CN101453136B - 一种gis间隔控制信号传输装置及其信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GIS间隔控制信号传输装置及其信号传输方法，包括一个主控制单元和多个分控制单元，主控制单元和多个支控制单元通过两路光纤依次串联形成回路，两路光纤的信号传输方向相反；主控制单元连接有GIS间隔控制器，所述分控制单元连接有GIS装置；主控制单元包括信号调理模块和光电转换模块，所述信号调理模块包括上传数据处理模块和下发数据处理模块；所述分控制单元包括光电转换模块、信号提取加载模块、数据处理模块和信号收发模块。该装置结合传输方法使用两路双向的光纤来传输所有信号，这样不但节省了金属耗用量，而且光纤传输的另一个突出优点就是不受高电压电磁辐射的干扰，在复杂的电磁环境下能够稳定传输各种信号。

Description

一种GIS间隔控制信号传输装置及其信号传输方法

技术领域

本发明属于高压开关设备智能化领域，尤其是一种GIS间隔控制信号现场传输方法。

背景技术

GIS为气体绝缘开关，又称为六氟化硫封闭式开关，是目前高压输电领域应用最为广泛的一种断路器设备，其通常使用在发电厂、变电站、大型工矿企业等场所。由于气体绝缘开关的控制比较复杂，并且通常是多个间隔同时配置，这样就有大量的控制线路，包括断路器分/合闸信号线、接地开关分/合闸信号和隔离开关分/合闸信号等大量的信号线。所有控制信号都需要从控制室发送到每一个气体绝缘开关上，同时气体绝缘开关的状态信号，包括断路器分/合闸到位信号、接地开关状态信号、隔离开关位置信号、连锁异常信号、控制回路断线报警、三相不同期报警等又都需要从气体绝缘开关回送给控制室。对于所有这些信号目前主流的传输方式为电连接，以标准的100V直流信号或者以5V的电流信号通过电缆线连接。一般情况下总电缆数多达50根，不论是可靠性和经济性都不好。同时电信号在现场的高压环境下受干扰很严重，传输的稳定性很不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种GIS间隔控制信号传输装置及其信号传输方法，该方法使用两路双向的光纤来传输所有信号，这样不但节省了金属耗用量，而且光纤传输的另一个突出优点就是不受高电压电磁辐射的干扰，在复杂的电磁环境下能够稳定传输各种信号。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种GIS间隔控制信号传输装置，包括一个主控制单元和多个分控制单元，其特征在于，所述主控制单元和多个分控制单元通过两路光纤依次串联形成回路，所述两路光纤的信号传输方向相反；所述主控制单元经电缆线连接有GIS间隔控制器，所述分控制单元经继电器连接有GIS装置；所述主控制单元包括信号调理模块和光电转换模块，所述信号调理模块由上传数据处理模块和下发数据处理模块组成，所述光电转换模块与所述信号调理模块通过双向数据线连接，所述分控制单元包括光电转换模块、信号提取加载模块、数据处理模块和信号收发模块，所述分控制单元光电转换模块通过双向数据线与信号提取加载模块连接，信号提取加载模块的输出端与信号收发模块的输入端连接，所述信号收发模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与所述信号提取加载模块连接。

上述装置的GIS间隔控制信号传输方法包括如下步骤：

1)在主控制单元中，设定各个分控制单元的编号，主控制单元中的信号调理模块首先读取GIS间隔控制器的控制信号，所述控制信号包括：隔离开关控制合信号、隔离开关控制分信号、接地开关控制合信号、接地开关控制分信号、断路器控制合信号、断路器控制分信号，所述信号调理模块中的下发数据处理模块根据下发数据段帧格式将控制信号编制成下发数据段，每个下发数据段对应一个分控制单元，将各分控制单元对应的下发数据段按照设定的分控制单元编号，根据数据包帧格式将各下发数据段编制成一个数据包，然后由所述信号整理模块将数据包传给光电转换模块，所述光电转换模块将数据包转换成为光信号，然后通过光纤，每一微秒向分控制单元发送一次；

