CN100369355C

CN100369355C - 全网络化数字保护装置

Info

Publication number: CN100369355C
Application number: CNB2005100942901A
Authority: CN
Inventors: 胡敏强; 吴在军; 窦晓波; 秦申蓓; 郑建勇; 杜炎森; 唐建辉; 林健
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: CN1761124A

Abstract

全网络化数字保护装置是遵循IEC61850标准——有关变电站通信网络和系统唯一国际标准，基于光纤通信技术而设计的一种新型架构的全网络化数字保护装置，该数字保护装置由主控模块(1)、光纤集线器模块(2)、模拟量输入模块(3)、开关量输入输出模块(4)和人机接口模块(5)组成；其中，主控模块(1)、模拟量输入模块(3)和开关量输入输出模块(4)通过它们自身冗余的光纤接口分别连接两组光纤集线器模块构成冗余光纤通信网络，实现分布式保护和协调控制；人机接口模块通过RS-485通信接口与主控模块相接并交互数据，提供就地显示和操作接口；主控模块通过光纤接口与外部的变电站层设备相连接。

Description

全网络化数字保护装置

技术领域

本发明是遵循IEC61850标准——有关变电站通信网络和系统唯一国际标准，基于光纤通信技术而设计的一种新型架构的全网络化数字保护平台，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

从20世纪80年代初变电站自动化技术出现以来，国内外已投入了相当数量的各个电压等级的变电站自动化系统。采用变电站自动化系统把原本分隔的控制、保护、监视、通信和测量等装置以合适的形式进行集成，由少量多功能智能电子设备(IED，Intelligent Electronic Device)组成自动化系统，通过变电站通信网络实现信息共享，既减少了信号电缆的使用，提高了经济性，又简化了系统结构，提高了可靠性。长期运行经验表明，变电站集成和自动化为保障电网安全、可靠、经济运行发挥了积极作用。

目前，国内外提供变电站自动化系统的厂商很多，但由于没有关于变电站自动化系统通信网络和协议的统一标准和规范，各厂商大都使用自己定义的专用通信网络和协议。这些通信网络和协议各不相同，缺乏兼容性，相互之间难以实现互操作。因此，无论是变电站自动化系统生产商，还是用户都面临着如何解决产品互操作的挑战。

为了解决不同厂商产品的互操作问题，必须使变电站自动化迈向标准化。IECTC57制定的变电站通信网络和系统标准——IEC61850已成为基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准。IEC61850标准在总结这些年变电站自动化技术发展经验的基础上，对变电站自动化系统的通信问题作了深入的分析和研究，以解决互操作性为目的，从整体上对变电站自动化系统的信息传输和处理给出了规范。

因此，无论从电力系统的需要，还是从现有变电站自动化系统的不足来看，都有必要对作为变电站自动化系统基础单元的数字保护装置的体系结构、内容、形式、技术重新审视，严格遵循IEC61850标准规范，以实现互操作性为目的，来分析和设计符合未来的数字保护装置。

发明内容

技术问题：本发明的目的是依据未来“数字化”变电站的技术特点和需求，基于光纤以太网通信技术，设计符合IEC61850标准新型架构的全网络化数字保护装置。

技术方案：

本发明从实现IEC61850标准的需要出发，并兼顾目前一次设备智能化现状，以及将来可扩展和技术升级，采用可组态的模块化柔性设计方法，研制开发了基于高速光纤以太网通信技术的新型架构的全网络化数字保护硬件装置。

本发明的全网络化数字保护装置由主控模块、光纤集线器模块、模拟量输入模块、开关量输入输出模块和人机接口模块组成；其中，主控模块、模拟量输入模块和开关量输入输出模块通过它们自身冗余的光纤接口分别连接两组光纤集线器模块构成冗余光纤通信网络，实现分布式保护和协调控制；人机接口模块通过RS-485通信接口与主控模块相接并交互数据，提供就地显示和操作接口；主控模块通过光纤接口与外部的变电站层设备相连接。

