CN105301451A - 一种智能馈线控制终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能馈线控制终端，包括主处理器，所述主处理器包括ARM芯片以及与所述ARM芯片连接的DSP芯片；所述DSP芯片连接模拟量采集电路，所述ARM芯片连接开关量采集电路、开关量输出电路和中央通信卡；所述模拟量采集电路包括电流互感器、电压互感器、所述电流互感器和所述电压互感器连接抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器连接模数转换芯片，所述模数转换芯片连接所述DSP芯片；所述开关量采集电路包括连接所述ARM芯片的输入光耦隔离变换电路以及连接所述输入光耦隔离变换电路的抗干扰滤波器；所述开关量输出电路包括连接所述ARM芯片的输出光耦隔离变换电路；所述中央通信卡上设有以太网接口、时钟电路、复位电路和RS232接口。

Description

一种智能馈线控制终端

技术领域

本发明涉及输配电领域的一种智能馈线控制终端。

背景技术

目前使用比较多的馈线控制终端主要有集中控制终端、综合控制终端、分布式控制终端三种。无论是集中控制终端还是综合控制终端，都需要将馈线终端装置的信息汇总到子站或者主站去处理，这无疑增加了主站或子站的负担，延长了故障处理的时间，一旦主站或子站出现了问题，馈线将失去控制功能，导致供电可靠性得不到保障。

随着用户对供电可靠性的要求越来越高，如何提高供电可靠性成为馈线控制终端的关键。馈线控制终端的发展趋势是分布式就地控制模式，将故障隔离和故障识别下放到馈线终端，使得故障处理及紧急控制功能相对独立。只有在馈线终端节点或通讯出现问题而不能正确处理故障的时候，才有主站或子站的参与，此种方式显著的减少了主站或子站的工作量，同时由于现有智能馈线终端强大的控制功能和通讯功能，使得故障处理更加迅速，从而使得供电可靠性增加，并改善了电能质量，操作简单，经济实用，被广泛的采用。然而，对于重要负荷，分布式控制终端仍然不可避免的存在故障处理时间较长，导致非故障区域短时停电，开关设备损耗大等缺陷。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术的不足，提供一种智能馈线控制终端，其能根据配电网中各智能馈线控制终端的故障信息综合分析故障点位置，并采取快速隔离手段将故障限定在最小范围内。

实现上述目的的一种技术方案是：一种智能馈线控制终端，包括主处理器，所述主处理器包括ARM芯片以及与所述ARM芯片连接的DSP芯片，所述DSP芯片内置同步采样单元和频率跟踪单元，连接模拟量采集电路，所述ARM芯片连接开关量采集电路、开关量输出电路和中央通信卡；

所述模拟量采集电路包括电流互感器、电压互感器、抗混叠滤波器和模数转换芯片，所述电流互感器和所述电压互感器连接所述抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器连接所述模数转换芯片，所述模数转换芯片连接所述DSP芯片；

所述开关量采集电路包括连接所述ARM芯片的输入光耦隔离变换电路以及连接所述输入光耦隔离变换电路的抗干扰滤波器；所述ARM芯片定期扫描从所述输入光耦隔离变换电路输入的开关量，并用软件防抖算法，消除遥信误报；

所述开关量输出电路包括连接所述ARM芯片的输出光耦隔离变换电路；

所述中央通信卡上设有以太网接口、时钟电路、复位电路和RS232接口。

进一步的，所述中央通信卡与所述ARM芯片之间通过RS485总线或者CAN总线连接。

进一步的，所述中央通信卡上的以太网接口有三个，即两个千兆以太网接口和一个百兆以太网接口。

进一步的，所述ARM芯片内置容量为1M的片上闪存，以及容量为196K的片上SRAM存储芯片。

进一步的，所述ARM芯片外接容量为64M的外扩SRAM存储芯片和容量为128M的外扩FLASH存储芯片，所述外扩FLASH存储芯片存储记录馈线故障事件的位置、故障遥信变位事件、保护动作事件、遥控动作事件的顺序记录。

