CN102437550A - 基于串行总线技术的微机继电保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串行总线技术的微机继电保护装置，基于背板和插件板的设计方式，主要有主处理器插件板，开关量输入插件板，继电器输出插件板，模拟量输入插件板，各个插件板通过背板串行总线相连。所述的微机继电保护装置使用CAN总线，RS485总线和TDM总线作为各个板卡的连接通道。本装置，使用串行总线替代专用连线和并行总线，减少了背板连线数目，增加了灵活性和可靠性，同时降低了装置的复杂度。使用串行总线替代专用连线和并行总线，为所有IO板卡增加了自检功能和心跳回报功能，使得装置可以实时监测自身的工作状态，并在内部故障时及时发出告警。

Description

基于串行总线技术的微机继电保护装置

技术领域

本发明涉及一种电力设备上所使用的微机继电保护装置。

背景技术

电力设备用微机继电保护装置是利用微机技术，通过分析计算电力设备的各种状态量，判断电力设备是否有故障，并在故障时发出命令将其从电力系统中切除的自动装置。微机保护装置出于灵活性考虑，一般采用插件式的结构组成。将处理器电路，电压电流输入转换电路，开关量状态输入，继电器输出等，分别放在不同的电路板上，然后通过接插件和背板进行连接。各输入量板与处理器板之间，要么采用专用连线连接，要么通过接口器件，统一连接到处理器板总线上，由处理器程序读取所有输入量，并进行数据分析计算，并驱动继电器做保护动作输出。

传统微机继电保护装置中，处理器板和输入输出板卡间采用的专用连线或并行总线存在很多固有缺陷。首先，这两种方式有连线功能和位置相对固定的特点，即背板上每条连线都有固定的功能定义，不能作为其他用途，这就带来了灵活性的问题。因为微机继电保护装置功能要求种类众多，采用此种方式就要求每种不同的型号都要有数量众多的板卡类型，并且这些板卡在不同型号装置间互不通用。同时还导致背板总线信号定义很难标准化处理，增加了功能扩充的难度和维护的成本。其次，专用连线或并行总线有抗干扰性能差的缺点。干扰发生时，处理器不能区分收到的输入信号是否存在干扰错误，甚至有可能根据错误的输入发出了错误的动作指令，这样的情况在传统的微机继电保护装置中一直是个很难完全解决的问题。第三，专用连线和并行总线连线众多，而又没有总线管理和自检功能。装置长时间使用后，由于接插件触点氧化导致接触不好，大大提高了装置的故障率，甚至由于接插件接触故障导致装置误判误动作。综上原因，现有的微机继电保护装置的结构形式不能满足结构简单，长时间稳定可靠工作，并在内部出现故障时自检告警的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明是一种电力设备用微机继电保护装置，采用组件式设计结构，将处理器电路，电压电流输入转换电路，开关量状态输入，继电器输出采用单独插件实现，同时增加系统管理插件板。所有插件采用3条差分串行总线相连。分别为CAN总线，RS485总线和TDM总线。其中CAN总线由于CAN总线实时性和延迟确定性，用于传递高实时性的IO信号，包括开入量和继电器开出量。RS485总线用于各个板卡进行配置和状态监视。这里不使用CAN总线做此功能，主要是考虑不占用CAN总线带宽，降低CAN总线负载率，保证高实时性的特点。由于CAN总线的速度不足以传递大量实时电压电流采样值信号，所以本方案采用串行TDM总线来传递模拟量输入信号。由于TDM同样只需要3对差分信号线，也有连线少的优点。同时由于其工作于10Mbps的波特率，拥有很高的带宽，所以非常适合传递多通道模拟量采样信息。

本发明的有益效果：本发明相对于传统微机保护的内部连接结构作出了很大改进。首先采用了差分串行总线代替了专用连线和并行总线，大大减少了背板上连线的数目，简化了机箱的连接关系。另外，串行总线采用差分电平，对于共模干扰有很强的抑制作用。同时，串行总线具有数据校验功能，即使在少部分受干扰情况下发生数据传输错误，也能及时检出，不至于造成误判或者误动等严重问题。

本发明的特点在于，对于机箱内部需要传输的数据进行了分类，根据其实时性和数据速率要求，将数据的传输分派到不同的串行总线上进行传输。明晰了数据传输结构，增加了通用性。