主控模块由CPU、存储器部分、通信接口部分和其他部分组成；CPU通过地址总线、控制总线和数据总线对存储器部分和通信接口部分进行读写操作，进行数据交互；其他部分为整个模块提供电源供给，实现上电复位和故障恢复功能，其中通信接口部分(13)包括所述的两组光纤以太网接口和第三组光纤以太网接口。光纤集线器模块由10/100Mbps自适应以太网集线器芯片，光纤以太网接口芯片和阻抗匹配网络构成，提供多达5个的10/100Mbps光纤以太网接口；型号为LXT980的自适应以太网集线器芯片(21)的引脚“FIBON、FIBOP、FIBIN、FIBIP”通过阻抗匹配网络分别对应接型号为HFBR-5803的光纤以太网接口芯片(22)的引脚“

TD、

、RD”。模拟量输入模块中的数字信号处理器、外扩大容量存储器、可编程器件分别接总线，实现同步信号处理和时序匹配，构成了完整的处理单元硬件电路；RC低通滤波器、多路转换开关、高速A/D转换芯片依次连接，构成了模拟量输入模块的高速数据采集和模数转换部分硬件电路并与总线相接；两组10/100Mbps自适应以太网控制器和以太网收发器相串联构成互为冗余的光纤以太网通信接口与总线相接，通过光纤集线器模块实现和主控模块之间的数据交互；型号为“DS1511W”的实时时钟芯片和型号为“82C54”的外扩的定时器构成实时时钟系统与总线相接，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。开关量输入输出模块选用DSP芯片，存储器和可编程器件直接与总线相接构成开关量输入输出模块的处理单元硬件电路；两组10/100Mbps自适应以太网控制器和以太网收发器构成互为冗余的光纤以太网通信接口与总线相接，通过光纤集线器模块实现和主控模块之间的数据交互；开入信号隔离、开出信号隔离驱动和型号为“XC95144”的可编程器件实现的开入开出扩展逻辑，构成了开关量输入输出的物理接口与总线相接；型号为“DS1511W”的实时时钟芯片和型号为“82C54”的外扩的定时器构成实时时钟系统与总线相接，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。人机接口模块由型号为“W77E58”的微处理器、型号为“HM628128”的静态存储器、型号为“XC9572”的可编程逻辑器件、型号为“SED1335”的液晶控制器、型号为“DMF50081”的液晶显示器、键盘和LED、电源变换模块(构成人机接口模块基本显示和输入部分；微处理器的串行接口和型号为“MAX487”的电平转换芯片形成一路RS-485串行通信接口和主控模块进行交换数据，实现基本人机交互功能。

上述各模块均为独立的智能模块，具有独立的微处理器和10/100Mbps自适应光纤以太网接口。各智能模块通过冗余10/100Mbps光纤以太网实现数据和命令等信息实时、可靠、高速交互，协同完成保护和控制功能。

本发明所设计的新型架构的全网络化数字保护平台采用IEC61850标准功能分层设计理念，在硬件实现上分别以模拟量输入模块映射IEC61850标准过程层的合并单元，开关量输入输出模块映射过程层中的智能执行单元，主控模块映射间隔层的智能设备功能，人机接口模块映射变电站层的智能设备部分功能。

这种新型架构的数字保护平台和IEC61850标准的功能分层理念完全一致，依赖实时、可靠的光纤以太网可实现分布式保护和协调控制，是未来数字化变电站的技术基础。这种架构不仅具有通用性，同时充分保证了模块扩展的灵活性，可以根据客户的需要，任意添加相应模块，甚至可以做到“即插即用”，为在数字保护装置中通过模块的冗余实现高可靠性提供了可能。而且，由于采用模块化的设计方法，可以随技术的发展，更换相应的模块，最大限度的保护用户已有的投资，迅速实现产品的升级换代。

由于光电CT、PT和智能执行器的使用，数字化变电站过程层在很大程度上实现了数据共享，所以这种环境下的数字保护装置与传统的微机继电保护装置在系统架构上有着很大的不同：

①在IEC61850标准架构下的数字保护控制装置通过过程总线共享数字化的采样数据和一次设备状态信息，并可通过过程总线实现控制输出，较常规保护去除了数据采集和控制输出部分，所以数字保护装置在硬件结构上趋向简洁，有利于实现不同保护装置的硬件平台统一，提高装置的可靠性和维护的简易性。

②在IEC61850标准架构下的数字保护装置不仅可以在共享的过程层实现继电保护功能，还可借助过程总线或变电站总线实现不同保护控制单元之间的通信，实现保护控制的协调控制功能，从单台保护逐步向网络化保护过渡，从而减少设备间功能的重叠和不同数据源导致的判断误差，更加准确的判断故障和提高保护的灵敏性和选择性。由于新型数字保护装置将较传统微机继电保护装置涉及更大范围的协调控制，因此必须考虑现场可配置和维护的灵活性。

