CN103676735A - 一种智能电力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能电力装置，属于智能配电站技术领域。本发明的有益效果是:本发明的智能电力装置，背板位置不区分I/O插件和采样插件，板卡信息通过模块之间的联络进行交互，可以达到I/O插件和采样插件混插的目的，依据工程需要，灵活配置各插件的数量，本发明通过将可编程逻辑控制器引入到子模块中，大大减轻了主模块中可编程逻辑控制器的运算压力，系统扩展性显著增强，同时主模块可编程逻辑控制器不参与数据的前期处理，减少了系统资源，在外部扩展需求较大的场合，亦可以考虑用较低级的处理器，适度降低系统成本。

Description

一种智能电力装置

技术领域

本发明涉及一种智能电力装置，属于智能配电站技术领域。

背景技术

配电站综合控制系统中的综合采集、控制装置，此类装置一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，各设备的通讯联络，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。如附图1所示，以12条线路的小型开闭所为例。采集控制装置负责对开闭所内12条线路的开入量、模拟量进行采集。模拟量信息包括各线路的3相电流及电压信息，共计72个模拟量信息，装置需采集的数据量较大，对编程控制器/中央处理器资源需求较高。传统方式往往采用多台装置分别对系统各单元进行数据采集，同时配置较多的通讯模块，系统配置较复杂。

如图2所示的继电保护装置，该装置由可编程逻辑控制模块、I/O模块、采样模块、通讯模块及模块之间的连接背板组成。可编程逻辑控制模块包含可编程逻辑控制器、存储芯片、运算内存芯片及A/D转换芯片；采样模块一般分为模拟量采集模块和开入采集模块两种，其中模拟量采集模块包括TV、TA等互感器、信号调整电路和模拟量控制开关，开入采集模块包括开入量控制开关及信号处理回路；通讯模块由通讯转换芯片（如16C554）把高速信号转换为适合远距离传输的信号类型，如RS485/232。系统的所有计算、通讯、数字量处理、模拟量处理均由主模块中的可编程逻辑控制器完成，系统的扩展瓶颈是可编程逻辑控制器件的运算处理能力。采集模块除了上述功能外，还具有采样插件的自动检测功能，通过硬件端口（如GPIO端口）预设状态，来定义插件的类型。将采样插件的地址标识上送到主控制器，便于系统自动检测采样插件的位置和数量，由于受硬件的局限，此种模式自识别插件的扩展能力有限。

图3为其模拟信号处理过程，电压、电流等模拟信号经过信号调整电路转换为微电压信号或便于将模拟量转换为数字量的电平信号；模拟量控制开关根据可编程逻辑控制器下发的选通信号来分别选通相应的采集通道，对于每一个被选通的采集通道将经过调整后的模拟信号，按照编码后的地址信号有选择性的对该采集芯片的模拟量逐路进行上送，经连接背板接入主模块的A/D芯片的输入端口，A/D芯片将接收的模拟量变换为数字量后通过数据总线传输给可编程逻辑控制器。

图4为其开关量信号处理过程，I/O模块接入外部开入量后，通过连接背板接入主模块中的扩展可编程逻辑控制器中，扩展的可编程逻辑控制器与主控制器通过内部扩展端口连接；开入数字信号经过类似的数字量控制开关根据可编程逻辑控制器下发的采集芯片选通信号、芯片地址信号对开入量编码后上送到扩展的可编程逻辑模块中，扩展的可编程逻辑模块再由内部总线结构与主可编程逻辑控制模块进行通讯。主模块发出开出命令后，通过背板对I/O模块输入数字量信号，经过处理电路电气隔离后变为电平信号，再通过继电器等设备将信号调节为适合大功率驱动的信号开出。

图5为通讯部分，主模块中的可编程逻辑控制器通过SPI、I²C等高速数据总线连接扩展模块中的通讯转换芯片，如16C554，将高速数据总线的数据变换成串行的数据，通过串行总线如UART总线，用RS485类的通讯方式与外部设备进行通讯。此类通讯转换芯片的功能较单一，仅能通过配置进行基础设置，如设置波特率、通讯地址等。

因此上述继电保护装置由于板卡自动识别能力有限，可依靠硬件端口预先置位进行硬件板卡确认，不方便扩展。采样插件校准信息存放在主可编程控制器模块的存储单元中，更换采样插件必须重新进行校准操作，不方便维护操作。此模式下采样模块和主控制器模块间传输的数据为模拟量，系统扩展性对连接背板的依赖度较大，增加模拟量采集通道，需要增加相应的模拟控制开关，增加的控制线需要占用背板资源。另外数据运算均在主控制器中运行，数据量的处理能力对主控制器的依赖性较强，系统的扩展能力较弱。

