一种基于功能纵向集成的就地化线路保护装置的制作方法

本发明涉及一种基于功能纵向集成的就地化线路保护装置，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术：

常规变电站保护设备一般安装在控制室或保护小室，采用电缆直接采样、直接跳闸，一二次设备间距离较远，电缆较长，可能带来ct饱和、多点接地、回路串扰、分布电容放电等问题，同时无法实现数据共享。

智能变电站通过增加合并单元、智能终端等ied设备的应用实现数据共享；过程层设备采用就地汇控柜安装方式，解决长电缆问题。但新设备和安装方式的变化也给保护带来了一些新的问题：(1)增加了保护采集、跳闸信号传输的中间环节，导致线路保护的整组动作时间延长了5-10ms。降低了主保护的速动性与可靠性，使电网运行于稳定极限的边界。(2)过程层设备安装于一次设备的汇控柜中，运行环境较差，设备故障率高，影响保护系统可靠性。(3)二次设备种类繁多、二次回路复杂，现场接线、配置、调试及检修等工作量大，安调及检修时间相比常规站大大变长。

文献1杨志宏等，智能变电站自动化系统新方案的探讨，电力系统自动化，2016,(14)，文献2，zhengyuping,applicationofinvestigatesystemandintelligentdevicesinverticalintegrationsmartsubstation.zijin-2016internationalforumonsmartgridprotectionandcontrol中提出一种基于分立板件实现的智能变电站纵向集成设备设计及系统集成方案，将合并单元功能、保护功能、智能终端功能集成在一台装置不同板件实现，解决设备种类及数量多、配置复杂等问题。

中国已受理专利201510370184.5“一种面向间隔的多功能纵向集成装置”公开了一种面向间隔的多功能纵向集成装置，具体实现方式是将合并单元、智能终端及保护测控分别采用独立的cpu实现，采用多cpu板卡，保证了多功能的相对独立性。

文献1、2和已受理专利201510370184.5分别提出的功能纵向集成装置，均是将智能变电站合并单元功能、保护功能、智能终端功能由三个不同装置实现改为同一装置内部不同板件(板卡)实现，这种方法虽然节省了装置间数据传输时间，但数据传输存在板间传输延时，因此保护动作速度提升有限，仍比常规变电站线路保护慢。另一方面，文献1、2和已受理专利201510370184.5中所提纵向集成设备在设备防护等级、抗干扰能力方面相比传统二次设备无明显提升，仍需安装在就地汇控柜中，同样存在设备故障率高、恶劣天气检修、调试困难等问题，因此并没有很好解决智能变电站带来的保护速动性、可靠性问题。

技术实现要素：

目的：为了缩短保护动作时间、减少设备数量及种类、简化配置、方便实现设备即插即用，本发明提供一种基于功能纵向集成的就地化线路保护装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于功能纵向集成的就地化线路保护装置，包括：箱体、盖板、支撑结构件，就地化线路保护装置采用功能纵向集成的一体化设计和就地无防护安装设计，包括：a、功能纵向集成就地化线路保护装置在智能变电站系统架构的基础上，将线路保护、线路合并单元及智能终端功能进行纵向整合，集成至一台保护装置中的单板件内实现，通过缩短数据传输路径时间，提高应用实时性，同时满足其它设备对线路间隔采样数据及控制资源共享的要求；b、就地化线路保护装置采用高可靠防护技术，采用适应强电磁、机械和气候环境应力的复杂智能电子设备系统结构设计技术，解决紧凑机箱尺寸规格下复杂智能电子设备中电路板采用多块并列布置方式导致的各电路板间电磁骚扰耦合强、机箱承受冲击外力条件下电路板易受机械损伤和并列结构中间位置的电路板散热困难的问题，满足现场无防护直接安装要求；c、就地化线路保护装置采用无液晶屏设计，通过在控制室设置智能管理单元作为全站就地化保护装置的人机接口；d、就地化线路保护装置采用标准化接口设计，降低误碰、误接线可能性，为保护设备更换式检修和即插即用创造条件；所述箱体顶部设置有箱体盖板，箱体与箱体盖板之间设置有导电密封条，箱体中部通过导热屏蔽板将箱体分为上下两层，箱体下层底部设置有绝缘板，绝缘板上设置有导热铜块，导热铜块上设置有绝缘导热垫，绝缘导热垫上设置有电源模块；箱体下层底部设置有第一支撑结构件，第一支撑结构件上设置有开出模块，所述开出模块通过双排端子和电源模块相连；所述导热屏蔽板顶部设置有导热绝缘垫，所述导热绝缘垫顶部与cpu模块上发热元件相连接，所述导热绝缘垫顶部还设置有第二支撑结构件，第二支撑结构件上设置有光纤接口模块，光纤接口模块通过高速连接端子和cpu模块相连接；光纤接口模块上的光模块与箱体盖板底部之间设置有导热绝缘垫；箱体下层设置有三排端子，电源模块通过三排端子和cpu模块相连接。