③数字化变电站由于从过程层，到间隔层，一直到变电站层，以及远方通信都采用了数字式通信，满足了信息共享和应用集成的需求，但对保护系统的相对独立性提出了新的挑战。因此，构建实时、可靠、开放的通信网络是新型数字保护装置必须解决的关键技术问题。而且依据目前国际上和国内的技术选择，会大量地使用以太网、甚至IP网络，所以通信引起的系统可靠性和安全性成为必须考虑的问题。

有益效果：为解决变电站自动化系统互操作问题，并考虑了未来变电站“数字化”发展趋势，基于IEC61850标准设计并实现了新型架构的全网络化数字保护硬件平台。发明取得了下列有益效果：

(1)解决了变电站自动化系统的互操作性问题

高度统一的硬件平台、标准化的信息模型、抽象的通信服务接口和规范的特殊通信服务映射，确保数字保护装置的外部通信行为符合世界唯一的标准，彻底解决了产品互操作性问题，易于实现系统无缝集成，降低安装、调试和运行成本，最大程度地发挥变电站实现自动化带来的效益。

(2)数据模型可以重用，配置灵活，便于工程化

IEC61850标准引入之后，数字保护装置的硬件和软件平台高度统一，数据模型可以重用，简化数据库维护，增加数据重用度。保护和其他功能，包括录波功能可以更灵活地集成配置，可能不再需要专用录波器，降低安装、投运、配置、维护费用。

(3)可以实现分布式保护和协调保护

常规变电站自动化系统中保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A/D转换、运算、输出控制命令整个流程快速、简捷，而这种新型架构的数字保护系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成由通信网络上多个CPU协同完成，智能和通信向现场进一步延伸可以提高数据的共享度，可以实现分布式保护。另一方面，可以利用更多的现场信息，如不同间隔的采样数据和状态信息，实现协调保护和控制。

(4)良好的兼容性

这种架构的数字保护平台不仅充分考虑了实现IEC61850标准的需要，同时兼顾目前一次设备智能化现状，既可应用于未来的数字化变电站，亦可广泛应用于现有变电站自动化系统的升级改造。

(5)广泛的适用性

这种新型架构的硬件平台虽然最初是针对数字化变电站的需求而研制开发的，但由于其结构的灵活性和各模块自身强大的数据处理能力和通信能力，亦可以作为分布式控制、网络测控等系统的硬件平台，具有广泛的适用性。

附图说明

附图1是数字保护平台功能分层和模块映射示意图。

附图2是数字保护平台硬件结构示意图。

附图3是主控模块1的硬件结构框图。

附图4是光纤集线器模块2的电路原理图。

附图5是模拟量输入模块3的硬件结构框图。

附图6是开关量输入输出模块4的硬件结构框图。

附图7是人机接口模块5的硬件结构框图。

附图8是双网冗余硬件实现示意图。

以上的图中有：主控模块1、光纤集线器模块2、模拟量输入模块3、开关量输入输出模块4和人机接口模块5；CPU11、存储器部分12、通信接口部分13和其他部分14；以太网集线器芯片21，光纤以太网接口22、阻抗匹配网络23；

数字信号处理器(31)、外扩大容量存储器32、可编程器件33、RC低通滤波器34、多路转换开关35、自适应以太网控制器37、以太网收发器38、实时时钟系统(39)；DSP芯片41、存储器42、可编程器件43、自适应以太网控制器44、以太网收发器45、开入信号隔离46、开出信号隔离驱动47、实时时标系统48；微处理器51、静态存储器52、可编程逻辑器件XC957253、液晶控制器54、液晶显示器55、键盘和LED 56、电源变换模块57、电平转换芯片58。

具体实施方式

(一)数字保护平台硬件结构

该数字保护平台由主控模块1、光纤集线器模块2、模拟量输入模块3、开关量输入输出模块4和人机接口模块5组成；其中，主控模块1、模拟量输入模块3和开关量输入输出模块4通过它们自身冗余的光纤接口分别连接两组光纤集线器模块2构成冗余光纤通信网络，实现分布式保护和协调控制；人机接口模块5通过RS-485通信接口与主控模块1相接并交互数据，提供就地显示和操作接口；主控模块1通过光纤接口与外部的变电站层设备相连接。