附图说明

图1是本发明实施例的装置内部的结构图。

图2是本发明实施例的开关量输入插件板结构图。

图3是本发明实施例的继电器输出插件板结构图。

图4是本发明实施例的模拟量输入插件板结构图。

图5是本发明实施例的主处理器插件板结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明内部结构如图1所示，主要由主处理器插件板，开关量输入插件板，继电器输出插件板，模拟量输入插件板和机箱背板组成，各个插件板通过背板串行总线相连。背板串行总线包括CAN总线，RS485总线和TDM总线。其中，CAN总线主要用于传递开入开出量和板卡心跳状态信息，RS485总线用于传输板卡配置信息和状态监视信息，TDM总线用于传输模拟量通道高速采样点信息。

如图2所示，开关量输入插件板主要由开关量输入电路，单片机和CAN总线收发器和RS485收发器组成。单片机负责采集开关量输入信号，并通过CAN总线向外传递。同时需要通过RS485总线接收主处理器板发来的配置信息和向主处理回报状态信息。

如图3所示，继电器输出插件板主要由继电器输出电路，单片机和CAN总线收发器和RS485收发器组成。单片机负责通过CAN总线接收主CPU板发来的继电器动作信息并操纵继电器输出电路进行输出。同时需要通过RS485总线接收主处理器板发来的配置信息和向主处理回报状态信息。

如图4所示，模拟量输入插件板主要由模拟量输入电路、单片机、FPGA现场可编程门阵列器件、RS485收发器和LVDS收发器组成。FPGA负责通过模拟量输入电路采集模拟量信息，通过内部TDM总线功能模块向主处理器板发送模拟量采样信息。单片机负责对FPGA的工作状态进行监视，同时需要通过RS485总线接收主处理器板发来的配置信息和向主处理回报状态信息。

如图5所示，主处理器插件板主要由DSP处理器、FPGA可编程门阵列、RS485收发器、LVDS收发器、RS485收发器组成。其中FPGA器件主要负责接收背板TDM总线模拟量采样值信息并传递给DSP处理器。DSP负责进行运算并通过CAN总线发出继电器动作信号。同时DSP还要负责通过RS485总线对各个IO板卡进行配置和状态监视。

由于CAN总线采用冲突检测优先传输技术，对于高优先级的数据拥有固定的传输延迟。本发明利用这个特点，将其作为传输开关量输入和继电器输出的传输通道。CAN传输优先级的实现，是体现在对于不同的传输节点分配优先级不同的ID号，优先级高的节点在传输数据冲突时优先传输。

本发明中，每块板卡拥有一个4位板卡类型ID码和一个4位板卡插槽位置ID码，板卡类型ID码用于区分每块板卡的功能类型，板卡插槽位置ID码，用于识别一块板卡插在机箱中的哪个插槽位置。这8个bit的ID码组合起来，就决定了任意一块板卡的CAN数据报文的传输优先级。

CAN总线不仅传递开关量输入和继电器输出信号，并且还兼顾传递每块板卡的心跳信息，这些信息固定为每秒传递1次，所有板卡向外发送方式都采用广播的形式。板卡心跳信息被主CPU板接收并收集。其中包含有板卡告警位和故障位信息，一旦发现有板卡告警或者是在规定的时间没有发送心跳数据包，则认为板卡有故障，则要及时向外输出告警信息通知检修人员检修。由于心跳信息优先级没有开入开出量的优先级高，所以规定所有的心跳数据包在CAN总线上具有最低优先级，不影响IO量的传输实时性。

由于CAN总线具有硬件应答特性，能保证传输的可靠性，所以，CAN总线上传输的数据，均采用广播发送不应答的形式，一方面可以简单CAN总线通讯负载，另外一方面可以简化软件编写复杂度。下表列出本发明中CAN总线的通讯协议规范。