作为优选方案，所述cpu模块包括：soc芯片、fpga、adc芯片和以太网phy芯片；所述开出模块用于接收cpu模块的指令进行跳闸。

作为优选方案，所述soc芯片包括：一个管理cpu核和两个dsp核，管理cpu核完成装置系统配置、事件及录波管理功能；dsp1核完成线路保护、智能终端功能，其任务调度周期int0为833us，1.2k；dsp2核实现保护启动计算和合并单元功能，其任务调度周期有int0，833us，1.2k、int1，250us，4k；fpga包括：采样fpga、通信fpga，采样fpga用于对adc模拟量进行高速采集并通过抽点或者重采样的方式给两个dsp核提供采样数据；通信fpga对内通过pcie接口和soc芯片进行mms、goose/sv数据交互,对外通过mii接口和以太网phy芯片相连，并直接通过serdes接口连接光纤接口模块，对外提供hsr接口、点对点组网口和纵联通道通信接口，通信fpga还完成irig-b解码、时间处理、硬件中断和各类时序的同步处理功能；采样fpga产生int0，1.2k中断给保护cpu使用，并根据该中断间隔进行24khz，24000点/秒高速采样，每20点抽取一点数据发送给保护cpu使用；对于光纤差动保护，为实现两侧数据的同步，需通过调整int0间隔长短实现两侧同步采样，24khz高速数据采样间隔也会根据int0变化实时调整；保护装置通过采用高速采样抽点和采样中断间隔调整实现和对侧采样同步，数据无需重采样，减少计算量、缩短采样延时。

作为优选方案，所述光纤接口模块包括：纵联通道接口、sv/goose接口、mms通信口、hsr通信口、调试口，用于支持sv/goose共网+mms独立组网，支持sv、goose、mms三网合一，点对点通信、全站sv/goose/mms双向hsr环网、传输纵差信号和接收b码对时信号，光纤接口模块密封采用特殊工艺处理，满足防水、防尘等要求，不同接口采用不同色带和容错键位设计，防误插拔；通过接口的标准化，降低误碰、误接线可能性，利于实现二次设备更换式检修和即插即用。

作为优选方案，所述电源模块包括：直流电源接口、电池模块、开入模块和模拟量采集模块，电池模块用于对整个装置系统进行供电，开入模块用于采集外部开入量，模拟量采集模块用于采集电压、电流信号。

作为优选方案，就地化线路保护装置采用无液晶屏设计，通过在控制室设置智能管理单元作为全站就地化保护装置的人机接口，采用iec61850统一建模技术，完成界面集中展示、控制操作、配置管理、备份管理、保护设备在线监视与诊断功能，实现对全站就地化二次设备的智能化远程管理。

作为优选方案，采用综合热、电磁屏蔽、机械强度结构设计技术，由金属压铸箱体、金属盖板和内部导热屏蔽支撑结构件组成装置结构系统，并在金属压铸箱体上一次成型安装内部导热屏蔽支撑结构件所需的传导散热面和支撑安装面。

作为优选方案，在金属压铸箱体和金属盖板之间安装导电密封条，实现金属压铸箱体和金属盖板之间电磁屏蔽的可靠搭接；同时在金属压铸箱体一次成型的传导散热面和支撑安装面上安装内部导热屏蔽支撑结构件，形成内部电磁屏蔽结构，分隔装置接口电路和处理电路安装空间，降低从装置接口电路侵入的空间电磁骚扰对处理电路的影响，提高装置整体电磁兼容性能。

作为优选方案，采用在金属压铸箱体一次成型的传导散热面和支撑安装面上安装内部导热屏蔽支撑结构件，形成了机箱内部龙骨结构，增加系统结构强度，降低了外部机械应力引起的系统内部电路板机械形变，提高装置机械环境适应性能。

作为优选方案，采用在金属压铸箱体一次成型的传导散热面和支撑安装面上安装内部导热屏蔽支撑结构件，将无法直接通过金属压铸箱体和金属盖板传导散热的发热器件布局在与内部导热屏蔽支撑结构件相邻的平面上，可将该发热器件的热量通过内部导热屏蔽支撑结构件及金属压铸箱体传导散热，解决了就地化安装继电保护装置的堆叠式电路板结构存在散热盲区的问题，提高装置大气温度环境适应性能。