另一种由可编程逻辑控制模块、模拟量采集模块、开关量采集模块组成的装置原理图如附图6所示。在该系统架构中，A/D芯片和模拟量控制开关均配置在采样模块中，此时主控制器模块与采样模块依靠数据总线连接。除此之外，两种系统架构下通讯部分、模拟量、开入量的采集过程相同。

该系统架构下，A/D芯片转换后输出的数字量上送至连接背板，连线较多，且数据总线距离较长。并且该模式下与背板的连线较上一种系统架构更多，数据总线及选通信号需要在背板上占用资源，且总线距离过长，容易对可编程逻辑控制器引入干扰。由于仅改变了A/D芯片的安装位置，系统结构未产生变化，系统对主控制器的运算能力依赖性仍未有改进。

因此目前的智能电力装置存在与背板的连线较多，数据总线距离较长，采样插件由于硬件差异，往往需要配合主模块中的可编程控制芯片进行A/D校准，当更换新的采样插件时需要重新进行A/D校准，现场维护中尤其不方便，并且运算及数据处理依赖主控制器，当数据量较大时，可编程逻辑控制器运算压力较大，需要配置较高级的可编程逻辑控制器、运算内存芯片等，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能电力装置，以解决传统智能电力装置对主控制器的运算能力依赖性强以及不方便扩展等问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种智能电力装置，包括主模块和子模块，所述的主模块包括主控制器，所述的子模块至少包括模拟量采集模块和I/O模块，所述的模拟量采样模块包括采样子控制器以及与之连接的采样模块回路，所述的I/O模块包括I/O子控制器和I/O模块回路，所述的采样子控制器和I/O子控制器通过连接背板与主控制器通讯连接。

所述的子模块还包括通讯模块，该通讯模块包括通讯子控制器和SPI转UART通讯芯片，SPI转UART通讯芯片通过通讯总线与外部通讯接口连接，通讯子控制器通过SPI数据总线与SPI转UART通讯芯片相连，所述的通讯子控制器用于通过UART协议管理外通讯端口，同时将板卡类型和通讯通道信息上送给主控制器。

所述的采样模块回路包括依次连接模拟信号采样电路、模拟信号调整电路、模拟量控制开关和A/D芯片，模拟信号采样电路将采集到至少两路模拟信号经模拟信号调整电路和模拟量控制开关接入A/D芯片，每个采样周期只有一路数据采集通道导通，进行模数转换，数据采集通道的选通由采样子控制器对模拟量控制开关进行选通操作。

所述的I/O模块回路包括开入量控制开关，开入和开出信号处理回路。

所述的连接背板包括子模块硬件标识的ID号、数据总线及模块电源端子，用于可将各子模块采集的信息通过通讯总线传输到主模块中，并为各模块提供工作电源。

所述的子模块通过连接背板接入主模块后，背板上表示子模块在线状态的标识ID号通过硬件被激活，主模块对接入的子模块进行管理，主模块中的主控制器对在线的子模块ID建立映射表，通过主模块与子模块之间数据传输，得到子模块的模块类别，完成子模块的自识别判定。

本发明的有益效果是:本发明的智能电力装置，背板位置不区分I/O插件和采样插件，板卡信息通过模块之间的联络进行交互，可以达到I/O插件和采样插件混插的目的，依据工程需要，灵活配置各插件的数量，本发明通过将子控制器引入到子模块中，大大减轻了主模块中主控制器的运算压力，系统扩展性显著增强，同时主模块中的主控制器不参与数据的前期处理，减少了系统资源，在外部扩展需求较大的场合，亦可以考虑用较低级的处理器，适度降低系统成本。

附图说明

图1是典型开闭所的配置示意图；

图2是现有技术中又可编程逻辑控制模块与采集模块构成装置的原理图；

图3是现有技术中模拟量采样模块原理图；

图4是现有技术中I/O模块原理图；

图5是现有技术中通讯模块原理图；

图6是传统的由可编程逻辑控制模块与采集模块构成装置的原理图；

图7是本发明智能电力装置的结构原理图；

图8是本发明的集成子控制器的模拟量采样子模块原理图；

图9是本发明的集成子控制器的I/O子模块原理图；

图10是本发明的集成子控制器的通讯子模块原理图；

图11是本发明中子模块扩展示意图；

图12是本发明中子模块与主模块信息传输过程示意图；

图13是本发明中子模块初始化过程示意图；

图14是本发明中主模块驱动子模块过程示意图；

图15本发明实施例中智能电力装置结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明应用对象为配电站综合控制系统中的综合采集、控制装置，此类装置一般安装在常规的开闭所（站）、户外小型开闭所、环网柜、小型变电站、箱式变电站等处，完成对开关设备的位置信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能量等数据的采集与计算，各设备的通讯联络，对开关进行分合闸操作，实现对馈线开关的故障识别、隔离和对非故障区间的恢复供电。