进一步的，所述中央通信卡上集成有容量为256M的中央SRAM存储器和容量为32M的中央Flash存储器，所述中央Flash存储器用于存放程序代码、系统引导程序、嵌入式操作系统核心代码映像、嵌入式数据库、WebServer以及SB插件。

进一步的，所述DSP芯片上还设有直流量采集接口，所述直流量采集接口采用物理隔离装置与所述模数转换芯片的输出端隔离。

进一步的，所述中央通信卡采用摩托罗拉公司的PowerQUICCⅢ系列处理器。

进一步的，所述RS232接口为与所述ARM芯片连接的接口、或本地监视输出接口，或与上位机通信的调制解调器接口中的任意一种。

采用了本发明的一种智能馈线控制终端的技术方案，包括主处理器，所述主处理器包括ARM芯片以及与所述ARM芯片连接的DSP芯片，所述DSP芯片内置同步采样单元和频率跟踪单元，连接模拟量采集电路，所述ARM芯片连接开关量采集电路、开关量输出电路和中央通信卡；所述模拟量采集电路包括电流互感器、电压互感器、抗混叠滤波器和模数转换芯片，所述电流互感器和所述电压互感器连接所述抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器连接所述模数转换芯片，所述模数转换芯片连接所述DSP芯片；所述开关量采集电路包括连接所述ARM芯片的输入光耦隔离变换电路以及连接所述输入光耦隔离变换电路的抗干扰滤波器；所述ARM芯片定期扫描从所述输入光耦隔离变换电路输入的开关量，并用软件防抖算法，消除遥信误报；所述开关量输出电路包括连接所述ARM芯片的输出光耦隔离变换电路；所述中央通信卡上设有以太网接口、时钟电路、复位电路和RS232接口。其技术效果是：能根据配电网中各智能馈线控制终端的故障信息综合分析故障点位置，并采取快速隔离手段将故障限定在最小范围内。

附图说明

图1为本发明的一种智能馈线控制终端的结构示意图。

图2为本发明的一种智能馈线控制终端的中央通信卡的结构示意图。图3为本发明的一种智能馈线控制终端的中央通信卡的软件体系示意图。

图4为本发明的一种智能馈线控制终端的中央通信卡的软件体系示意图。

图5为本发明的一种快速馈线故障定位于隔离方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

本发明的一种智能馈线控制终端包括ARM芯片11以及与ARM芯片11连接的DSP芯片12，ARM芯片11和DSP芯片12构成主处理器1。主处理器1通过ARM芯片11获取浮点运算能力，而通过DSP芯片12获取增强的DSP处理指令；同时，ARM芯片11上集成有容量为1M的片上闪存，以及容量为196K的片上SRAM存储芯片。所述片上闪存和所述SRAM存储芯片内的访问周期真正达到单周期指令访问，当ARM芯片11以400MHz速度运行时，整个主处理器1可达到510DMIPS的处理能力；此外ARM芯片11上还具有外部存储器接口和内置外设接口。

ARM芯片11的外部存储器接口上连接有容量为64M的外扩SRAM存储芯片和容量为128M的外扩FLASH存储芯片(图中未显示)，所述外扩FLASH存储芯片可存储记录馈线故障事件的位置、故障遥信变位事件、保护动作事件、遥控动作事件的顺序记录，上述记录不受掉电影响，关掉电源后仍存在。所述外扩FLASH存储芯片具备完善的数据存储与上送功能。所述外扩FLASH存储芯片中可存储不少于256条事件的顺序记录、128条远方操作或本地操作记录、128条装置异常记录等信息。

本发明的一种智能馈线控制终端还包括模拟量采集电路2，模拟量采集电路2包括电流互感器21和电压互感器22，用于将来自线路上的强电信号不失真地转变为强弱电信号。电流互感器21和电压互感器22采集的强弱电信号经抗混叠滤波器23进行滤波处理后进入模数转换芯片24进行模数转换，然后，经过模数转换后的数字信号被送入DSP芯片12进行处理，由于DSP芯片12采用了高速高密度的同步采样单元和频率跟踪单元，使模拟量采集电路2的采集精度得到充分保证。DSP芯片12根据输入其的数字信号，采集电压、电流的模拟输入，得到电流、电压、有功功率、无功功率、相位角、频率和相位。输入模数转换芯片24的模拟量信号可通过位于模数转换芯片24上的通讯接口传送给上位机。模拟量采集电路2的模拟量刷新率优于1s。此外DSP芯片12上还有的最多两路直流量采集接口，直流量采集接口采用物理隔离装置与模数转换芯片24的输出端隔离。

