專利名稱：基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬電工技術(shù)領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地說本實(shí)用新型涉及一種面向35KV及以下 電壓等級的斷路器的保護(hù)、測控、狀態(tài)監(jiān)測及斷路器數(shù)字化輸入輸出的綜合一體化裝置。
背景技術(shù)：
隨著國家電網(wǎng)公司對智能電網(wǎng)的重點(diǎn)投資和建設(shè)，及十二五規(guī)劃對一次設(shè)備智能 化提出的“測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化”的要求，智 能變電站對斷路器運(yùn)行工況數(shù)據(jù)需要全面的收集和分析，達(dá)到斷路器設(shè)備從停電檢修過渡 到實(shí)時在線監(jiān)測和故障檢修。傳統(tǒng)的面向斷路器的微機(jī)保護(hù)測控一體化裝置已廣泛使用，但面向的對象主要是 電網(wǎng)的工頻信號；傳統(tǒng)的斷路器的狀態(tài)監(jiān)測裝置也逐步在推廣使用，其功能受限于斷路器 本體信息；目前工程應(yīng)用基本上是兩種類型的裝置各自獨(dú)立運(yùn)行，信息不交互，且采集的信 號量時標(biāo)不統(tǒng)一，為斷路器的全景數(shù)據(jù)獲取及分析、運(yùn)行監(jiān)控及事故分析帶來不便。同時傳 統(tǒng)裝置考慮更多的是基本功能應(yīng)用，對斷路器控制器的網(wǎng)絡(luò)通信、IEC61850信息建模、數(shù)字 化功能等方面考慮欠缺。文獻(xiàn)一《智能式斷路器控制器》(中國專利申請?zhí)?00920227462. 1)披露了一種智 能式斷路器控制器的硬件系統(tǒng)框架，采用了 ARM + DSP的系統(tǒng)構(gòu)架，系統(tǒng)框設(shè)計(jì)基本上還是 傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)測控裝置的設(shè)計(jì)思想，AD采樣+開入開出信號+液晶+通訊管理，沒有涉 及到數(shù)據(jù)的外同步采樣統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)，裝置的設(shè)計(jì)也沒有考慮到智能變電站對設(shè)備的數(shù)字 化輸出和網(wǎng)絡(luò)GOOSE跳閘解決方案。文獻(xiàn)二《基于DSP的高壓斷路器綜合在線監(jiān)測裝置》(易慧等《高壓電氣》2007. 2) 介紹了一種基于TMS320F206為主控器的信號采集裝置，通過采集斷路器的動觸頭的行程 位移、分合間線圈電流電壓、振動信號、絕緣介質(zhì)特性，來綜合評估斷路器的工作狀態(tài)和計(jì) 算電壽命估計(jì)。這類裝置功能較單一，只做斷路器狀態(tài)監(jiān)測，在高電壓等級變電站內(nèi)的斷路 器設(shè)備上可以使用，但低壓領(lǐng)域尤其IOKV開關(guān)柜內(nèi)由于柜內(nèi)空間及經(jīng)濟(jì)成本因素不會得 到廣泛使用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種斷路器智能組件，具備在6U、l/2 機(jī)箱結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種功能應(yīng)用的綜合裝置，統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集，為變電站全景數(shù)據(jù)庫提供 數(shù)據(jù)集，為斷路器的安全運(yùn)行提供齊備的單裝置解決方案。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能 組件，包括機(jī)箱，在機(jī)箱內(nèi)設(shè)置有總線式背板，其特征在于在總線式背板上插接有核心插 件CPUS、電源插件、工頻信號采集插件、操作回路插件、狀態(tài)監(jiān)測采集插件、合并單元插件， 所述核心插件CPUS分別與電源插件、工頻信號采集插件、操作回路插件、狀態(tài)監(jiān)測采集插 件、合并單元插件相通信。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所述核心插件CPUS包括通訊管理單元PPC、與通訊管理單元相通信的FPGA采集單元、與FPGA采集單元相 通信的DSP運(yùn)算單元。