本发明的智能电力装置对内部模块的功能进行了重新定义。主控制器模块负责数据分析、保护功能；子控制器（模拟量采集、数字量采集、通讯管理等）内部进行数据采集、数据合并处理，存储采样通道校准信息等操作，可通过高速通讯端口与主控制器进行交互。如图7所示，该装置由3大部分组成：主模块、子模块和连接背板。以模拟量采集、数据量采集、通讯模块为典型扩展子模块为例，大体描述了主控制器模块与子控制器模块数据的交互方式及子控制器模块内部模拟信号、I/O信号、通讯信号、控制信号的相互传递关系。

主控制器模块是装置的控制中心，负责对装置内部所有资源的管理，具体包括子模块的识别，子模块数据的选通及数据切换，系统的保护判据，并与上层单元（如人机单元、监控中心等）进行交互。主模块对子模块的资源的调用，可用内部映射完成。例如A/D子模块包含n条电压采集、m条电流采集通道，其内部配置信息通过子模块与主模块间的通讯传输到主模块中，在主模块中建立虚拟m+n条具备映射关系采样通道，进而对整个装置内部其他扩展模块进行数据的配置，完成系统的框架。

连接背板包括子模块硬件标识的ID号、数据总线及模块电源端子。可将各子模块采集的信息通过通讯总线传输到主模块中，并为各模块提供工作电源。系统通过背板确定模块位置，但不依赖背板识别插件类型。除主模块外，子模块均为统一接口设计，背板总线均一致，统一电源及通讯总线位置。

子模块集成可编程逻辑控制器，子模块内部完成数据处理，通过背板的通讯总线与主模块的可编程逻辑控制器进行数据交互，以下就3种较普遍的扩展子模块，在新的架构下的工作模式进行介绍。

模拟量采样子模块如附图8所示，集成可编程逻辑控制器、A/D芯片、模拟信号调整回路及TA、TV互感器，子模块上的可编程逻辑控制器负责对采集的模拟信号的运算处理，控制A/D芯片处理采样信号，并存储模拟量通道校准数据。模拟量采集过程为：该模块的多路电压信号、电流信号采集通道接入A/D芯片，任意采样周期只有一组数据采集通道导通，进行模数转换，以传输模拟采集数据。数据采集通道的选通由可编程控制器对模拟量控制开关进行选通操作，通过地址编码逐路对模拟量通道进行数据采集。可编程控制器对采样脉冲的频率调节可控制A/D芯片模拟信号的采样频率，A/D芯片模数转换后通过数据总线上送到可编程控制器单元进行数据处理，并补偿控制信号与模拟信号存在的相位延时，保证模拟信号和采样脉冲的同步。子模块完成预处理操作后，通过通讯总线把数据信息上送到主模块的可编程逻辑控制器中。

I/O采集子模块如附图9所示，包括开入量控制开关，开入、开出信号处理回路及可编程逻辑控制器。开入信息采集过程为：该模块的n路开入量，通过开入信号处理回路，由光电耦合器电平变换后接入开入量控制开关，子模块的可编程逻辑控制器通过选通命令对开入量控制开关进行操作，通过地址编码后上送子模块的可编程控制器中，此过程均由模块内部完成。子模块完成开入量数据预处理后，通过数据总线上送主模块中的可编程逻辑控制器中。开出过程为：子模块接收到主模块的开出指令后，由子模块中的可编程控制器转发命令，驱动开出信号，分别由处理回路把数字量转换为电平信号，最终由驱动回路发出驱动信号。在此系统框架中，子控制器的引入使得系统便于进行子模块扩展。

通讯子模块如附图10所示，在通讯子模块中，用有通讯功能的可编程逻辑控制器替代传统方案中的通讯转换芯片。主模块通过通讯总线与子模块中的可编程逻辑控制器进行交互。子模块由可编程逻辑控制器编程管理，实现两个功能，1）子模块内部管理，通过UART等协议对外通讯端口管理，此功能和通讯转换芯片类似；2）子模块信息上送主模块，上送信息包括板卡类型、通讯通道信息等。