2)所述分控制单元接收到来自主控制单元发送的数据包，首先由分控制单元中的光电转换模块将光信号转换为电信号，然后传输到信号提取加载模块，在信号提取加载模块中读取帧头校验码，如果与自身的校验码一致，则读取数据包中与自己的编号对应的数据段，将数据段中相应的位根据下发数据段帧格式对应到相应的输出位置，从而还原成GIS间隔控制器发出的控制信号，之后通过信号收发模块传送给GIS装置；

3)所述分控制单元在进行上述第2)步骤的同时，信号收发模块从GIS装置读取状态信号，所述状态信号包括：隔离开关位置信号、接地开关位置信号、断路器位置信号、连锁异常信号、控制回路断路信号和三相不同期报警信号，所述信号收发模块将状态信号传送给数据处理模块，数据处理模块将输入的状态信号按照上传数据帧格式编制成上传数据段传输给信号提取加载模块，所述信号提取加载模块将上传数据段加载到分控制单元在数据包中对应的数据段位置，覆盖掉步骤2)中的下传数据段的相应内容，换成需要上传的状态信号数据段，然后数据包传输给分控制单元的光电转换模块，所述分控制单元的光电转换模块将数据包转换成光信号后通过光纤将其传递给下一分控制单元；

4)所述下一分控制单元接收到由上一分控制单元传送来的数据包，重复步骤2)和步骤3)的动作，直至数据包被传送到最后一个分控制单元，最后一个分控制单元将数据包通过光纤传送给主控制单元；

5)所述主控制单元接收到由最后一个分控制单元传送来的数据包，由主控制单元的光电转换模块将数据包转换为电信号，传送给上传数据处理模块，上传数据处理模块将数据包中各数据段根据各分控制单元的编号以及数据包帧格式对应到相应的输出位置，从而还原成GIS装置的状态信号，再将状态信号传输给GIS间隔控制器。

上述的下发数据段帧格式为：

一个数据段为两个字节数据，共16位，1～3位为数据段编号，表示本数据段的编号，第4位为数据类型位，第5位为隔离开关1控制合信号，同理6～16位都为GIS间隔控制器给出的控制信号。

上述的数据包帧格式为：

一个数据包由16个字节组成，0～2字节为三个字节的帧头校验码，3～4字节、5～6字节、7～8字节、9～10字节、11～12字节、13～14字节均为为分控制单元的数据段，第15字节为帧尾。

上述上传数据帧格式为：

一个数据段为两个字节数据，共16位，1～3位为数据段编号，表示本数据段的编号，第4位为数据类型位，第5位为隔离开关位置信号，同理6～16位都为GIS装置发出的状态信号。

本发明使用两路光纤来进行双向的光信号传输，这样大大的节省了电缆的使用量，降低了金属耗用量，极大的提升了电整个电气控制系统的经济性能。同时，光纤传输的另一个突出优点就是不受高电压的干扰、抗辐射能力强，在复杂电磁环境下也可以稳定传输各种信号，由此可以大幅的提升整个控制系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的GIS间隔控制信号传输装置连接示意图；

图2为本发明的主控制单元功能框图；

图3为本发明的分控制单元功能框图；

图4为主控制单元硬件结构简图；

图5为分控制单元硬件结构简图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1是本发明的GIS间隔控制信号传输装置连接示意图，其中主控制单元和多个分控制单元通过两路光纤依次串联形成回路，图中所示为一个主控制单元串联有六个分控制单元，所述两路光纤的信号传输方向相反，即主控制单元同时从两个光纤通道发出数据包传送给分控制单元，而这两个光纤在整个串联回路中的传送方向刚好相反，两个通道独立运行，以确保信号传输的可靠性；主控制单元连接有GIS间隔控制器，可与GIS间隔控制器进行信息交流，分控制单元连接有GIS装置，分控制单元可控制GIS装置并且监测GIS装置的状态。

如图2为主控制单元功能框图，主控制单元包括信号调理模块和光电转换模块，信号调理模块由上传数据处理模块和下发数据处理模块组成，光电转换模块与所述信号调理模块通过双向数据线连接，信号调理模块通过电缆线与GIS间隔控制器连接，通过电缆线将控制信号传送给信号调理模块，或者信号调理模块通过电缆线将GIS装置的状态信号传送给GIS间隔控制器。

