CN101841189A - 集中式保护测控装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中式保护测控装置，包括以下各功能插件：PowerPC板：接插于高速串行总线板上，包括采样PowerPC板，通过过程层采样网络接受来自合并单元或者保护测控装置发送的采样报文；总控PowerPC板，通过网络与后台及总控通信；CPU板：接插于高速串行总线板上，用于实现各间隔的数据计算和保护功能；高速串行总线板：为所有插件的接入板，用于各插件之间数据的传送；液晶显示板：通过内置网口与总控PowerPC板连接。本发明的装置可减少变电站二次侧各间隔的复杂的接线，减少变电站自动化系统二次设备设计、制造和维护工作。

Description

集中式保护测控装置及其实现方法

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域。设计了一种适用于中低压等级数字化变电站集中式保护测控装置。

背景技术

目前变电站二次设备主要采用分层分布式结构，面向间隔，功能独立。监视、控制、保护、故障录波、测量与计量等都是功能单一、相互独立的装置。这种按功能和间隔划分的模式可靠性较高，任一装置故障都不会影响其他功能和对象，系统的可扩展性和开放性好。但硬件重复配置、CT和PT负载重、接线复杂、信息不共享、缺乏整体的协调和功能优化、投资成本大、运行维护成本高。这些都为集中式保护的提出提供了有利条件。

对继电保护而言，相邻间隔的元件信息是十分关键的，利用故障相邻区内的广域的、冗余的信息，可以准确的反映出故障状态，提供快速可靠的主保护和后备保护功能，简化保护装置之间定值和动作时间的配合。对控制系统而言，通过获取全局冗余信息，有助于实现更优化的控制措施，各种控制措施之间能有机地配合协调，最大限度的减小扰动带来的影响和损失，因此出现了集成式保护的设想。

随着IEC61850标准的不断推广和深入，数字化变电站也越来越多，三层结构的设计不仅使整个变电站的系统结构更加清晰，同时也使全站数据和信息的采集和获取成为可能，这些都给集中式保护的出现提供了有力的支撑。针对中低压变电站的特点，结合IEC61850标准的特性提出了集中式保护的设计思想，并设计开发了集中式保护测控装置。集中式保护装置也没有采用新的改进的保护原理，而是在采用传统中低压保护原理的情况下实现了全站的保护和控制功能。整个系统实现保护集成化的同时也实现了数字化的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是能够提供一种集中式的保护测控装置，减少变电站二次侧各间隔的复杂的接线，减少变电站自动化系统二次设备设计、制造和维护工作。

为解决上述技术问题，本发明提供一种集中式保护测控装置，其特征在于，包括以下各功能插件：

PowerPC板：接插于高速串行总线板上，包括采样PowerPC板，通过过程层采样网络接受来自合并单元或者保护测控装置发送的采样报文；总控PowerPC板，通过网络与后台及总控通信；

CPU板：接插于高速串行总线板上，用于实现各间隔的数据计算和保护功能；

高速串行总线板：为所有插件的接入板，用于各插件之间数据的传送；

液晶显示板：通过内置网口与总控PowerPC板连接；

电源板：用于为装置提供工作电源。

前述的集中式保护测控装置，其特征在于：通过GPS时钟源实现IRIG-B对时。

前述的集中式保护测控装置，其特征在于：所述采样PowerPC板具有四个百兆网口，其中一口为调试网口，通过网络连接实现打印通信处理的所有相关信息，另外三个网口为互为备用的通信接口。正常情况下第二口、第三口用来接收采样数据，第四口为备用口。

前述的集中式保护测控装置，其特征在于：所述总控PowerPC板具有四个百兆网口，其中两个网口为与后台通信口，一个网口为液晶通信口，用于与装置液晶界面的通信，一个网口为冗余端口，为装置的备用接口。

前述的集中式保护测控装置，其特征在于：所述CPU板将主变差动保护和后备保护作为一个独立板件、2路电容器保护作为一个独立板件、跨间隔保护作为一个独立的板件、其余每2条线路间隔保护作为一个独立板件。

前述的集中式保护测控装置，其特征在于：所述高速串行总线板为具有6U结构的通信背板，内部设置A、B两路总线。

前述的集中式保护测控装置的实现方法：其特征在于，包括以下步骤：

1)数据输入：采样PowerPC板通过过程层采样网络接收来自合并单元或者其它测控装置发送的多播采样报文；

2)数据处理：包括以下步骤

21)采样PowerPC板将接受的数据按照高速总线报文的格式进行封装；

22)采样PowerPC板每个终端所接受的数据按照地址填入总线报文中，然后组包发送；

23)各个CPU板件在中断期间接受总线报文，并根据自身的需要选择报文中所需要的数据，然后按照传统的方式进行傅利叶计算，获取电流、电压及相关开关状态的值，然后根据数据进行保护逻辑的判断；

