式保护装置。现场应用主要采用主控室+就地柜组合方式，主控室内安装保护装置，就地柜内安装合并单元和智能终端，主控室与电力机房类似，对主控室的IP防护等级(INGRESS PROTECTION防护等级系统)要求不高，一般IP20即可，要求不超过55℃工作环境。就地柜设置在户外，对其的IP防护等级要求比较高，通常为IP65，一般会设有空调机，合并单元和智能终端的防护等级要求为IP42，需要满足不超过85℃高温的工作环境。

现有技术的数字化变电站的结构在实际使用中存在以下不足：安装在就地柜的合并单元、智能终端装置发热量大，光纤数量多，导致可靠性下降。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种就地化继电保护系统，要解决的技术问题是提高数字化变电站的可靠性。

本发明采用以下技术方案：一种就地化继电保护系统，设有单间隔保护装置、跨间隔保护装置和测控自动化装置，所述单间隔保护装置就地设置，跨间隔保护装置和测控自动化装置设置在数字化变电站的主控室内，单间隔保护装置与主控室之间通过百兆光纤通信。

本发明的单间隔保护装置中，直接与一次设备电缆连接的超级采集单元放在户外柜内，线路保护、母差子机、合并单元和智能终端通过光纤放在户外柜外面。

本发明的超级采集单元连接有母差子机、B码光串、线路保护、合并单元、智能终端、线路保护的电流电压采集单元、母差子机的电流电压采集单元、合并单元的电流电压采集单元、开入量采集单元、开出量采集单元和变压器油温、档位的直流量采集单元；所述超级采集单元、线路保护的电流电压采集单元、母差子机的电流电压采集单元、合并单元的电流电压采集单元、开入量采集单元、开出量采集单元和直流量采集单元设置在靠近一次设备放置的户外柜内；所述线路保护、合并单元、智能终端和母差子机在户外柜外壁上就地设置；所述超级采集单元分别经千兆光纤与线路保护、合并单元、智能终端和母差子机通信连接；所述线路保护、合并单元、智能终端和母差子机分别经百兆光纤与设置在数字化变电站的主控室通信连接。

本发明的跨间隔保护装置包括母差保护装置和主变保护装置。

本发明的线路保护设有线路保护现场可编程门阵列和以太网收发器1,线路保护现场可编程门阵列与主控室测控自动化装置和跨间隔保护装置通信经以太网收发器1分别采用MMS和Goose报文，所述以太网收发器1中设有至少两个收发MMS报文的百兆光纤接口和至少两个收发Goose报文的百兆光纤接口，所述线路保护现场可编程门阵列连接有两路E1、B码光纤接口1、CPU1、CPU2和千兆光模块1。

本发明的合并单元设有合并单元保护现场可编程门阵列和以太网收发器2，合并单元现场可编程门阵列与主控室的跨间隔保护装置通信经百兆光纤按采样数据点对点传输，所述以太网收发器2设有1～8个采样数据百兆光纤接口，所述合并单元现场可编程门阵列级连接有CPU3、千兆光模块2和B码光纤接口2。

本发明的智能终端设有智能终端现场可编程门阵列和以太网收发器3，现场可编程门阵列与主控室的测控自动化装置通信经以太网收发器3采用Goose报文，所述以太网收发器3设有1～8个收发Goose报文的百兆光纤接口，所述智能终端现场可编程门阵列连接有CPU4、千兆光模块3和B码光纤接口3。

本发明的母差子机设有母差子机现场可编程门阵列和私有协议模块，母差子机现场可编程门阵列通过私有协议与主控室通信，所述母差子机现场可编程门阵列连接有千兆光模块5、CPU6和B码光纤接口5。

本发明在110kV以下电压等级的数字化变电站中，合并单元与智能终端集成为合智装置。

本发明的合智装置设有合智装置现场可编程门阵列和以太网收发器4，合智装置现场可编程门阵列与主控室的跨间隔保护装置通信经百兆光纤按采样数据点对点传输，所述以太网收发器4设有1～8个采样数据百兆光纤接口，合智装置现场可编程门阵列与主控室测控自动化装置通信经以太网收发器4采用Goose报文，以太网收发器4设有1～8个收发Goose报文的百兆光纤接口，所述合智装置现场可编程门阵列连接有千兆光模块4接、CPU5处和B码光纤接口4。