下发数据处理模块可以根据下发数据段帧格式将控制信号编制成下发数据段，上传数据处理模块可将数据包中各数据段根据各分控制单元的编号以及数据包帧格式对应到相应的输出位置。主控制单元在光转换模块上设有两对进出端口，图中所示为OUT1，IN1和OUT2，IN2，分别是与两路光纤连接的。主控制单元的各功能模块是通过如图4所示的硬件连接来实现的，主控制单元由一块PCB电路板构成，CPU为Altera公司的复杂可编程逻辑器件(CPLD)，型号为EPM570C144，CPU连接有32Mb晶振，另外还包括有电源模块、光电转换电路、光耦隔离电路、输出继电器和电信号输入稳压电路。CPU通过双向数据线与光电转换电路连接，光电转换电路也通过双向数据线与光信号接口连接，光信号接口包含有输入端和输出端，其与光纤连接，CPU的输出端经光耦隔离电路与输出继电器的输入端连接，输出继电器的输出端与GIS间隔控制器的输入端连接，CPU的输入端经光耦隔离电路与电信号输入稳压电路的输出端连接，电信号稳压电路的输入端与GIS间隔控制器的输出端连接。电源模块负责给整个主控制单元提供电能，光电转换电路实现了光电转换模块的功能，上传数据处理模块和下发数据处理模块的功能是通过在CPLD芯片中使用VHDL语言来实现的。

如图3为本发明的分控制单元功能框图，分控制单元包括光电转换模块、信号提取加载模块、数据处理模块和信号收发模块，所述分控制单元的光电转换模块通过双向数据线与信号提取加载模块连接，信号提取加载模块的输出端与信号收发模块的输入端连接，所述信号收发模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与所述信号提取加载模块连接。分控制单元光电转换模块可将光信号转换为电信号，也可以将电信号转换为光信号，信号提取加载模块可以读取数据包中的帧头校验码，并与自身校验码比对，并读取数据包中与自己的编号对应的数据段；信号收发模块与GIS装置连接，可以向GIS装置传送控制信号，也可以读取GIS装置的状态信号；数据处理模块将对其输入的状态信号按照上传数据帧格式编制成上传数据段传输给信号提取加载模块。分控制单元在光转换模块上也设有两对进出端口，分别为OUT1，IN1和OUT2，IN2，也是用于两路光纤的连接。

以上分控制单元的各功能模块是通过如图5的硬件连接来实现的，其中分控制单元硬件电路由一块PCB电路板构成。CPU为Altera公司的复杂可编程逻辑器件(CPLD)，型号为EPM270C 144，CPU连接有32Mb晶振，另外还包含有电源模块、光电转换电路、光耦隔离电路、电信号继电器输出电路、电信号输入稳压电路和设置四路LED状态指示灯。与主控制单元的硬件连接大体相同，不同之处在于，输出继电器的输出端与GIS装置的输入端连接，电信号输入稳压电路的输入端与GIS装置的输出端连接。光电转换电路实现光电转换模块的功能，所述的信号提取加载模块和数据处理模块是通过在CPLD芯片中使用VHDL语言来实现的。

实施例：

本实施例以一个主控制单元和六个分控制单元来说明，具体如图1中的连接方式，分别给六个分控制单元依次编号为分控制单元1、分控制单元2、分控制单元3......分控制单元6，主控制单元的输出端OUT1通过光纤与分控制单元1的输入端IN1连接，主控制单元的输出端OUT2通过光纤与分控制单元6的输入端IN2连接，分控制单元1的输出端OUT2通过光纤与主控制单元的输入端IN2连接，分控制单元6的输出端OUT1与主控制单元的输入端IN1通过光纤连接。在各分控制单元之间，输出端OUT1通过光纤与相邻分控制单元的输入端IN1连接，输出端OUT2通过光纤与相邻分控制单元的输入端IN2连接。这样就形成了两路独立的光纤传输回路，且这两路光纤传输回路的传输方向相反。

