一种应用于智能变电站的选相合闸智能终端及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力自动化技术领域，具体涉及一种应用于智能变电站的选相合闸智能终端及其实现方法。
【背景技术】
[0002]在变电站中，断路器在投入空载变压器、电容器组、并联电抗器和空载线路时常常产生幅值很高的涌流和过电压，频繁出现的过电压会击穿断路器触头的，影响断路器的使用寿命。为有效避免过电压，断路器通常采用安装合闸电阻的方式来降低触头的过电压，但合闸电阻结构复杂、可靠性差、造价昂贵、维护费用高。选相合闸由于可以借助电压周期性变化的特性，选择在电压过零点合闸，进而避免或者降低产生的过电压值，能够较好的保护开关设备，因此在变电站内得到广泛应用。
[0003]在传统变电站，选相合闸功能通过测控装置来实现，测控装置同步连续计算电压的相位已获得电压过零点的时间并提前进行合闸操作，可以有效避免断路器在电压峰值进行分合闸操作，以确保电压波形在过零点时合闸，避免了断路器触头电弧的产生，有效保护了断路器触头，延长了断路器的使用寿命，同时也有效降低了断路器的故障发生概率。
[0004]随着IEC61850标准的推广应用，变电站从模拟量采集发展到数字量采集，并逐步从数字化变电站发展到智能变电站，如今已成为智能变电站发展建设的重要基础性技术。由于智能变电站内部的数据采样和开关跳闸均采用了网络传输的方式，变电站间隔层的保护、测控的数据接收也逐步从电缆连接向网络连接转变，这使得传统变电站中通过测控装置(也有独立的选相合闸装置，功能与测控装置相同，在此统一用测控装置代替)实现选相合闸出现了困难。这是因为一方面智能变电站测控装置的电压数据的获取是通过网络接收，这一变化虽然简化了变电站的数据采集回路，但同时也增加了数据处理的延时；另外一方面，智能变电站的开关分合操作都由智能终端实现，传统变电站中测控装置与开关的直接转变成“测控装置一智能终端一开关”的连接关系，这一系列转变不断增加了选相合闸操作回路时间的不确定性，同时也逐渐模糊了选相合闸功能实现的载体，这也直接导致现阶段智能变电站选相合闸功能的缺失，迫切需要研制能够适应智能变电站数字化采样和网络传输特征的选相合闸装置。
[0005]从国内外当前研究的现状来看，针对智能变电站选相合闸功能实现也开展了一些研究，但主要针对的选相合闸的相关技术，并未涉及相关装置的实现方案。仅周水斌，李刚，闫志辉等于2011年在《高压电器》杂志2011年发表的“智能变电站用选相合闸装置的研究” 一文针对选相合闸的实现提出了多种不同的方案，具体涉及独立选相合闸的实现方案、集成选相合闸功能的开关智能单元的实现方案，以及兼容过程层二次设备的综合智能单元实现方案，并最终选择集成选相合闸功能的开关智能单元的方案，即在智能终端的基础上实现选相合闸功能，但该研究仅通过上述对比认为该方案最为容易实现，并简单阐述了按照传统选相合闸方式下按照时间驱动的方式进行实现，但具体如何根据智能变电站的特点实现选相合闸功能并未涉及。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种应用于智能变电站的选相合闸智能终端及其实现方法，避免了电压幅值和相角的持续计算，同时有效提高了选相合闸的动作精度，能够有效保障开关设备触头，减少故障发生频率，缩短停电时间，延长设备使用寿命O
[0007]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0008]本发明提供一种应用于智能变电站的选相合闸智能终端，所述终端包括电源板、CPU板、DI板、DO板和总线背板；所述电源板接入220V交直流电压，为所述终端提供工作电源；所述CPU板、DI板与DO板分别插在总线背板上，实现CPU板、DI板与DO板之间的总线通信和信息交互。
[0009]所述CPU板支持IRIG-B光纤对时，对时误差小于Ius。
[0010]所述CPU 板包括 FPGA 和 PowerPC ；
[0011]所述FPGA具有独立的ST端口和SR端口，分别用于IEC60044-8报文的发送和接收；所述FPGA控制2对百兆ST网口，一对百兆ST网口用于SV采样报文的点对点接收?’另外一对百兆ST网口用于GOOSE报文的发送和接收；