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于通訊管理單元 PPC包含2個百兆以太光口，3個百兆電口，所述兩個電口為匪S通信以太網(wǎng)口，以IEC61850 通信協(xié)議與上位管理機(jī)通信；兩個光口為GOOSE通信以太網(wǎng)口，負(fù)責(zé)G000SE實(shí)時報文處理， 實(shí)現(xiàn)裝置聯(lián)鎖及跳合閘操作，完成智能終端功能，還包括一個內(nèi)部以太電口用于和液晶CPU 通訊。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所述DSP分別與 電源插件中的開入開出模塊及操作回路插件相相通信。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所述FPGA采集單 元接受工頻信號采集插件的采樣及數(shù)據(jù)，同時接受DSP運(yùn)算單元采集的32路外部開入信 號，接收外部B碼對時信號，并通過本地解碼提取秒脈沖、同步采樣脈沖，同時FPGA每半個 周波計(jì)算所有通道的基波向量，聯(lián)同生數(shù)據(jù)(采樣值)帶時標(biāo)一起存入4個周波存儲深度的 緩沖區(qū)，通過本地16位數(shù)據(jù)總線方式把AD數(shù)據(jù)發(fā)布給通訊管理單元PPC和DSP運(yùn)算單元。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所述機(jī)箱為標(biāo)準(zhǔn) 6UU/2機(jī)箱。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所述通訊管理單 元PPC和DSP運(yùn)算單元之間的數(shù)據(jù)交互通道為雙口 RAM形式。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所述合并單元 插件包括通訊CPU，合并單元插件的第二 FPGA同步接受由核心插件CPUS的FPGA采集 單元通過差分總線發(fā)來的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理傳送給通訊CPU，由通訊CPU決定按照IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)向過程層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或者以IEC 60044-8協(xié)議通過串行光纖口發(fā)送。前述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所述狀態(tài)監(jiān)測采 集插件包括6隔離采樣回路(4 20mA)和9路光纖測溫模塊。本實(shí)用新型的達(dá)到的有益效果本實(shí)用新型具備在6U、l/2機(jī)箱結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種 功能應(yīng)用的綜合裝置，統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集，為變電站全景數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)集，為斷路器的安 全運(yùn)行提供齊備的單裝置解決方案，有效節(jié)省設(shè)備投資，保證斷路器的安全運(yùn)行及提高設(shè) 備運(yùn)行壽命，減少停電檢修次數(shù)。

圖1為本實(shí)用新型的裝置機(jī)箱結(jié)構(gòu)正視圖。圖2為本實(shí)用新型的裝置機(jī)箱結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3為斷路器智能組件硬件原理框圖。圖4為斷路器智能組件的狀態(tài)監(jiān)測功能框圖。圖5為斷路器智能組件裝置端子定義圖。圖6為本實(shí)用新型的功能圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。[0026]圖1和圖2示意了本裝置的機(jī)箱尺寸及結(jié)構(gòu)。斷路器智能組件采用了標(biāo)準(zhǔn)6U、l/2機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用背板前 置，功能插件后插的裝置方案，合理布置功能插件，包括總線式背板、電源插件(包含開入功 能模塊)、核心插件CPUS (包含通訊管理單元PPC、FPGA采集單元、DSP運(yùn)算單元)、工頻信號 采集插件、操作回路插件、狀態(tài)監(jiān)測采集插件、合并單元插件、顯示單元(固定在門板上)。