主控制单元处于控制室中，其还与GIS间隔控制器相连，主控制单元与GIS间隔控制器的连接线包括：断路器分/合闸信号线、接地开关分/合闸信号线、隔离开关分/合闸信号线、断路器分/合闸到位信号线、接地开关状态信号线、隔离开关位置信号线、连锁异常信号线、控制回路断线报警线、三相不同期报警线。

以上连接完各设备后，本实施例的工作过程是这样的：

1)在主控制单元中，设定各个分控制单元的编号，主控制单元中的信号调理模块首先读取GIS间隔控制器的控制信号，控制信号包括：隔离开关控制合信号、隔离开关控制分信号、接地开关控制合信号、接地开关控制分信号、断路器控制合信号、断路器控制分信号，信号调理模块中的下发数据处理模块根据下发数据段帧格式(如表1)将控制信号编制成下发数据段，每个下发数据段对应一个分控制单元，将各分控制单元对应的下发数据段按照设定的分控制单元编号，根据数据包帧格式(如表2)将各下发数据段编制成一个数据包，本实施例是以六个分控制单元为例，这样有六个下发数据段，加上帧头、帧尾构成一个数据包，然后由所述信号整理模块将数据包传给光电转换模块，所述光电转换模块将数据包转换成为光信号，每一微秒向分控制单元发送一次；本发明采用双路环网结构发送，将同一数据包从OUT1、OUT2同时发出。同时，实时的以10kHz的频率扫描两个接受端口，如果上传信号到来则进行接收。

2)分控制单元1的IN1端接收到来自主控制单元发送的数据包，首先由分控制单元1中的光电转换模块将光信号转换为电信号，然后传送到信号提取加载模块，在信号提取加载模块中读取帧头校验码，如果与自身的校验码一致，则读取数据包中与自己的编号对应的数据段，将数据段中相应的位根据下发数据段帧格式(如表1)对应到相应的输出位置，从而还原成GIS间隔控制器发出的控制信号，之后通过信号收发模块传送给与其连接的GIS装置；比如隔离开关1控制合信号接入隔离开关1合闸端子，断路器控制分信号位接入断路器控制分引线端子。

3)分控制单元1在进行上述第2)步骤的同时，信号收发模块从GIS装置读取状态信号，状态信号包括隔离开关位置信号、接地开关位置信号、断路器位置信号、连锁异常信号、控制回路断路信号和三相不同期报警信号，信号收发模块将状态信号传送给数据处理模块，数据处理模块将输入的状态信号按照上传数据帧格式(如表3)编制成上传数据段传输给信号提取加载模块，信号提取加载模块将上传数据段加载到分控制单元在数据包中对应的数据段位置，覆盖掉步骤2)中的下传数据段的相应内容，换成需要上传的状态信号数据段，然后数据包传输给分控制单元1的光电转换模块，分控制单元1的光电转换模块将数据包转换成光信号后通过光纤将其传递给分控制单元2；

4)所述分控制单元2接收到由分控制单元1传送来的数据包，重复步骤2)和步骤3)的动作，然后分控制单元2将处理完的数据包继续传递给分控制单元3，这样反复进行直至数据包被传送到最后一个分控制单元即分控制单元6，分控制单元6将数据包通过光纤传回给主控制单元；

5)主控制单元接收到由分控制单元6传送来的数据包，由主控制单元的光电转换模块将数据包转换为电信号，传送给上传数据处理模块，上传数据处理模块将数据包中各数据段根据各分控制单元的编号以及数据包帧格式对应到相应的输出位置，从而还原成GIS装置的状态信号，再将状态信号传输给GIS间隔控制器。

以上过程同时也在另一路光纤回路中进行，即由主控制单元到分控制单元6，再到分控制单元5，以此类推，直至数据包被传送到分控制单元1，由分控制单元1再将数据包传回给主控制单元。

表1、下发数据段帧格式：

位

1～3

4

5

6

7

8

9

定义

数据段编号

数据类型位

隔离开关1控制合信号

隔离开关1控制分信号

隔离开关2控制合信号

隔离开关2控制分信号

隔离开关3控制合信号

位	10	11	12	13	14	15	16
								定义	隔离开关3控制分信号	接地开关1控制合信号	接地开关1控制分信号	接地开关2控制合信号	接地开关2控制分信号	断路器控制合信号	断路器控制分信号