TDM总线是一种用于传递高速数据的串行总线，通讯波特率可以根据使用情况自由设定，本发明采用10MBPS的波特率。TDM总线使用3根信号线，分别是帧同步，数据和时钟。由于没有现成的TDM接口芯片可以使用，这里采用FPGA可编程逻辑器件来实现。收发器选用了LVDS电平，可以具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。TDM链路层采用数据包的形式，由模拟量采样板每采样一个数据点后，向TDM总线广播采样数据。每包数据包含32个16bit字，其中第一个字节为采样点序号，每采一个点自动加一，溢出后自动归零。最后一个字节为前31个字的16位CRC校验值。其余的30个字，可以根据保护装置的不同型号自由设定。当采用10MBPS的传输波特率时，可以算出，TDM总线每秒可以传输10K采样点。这样的速度足以满足几乎所有保护装置的采样传输需求。下表列出本发明中TDM总线的通讯协议规范。

RS485总线用于低优先级的配置和状态信息的传递，链路层采用国际标准的MODBUS通讯协议，不仅有良好的通用性，同时也保证了数据传输的简单高效。RS485总线传输的数据分为两种，一种是所有板卡都具有的公共信息，另一种是根据板卡的不同，而具有的不同类型的信息。这些信息具有相同的特点，既数据量大，但是实时性要求不高，所以用RS485总线来传递完全满足要求。下表列出本发明中RS485总线的通讯协议规范。

本实施例的基于串行总线技术的微机继电保护装置，使用串行总线替代专用连线和并行总线，减少了背板连线数目，增加了灵活性和可靠性，同时降低了装置的复杂度。使用串行总线替代专用连线和并行总线，为所有IO板卡增加了自检功能和心跳回报功能，使得装置可以实时监测自身的工作状态，并在内部故障时及时发出告警。

虽然本发明以较佳实施例已公开如上，但实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种基于串行总线技术的微机继电保护装置，基于背板和插件板的设计方式，其特征在于，它包括有主处理器插件板，开关量输入插件板，继电器输出插件板，模拟量输入插件板，各个插件板通过背板串行总线相连。

2.根据权利要求1所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述背板串行总线包括CAN总线，RS485总线和TDM总线。

3.根据权利要求2所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述CAN总线，用来传递开关量输入信号和继电器动作开出信号，同时传递各个板卡的心跳数据包。

4.根据权利要求2所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述RS485总线，用来传输各个板卡的配置信息和工作状态信息。

5.根据权利要求2所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述TDM总线，用来传递模拟量采样值信息。

6.根据权利要求3至5之一所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述主处理器插件板由DSP处理器、FPGA可编程门阵列器件、RS485收发器、LVDS收发器、RS485收发器组成；所述FPGA可编程门阵列器件负责接收背板TDM总线模拟量采样值信息并传递给所述DSP处理器；所述DSP处理器负责进行运算并通过所述CAN总线发出继电器动作信号，同时负责通过所述RS485总线对各个插件板进行配置和状态监视。

7.根据权利要求3至5之一所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述开关量输入插件板由开关量输入电路、单片机、CAN总线收发器和RS485收发器组成；所述单片机负责采集开关量输入信号，并通过所述CAN总线向外传递，同时通过所述RS485总线接收所述主处理器插件板发来的配置信息和向所述主处理器插件板回报状态信息。

8.根据权利要求3至5之一所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述继电器输出插件板由继电器输出电路、单片机、CAN总线收发器和RS485收发器组成；所述单片机负责通过所述CAN总线接收所述主处理器插件板的CPU发来的继电器动作信息并操纵继电器输出电路进行输出，同时通过所述RS485总线接收所述主处理器插件板发来的配置信息和向所述主处理器插件板回报状态信息。

9.根据权利要求3至5之一所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，所述模拟量输入插件板由模拟量输入电路、单片机、FPGA可编程门阵列器件、RS485收发器和LVDS收发器组成；所述FPGA可编程门阵列器件负责通过所述模拟量输入电路采集模拟量信息，通过内部TDM总线功能模块向所述主处理器插件板发送模拟量采样信息；所述单片机负责对FPGA可编程门阵列器件的工作状态进行监视，同时通过所述RS485总线接收所述主处理器插件板发来的配置信息和向所述主处理器插件板回报状态信息。

10.根据权利要求2所述的基于串行总线技术的微机继电保护装置，其特征在于，每块插件板都有4bit的板卡类型信息和4bit的板卡插槽位置信息，并将这两种信息用于CAN总线数据包传递优先级仲裁的判据。

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