有益效果：本发明提供的一种基于功能纵向集成的就地化线路保护装置，基于功能纵向集成、无防护安装的就地化线路保护，通过一体化设计，纵向集成单间隔合并单元、保护和智能终端功能，减少设备类型及数量，简化配置，减少信号中间传输环节，缩短保护动作时间，并为站域保护、安稳装置等站端设备提供数据采集和控制执行支撑。对外接口采用标准化设计，利于实现二次设备更换式检修和即插即用。采用适应高大气、电磁、机械环境应力的复杂智能电子设备整体结构设计，使保护能使适应极低温、极高温、高海拔、强盐雾等极端环境条件的户外无防护安装。

附图说明

图1是本发明的就地化线路保护装置机械结构示意图。

图2是本发明就地化线路保护装置电路结构示意图；

图3是就地化线路保护装置数据采集示意图；

图4是本发明就地化线路保护采用纵向集成技术后，其采样、跳闸流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本申请公开了一种基于功能纵向集成的就地化线路保护装置，包括：金属压铸的箱体1、金属盖板3和多个内部导热屏蔽支撑结构件；所述箱体1顶部设置有箱体盖板3，箱体1与箱体盖板3之间设置有导电密封条2，箱体1中部通过导热屏蔽板10将箱体1分为上下两层，箱体1下层底部设置有绝缘板15，绝缘板15上设置有导热铜块14，导热铜块14上设置有绝缘导热垫13，绝缘导热垫13上设置有电源模块12；箱体1下层底部设置有第一支撑结构件19，第一支撑结构件19上设置有开出模块11，所述开出模块11通过双排端子16和电源模块12相连；所述导热屏蔽板10顶部设置有导热绝缘垫9，所述导热绝缘垫9顶部与cpu模块7上发热元件8相连接，所述导热绝缘垫9顶部还设置有第二支撑结构件20，第二支撑结构件20上设置有光纤接口模块6，光纤接口模块6通过高速连接端子18和cpu模块7相连接；光纤接口模块6上的光模块4与箱体盖板3底部之间设置有导热绝缘垫5；箱体1下层设置有三排端子17，电源模块12通过三排端子17和cpu模块7相连接。

压铸箱体和盖板配合面安装导电密封条，实现箱体和盖板之间电磁屏蔽的可靠搭接，同时通过采用内部导热屏蔽支撑结构件，将装置对外接口电路和对内处理电路进行分仓，提高装置整体电磁兼容性能。通过在金属压铸箱体一次成型的结构紧固面上安装支撑结构件，增加箱体内电路板和结构件之间的安装固定强度，减少内部电路板和结构件的机械形变，提高设备整体结构强度。并通过安装支撑结构件，将盖板和箱体传导散热无法触及的发热器件与支撑结构件巧妙接触，解决继电保护复杂电子系统堆叠式电路结构下散热盲区的问题，提高装置整体散热性能。

为保证产品户外长期运行可靠性，本发明装置采用高防护箱体，装置内部发热元件的采用传导散热技术，将热量传递至外壳，外壳通过自然对流散热方式，将热量传递至外部空气。

cpu模块上发热元件通过导热绝缘垫，将热量传递至导热屏蔽板，导热屏蔽板再将热量传递至箱体。

光纤接口模块的主要发热元件是光模块，在光模块和箱体盖板间安装导热绝缘垫；将光模块热量传递至箱体盖板。

绝缘板上安装导热铜块，绝缘导热垫贴紧电源模块上的发热元件。采用传导技术将发热元件热量传递至箱体。

如图2所示，所述cpu模块包括：soc芯片、现场可编程门阵列(以下简称fpga)、adc芯片和以太网phy芯片。soc芯片包括：一个管理cpu核和两个dsp核，管理cpu核完成装置系统配置、事件及录波等管理功能；dsp1核完成线路保护、智能终端功能；dsp2核完成合并单元功能。fpga包括：采样fpga、通信fpga，采样fpga用于对adc模拟量进行高速采集并通过抽点或者重采样的方式给两个dsp核提供采样数据；通信fpga对内通过pcie接口和soc芯片进行mms、goose/sv数据交互,对外通过mii接口和以太网phy芯片相连，并直接通过serdes接口连接光纤接口模块，对外提供hsr接口、点对点组网口和纵联通道等通信接口，通信fpga还完成irig-b解码、时间处理、硬件中断和各类时序的同步处理等功能。

所述光纤接口模块包括：百兆光模块、千兆光模块、纵联通道模块和b码模块，用于点对点通信、组建hsr通信环网、传输纵差信号和接收b码对时信号等。

所述电源模块包括：电池模块、开入模块和模拟量采集模块，电池模块用于对整个装置系统进行供电，开入模块用于采集外部开入量，模拟量采集模块用于采集电压、电流信号；

所述开出模块用于接收cpu模块的指令进行跳闸。

功能纵向集成就地化线路保护在智能变电站系统架构的基础上，将线路保护、线路合并单元及智能终端等功能进行纵向整合，集成至一台保护装置中的单板件内实现。通过缩短数据传输路径时间，提高应用实时性，同时满足其它设备对线路间隔采样数据及控制资源共享的要求。