表2、数据包帧格式：

字节

0～2

3～4

5～6

7～8

9～10

11～12

13～14

15

定义

帧头校验码

支点1数据段

支点2数据段

支点3数据段

支点4数据段

支点5数据段

支点6数据段

帧尾

表3、上传数据段帧格式：

位	1～3	4	5	6	7	8	9
								定义	数据段编号	数据类型位	隔离开关1位置信号	隔离开关2位置信号	隔离开关3位置信号	接地开关1位置信号	接地开关2位置信号
位	10	11	12	13	14	15	16
								定义	断路器位置信号	连锁异常信号	控制回路断路信号	三相不同期报擎	备用位	备用位	帧尾

下面对上述三个表格做进一步详细描述：

表1所示的下发数据段编码方式为：一个数据段为两个字节数据，共16位，1～3位为数据段编号，表示本数据段的编号，“000”即为发往分控制单元1的数据段、“001”对应分控制单元2、“010”对应分控制单元3、“011”对应分控制单元4、“100”对应分控制单元5、“101”对应分控制单元6；第4位为数据类型位，“0”表示数据为主控制单元向分控制单元下发的数据，“1”表示数据是由分控制单元向主控制单元上传的；第5位为隔离开关1控制合信号，由GIS间隔控制器给出，本发明中根据GIS间隔控制器给出的状态量放到此位；同理6～16位都为由GIS间隔控制器给出的控制信号。

表2所示的数据包编码方式：一个数据包由16个字节组成，0～2字节为三个字节的帧头校验码，主点和支点都要先验证校验码，校验码正确才认为该帧数据有效。3～4字节为支点1的数据段，5～6字节为支点2的数据段，7～8字节为支点3的数据段，9～10字节为支点4的数据段，11～12字节为支点5的数据段，13～14字节为支点6的数据段。第15字节为帧尾，主点和支点要验证帧尾校验码，校验码通过才认为该帧数据有效。

表3所示的上传数据段编码方式为：一个数据段为两个字节数据，共16位，1～3位为数据段编号，表示本数据段的编号，“000”即为由分控制单元1回报的数据段、“001”对应分控制单元2、“010”对应分控制单元3、“011”对应分控制单元4、“100”对应分控制单元5、“101”对应分控制单元6；第4位为数据类型位，上传数据段本位为“1”；第5位为隔离开关1位置信号，由GIS装置提供，本发明中根据GIS装置发出的状态量放到此位；同理6～16位都为由GIS装置发出的状态信号。

综上所述，本发明设计了一种编码方式，将GIS(气体绝缘开关)的各种需要在控制室和GIS装置之间通信的信号按照这种编码方式编码可以实现多路并行信号编成一串形成数据包，并可以在主控制单元和分控制单元之间进行串行通信，主控制单元将数据包发送到现场的各个分控制单元，与各个GIS装置连接分控制单元的从数据包中找到属于自己的信息，并把自己需向控制室(即GIS间隔控制器)回传的信号加载到数据包中。由此各个分控制单元都提取数据包中属于自身的信息，并将自身的信息加载到数据包中，完成一次数据包的发送。同时，分控制单元接受自己的数据段后把自己需要向主控制单元上传的信号放在数据包的同一个数据段上。为了保证传输的可靠性，本发明采用双传输通道、双向传输的光纤发放。主控制单元同时从两个通道发出数据包，两个通道独立运行，以确保信号传输的可靠性。

Claims (5)

1.一种GIS间隔控制信号传输装置，包括一个主控制单元和多个分控制单元，其特征在于，所述主控制单元和多个分控制单元通过两路光纤依次串联形成回路，所述两路光纤的信号传输方向相反；所述主控制单元经电缆线连接有GIS间隔控制器，所述分控制单元经继电器连接有GIS装置；所述主控制单元包括信号调理模块和光电转换模块，所述信号调理模块由上传数据处理模块和下发数据处理模块组成，所述光电转换模块与所述信号调理模块通过双向数据线连接，所述分控制单元包括光电转换模块、信号提取加载模块、数据处理模块和信号收发模块，所述分控制单元的光电转换模块通过双向数据线与信号提取加载模块连接，信号提取加载模块的输出端与信号收发模块的输入端连接，所述信号收发模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与所述信号提取加载模块连接。