斷路器智能組件軟硬件功能包含7大功能模塊數(shù)據(jù)采集及主控模塊選用帶DSP內(nèi)核的大容量RAM的FPGA (XC3SD1800A)，其功 能包括以4KHz的采樣速度負(fù)責(zé)4片8通道的16位AD (MAX11046)的采樣及數(shù)據(jù)接受工 作，同時負(fù)責(zé)接受DSP運(yùn)算單元以2KHz采樣速率采集的32路外部開入信號；同時接收外部 B碼(光纖或485方式)，并通過本地解碼提取秒脈沖，同步采樣脈沖。另外FPGA每半個周波 (10MS)計(jì)算所有通道的基波向量，聯(lián)同生數(shù)據(jù)(采樣值)帶時標(biāo)一起存入4個周波存儲深度 的緩沖區(qū)，通過本地16位數(shù)據(jù)總線方式把AD數(shù)據(jù)發(fā)布給通訊管理單元PPC和DSP運(yùn)算單 元。以雙口 RAM的形式提供PPC和DSP運(yùn)算單元之間的數(shù)據(jù)交互通道；提供背板6對冗余 差分總線，以IOM的速率與其它智能板件通信。保護(hù)測控模塊主要由DSP運(yùn)算單元和工頻信號采集插件、開入開出模塊、操作回 路插件完成，完成一條線路的保護(hù)功能及測控功能。 通訊管理模塊由通訊管理單元PPC完成，包含2個百兆以太光口，3個百兆電口； 其中兩個電口為MMS通信以太網(wǎng)口，以IEC61850通信協(xié)議與上位管理機(jī)通信；兩個光口為 GOOSE通信以太網(wǎng)口，負(fù)責(zé)G000SE實(shí)時報文處理，實(shí)現(xiàn)裝置聯(lián)鎖及跳合閘操作，完成智能終 端功能。一個內(nèi)部以太電口用于和液晶CPU通訊。合并單元模塊主要由合并單元插件板上的通訊CPU (MCF5274)完成；該插件板上 的第二 FPGA同步接受由主核心板上的主控FPGA通過差分總線發(fā)來的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理 傳送給MCF5274，由MCF5274決定以SAV9-2格式向過程層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或者以IEC 60044-8協(xié) 議通過串行光纖口發(fā)送。狀態(tài)監(jiān)測模塊由狀態(tài)監(jiān)測板完成；該板設(shè)計(jì)了 6隔離采樣回路(4 20mA)和9 路光纖測溫模塊，通過對安裝在斷路器本體上的傳感器信號采集，能夠?qū)崿F(xiàn)儲能電機(jī)的電 源、電流監(jiān)視；斷路器動作分合閘線圈電流監(jiān)測；斷路器儲能彈簧壓力監(jiān)視；斷路器動觸頭 操作行程監(jiān)測；斷路器觸頭溫度監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)分析對斷路器進(jìn)行狀態(tài)評估和剩余電壽命 估計(jì)。統(tǒng)一斷面實(shí)時數(shù)據(jù)記錄模塊主要由通訊管理單元PPC和FPGA完成。由于FPGA 對每次采樣數(shù)據(jù)集打上絕對時間(基于B碼同步)硬件時標(biāo)，通訊管理單元PPC可以對穩(wěn)態(tài) 數(shù)據(jù)按照帶時標(biāo)的格式向PMU (同步向量裝置)發(fā)送。通訊管理單元PPC內(nèi)嵌了一個實(shí)時 的故障錄波軟件，可以根據(jù)模擬通道的類型及開關(guān)的信號作為錄波啟動條件，從而記錄斷 路器狀態(tài)變化時的暫態(tài)數(shù)據(jù)，形成comtrade格式的文件，便于事后回放和故障分析。人機(jī)管理模塊由一個具備TFT、網(wǎng)絡(luò)通訊接口的CPU負(fù)責(zé)，以480 X 272點(diǎn)針的彩 色液晶顯示數(shù)據(jù)。圖3為本實(shí)用新型的硬件設(shè)計(jì)原理圖。由于該斷路器智能組件集成了與斷路器開 關(guān)柜對象應(yīng)用相關(guān)的幾乎所有功能，包括保護(hù)、測控、狀態(tài)監(jiān)測、智能終端、數(shù)字化輸出，加 上機(jī)箱結(jié)構(gòu)空間的限制，對硬件設(shè)計(jì)提出了較高的要求?？紤]到智能組件的統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)量大和實(shí)時性要求，裝置采用了多CPU系統(tǒng)解決方案。核心主板CPUS承擔(dān)了數(shù) 據(jù)采集、運(yùn)算、存儲、通信、邏輯操作等大部分功能。