图11为本发明的子模块扩展示意图，根据本发明，可以任意对系统的子模块单元进行扩展操作，根据工程需要灵活选择配置I/O、模拟量采集等子模块，子模块种类不对背板存在依赖。

本发明的智能电力装置的通讯过程如下：子模块与主模块信息传输过程见附图12所示。子模块内部集成的可编程逻辑控制器提供表示模块板卡类别、子模块的信息量描述等的信息。背板包括子模块硬件标识的ID号信息，并表示子模块在线状态。主模块从子模块、背板获取模块信息，该模块信息包括模块ID号、板卡类型、信息量描述等，在经过主模块的可编程逻辑控制器处理后，再从子模块中得到数据，完成子模块与主模块的信息传输过程。模块初始化过程如附图13所示。初始化的目的在于对系统设备进行管理，删除已失效的子模块，并自识别新接入的子模块。新接入子模块通过背板总线接入系统后，背板上表示子模块在线状态的标识ID号通过硬件被激活，主模块对接入的设备进行管理，通过主模块与子模块之间数据传输，得到子模块的模块类别（板卡信息），完成子模块的自识别判定，另外系统在线子模块的ID号可在主模块中的可编程控制器中建立映射表。主模块驱动子模块过程见附图14所示。主模块对装置中激活的子模块进行控制时，通过背板ID寻址后向子模块发送动作指令，动作指令包括动作通道、动作指令，子模块收到动作指令后，驱动对应的通道动作，并向主模块上送动作结果信息。

并且本发明的智能电力装置能够实现热插拔，即子模块可以在装置工作的过程中实现子模块的接入，不影响智能电力装置工作。

当子模块接入系统时，主模块检测子模块信息从无到有的变化，自动对其进行初始化操作，从子模块中得到子模块板卡类别、插入背板位置、模块内部数据量描述等信息，并在主模块中对其分配资源，完善系统配置。模块可通过两种方式检测子模块接入信息：1）主模块、子模块间存在心跳模式，主模块定期对系统内所有设备发送心跳指令，当检测到有新增反应时，对新增设备进行处理；2）子模块接入背板时，自动触发指令，对主模块上送接入信息。

子模块接入装置时，可通过表示其接入位置的ID号进行识别，当插件接入时，此ID号被激活，主模块可通过轮询、子模块上电启动自动上送来检测新接入的子模块，在主模块中为其配置资源。ID号实现方式有三种：1）在主模块中实现，例如主模块通过CS0、CS1、CSn等片选信号分别接入背板A、B、N的位置，当子模块接入背板A时，CS0被激活，主模块识别子模块接入背板A位置；2）在背板中实现，例如背板中有开入回路，公共端接入5V电源，背板A、B、N位置分别接入主模块的KR1、KR2、KRn位置，子模块中对应背板位置为短接端子，当子模块接入背板A位置时，KR1被激活，表示背板A位置接入子模块；3）在子模块中实现，例如子模块中有开入回路，公共端接5V电源，背板对应位置为短接状态，当子模块接入背板时，对应回路被激活，对应的KR接入主模块开入回路中，表示此位置模块ID被激活。ID号亦可以通过子模块中通讯数据传输给主模块实现。

当子模块移除系统时，主模块检测子模块信息从有到无的变化，在主模块中自动对其进行删除操作，删除其已经分配的资源，精简系统配置。主模块可通过两种方式检测子模块移除信息：1）主模块、子模块间存在心跳模式，主模块定期对系统内所有设备发送心跳指令，当检测到有模块无应答时，按移除设备进行处理；2）子模块移除背板时，自动触发指令，上送主模块移除信息，可通过常闭节点完成此功能。

实施例

本实施例中的智能电力装置如图15所示，由4大部分组成，包括主CPU模块、连接背板、子CPU-模拟量采样模块和子CPU-I/O模块，下面详细介绍主CPU与子CPU数据交互方式及子CPU模块内部模拟信号、I/O信号、控制信号的相互传递关系。

主CPU模块是装置的控制中心，负责子CPU模块的识别，子CPU模块数据的选通及数据切换，系统的保护判据，并与HMI进行交互，对装置内部所有资源的管理。连接背板用于将各子CPU采集的信息通过通讯总线传输到主CPU中，并为各模块提供工作电源。