为了实现互操作，IEC61850标准严格定义了变电站中IED之间的通信行为，但对IED内部的实现和构成没有做出任何定义，为各个厂家在技术实现留了足够的自由发挥空间。尽管如此，要实现IEC61850标准定义的模型和服务，数字保

护硬件平台仍需满足一系列基本要求，譬如通过特定的通信服务映射把标准中定义的抽象模型和服务映射成具体协议(如MMS)中的模型和服务，并在IED中加以实现，要求IED硬件有足够快的CPU处理速度、足够大的存储容量和快速可靠的通信能力，来满足变电站自动化系统功能，尤其是保护功能提出的实时性和可靠性要求。此外，硬件结构还应具有可扩展性和随技术发展平稳升级换代的可能性。鉴于上述原因，本发明研制了一种新型架构的全网络化数字保护平台，它充分体现了IEC61850标准定义的功能分层理念和信息数字化传输思想。这种架构的全网络化数字保护平台硬件结构分为主控模块(映射间隔层设备)、光纤集线器模块、模拟量输入模块(映射合并单元)、开关量输入输出模块(映射智能执行单元)和人机接口模块(映射变电站层功能)。主控模块、模拟量输入模块(映射合并单元)和开关量输入输出模块(映射智能执行单元)通过它们自身冗余的光纤接口分别连接两块光纤集线器模块构成冗余光纤通信网络，实现分布式保护和协调控制；人机接口模块(映射变电站层功能)通过RS-485通信接口和主控模块交互数据，提供就地显示和操作接口。如图2所示。

1、主控模块

主控模块1用于映射IEC61850标准定义的间隔层设备功能，其功能较为复杂，硬件实现有一系列的特殊要求，譬如CPU处理速度、RAM的容量、ROM的容量、10/100Mbps以太网接口自适应、双网的冗余设计及其切换策略等，其构成主要包括以下各部分：

(1)CPU

CPU 11选用基于ARM920T内核的AT91RM9200处理器，其功能强大、运算速度快、存储容量大、通信接口丰富。在众多的采用RISC结构的ARM处理器中，ATMEL公司的AT91RM9200是一款集成ARM920T内核，针对系统控制、通信等领域而特殊设计的微处理器，具有下列典型优点：

①速度快、功能强大、外设资源丰富

AT91RM9200处理器采用ARM920T内核，速度200MIPS，内带32K Cache，122个可编程I/O，8组片选，8个可选择的中断优先级，6组定时器，看门狗与实时时钟；支持SDRAM、FLASH、USB2.0、SPI、TWI、USART等外部接口；具有DMA、MMU功能。

②强大的通信功能

AT91RM9200芯片集成了USB端口以及10/100Mbps以太网端口，还有最多四路的UART口，另外还具有SPI接口。

③代码执行效率高

支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，采用固定长度的指令格式，指令执行速度快；寄存器数量众多，绝大多数据操作在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率高；

④设计简单方便

AT91RM9200芯片与ATMEL以前推出的基于ARM7的系列芯片兼容。同时，AT91RM9200芯片还提供启用/禁用片上存储器的功能，以配合外围设备的需要。另外ATMEL公司对AT91RM9200芯片的推广应用给予足够的重视，给出了相应的程序库和详细的开发指导。

主控模块1由CPU11、存储器部分12、通信接口部分13和其他部分14组成；CPU11通过地址总线、控制总线和数据总线接存储器部分12和通信接口部分13，对存储器部分12和通信接口部分13进行读写操作，进行数据交互；其他部分14为整个模块提供电源供给，实现上电复位和故障恢复等功能。

(2)存储器部分

存储器部分12包括64Mbit SDRAM(IS42S16400A)，用于存放CPU运行时的程序和数据。两片32Mbit FLASH(SST39VF320)，一片用于固化操作系统和装置程序，一片用于存放事件信息和录波数据。此外，用一片64Kbit铁电EEPROM(FM24CL64)存放需经常读写的定值。