核心插件CPUS使用了具有300MHz主頻的專業(yè)通訊CPU — MPC8313，具備2個千兆 以太網(wǎng)接口、3個PCI網(wǎng)卡，1( 字節(jié)的NAND存儲設(shè)備。MPC8313是智能組件的數(shù)據(jù)集控中 心，由他來負(fù)責(zé)斷路器的運(yùn)行信息向外發(fā)布及裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)的實(shí)時交互。MPC8313使用了工 業(yè)領(lǐng)域內(nèi)高可靠性實(shí)時VxWorks操作系統(tǒng)，確保了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性能。在MPC8313軟件 體系內(nèi)采用了 IEC61850信息建模，使用icd配置文件，按照IEC61850規(guī)約與外界通訊。在 MPC8313軟件框架內(nèi)嵌入了高優(yōu)先級任務(wù)的故障錄波記錄模塊，實(shí)時接收由FPGA發(fā)來的采 樣數(shù)據(jù)及同步向量，按照通道類型配置及啟動定值計(jì)算各種啟動條件，實(shí)時記錄斷路器發(fā) 生異常時整個系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)過程。在MPC8313軟件框架內(nèi)嵌入了低優(yōu)先級的狀態(tài)監(jiān)測 分析任務(wù)，提取錄波數(shù)據(jù)及穩(wěn)態(tài)量，計(jì)算和分析斷路器的本體狀態(tài)。核心插件CPUS使用了具有150MHz主頻的DSP — TMS320F28335,該DSP完成組件 的保護(hù)測控功能。保護(hù)功能包括低電壓及方向閉鎖的三段式電流保護(hù)、三相一次重合閘、 合閘后加速、低頻低壓減載、母線接地告警、零序方向告警、PT斷線告警、CT回路異常告警、 斷路器失靈告警、控制回路斷線告警等。測控功能包括遙測(Ua、WKUC、Uab⑴bc、uca、la、 Ib、Ic、P、Q、F、COS、3U0、310 )、遙信(32路)、遙控(3路)、電網(wǎng)諧波監(jiān)視(監(jiān)視電壓總諧波畸 變率THDu和電流總諧波畸變率THDi，監(jiān)視電壓2 19次諧波含有率HRUk和電流2 19 次諧波含有率HMk)。核心插件CPUS使用了具有了 DSP內(nèi)核的FPGA(XC3SD1800A)。智能組件充分利用 FPGA的硬件并行處理能力和硬件功能可重構(gòu)機(jī)制，采取內(nèi)部時鐘與外部對時時鐘同步的機(jī) 制，將統(tǒng)一斷面的采樣數(shù)據(jù)按照功能分類和需求以數(shù)據(jù)總線方式或背板串行總線方式同步 共享給各個CPU，同時以雙口 RAM和單口 RAM方式為CPU之間搭建信息溝通的橋梁。圖4較為詳細(xì)的解釋了斷路器智能組件的狀態(tài)監(jiān)測對象，需要說明的是傳感器如 測量行程的角位移傳感器、光纖測溫探頭、彈簧拉力傳感器都安裝在斷路器本體內(nèi)，狀態(tài)監(jiān) 測板對外的傳感器信號接入都是以4 20mA的方式接入(除光纖測溫)。4 20mA電流環(huán) 可以有效提高信號的抗干擾能力及減少現(xiàn)場誤接線的次數(shù)。圖5的裝置端子定義圖清晰的說明了智能組件對外的信號接口。Pl為DIDC插件， 功能主要為提供裝置電源及M路開入信號、告警信號繼電器出口。P2為CPUS插件。P3為 合并單元(MU)插件，他負(fù)責(zé)將CPUS通過背板差分總線發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)以SAV9 — 2或IEC 60044-8格式向外發(fā)送。P4為模擬AC插件，通過PT/CT互感器將信號隔離接入。P5為操作 回路及信號出口板，包含了一路操作回路，3路保護(hù)跳間出口，3路遙控選擇執(zhí)行操作機(jī)構(gòu)。 P6為狀態(tài)監(jiān)測插件，主要功能是9路光纖測溫信號接入及6路4 20mA信號的隔離接入。