模拟量采集电路2最多支持12路交流量的采集，其中常见的为六路为交流电压采集，六路为交流电流的采集和两路直流量采集。

模拟量采集电路2的交流电流额定值为5A/1A，交流电压的额定值为57.74V/220V，保护电压的输入范围为0～200V/0～400V，保护电流输入范围为0～10A，零序电流的输入范围为0～10A，直流电压的输入范围为0～60V。

开关量采集电路3包括连接ARM芯片11的输入光耦隔离变换电路31，输入光耦隔离变换电路31上的每个输入接口都连接有一个抗干扰滤波器32，抗干扰滤波器32用于对输入开关量进行抗干扰滤波后，输入到输入光耦隔离变换电路31，再由输入光耦隔离变换电路31输入到ARM芯片11中。ARM芯片11定期扫描开关量。为消除遥信误报，ARM芯片11采用软件防抖算法。输入光耦隔离变换电路31上一共设有20个输入接口，ARM芯片11的去抖时间范围可在5ms～60000ms之间随意设置，系统默认为200ms。开关量采集电路3与ARM芯片11的连接方式为有源连接或者无源连接。开关量采集电路3的输入电源可在4V/48V/110V/220V直流或交流电源中进行选择。

开关量输出电路4包括连接ARM芯片11的输出光耦隔离变换电路41，输出光耦隔离变换电路41连接继电器，并通过所述继电器上的常开节点输出信号。输出光耦隔离变换电路41上一共设有八个输出接口，即对应继电器的八个常开节点。所述继电器上每个常开节点的容量为220V交流，10A。输出光耦隔离变换电路41的遥控保持时间为100～60000ms，默认为200ms。

此外，ARM芯片11上设有支持基于光纤通信的MX232串口、以太网接口、EPOM接口，无线通信接口和电力载波通信接口，ARM芯片11上还设有支持IEC60870-5-101标准的IEC101通信接口和支持IEC60870-5-104标准的IEC104通信接口，用来与配网中心进行通信。

本实施例中，所有的以太网接口都集成在中央通信卡5上，构成了本发明的一种智能馈线控制终端的核心部件，中央通信卡5的数据处理和通信管理能力决定了本发明的一种智能馈线控制终端乃至整个分布式种智能馈线控制系统的整体性能，本实施例中，中央通信卡5采用摩托罗拉公司的PowerQUICCⅢ系列处理器MPC8540或MPC8541。中央通信卡5内设高性能嵌入式系统，如附图2所示：

中央通信卡5能完全满足快速模数转换各种算法的实时计算和智能馈线控制终端对于高速通信要求。另外，内嵌于中央通信卡5的多通道中断控制器可以用来支持故障情况下对各通信接口的实时处理请求的快速响应。中央通信卡5上的RapidIO接口和PCI-X接口可作为将来功能扩展及系统升级的预留接口。

中央通信卡5上的RS485接口和CAN总线接口作为ARM芯片11所属各控制子模块与中央通信卡5的连接总线，这种设计既考虑到与目前产品的兼容，同时又多了一种采用CAN总线的高速连接方式。

两个RS232接口可灵活地配置为：与ARM芯片11连接的接口、本地监视输出接口或与上位机通信的调制解调器接口。

中央通信卡5上还集成有中央SRAM存储器，其速度快、容量大作为内存芯片，构成了本发明的一种智能馈线控制终端的主存储空间。容量为：256M。

中央通信卡5上还集成有中央Flash存储器，用于存放程序代码、系统引导程序、嵌入式操作系统核心代码映像、嵌入式数据库、WebServer以及各种SB插件，本发明的一种智能馈线控制终端上电或复位后从此获取指令并开始执行，其容量为32M。