(3)通信接口部分

主控模块的通信接口部分13包括AT91RM9200自带的一路10/100Mbps以太网控制器，加之外扩3片10/100Mbps以太网控制器LAN91C111，以及相应的以太网收发器LXT971、光纤介质接口HFBR-5803实现4路10/100Mbps光纤以太网接口，其中两路构成冗余网络用于与过程层设备通信，另两路构成与变电站层通信的冗余网络。此外，还设计了一路RS-232串行接口用于调试和现场升级，一路RS-485串行接口用于与人机接口模块进行数据交互。

(4)其它部分

主控模块的其它部分14主要包括电平转换电路、上电复位电路和看门狗定时器电路等。系统故障时，在可选的超时周期之后，看门狗定时器电路将以复位信号做出响应，对微控制器提供了独立的保护系统，有效地增强了系统的可靠性。

2、光集线器模块

光集线器模块2是这种新型架构的数字保护平台的核心设备之一，数字保护平台各模块之间数据交互通过光纤集线器模块，构成星型结构的光纤以太网得以实现。它由10/100Mbps自适应以太网集线器芯片(LXT980)21，光纤以太网接口(HFBR-5803)22和阻抗匹配网络23构成，提供多达5个的10/100Mbps光纤接口。

光纤集线器模块2由10/100Mbps自适应以太网集线器芯片21，光纤以太网接口22和阻抗匹配网络23构成，提供多达5个的10/100Mbps光纤以太网接口；自适应以太网集线器芯片21的“FIBON、FIBOP、FIBIN、FIBIP”端分别对应接光纤以太网接口22的“

、TD、

、RD”，阻抗匹配网络23接在自适应以太网集线器芯片21与光纤以太网接口22之间。

3、模拟量输入模块

模拟量输入模块3用于映射IEC61850标准定义的过程层的合并单元(MU，Merging Unit)的功能。IEC61850标准中合并单元输入定义为12路，但考虑到所设计的装置既能满足IEC61850标准需求，又能在常规变电站运行，所以将模拟量输入模块的输入定义为24路，可映射成两个合并单元。

模拟量输入模块中的数字信号处理器31选用TI公司高性能的DSP芯片TMS320VC5410A-160，最高运算速度可达160MIPS，加之外扩的存储器32SST39VF400A和复杂可编程器件(CPLD)33 XC95144扩展CPU的片选信号、实现同步信号处理和时序匹配等，构成了完整的处理单元硬件电路。

RC低通滤波器34，高精度多路转换开关35 MX7506和高速A/D转换芯片36 AD7665构成了模拟量输入模块的高速数据采集和模数转换部分硬件电路。

两组10/100Mbps自适应以太网控制器37 LAN91C111和以太网收发器38LXT971构成互为冗余的光纤以太网通信接口，通过光纤集线器模块2实现和间隔层设备主控模块1之间的数据交互。DSl511W和外扩的定时器82C54构成实时时钟系统39，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。

模拟量输入模块3中的数字信号处理器31、外扩大容量存储器32、可编程器件33分别接总线，实现同步信号处理和时序匹配，构成了完整的处理单元硬件电路；RC低通滤波器34、多路转换开关35、高速A/D转换芯片依次连接，构成了模拟量输入模块3的高速数据采集和模数转换部分硬件电路并与总线相接；两组10/100Mbps自适应以太网控制器37和以太网收发器38相串联构成互为冗余的光纤以太网通信接口，通过光纤集线器模块2实现和主控模块1之间的数据交互；“DS1511W”和外扩的定时器“82C54”构成实时时钟系统39与总线相接，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。

4、开关量输入输出模块

开关量输入输出模块4用于映射IEC61850标准定义的过程层智能执行单元的功能。从归一化设计出发，开关量输入输出模块处理单元硬件电路和通信接口与模拟量输入模块基本类似。

TI公司高性能的DSP芯片41 TMS320VC5410A-160，加之外扩的存储器42 SST39VF400A和复杂可编程器件(CPLD)43XC95144构成开关量输入输出模块的处理单元硬件电路。

两组10/100Mbps自适应以太网控制器44 LAN91C111和以太网收发器45LXT971构成互为冗余的光纤以太网通信接口，通过光纤集线器模块2实现和间隔层设备主控模块1之间的数据交互。

开入信号的隔离输入电路46、开出信号的隔离输出驱动47和复杂可编程器件43 XC95144实现的开入开出扩展逻辑构成了开关量输入输出的物理接口。

DS1511W和外扩的定时器82C54构成实时时钟系统48，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。