以上已以較佳實(shí)施例公開了本實(shí)用新型，然其并非用以限制本實(shí)用新型，凡采用 等同替換或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，包括機(jī)箱，在機(jī)箱內(nèi)設(shè)置有總線式 背板，其特征在于在總線式背板上插接有核心插件CPUS、電源插件、工頻信號采集插件、 操作回路插件、狀態(tài)監(jiān)測采集插件、合并單元插件，所述核心插件CPUS分別與電源插件、工 頻信號采集插件、操作回路插件、狀態(tài)監(jiān)測采集插件、合并單元插件相通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所 述核心插件CPUS包括通訊管理單元PPC、與通訊管理單元相通信的FPGA采集單元、與FPGA 采集單元相通信的DSP運(yùn)算單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于通 訊管理單元PPC包含2個百兆以太光口，3個百兆電口，所述兩個電口為匪S通信以太網(wǎng)口， 以IEC61850通信協(xié)議與上位管理機(jī)通信；兩個光口為GOOSE通信以太網(wǎng)口，負(fù)責(zé)G000SE實(shí) 時報文處理，實(shí)現(xiàn)裝置聯(lián)鎖及跳合閘操作，完成智能終端功能，還包括一個內(nèi)部以太電口用 于和液晶CPU通訊。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所 述DSP分別與電源插件中的開入開出模塊及操作回路插件相相通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所 述FPGA采集單元接受工頻信號采集插件的采樣及數(shù)據(jù)，同時接受DSP運(yùn)算單元采集的32 路外部開入信號，接收外部B碼對時信號，并通過本地解碼提取秒脈沖、同步采樣脈沖，同 時FPGA每半個周波計(jì)算所有通道的基波向量，聯(lián)同采樣值帶時標(biāo)一起存入4個周波存儲深 度的緩沖區(qū)，通過本地16位數(shù)據(jù)總線方式把AD數(shù)據(jù)發(fā)布給通訊管理單元PPC和DSP運(yùn)算 單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所 述機(jī)箱為標(biāo)準(zhǔn)6U、1/2機(jī)箱。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所 述通訊管理單元PPC和DSP運(yùn)算單元之間的數(shù)據(jù)交互通道為雙口 RAM形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特征在于所 述合并單元插件包括通訊CPU，合并單元插件的第二 FPGA同步接受由核心插件CPUS的 FPGA采集單元通過差分總線發(fā)來的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理傳送給通訊CPU，由通訊CPU決定按 照IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)向過程層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或者以IEC 60044-8協(xié)議通過串行光纖口發(fā)送。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，其特 征在于所述狀態(tài)監(jiān)測采集插件包括6隔離采樣回路和9路光纖測溫模塊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集的斷路器智能組件，包括機(jī)箱，在機(jī)箱內(nèi)設(shè)置有總線式背板，其特征在于在總線式背板上插接有核心插件CPUS、電源插件、工頻信號采集插件、操作回路插件、狀態(tài)監(jiān)測采集插件、合并單元插件，所述核心插件CPUS分別與電源插件、工頻信號采集插件、操作回路插件、狀態(tài)監(jiān)測采集插件、合并單元插件相通信。本實(shí)用新型具備在6U、1/2機(jī)箱結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種功能應(yīng)用的綜合裝置，統(tǒng)一斷面數(shù)據(jù)采集，為變電站全景數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)集，為斷路器的安全運(yùn)行提供齊備的單裝置解決方案，有效節(jié)省設(shè)備投資，保證斷路器的安全運(yùn)行及提高設(shè)備運(yùn)行壽命，減少停電檢修次數(shù)。
文檔編號H02J13/00GK201846138SQ20102061307
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者李惠宇, 楊小銘, 樊陳, 謝黎, 趙東坡, 郭曉東 申請人:國電南瑞科技股份有限公司