本设计对设备的硬件提出了很高的要求，传统单核cpu很难同时完成所有功能。就地化线路保护应用先进的soc芯片技术，整个系统主要由fpga和多核cpu实现，fpga系统实现adc模拟量的高速采集及预处理、irig-b解码及时间处理、硬件中断、各类时序的同步处理以及与处理器的数据交互接口等，多核cpu中dsp核完成线路保护、线路合并单元及智能终端应用功能。

在纵向集成基础上，考虑到功能的独立性要求，将管理功能、合并单元、智能终端等功能分布于不同的cpu核内。各个dsp根据应用功能差异采用不同的中断时间调度任务。管理cpu完成装置系统配置，事件及录波等管理功能；dsp1实现保护和智能终端功能，其任务调度周期(int0)为833us(1.2k)；dsp2实现合并单元功能，其任务调度周期(int1)为250us(4k)。

如图3所示，系统运行时，采样fpga产生int0(1.2k)中断给保护cpu使用，并根据该中断间隔进行24khz(24000点/秒)高速采样，每20点抽取一点数据发送给保护cpu使用。对于光纤差动保护，为实现两侧数据的同步，需通过调整int0间隔长短实现两侧同步采样，24khz高速数据采样间隔也会根据int0变化实时调整。保护通过采用高速采样抽点+采样中断间隔调整实现和对侧采样同步，数据无需重采样，减少计算量、缩短采样延时。

合并单元功能4khz采样值实现原理：采样fpga将24khz高速采样数据及采样时刻(采样间隔可能会实时微调，但记录每个采样时刻)存入高速采样缓冲池，采集时刻减去硬件低通滤波延时时间即为装置采样实际时刻。采样fpga对外部时钟进行解析完成装置对时并跟踪外部有效秒脉产生等间隔4khz中断(int1)，若无外部秒脉，则按本地秒脉产生中断，该中断时刻即为合并单元功能二次采样输出时刻。采样fpga根据报文实际采样时刻和二次采样时刻进行拉格朗日插值得到合并单元输出采样值，并传输给dsp2合并单元功能模块使用。

就地化线路保护采用纵向集成技术后，其采样、跳闸流程如图4所示，采样传输延时与常规保护相当，较智能站减少了合并单元软件处理、内部传输、发送、保护装置sv接口处理及装置内传输时间，约缩短5-6ms。保护跳闸信号通过总线直接驱动出口继电器，跳闸回路传输延时和常规保护相同，较智能站减少保护内部跳闸信号板件间传输、保护智能终端装置间传输及智能终端接收处理等环节。因此就地化线路保护动作速度和常规站保护基本相等，比智能站保护约缩短7ms-8ms。

为验证本发明的正确可行性，对本发明的保护装置进行了保护速动性和sv输出性能试验，结果见附表1～3。

(1)仿真建立220kv输电线路rtds模型。输电线路分别配置基于soc技术的纵向集成就地化保护、基于分立板件实现的纵向集成保护、智能站保护(数字采样)、常规站保护4种不同实现方式的线路差动保护进行比对。所有保护功能配置、保护算法完全一致。测试项目包括各种区内故障和转换性故障，测试时间以故障发生时刻到rtds断路器接收到跳闸信号为准。测试结果见表1。

试验结果：基于soc技术的纵向集成就地化线路保护动作时间和常规站保护基本一致；比智能站线路保护缩短6ms-8ms；比基于分立板件实现的纵向集成保护缩短3ms-5ms。

表1rtds仿真测试区内故障保护动作时间

(2)搭建系统进行合并单元功能测试。测试项目包括装置模块独立性检验、守时误差检验、失步再同步性能检验、采样值发布离散值检验、采样响应时间、sv报文完整性检验、交流模拟量采集准确度检验、采样同步精度检验等试验。

测试结果见表2。

试验结果：就地化线路保护集成的合并单元功能，主要指标都达到合并单元要求标准。

表2sv输出功能测试结果

(3)高可靠防护实验。对本发明的保护装置进行了可靠防护测试试验，可靠防护测试主要从电磁兼容、机械、环境、寿命等试验进行验证，与其它保护装置技术相比较，增加了太阳辐照、96小时的盐雾、ip67防水、锤击、无包装多角度跌落、寿命等试验的验证，快瞬、浪涌、射频传导、冲击电压、机械等试验等级提高至自定义等级，试验参数远高于其它技术。

本发明的可靠性测试与其它技术对比如附表3所示。

表3本发明的可靠性测试与其它技术对比

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。