3)数据输出：包括为CPU保护板件输出和总控PowerPC板件输出两个部分，CPU板件输出为保护判断故障后发送GOOSE跳闸报文；总控PowerPC板件输出为集中式保护装置对于后台或者总控的通信；

4)液晶显示：用来对装置进行配置，同时用来显示遥测、遥信、遥控、事件记录和装置告警信息，每当有故障发生时各CPU保护插件除了发送GOOSE跳闸报文外，在集中式保护装置的液晶界面上主动弹窗告警，并显示是哪一个保护插件动作。

前述的集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：在所述步骤21)中，每帧报文250字节，包括一个字节的帧计数器，一个字节的数据有效状态字，248字节有效数据，248字节的有效数据分为8个31字节短帧，每个短帧包括一个字节的短帧计数器，一个字节的装置地址，12个16bit交流量，5个字节的开关量。

前述的集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：在所述步骤23)中，每个CPU板件在获取所需数据的值时首先会判断报文中相应短帧的计数器是否连续，以及数据状态是否正常，若有异常则闭锁相应的保护处理功能，防止保护误动作。

前述的集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：在所述步骤3)中，各个CPU插件通过各自保护逻辑判断，是否有故障发生，若故障发生，则发送GOOSE跳闸报文，报文所定义的数据集通过预先的配置，使得发送方和接收方明确各个数据的实际意义，从而执行跳、合操作，所有的CPU板的GOOSE跳闸端口全部连接在一个网络，组成一个独立的星型网络。

集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：前述的CPU板的GOOSE端口设置成双网模式，互为冗余。

本发明所达到的有益效果：本发明的集中式保护测控装置能够接收合并单元发送的IEC61850-9-1、IEC61850-9-2和IEC60044-7/8格式的采样数据，能够对全站所有间隔的采样数据进行集中整合，这就为所有间隔的保护提供了集中处理的可能。同时，由于该装置能够接收全站的采样数据，可提供一些新的改进的保护方法，能够对主变的后备保护提供友好的补充和改进。该装置还能够按照IEC61850的要求发送GOOSE跳闸、闭锁命令，实现开关的跳合闸操作以及间隔闭锁功能。通过通信的方式实现全站的数据采集，通过集中处理的方式实现全站所有间隔的保护功能，并通过通信的方式实现开关的跳闸操作，有效降低变电站的建设维护成本，有利于实现全站保护的优化控制。

附图说明

图1为本集中式保护装置的系统结构图及全站组网图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本集中式保护装置的系统结构图及全站组网图。图中P1-P3表示PowerPC板；D1-D6表示Davinci CPU板A、B为高速串行总线A、B网。

本发明的集中式保护测控装置通过插件的方式来实现所有功能。其主要功能插件有PowerPC板、CPU保护板、高速串行总线通信板、液晶显示板和电源板。PowerPC板采用Motorola公司的MPC8247系列芯片，能够满足采样数据接受的要求。PowerPC板用来实现所有与通信相关的功能，在此装置中又分成了两类，一类是采样数据接收板，负责所有采样数据的接收；另一类是采样通信板，负责与后台和总控的通信。CPU板主要用来实现各间隔的数据计算和保护功能。高速串行总线板为所有插件的接入板，负责各插件之间数据的传送。液晶显示板为专门的一个插件，其功能相对独立，界面数据的显示通过与通信板以太网连接来实现。电源板负责为装置提供工作电源。整个装置的具体方案如下：

采样PowerPC板具有四个百兆网口，其中一口为调试网口，可以网络连接能够打印出通信处理的所有相关信息，类似板件自带的串口功能。另外三个网口具有互为备用的通信功能，正常情况使用第二口、第三口接收采样报文，第四口作为备用口。如此可以适用采样网双网冗余的方案，保证采样的可靠性。每块负责采样接收的PowerPC板能够接收32个间隔(一个端口16个间隔)的采样数据，能够满足中低压变电站的需求。若需要接收更多的采样间隔，可以通过增加PowerPC板来实现。当多个PowerPC板出现时，通过板件的拨码来表示不同的硬件地址以示区分。

总控PowerPC板同样具有四个百兆网口。其中第一口、第二口为与后台通信口，两个网口可以满足后台双网通信的要求，双网冗余方案能够较好的满足现场的需求。第三口为液晶通信口，负责与装置液晶界面的通信。第四口为冗余端口，作为装置的备用。总控PowerPC板可以根据需求实现103通信规约、IEC61850通信规约等，灵活多变的通信方案能够极好的适应和满足工程化的需求。