开关量输入输出模块4选用DSP芯片41，存储器42和可编程器件43直接与总线相接构成开关量输入输出模块的处理单元硬件电路；两组10/100Mbps自适应以太网控制器44和以太网收发器45构成互为冗余的光纤以太网通信接口与总线相接，通过光纤集线器模块2实现和间隔层设备主控模块1之间的数据交互；开入信号隔离46、开出信号隔离驱动47和可编程器件“XC95144”实现的开入开出扩展逻辑构成了开关量输入输出的物理接口与总线相接；“DS1511W”和外扩的定时器“82C54”构成实时时标系统48与总线相接，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。

5、人机接口模块

人机接口模块5用于映射IEC61850标准定义的变电站层设备部分功能，主要完成人和装置之间的信息交互，包括显示设备和指点输入设备。通过人机接口模块上的键盘操作，完成保护定值修改和其它参数的设置，相关信息查询等。此外，人机接口模块还实现和间隔层设备的数据交互。

微处理器51 W77E58、静态存储器52 HM628128、可编程逻辑器件XC957253、液晶控制器54 SED1335、液晶显示器55 DMF50081、键盘和LED 56、电源变换模块57构成人机接口模块基本显示和输入部分。微处理器51的串行接口和电平转换芯片58 MAX487形成一路RS-485串行通信接口和映射间隔层功能的主控模块1进行交换数据，实现基本人机交互功能。

(二)、通信网络的实时性和可靠性保证

通信网络系统是这种新型架构数字保护平台的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A/D转换、运算、输出控制命令整个流程快速、简捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的，如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出变成了一个复杂的问题，其最基本的条件是通信网络的适应性，关键技术是通信网络的实时性和可靠性。

数据通信的实时性一方面依赖于变电站层、间隔层和过程层之间通信流量的合理分配和组合，保证通信网络的带宽占用在合理范围以内，尽量避免冲突。另一方面采用以太网交换技术，减少网络上冲突概率，使之变成时延确定性网络。相关研究表明：在变电站中使用100Mbps共享以太网或10Mbps交换以太网，能够满足保护对报文传输的实时性要求。这种基于IEC61850标准新型架构的全网络化数字保护平台采用10/100Mbps自适应交换式光纤以太网集线器进行组网，完全能够满足实时性要求。

数据通信的可靠性对这种新型架构的全网络化数字保护平台同样至关重要，本发明采用双网冗余技术来提高装置的可靠性和抗毁性，具体组网的硬件结构图如图8所示。

在双冗余网络中，每个节点的以太网控制器、收发器、电平变换芯片、光纤接头都采用独立的两套，交换式HUB也采用互不相关的两块。当某个节点网络接口故障，或网线损坏，或其中一个交换式HUB故障时，网络仍能正常运作。每个节点的两个网卡只能有一个物理地址，一个IP地址，对于高层应用程序呈现单网卡特性。网络切换时只需将协议和控制命令绑定备用的以太网控制器即可。

这种新型架构的数字保护系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成由通信网络上多个CPU协同完成，智能和通信向现场进一步延伸，提高了数据的共享度，可以实现分布式保护。同时，可以利用更多的现场信息，如不同间隔的采样数据和状态信息，实现协调保护和控制。这种依赖于通信实现的柔性结构易于现场灵活组态和未来技术升级，既可应用于未来的数字化变电站建设，亦可应用于现有变电站自动化系统的改造。

Claims

1.一种全网络化数字保护装置，其特征在于该数字保护装置由主控模块(1)、光纤集线器模块(2)、模拟量输入模块(3)、开关量输入输出模块(4)和人机接口模块(5)组成；其中，主控模块(1)、模拟量输入模块(3)和开关量输入输出模块(4)通过它们自身具有的互为冗余的两组光纤以太网接口分别连接两组光纤集线器模块(2)构成冗余光纤通信网络，实现分布式保护和协调控制；人机接口模块(5)通过RS-485通信接口与主控模块(1)相接并交互数据，提供就地显示和操作接口；主控模块(1)通过其具有的第三组光纤以太网接口与外部的变电站层设备相连接。