2.一种基于权利要求1所述装置的GIS间隔控制信号传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在主控制单元中，设定各个分控制单元的编号，主控制单元中的信号调理模块首先读取GIS间隔控制器的控制信号，所述控制信号包括：隔离开关控制合信号、隔离开关控制分信号、接地开关控制合信号、接地开关控制分信号、断路器控制合信号、断路器控制分信号，所述信号调理模块中的下发数据处理模块根据下发数据段帧格式将控制信号编制成下发数据段，每个下发数据段对应一个分控制单元，将各分控制单元对应的下发数据段按照设定的分控制单元编号，根据数据包帧格式将各下发数据段编制成一个数据包，然后由所述信号调理模块将数据包传给光电转换模块，所述光电转换模块将数据包转换成为光信号，然后通过光纤，每一微秒向分控制单元发送一次；

2)所述分控制单元接收到来自主控制单元发送的数据包，首先由分控制单元中的光电转换模块将光信号转换为电信号，然后传输到信号提取加载模块，在信号提取加载模块中读取帧头校验码，如果与自身的校验码一致，则读取数据包中与自己的编号对应的数据段，将数据段中相应的位根据下发数据段帧格式对应到相应的输出位置，从而还原成GIS间隔控制器发出的控制信号，之后通过信号收发模块传送给GIS装置；

3)所述分控制单元在进行上述第2)步骤的同时，信号收发模块从GIS装置读取状态信号，所述状态信号包括：隔离开关位置信号、接地开关位置信号、断路器位置信号、连锁异常信号、控制回路断路信号和三相不同期报警信号，所述信号收发模块将状态信号传送给数据处理模块，数据处理模块将输入的状态信号按照上传数据帧格式编制成上传数据段传输给信号提取加载模块，所述信号提取加载模块将上传数据段加载到分控制单元在数据包中对应的数据段位置，覆盖掉步骤2)中的下传数据段的相应内容，换成需要上传的状态信号数据段，然后数据包传输给分控制单元的光电转换模块，所述分控制单元的光电转换模块将数据包转换成光信号后通过光纤将其传递给下一分控制单元；

4)所述下一分控制单元接收到由上一分控制单元传送来的数据包，重复步骤2)和步骤3)的动作，直至数据包被传送到最后一个分控制单元，最后一个分控制单元将数据包通过光纤传送给主控制单元；

5)所述主控制单元接收到由最后一个分控制单元传送来的数据包，由主控制单元的光电转换模块将数据包转换为电信号，传送给上传数据处理模块，上传数据处理模块将数据包中各数据段根据各分控制单元的编号以及数据包帧格式对应到相应的输出位置，从而还原成GIS装置的状态信号，再将状态信号传输给GIS间隔控制器。

3.根据权利要求2所述的GIS间隔控制信号传输方法，其特征在于，所述的下发数据段帧格式为：

一个数据段为两个字节数据，共16位，1～3位为数据段编号，表示本数据段的编号，第4位为数据类型位，第5位为隔离开关1控制合信号，同理6～16位都为GIS间隔控制器给出的控制信号。

4.根据权利要求2所述的GIS间隔控制信号传输方法，其特征在于，所述的数据包帧格式为：

一个数据包由16个字节组成，0～2字节为三个字节的帧头校验码，3～4字节、5～6字节、7～8字节、9～10字节、11～12字节、13～14字节均为为分控制单元的数据段，第15字节为帧尾。

5.根据权利要求2所述的GIS间隔控制信号传输方法，其特征在于，所述上传数据帧格式为：

一个数据段为两个字节数据，共16位，1～3位为数据段编号，表示本数据段的编号，第4位为数据类型位，第5位为隔离开关位置信号，同理6～16位都为GIS装置发出的状态信号。

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