CPU板根据中低压变电站的特点，将主变差动保护和后备保护作为一个独立板件、2路电容器保护作为一个独立板件、跨间隔保护(如母线保护、备自投保护等)作为一个独立的板件、其余每2条线路间隔保护作为一个独立板件。整个装置CPU板件的数量可以根据实际情况进行灵活扩充，各个CPU板在总线板上的插接位置可以随意设置，只须各个CPU板的地址拨码不同即可。

CPU板采用多插件的方式，实现全站间隔的保护功能。每个CPU插件能够实现2-3个间隔的保护功能。如针对一个35KV变电站，配置了3块线路保护板(每块可实现2条线路间隔的保护)、1块电容器保护板(可实现2路电容器保护)、1块主变后被插件板(实现主变差动后备保护功能)、1块跨间隔保护板(实线母线、备自投等跨间隔保护功能)。所有CPU保护板件结构与设计完全相同，实际使用时仅硬件地址拨码和内部DSP程序有差异。其中CPU板为基于TI公司的Davinci来制作，性能十分可靠，相应的数据空间也比较大，这些都为集成式保护提供了有力的支撑。各CPU保护板并行处理多个间隔的保护、测量和控制功能，在实现保护集成同时也进行了有效分散，降低了过度集中所产生的可靠性降低的问题。

高速总线板是一块具有6U结构的通信背板，所有的CPU板和PowerPC板都能够在该板的任意位置插入。高速总线板负责内部所有数据的高速传输，所有板件都可以接收到这些数据，并根据自己的需求，取数据中相应位置处自身需要的数据。整个总线板内分为A、B两路总线，保证所有较大长度的数据能够在总线板上一次性传输，进而极大提高了装置的性能。

液晶面板采用独立的硬件设计，使得液晶显示与CPU板和PowerPC板相互独立，液晶界面的显示通过通信的方式与总控PowerPC板连接。

整个装置通过GPS时钟源进行IRIG-B对时。整个装置的中断由采样PowerPC板负责。

该集中式保护测控装置整个保护测控实现过程可以分为三个部分，分别为数据输入、数据处理、数据输出以及液晶显示四个部分，具体如下：

数据输入主要指采样PowerPC板。采样PowerPC板通过过程层采样网络接受来自合并单元或者其他装置发送的多播采样报文，报文支持IEC61850-9-1、IEC61850-9-2和IEC60044-7/8的格式。采样PowerPC板每次接收到采样报文后首先会判断发送方的源地址，主要是判断最后一个字节，以此地址为标示建立一个数据存储空间，以后每次所接受的该地址的数据就存放此处。采样板对每一个合并单元所发送的数据进行接收，同时判断各个合并单元所发送的数据报是否连续，如果是采样点号连续，那么就接受数据并置数据有效标志；如果采样点不连续仍然收取数据，但是会对数据状态标示异常。如果在一个采样间隔的时间内没有收到任何数据，那么就会在相应的地址将数据置0，并将数据状态置为异常。

数据处理部分是一个抽象的描述，具体又可分为串行高速总线数据帧封装、发送和各CPU插件的接受处理。PowerPC采样板将接受的数据按照高速总线报文的格式进行封装。每帧报文250字节，包括一个字节的帧计数器，一个字节的数据有效状态字，248字节有效数据。248字节的有效数据又分为8个31字节短帧，每个短帧包括一个字节的短帧计数器，一个字节的装置地址，12个16bit交流量(24字节)，5个字节的开关量。采样板每个终端所接受的数据就按照地址填入总线报文中，然后组包发送。各个CPU板件在中断期间接受总线报文，并根据自身的需要选择报文中所需要的数据，然后按照传统的方式进行傅利叶计算，获取电流、电压及相关开关状态的值，然后根据数据进行保护逻辑的判断。每个CPU板件在获取所需数据的值时首先会判断报文中相应短帧的计数器是否连续，以及数据状态是否正常，若有异常则闭锁相应的保护处理功能，防止保护误动作。

数据输出部分分为CPU保护板件输出和总控PowerPC板件输出两个部分。CPU板件输出主要是指保护判断故障后发送GOOSE跳闸报文。各个CPU插件通过各自保护逻辑判断，看是否有故障发生，若故障发生，则发送GOOSE跳闸报文。报文所定义的数据集通过预先的配置，使得发送方和接收方能够明确各个数据的实际意义，从而执行跳、合操作。所有的CPU板的GOOSE跳闸端口全部连接在一个网络，组成一个独立的星型网络。为提高GOOSE跳闸的可靠性和实时性，CPU板的GOOSE端口设置成双网模式，互为冗余。总控PowerPC板件输出主要是指集中式保护装置对于后台或者总控的通信功能。通过总控PowerPC板实现集中式保护测控装置与后台或者总控装置的通信，通信方式能够根据实际工程进行调整，整个装置支持传统的103规约和IEC61850标准。