本发明与现有技术相比，将线路保护、合并单元、智能终端、母差子机就地布置，跨间隔保护装置和测控自动化装置设置在主控室内，单间隔保护装置与主控室通过光纤通信，节省了大量电缆，节省了部分光纤，就地布置的系统，端接在户外柜内安装，方便布线和接线，发热大的装置安装在户外柜外，通过其本身的外壳直接自然散热，户外柜发热降低，不再需要空调机，降低了继电保护成本，提高了系统的可靠性，并且方便运维。

附图说明

图1是互感器采样的超级采集单元结构框图。

图2是数字化互感器采样超级采集单元结构框图。

图3是本发明在户外柜布置的结构框图。

图4是本发明的整体设置示意图。

图5是本发明的线路保护结构框图。

图6是本发明的合并单元结构框图。

图7是本发明的智能终端结构框图。

图8是本发明的合并单元和智能装置结构框图。

图9是本发明的母差子机结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，互感器采样的超级采集单元用于数字化变电站，采用主控室+就地柜的组合方式。就地柜设有现场可编程门阵列FPGA，FPGA连接有千兆光模块1～4、B码光纤串行通信接口(B码光串)和单片机，FPGA经滤波电路连接有线路保护装置(线路保护)的电流电压采集单元CT/PT(CT/PT 1#)、母差保护装置子机(Bus Differential Protection Sub Unit，母差子机)的电流电压采集单元CT/PT(CT/PT 2#)、线路间隔和主变高压侧合并单元(合并单元)的电流电压采集单元CT/PT(CT/PT 3#)、采集变压器油温、档位的直流量采集单元，FPGA经开入隔离电路连接有开入量采集单元，经开出隔离电路连接有开出量采集单元。单片机连接开出隔离电路和调试串行通信接口(调试串口)。千兆光模块1～4用于发送端把电信号转换成光信号，通过光纤光传送到主控室。

滤波电路采用两级无源RC滤波电路，截止频率为2KHz，用于滤除高频干扰，保护、测量需要的更低的截止频率由FPGA及其系统实现。

超级采集单元采用FPGA和单片机构成，将采集到的模拟量和开关量信号转换为符合千兆光纤接口格式的报文数据。FPGA和单片机连接至千兆光模块，对线路保护、母差子机的保护系统解耦，因此可以一次配置，只要与其连接的互感器、刀闸、断路器一次设备不失效，后续免升级免维护。单片机实现对1A/5A互感器、110V/220V开关量输入的配置管理和调试，可以采用普通ARMCortexM0级别的单片机。

电流互感器CT信号采用双模拟信号转换成数字信号AD配置，可以提高整体可靠性，AD选用美国ADI公司的AD7606芯片，具有8通道同步采样，单5V供电，可以简化了电源配置。开入隔离电路采用光耦隔离，开出隔离电路采用继电器隔离。

采集交流信息的电流互感器CT、电压互感器PT采用模拟量，采样合并单元与电子式互感器的合并单元依靠千兆光模块1～4与主控室内的线路保护、合并单元、电力系统的智能终端(智能终端，Smart Terminal电力系统的智能终端用于数字化变电站，接收Goose报文，控制断路器、刀闸的分合)、母差子机进行数据传输。

就地柜的主要发热源头是光模块，每路百兆光模块的功耗在1W左右。为降低功耗，现有技术采用的单片机+FPGA+光模块结构，用FPGA直接驱动光模块，光模块选择千兆位电信号转换为光信号的接口器件SFP或小型化光纤连接器件SFF，功耗最低可以到0.3W以下，FPGA选用低功耗产品，例如美国阿尔卡特Altera公司的MAX10系列，美国莱迪思Lattice公司的MathXO2系列，美国爱特Actel公司的IGLOO2系列。单片机做配置管理和调试。按采集36路交流模拟量，控制100路输入输出IO，对外提供4对千兆接口来计算，整体功耗可以控制在单片机0.2W+FPGA 0.5W+光模块4×0.3W＝1.9W，假设电源损耗80％，整体功耗可以控制在2.5W以下。随着光模块数量增多，每路只增加0.3W，发热是可控的。假设按现有技术，则至少功耗为高性能CPU 2.5W+FPGA1.5W+网卡PHY 1W+以太网物理层芯片(Physical Layer)4×0.5W＝8W，电源损耗80％，整机功耗10W以上。而且随着光模块数量增多，功耗急剧增大。