本发明的一种智能馈线控制终端要通过以太网接口实现可靠互连和高速通信，从而实现智能馈线控制终端进行快速故障定位、故障隔离，因此，本实施例中的以太网接口设计了两个千兆以太网接口，既可作为可靠性冗余考虑，也可以根据各种不同连接方式进行灵活选择；同时配置了一个百兆以太网接口，可以用于与主机的通信或上位机的配置使用。

中央通信卡5上的监视接口，连接以性能稳定的独立定时器。

中央通信卡5上还设有调试接口，以及复位电路51和时钟电路52，用于现场调试。主要功能包括：配合主处理器1进行系统自检；系统运行时，系统运行一旦走飞，及时通过复位电路51自动复位；而与ARM芯片11连接的LCD显示器根据系统运行情况，实现正常、异常、故障等状态显示。

在环形网络分布式馈线自动化系统中，每个智能馈线控制终端的地位是等同的，都应该具备较强的运算及通信能力。每个智能馈线控制终端的软件体系结构的设计要充分考虑系统的实时性要求，对网络通信的支持，先进的模块互连标准以及系统维护、扩展、升级方便等，系统软件体系结构如图3所示：

面保护:除了利用单个智能馈线控制终端自身采集的信息外,还要利用系统中其他智能馈线控制终端采集的信息做出故障判断和动作,以保护自身设备或局部系统，因此必须具备下列条件：

一是通信网络，二是每个智能馈线控制终端都应有主处理器1。三是各个智能馈线控制终端并行处理，环形网络分布式馈线自动化系统中有众多的智能馈线控制终端，每个智能馈线控制终端都有主处理器1，一旦发生故障，所有智能馈线控制终端的主处理器1同时启动并判断是否要进行并行处理。串行处理则不行。

本发明的一种快速馈线故障定位于隔离方法如图5所示：

一次分闸步骤：在线路发生瞬间故障时，出线侧变电站的出线保护开关跳闸，线路失压，故障点绝缘恢复。

一次故障上报步骤：感受到故障电流的智能馈线控制终端将故障电流值上发至主站及相邻智能馈线控制终端，主站根据各智能馈线控制终端上报的故障信息确定瞬时故障区段。

一次合闸步骤：出线侧变电站的出线保护开关合闸，恢复供电。

当线路发生永久性故障时，一次分闸步骤中出线侧变电站的出线保护开关跳闸，线路失压，一次故障上报步骤中失压线路上的智能馈线控制终端记录故障出现的次数和保护信息并上报主站，即与一次故障上报步骤相同；

出线侧变电站出线保护开关重合闸后，即一次合闸步骤后，因故障线路再一次重合闸，启动限时过流保护。此时故障电流流经的智能馈线控制终端第二次感受到故障电流，向其它智能馈线控制终端广播故障信号，确定系统出现永久性故障，各智能馈线控制终端同时启动各自的故障处理程序，即永久性故障判定步骤。

在线路发生永久性故障时，由故障线路两侧的分段开关切除并隔离故障线路，而健全线路由出线侧变电站的出线保护开关重合闸及环网开关恢复供电，即隔离步骤。

各个智能馈线控制终端对应的分段开关根据其处理程序，确定是否跳闸。如果使用没有断弧能力的普通分段开关，分段开关应当在重合闸后再一次断开，直至故障电流消失。

环网开关是否重合闸，也需要根据环网开关两侧智能馈线控制终端的故障电流信息而定。当环网开关两侧的分段开关均未感受到故障电流时，则重合闸；当任何一侧的分段开关感受到故障电流时，则不重合闸，以保证环网开关不重合闸于故障线路。当合闸命令下达时，环网开关只有在确保故障段已被隔离后才能执行。

例如：在图4所示的线路中，当线路F1处发生短路故障时，其处理过程如下：

线路F1处发生故障，故障电流由主变电站母线流向故障点，主变电站的出线保护开关，出线侧变电站的出线保护开关CB1跳闸。

感受到故障电流的第一智能馈线控制终端FTU1记录故障信息。

主变电站的出线保护开关CB1重合闸。

若发生永久性故障后，即再次出现故障电流时，主变电站的出线保护开关CB1延时跳闸。

第二次感受到故障电流的第一智能馈线控制终端FTU1主动向其他智能馈线控制终端传送故障出现信息，其他智能馈线控制终端接收到故障电流信息后，进行出口动作判断，判断对应的分段开关是否跳闸。