2.根据权利要求1所述的全网络化数字保护装置，其特征在于主控模块(1)由CPU(11)、存储器部分(12)、通信接口部分(13)和其他部分(14)组成；CPU(11)通过地址总线、控制总线和数据总线接存储器部分(12)和通信接口部分(13)，对存储器部分(12)和通信接口部分(13)进行读写操作，进行数据交互；其他部分(14)为整个模块提供电源供给，实现上电复位和故障恢复功能，其中通信接口部分(13)包括所述的两组光纤以太网接口和第三组光纤以太网接口。

3.根据权利要求1所述的全网络化数字保护装置，其特征在于光纤集线器模块(2)由10/100Mbps自适应以太网集线器芯片(21)，光纤以太网接口芯片(22)和阻抗匹配网络(23)构成，以提供多达5个的10/100Mbps光纤以太网接口；型号为LXT980的自适应以太网集线器芯片(21)的引脚“FIBON、FIBOP、FIBIN、FIBIP”通过阻抗匹配网络分别对应接型号为HFBR-5803的光纤以太网接口芯片(22)的引脚“

、TD、

、RD”。

4.根据权利要求1所述的全网络化数字保护装置，其特征在于模拟量输入模块(3)包括数字信号处理器(31)、外扩大容量存储器(32)、可编程器件(33)，所述数字信号处理器(31)、外扩大容量存储器(32)、可编程器件(33)分别接总线，实现同步信号处理和时序匹配，构成了模拟量输入模块中完整的处理单元硬件电路；模拟量输入模块中还包括RC低通滤波器(34)、多路转换开关(35)和高速A/D转换芯片，所述RC低通滤波器(34)、多路转换开关(35)和高速A/D转换芯片依次连接，构成了模拟量输入模块(3)的高速数据采集和模数转换部分硬件电路，并且高速A/D转换芯片与总线相接；所述模拟量输入模块还包括两组均由10/100Mbps自适应以太网控制器(37)和以太网收发器(38)串联构成的互为冗余的光纤以太网接口，并且所述自适应以太网控制器与总线相接，模拟量输入模块通过光纤集线器模块(2)实现和主控模块(1)之间的数据交互；模拟量输入模块还包括型号为DS1511W的实时时钟芯片和型号为82C54的外扩的定时器，所述实时时钟芯片和外扩的定时器构成实时时钟系统(39)并与总线相接，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。

5.根据权利要求1所述的全网络化数字保护装置，其特征在于开关量输入输出模块(4)包括DSP芯片(41)，存储器(42)和型号为XC95144的可编程器件(43)，所述DSP芯片(41)，存储器(42)和型号为XC95144的可编程器件(43)分别直接与总线相接，构成开关量输入输出模块的处理单元硬件电路；所述开关量输入输出模块还包括两组均由10/100Mbps自适应以太网控制器(44)和以太网收发器(45)串联构成的互为冗余的光纤以太网接口，并且所述自适应以太网控制器与总线相接，开关量输入输出模块通过光纤集线器模块(2)实现和主控模块(1)之间的数据交互；所述开关量输入输出模块还包括分别与总线连接的开入信号的隔离输入电路(46)和开出信号的隔离输出驱动电路(47)，所述隔离输入电路(46)和隔离输出驱动电路(47)和所述型号为XC95144的可编程器件实现的开入开出扩展逻辑构成了开关量输入输出的物理接口；所述开关量输入输出模块还包括型号为DS1511W的实时时钟芯片和型号为82C54的外扩的定时器构成实时时钟系统(48)与总线相接，在GPS对时脉冲的作用下可获得微秒级的高精度时标信息。

6.根据权利要求1所述的全网络化数字保护装置，其特征在于人机接口模块(5)由型号为W77E58的微处理器(51)、型号为HM628128的静态存储器(52)、型号为XC9572的可编程逻辑器件(53)、型号为SED1335的液晶控制器(54)、型号为DMF50081的液晶显示器(55)、键盘和LED(56)、电源变换模块(57)和型号为MAX487的电平转换芯片(58)构成；其中，微处理器(51)分别接静态存储器(52)、可编程逻辑器件(53)、液晶控制器(54)、电平转换芯片(58)；液晶控制器(54)、电源变换模块(57)分别与液晶显示器(55)相接，键盘和LED(56)与可编程逻辑器件(53)相接，微处理器(51)的串行接口和所述型号为MAX487的电平转换芯片(58)形成一路RS-485串行通信接口和主控模块(1)进行交换数据，实现基本人机交互功能。