可见，现有技术结构存在的不足是功耗大，可靠性低，而且需要大量光缆、电缆进入主控室。

如图2所示，数字化互感器采样的超级采集单元，采集交流信息的线路保护的电流电压采集单元CT/PT、母差子机的电流电压采集单元CT/PT、合并单元的电流电压采集单元CT/PT可以采用电子式互感器，经隔离和积分还原电路得到交流数据，以数字量报文的形式发送至FPGA。相对于图1所示的结构，将互感器电缆改为光缆进入户外柜。

本发明的就地化继电保护系统(系统)，采样就地设置的结构方式，将单间隔保护装置就地设置，跨间隔保护装置和测控自动化装置设置在主控室内，跨间隔保护装置包括母差保护装置和主变保护装置。单间隔保护装置与主控室之间通过百兆光纤通信。系统直接采集模拟量、开关量(直采)，跳闸开出直接连接智能终端(直跳)。

根据单间隔保护装置功能、发热分为不同的组件，直接与一次设备电缆连接的超级采集单元放在户外柜内，线路保护、母差子机、合并单元、智能终端等通过光纤和主控室相连的装置放在户外柜外面。

间隔保护装置为线路保护、合并单元、智能终端和母差子机。

如图3和图4所示，本发明的装置，就地设置有超级采集单元，超级采集单元连接有母差子机、B码光串、线路保护、合并单元、智能终端、线路保护的电流电压采集单元CT/PT(CT/PT 1#)、母差子机的电流电压采集单元CT/PT(CT/PT 2#)、合并单元的电流电压采集单元CT/PT(CT/PT 3#)、开入量采集单元、开出量采集单元和变压器油温、档位的直流量采集单元。

超级采集单元、CT/PT 1#、CT/PT 2#、CT/PT 3#、开入量采集单元、开出量采集单元和直流量采集单元设置在靠近一次设备放置的户外柜内。线路保护、合并单元、智能终端和母差子机在户外柜外壁上就地设置。超级采集单元分别经千兆光纤与线路保护、合并单元、智能终端和母差子机通信连接。线路保护、合并单元、智能终端和母差子机分别经百兆光纤与设置在数字化变电站的主控室通信连接。

超级采集单元接收CT/PT 1#、CT/PT 2#、CT/PT 3#、开入量采集单元、开出量采集单元和直流量采集单元发送来的交流量和开关量，向母差子机、线路保护、合并单元和智能终端输出控制信号，控制断路器动作。超级采集单元经传输校时B码的光纤与设置在主控室的全球定位系统GPS连接，将校时信息经B码光串引入到与超级采集单元连接的各个单元中，进行同步。

超级采集单元采用低功耗高可靠性的FPGA，具备4路千兆并行转换器Serders功能，功耗低于2.5W，实现超低功耗和高可靠性。本实施例选择美国爱特Actel公司的SMARTFUSION2系列产品。

母差子机经千兆光纤与超级采集单元连接，超级采集单元通过母差子机接收主控室的母差保护装置(母差主机)传来的母差保护的跳合闸开关量数据的面向通用对象的变电站事件GOOSE报文。母差子机对上与主控室的母差保护装置通过百兆光纤接口相连，对下经千兆光纤与超级采集单元相连。

线路保护通过千兆光纤与超级采集单元连接，线路保护经超级采集单元接收从电流电压采集单元CT/PT采集来的交流量信息。线路保护装置用于保护线路的一次设备，线路保护经百兆光纤与主控室通信，采用制造报文规范MMS报文和Goose报文格式，线路保护的E1端经E1光纤与数字化变电站的对侧线路保护相连接。E1为一种电信信道，采用同步时分复用方法将30个语音信道和2个控制信道复合在一条2.048Mbit/s的高速信道上。对侧是指供电线路另一端的数字化变电站。

合并单元经千兆光纤与超级采集单元连接，接收从合并单元互感器CT/PT3#采集来的交流量采样数据，经百兆光纤按采样数据SV点对点传输至主控室的跨间隔保护装置。

智能终端经千兆光纤与超级采集单元连接，接收从开入量采集单元、开出量采集单元和直流量采集单元发送来的交流量和开关量信息数据，智能终端经百兆光纤采用Goose报文与主控室通信。