子CPU-模拟量采样模块上有CPU、A/D芯片、多路开关、模拟信号调整回路及n路TA、TV互感器，子CPU用于实现对采集到的大量模拟信号的运算处理及控制A/D芯片采样。其中模拟量采集过程为：该模块布置有n路电压信号、n路电流信号采集通道，选用单路A/D芯片，任意采样周期只有一组数据采集通道导通，接入A/D芯片进行模数转换，以传输模拟采集数据。由子CPU对多路开关的CS0进行选通操作，通过数据编码由A0～A3逐路对模拟量通道进行数据采集。子CPU对采样脉冲的频率调节可控制A/D芯片模拟信号的采样频率，A/D芯片模数转换后通过数据总线上送到子CPU单元进行数据处理。对于控制信号与模拟信号存在的相位延时以及可能引发的A/D转换结果与实际采样值不一致的问题，子CPU可对其进行延时补偿，以保证模拟信号和采样脉冲的同步。子CPU单元完成预处理操作后，通过通讯总线上送主CPU单元。

子CPU-I/O模块上有多路开关，开入信号处理回路及子CPU芯片。开入信息采集过程为：该模块有n路开入量，通过开入信号处理回路及光电耦合器电平变换后接入多路开关，子CPU单元用片选信号CS0、CS1、CS2对多路开关的进行选通操作，通过地址A0～A3编码后上送子CPU中。此过程均由模块内部完成，子CPU完成开入量数据预处理后，数据信息通过数据总线上送主CPU。开出过程为：I/O子模块接收到主模块的开出指令后，由子模块中的可编程控制器转发命令，驱动开出信号，由处理回路将数字量转换为电平信号，最终由继电器等驱动回路发出驱动信号。

本发明的智能电力装置，背板位置不区分I/O插件、通讯插件和采样插件，板卡信息通过模块之间的联络进行交互，可以达到I/O插件、通讯插件和采样插件混插的目的，依据工程需要，灵活配置各插件的数量。采样回路校准信息存储于每个扩展子模块中，只需要在生产中进行统一校准，之后装置不再需要校准操作，更换采样模块亦不需要重新校准。解决了现有技术中电力装置的扩展能力受制于主控制器/中央处理器芯片的固有运算能力，系统适应力有限，不能适应大规模站级系统的需求的问题，本发明由于扩展子模块进行数据的处理和校准存储工作，大大减轻了主模块中可编程逻辑控制器的运算压力，系统扩展性显著增强，同时主模块可编程逻辑控制器不参与数据的前期处理，减少了系统资源，在外部扩展需求较大的场合，亦可以考虑用较低级的处理器，适度降低系统成本。

Claims (6)

1.一种智能电力装置，包括主模块和子模块，其特征在于，所述的主模块包括主控制器，所述的子模块至少包括模拟量采集模块和I/O模块，所述的模拟量采样模块包括采样子控制器以及与之连接的采样模块回路，所述的I/O模块包括I/O子控制器和I/O模块回路，所述的采样子控制器和I/O子控制器通过连接背板与主控制器通讯连接。

2.根据权利要求1所述的智能电力装置，其特征在于，所述的子模块还包括通讯模块，该通讯模块包括通讯子控制器和SPI转UART通讯芯片，SPI转UART通讯芯片通过通讯总线与外部通讯接口连接，通讯子控制器通过SPI数据总线与SPI转UART通讯芯片相连，所述的通讯子控制器用于通过UART协议管理外通讯端口，同时将板卡类型和通讯通道信息上送给主控制器。

3.根据权利要求1或2所述的智能电力装置，其特征在于，所述的采样模块回路包括依次连接模拟信号采样电路、模拟信号调整电路、模拟量控制开关和A/D芯片，模拟信号采样电路将采集到至少两路模拟信号经模拟信号调整电路和模拟量控制开关接入A/D芯片，每个采样周期只有一路数据采集通道导通，进行模数转换，数据采集通道的选通由采样子控制器对模拟量控制开关进行选通操作。

4.根据权利要求3所述的智能电力装置，其特征在于，所述的I/O模块回路包括开入量控制开关，开入和开出信号处理回路。

5.根据权利要求4所述的智能电力装置，其特征在于，所述的连接背板包括子模块硬件标识的ID号、数据总线及模块电源端子，用于可将各子模块采集的信息通过通讯总线传输到主模块中，并为各模块提供工作电源。

6.根据权利要求5所述的智能电力装置，其特征在于，所述的子模块通过连接背板接入主模块后，背板上表示子模块在线状态的标识ID号通过硬件被激活，主模块对接入的子模块进行管理，主模块中的主控制器对在线的子模块ID建立映射表，通过主模块与子模块之间数据传输，得到子模块的模块类别，完成子模块的自识别判定。

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