液晶显示主要是用来对装置进行配置，同时可以用来显示遥测、遥信、遥控、事件记录和装置告警等信息。每当有故障发生的时候各CPU保护插件除了发送GOOSE跳闸报文以外还会在集中式保护装置的液晶界面上主动弹窗告警，并显示是哪一个保护插件动作。液晶显示数据通过液晶面板内置网口与总控PowerPC板连接，两者之间的通信采用内部UDP协议。液晶模块采用320×240像素真彩色TTF液晶，具有良好的人机交互功能。

以上仅以最佳实施例对本发明做进一步的说明，然其并非对本发明的限定，本发明的保护范围以表示在权利要求的内容为准。

Claims (9)

1.一种集中式保护测控装置，其特征在于，包括以下各功能插件：

PowerPC板：接插于高速串行总线板上，包括采样PowerPC板，通过过程层采样网络接受来自合并单元或者保护测控装置发送的采样报文；总控PowerPC板，通过网络与后台及总控通信；

CPU板：接插于高速串行总线板上，用于实现各间隔的数据计算和保护功能；

高速串行总线板：为所有插件的接入板，用于各插件之间数据的传送；

液晶显示板：通过内置网口与总控PowerPC板连接；

电源板：用于为装置提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的集中式保护测控装置，其特征在于：所述采样PowerPC板具有四个百兆网口，其中一口为调试网口，通过网络连接实现打印通信处理的所有相关信息，另外三个网口为互为备用的通信接口，正常情况下第二口、第三口用来接收采样数据，第四口为备用口；

所述总控PowerPC板具有四个百兆网口，其中两个网口为与后台通信口，一个网口为液晶通信口，用于与装置液晶界面的通信，一个网口为冗余端口，为装置的备用接口。

3.根据权利要求1或2所述的集中式保护测控装置，其特征在于：所述CPU板将主变差动保护和后备保护作为一个独立板件、2路电容器保护作为一个独立板件、跨间隔保护作为一个独立的板件、其余每2条线路间隔保护作为一个独立板件。

4.根据权利要求1或2所述的集中式保护测控装置，其特征在于：所述高速串行总线板为具有6U结构的通信背板，内部设置A、B两路总线。

5.根据权利要求1所述的集中式保护测控装置的实现方法：其特征在于，包括以下步骤：

1)数据输入：采样PowerPC板通过过程层采样网络接收来自合并单元或者其他测控装置发送的多播采样报文；

2)数据处理：包括以下步骤

21)采样PowerPC板将接收的数据按照高速总线报文的格式进行封装；

22)采样PowerPC板每个终端所接收的数据按照地址填入总线报文中，然后组包发送；

23)各个CPU板件在中断期间接受总线报文，并根据自身的需要选择报文中所需要的数据，然后按照传统的方式进行傅利叶计算，获取电流、电压及相关开关状态的值，然后根据数据进行保护逻辑的判断；

3)数据输出：包括为CPU保护板件输出和总控PowerPC板件输出两个部分，CPU板件输出为保护判断故障后发送GOOSE跳闸报文；总控PowerPC板件输出为集中式保护装置对于后台或者总控的通信；

4)液晶显示：用来对装置进行配置，同时用来显示遥测、遥信、遥控、事件记录和装置告警信息，每当有故障发生时各CPU保护插件除了发送GOOSE跳闸报文外，在集中式保护装置的液晶界面上主动弹窗告警，并显示是哪一个保护插件动作。

6.根据权利要求5所述的集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：在所述步骤21)中，每帧报文250字节，包括一个字节的帧计数器，一个字节的数据有效状态字，248字节有效数据，248字节的有效数据分为8个31字节短帧，每个短帧包括一个字节的短帧计数器，一个字节的装置地址，12个16bit交流量，5个字节的开关量。

7.根据权利要求5所述的集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：在所述步骤23)中，每个CPU板件在获取所需数据的值时首先会判断报文中相应短帧的计数器是否连续，以及数据状态是否正常，若有异常则闭锁相应的保护处理功能，防止保护误动作。

8.根据权利要求5所述的集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：在所述步骤3)中，各个CPU插件通过各自保护逻辑判断，是否有故障发生，若故障发生，则发送GOOSE跳闸报文，报文所定义的数据集通过预先的配置，使得发送方和接收方明确各个数据的实际意义，从而执行跳、合操作，所有的CPU板的GOOSE跳闸端口全部连接在一个网络，组成一个独立的星型网络。

9.根据权利要求8所述的集中式保护测控装置的实现方法，其特征在于：前述的CPU板的GOOSE端口设置成双网模式，互为冗余。