[0012]所述PowerPC采用MPC8247芯片，使用VxWorks实时操作系统，控制2对百兆ST网口，分别实现SV采样报文和GOOSE报文的组网传输；负责DI板状态量采集、DO板操作控制输出及选相合闸的实现；
[0013]所述CPU板中FPGA和MPC8247芯片各自控制的2对百兆ST网口均具有调试功能，通过任意百兆ST网口连接实现终端的远程设置及参数配置；
[0014]所述FPGA采用4kHz的高频中断，实现SV采样报文和GOOSE报文的实时处理。
[0015]所述FPGA采用250us硬件中断，每次中断后CPU板通过DI板读取16路通道的开关状态；具体有:
[0016]I)针对各路通道，CPU板分别设置去抖延迟时间，并将去抖延迟时间转换为合并单元采样的间隔数；
[0017]2)将每次中断后读取的开关状态与之前的开关状态进行对比，若首次发现开关状态发生变化，即刻进入去抖延迟环节，中断计算器置1，并开始中断计数，后续每次进入中断后若发现开关状态与之前相同，则中断计数器加I ;当中断计数器数值与换算出的合并单元采样间隔数时相同时，CPU板读取该开关状态，并将中断计数器清零；若在后续中断中发现同一采集通道获取的开关状态发生变化，且该通道已经处于去抖延迟环节，则将中断计数器清零。
[0018]所述DO板具有12路操作控制回路，所述终端接收GOOSE报文进行出口控制，进而实现对开关的远程操作；具体有:
[0019]I)出口控制过程中所有的出口配置通过ICD文件进行实现，预先订阅需要接收的GOOSE报文，并通过I⑶文件建立关于GOOSE报文的发送和接收之间的关联；
[0020]2)针对各个控制出口回路，分别设置是否使能选相合闸功能；若控制出口回路不使能选相合闸功能，所述终端一旦接收到GOOSE报文就立即进行出口控制；若控制出口回路使能选相合闸功能，所述终端在接收到GOOSE跳闸命令后进入选相合闸实现环节并根据选相合闸的结果进行出口控制。
[0021]本发明还提供一种选相合闸智能终端的实现方法，所述实现方法包括以下步骤:
[0022]步骤1:配置选相合闸参数；
[0023]步骤2:计算选相合闸时间；
[0024]步骤3:进行选相合闸出口控制。
[0025]所述步骤I中，选相合闸参数包括采样延迟时间、继电器动作时间和开关的导前时间，具体如下:
[0026]I) CPU板的FPGA通过点对点的连接方式接收合并单元发送的采样报文，根据合并单元的数据传输延迟时间和选相合闸智能终端的数据处理延迟时间配置采样延迟时间，将采样延迟时间设置为滞后一个采样间隔，即设置为250us ;
[0027]2)在不使能选相合闸功能条件下，所述终端从接收到跳闸命令到进行出口控制的时间为继电器的动作时间，多次测试继电器的动作时间，取继电器动作时间的平均值作为参数进行配置；
[0028]3)将开关设备操作机构自身的合闸延时配置为开关的导前时间。
[0029]所述步骤2具体包括以下步骤:
[0030]步骤2-1:记录终端接收到的采样报文的点号和采样报文的数据；
[0031]步骤2-2:比对当前采样报文和上一次接收的采样报文，若当前采样报文的数据为正值、上一次接收的采样报文的数据为负值，或者当前采样报文的数据为负值、上一次接收的采样报文的数据为正值，则记录两者的采样点号，并将这两个采样报文的数据求和，若求和后所得出的值为正，记录采样报文的数据为负值的采样点号；反之若求和后所得出的值为负，则记录采样报文为正值的采样点号；若有采样报文的数据为0，则直接记录该采样报文的点号；将所记录的采样点号除以80，所得余数即为电压过零点点号；
[0032]步骤2-3:针对每次记录的电压过零点点号，统计各自出现的频率，首次出现电压过零点点号时，其出现次数为1，再次出现其出现次数加1，并进行连续累计；当所述终端处于同步对时状态下，连续计算持续的时间为Is ;当所述终端处于失步状态下，连续计算持续的时间自适应调整为5s ;重复步骤2-1和2-2直至连续计算持续的时间结束；
[0033]步骤2-4:将所有出现并记录的电压过零点点号按照出现的频率进行对比，取出频率靠前的两个电压过零点点号，比较两者大小，选择较小的电压过零点点号作为最终的过零点点号。
[0034]所述步骤3具体包括以下步骤:
[0035]步骤3-1:计算采样延迟时间、继电器动作时间和开关导前时间的和，并除以单个周波的时间值20ms，所得余数作为终端导前时间；
[0036]步骤3-2:将终端导前时间除以采样