如图5所示，线路保护设有线路保护FPGA和8口以太网收发器PHY188E3082,线路保护FPGA与主控室测控自动化装置和跨间隔保护装置通信经PHY1分别采用MMS和Goose报文。8口的以太网收发器PHY1中设有至少两个收发MMS报文的光纤接口和至少两个收发Goose报文的光纤接口，均为百兆光纤接口，由PHY1控制百兆光纤接口进行报文传输。线路保护FPGA连接有两路E1、B码光纤接口1、CPU1和CPU2、千兆光模块1。E1用于与对侧线路保护装置通信，B码光纤接口1用于经B码光纤从超级采集单元获取校时信息，CPU1和CPU2用于运行线路保护系统，千兆光模块1用于线路保护FPGA与超级采集单元通信，获取交流、开入、开出信息。

如图6所示，合并单元设有合并单元FPGA和8口以太网收发器PHY288E3082，合并单元FPGA与主控室的跨间隔保护装置通信经百兆光纤按SV点对点传输，传输交流量数据。PHY2设有N个SV百兆光纤接口，N为1～8个，具体数量按现在要求确定。合并单元FPGA经千兆光模块2接收超级采集单元发送来的交流量信息，经CPU3处理后通过百兆光纤接口发送给主控室，B码光纤接口2用于经B码光纤从超级采集单元获取校时信息。

如图7所示，智能终端设有智能终端FPGA和8口以太网收发器PHY 388E3082，智能终端FPGA与主控室的测控自动化装置通信经PHY3采用Goose报文。PHY3设有M个收发Goose报文的百兆光纤接口，M为1～8个，具体数量按现在要求确定。智能终端FPGA经千兆光模块接收超级采集单元发送来的开入、开出量信息，经CPU4处理后通过百兆光纤发送给主控室，B码光纤接口3用于经B码光纤从超级采集单元获取校时信息。

在110kV以下电压等级的变电站中，合并单元与智能终端集成为一个装置，可以减少合并单元与智能终端数量，降低成本。

如图8所示，合并单元和智能装置(合智装置)设有合智装置FPGA和8口以太网收发器PHY4 88E3082。合智装置FPGA与主控室的跨间隔保护装置通信经百兆光纤按SV点对点传输，合智装置PHY4设有N个SV百兆光纤接口，N为1～8个。合智装置FPGA与主控室测控自动化装置通信经PHY4采用Goose报文，合智装置PHY4设有M个收发Goose报文的百兆光纤接口，M为1～8个。合智装置FPGA的千兆光模块4接收超级采集单元发送来的交流、开入、开出量信息，经CPU5处理后通过百兆光纤接口发送给主控室，B码光纤接口4用于经B码光纤从超级采集单元获取校时信息。

如图9所示，母差子机设有母差子机FPGA和私有协议模块，母差子机FPGA通过私有协议与主控室的母差主机通信。私有协议为母差子机FPGA与不同数字化变电站母差主机的专有通信协议。母差子机FPGA的千兆光模块5接收超级采集单元发送来的采集交流、开入、开出数据，经CPU6处理后通过百兆光纤接口传输至主控室的母差主机，B码光纤接口5用于经B码光纤从超级采集单元获取校时信息。

本发明将数量最大的单间隔保护装置线路保护、合并单元、智能终端、母差子机就地布置，跨间隔保护装置和测控自动化装置设置在主控室内，单间隔保护装置与主控室通过光纤通信，节省了现有技术中的数字化变电站连接进入主控室的大量电缆，节省了现有技术中单间隔保护装置到智能终端的点对点传输的部分光纤。系统直采、直跳，本间隔内的交流量、开入、开出量在本间隔处理，不再经通信转发，安全可靠。就地布置的系统，端接在户外柜内安装，方便布线和接线。根据功能、发热分为不同设置的组件，发热量大的组件安装在户外柜外，通过其本身的外壳直接自然散热，散热好，户外柜发热降低，不再需要空调机，降低了继电保护的成本，与一次设备直连的超级采集单元柜内安装，IP防护好，提高了系统的可靠性，并且方便运维。