在线路第二次失压时，第一智能馈线控制终端FTU1和第二智能馈线控制终端FTU2之间的第二分段开关FD2跳开，并发送跳闸信息给环网开关智能馈线控制终端FTU0和环网出线智能馈线控制终端BJ1，环网开关智能馈线控制终端FTU0和环网出线智能馈线控制终端BJ1确保故障未发生在与自己临近的线路上，并确定故障段已被隔离后，发送主变电站的出线保护开关CB1合闸命令。如果第一智能馈线控制终端FTU1和第二智能馈线控制终端FTU2之间的第二分段开关FD2采用的是断路器，则第一智能馈线控制终端FTU1和第二智能馈线控制终端FTU2在重合闸期间就可以动作，切断故障电流，由此可以减少一次重合闸的动作次数。

需要说明的是，上述故障处理模式只有各智能馈线控制终端间的通信网络完好时才能进行。在一个较完善的馈线控制方案中，可以采取如下后备措施：当就地通信网络破坏时，任意一个智能馈线控制终端将故障信息上发主站，由主站启动保护程序，确定故障点的位置，完成故障隔离、供电转移与恢复供电；当与子站通信也被破坏时，各智能馈线控制终端发现传送信息几次失败后，自动转换为就地控制方式，此方式类似于重合闸控制方式，不需要通信的存在。信息的面保护方式优先处理，在信道和主站均损坏再自动转为就地智能处理的馈线自动化方案，既具备面保护方案中故障定位准确，隔离可靠，恢复供电时间最短的特点，又去除了传统方案中完全依赖子站和信道的劣势，有主有备，能够满足各种现场的情况。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种智能馈线控制终端，包括主处理器，所述主处理器包括ARM芯片以及与所述ARM芯片连接的DSP芯片，其特征在于：

所述DSP芯片内置同步采样单元和频率跟踪单元，连接模拟量采集电路，所述ARM芯片连接开关量采集电路、开关量输出电路和中央通信卡；

所述模拟量采集电路包括电流互感器、电压互感器、抗混叠滤波器和模数转换芯片，所述电流互感器和所述电压互感器连接所述抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器连接所述模数转换芯片，所述模数转换芯片连接所述DSP芯片；

所述开关量采集电路包括连接所述ARM芯片的输入光耦隔离变换电路以及连接所述输入光耦隔离变换电路的抗干扰滤波器；所述ARM芯片定期扫描从所述输入光耦隔离变换电路输入的开关量，并用软件防抖算法，消除遥信误报；

所述开关量输出电路包括连接所述ARM芯片的输出光耦隔离变换电路；

所述中央通信卡上设有以太网接口、时钟电路、复位电路和RS232接口。

2.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述中央通信卡与所述ARM芯片之间通过RS485总线或者CAN总线连接。

3.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述中央通信卡上的以太网接口有三个，即两个千兆以太网接口和一个百兆以太网接口。

4.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述ARM芯片内置容量为1M的片上闪存，以及容量为196K的片上SRAM存储芯片。

5.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述ARM芯片外接容量为64M的外扩SRAM存储芯片和容量为128M的外扩FLASH存储芯片，所述外扩FLASH存储芯片存储记录馈线故障事件的位置、故障遥信变位事件、保护动作事件、遥控动作事件的顺序记录。

6.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述中央通信卡上集成有容量为256M的中央SRAM存储器和容量为32M的中央Flash存储器，所述中央Flash存储器用于存放程序代码、系统引导程序、嵌入式操作系统核心代码映像、嵌入式数据库、WebServer以及SB插件。

7.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述DSP芯片上还设有直流量采集接口，所述直流量采集接口采用物理隔离装置与所述模数转换芯片的输出端隔离。

8.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述中央通信卡采用摩托罗拉公司的PowerQUICCⅢ系列处理器。

9.根据权利要求1所述的一种智能馈线控制终端，其特征在于：所述RS232接口为与所述ARM芯片连接的接口、或本地监视输出接口，或与上位机通信的调制解调器接口中的任意一种。