CN107818215A - 一种智能变电站二次系统通用硬件仿真装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能变电站通用硬件仿真装置及方法，装置包括内部总线、核心处理器、过程层接口板、交流采样板，核心处理器用于完成交流电量的采集、计算、保护逻辑功能的处理；过程层接口板用于发送接收GOOSE、SV数据；交流采样板包括交流采样回路、采样芯片，交流采样回路用于将输入电流电压模拟信号处理成采样芯片可直接处理的低电压信号，经采样芯片模数转换后送给核心处理器以进行计算、保护逻辑判断。本发明通过插件的组合满足变电站间隔层、过程层设备的硬件需求。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，具体涉及一种智能变电站二次系统通用硬件仿真装置及方法。
背景技术
二次装置随着嵌入式处理器的发展出现了日新月异的变化。自动化生产厂家也跟随着这种技术的发展推出了一代又一代二次装置。过去由于处理器的速度等各方面原因很多二次装置根据装置类型的不同而单独设计装置的软硬件。现在由于处理器集成度及性能的飞速发展，一种MCU完全可以满足大部分类型保护装置的设计需求。这就给设计一种新一代智能站二次装置通用硬件仿真平台提供了条件。基于模块化设计的平台则以新产品开发中尽量减少模块的重新设计并尽量少增加新的模块为出发点。各类型的二次装置在该通用平台中选出适合自己需求的模块即可完成该装置的开发。新一代智能站二次装置通用硬件仿真平台采用模块化的设计可以大大缩短每种装置的开发时间。如果由于跟随发展进行系统升级有些模块可以不用更改直接用于新的硬件平台中如开入、开出模块同时软件模块化设计后,有些功能模块也可以直接运用于新的系统中，这样大大缩短开发周期。
发明内容
本发明提供一种智能变电站二次系统通用硬件仿真装置及方法，根据新一代智能变电站二次设备的特点，建设全站集成联调仿真环境，包括新型设备的标准建模，以及新型设备的硬件及功能逻辑的仿真，利用SCD文件，实现二次设备配置文件的自动下装，实现涵盖保护装置、测控装置、智能终端、合并单元等二次设备的仿真，实现通用型硬件仿真装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种智能变电站通用硬件仿真装置，包括：内部总线、主控插件、过程层接口板、交流采样板，
所述主控插件用于完成交流电量的采集、计算、保护逻辑判断；
所述过程层接口板用于发送接收GOOSE、SV数据；
所述交流采样板包括交流采样回路、采样芯片，所述交流采样回路用于将输入电流电压模拟信号处理成采样芯片可直接处理的低电压信号，经采样芯片模数转换后送给主控插件以进行计算、保护逻辑判断。
进一步地，所述内部总线采用CPCI高速并行总线。
进一步地，所述主控插件采用双核异构处理器和第一FPGA构成的三核硬件。
进一步地，该仿真装置的逻辑单元电路由第一FPGA构成。
进一步地，所述交流采样板还包括第二FPGA，采样芯片采用位并行，由第二FPGA负责完成采样同步控制，并将读取的采样数据通过内部总线传输给主控插件。
进一步地，所述过程层接口板还包括第三FPGA，用于GOOSE、SV数据的解帧或打包发送，并通过内部总线和主控插件交互。
一种采用上述的智能变电站通用硬件仿真装置的仿真方法，包括：
步骤1：导入SCD文件，下载配置信息；
步骤2：设置仿真类型，所述仿真类型包括保护装置仿真、测控装置仿真、合并单元仿真；
步骤3：设置导入定值单、控制字，投退压板；
步骤4：采集故障SV/GOOSE波形数据并转换数据；
步骤5：通过保护算法和逻辑计算，上报MMS报文，输出GOOSE变位报文和保护出口信息。
与现有技术相比，本发明具有有益效果：
本发明利用不同类型的功能插件，可根据需要插入不同数量的板件，实现灵活扩展，满足变电站间隔层、过程层设备的硬件需求。
附图说明
图1是本发明一种智能变电站二次系统通用硬件仿真装置硬件原理图；
图2是本发明主控插件框架示意图；
图3是本发明交流采样板硬件原理图；
图4是本发明过程层接口板FPGA处理原理图；
图5是本发明通用硬件仿真装置的仿真功能流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
一种智能变电站通用硬件仿真装置，包括：内部总线、主控插件、过程层接口板、交流采样板，
主控插件用于完成交流电量的采集、计算、保护逻辑判断；
过程层接口板用于发送接收GOOSE、SV数据；
交流采样板包括交流采样回路、采样芯片，交流采样回路用于将输入电流电压模拟信号处理成采样芯片可直接处理的低电压信号，经采样芯片模数转换后送给主控插件以进行计算、保护逻辑判断。
在分析过程层、间隔层二次设备需求的基础上，对硬件的需求可分为开入量采集、开出操作、交流量输入、直流量输入、通讯接口等几个方面，本发明在间隔层的保护、测控装置，过程层的合并单元、智能终端等装置在以上几个方面的需求，通过上述插件的组合来满足各种装置的硬件需求，实现变电站二次设备硬件一体化设计，如图1所示通用硬件仿真装置硬件原理图，内部总线釆用CPCI高速并行总线，可灵活方便的实现过程层接口板、交流釆样板、开入开出板的扩展，仿真装置支持IEEE1588对时和IRIG-B对时。
在本发明一实施例中，主控插件是通用硬件仿真装置的核心插件,主要完成交流电量的采集、计算、保护逻辑功能的处理，外部开入信号的采集，液晶界面处理，部分通信功能的处理与发送，出口及信号的第一级处理等，主控插件使用双核异构处理器外加FPGA构成的三核硬件平台，仿真装置内通过PCI桥支持插入多块CPU板，如图2主控插件框架示意图所示：
采用CORTEX-A8内核的ARM端，主频高达1GHZ，运行开源的linux操作系统，开放性好，系统稳定，适合处理复杂的大规模应用，主要实现继保仿真测试模块、测控仿真测试模块、计量仿真测试模块、时间同步检测模块、电参量准确度检测模块等复杂及需要与工程实验测试平台或用户进行交换的上层应用模块；
采用C64x+定点6000系列的DSP，具有强大的数学运算能力，同时和ARM端集成在一个芯片上，通过内部总线通信，主要应用于SV采样值生成、SV幅值频率计算、SV谐波分析、故障波模拟生成、三相电能计算等数字计算，为ARM端的应用提供数据计算结果；
仿真和测试需要实现IEC 61850-9-1/2/2LE采样值报文传输协议，由于采样值报文的传输数据量大，且对报文实时性、报文完整性和报文离散度都有严格要求，并需具备高度可靠性，通过第一FPGA硬件实现，同时，SV和GOOSE的收发需要时间同步信号，由FPGA时间同步机制可提高可靠性以及精度，故时间同步也由第一FPGA底层硬件实现。另外，合并单元的开关量也由第一FPGA来实现，可提高精度。
系统逻辑单元电路由第一FPGA构成，采用引脚兼容的大容量芯片，通过硬件逻辑完成如下功能：
（1）对CPU的进行复位配置，系统上电后CPU通过本地总线从FPGA取复位配置字
（2）复位信号输出，板上所有芯片的复位由FPGA来控制
（3）PCI总线
（4）IRIG-B解码
（5）UART模块
（6）守时逻辑
（7）协处理运算，根据需要，在FPGA内部增加DSP、FFT等模块减少CPU的幵销。
在本发明一实施例中，交流采样板设计电流、电压互感器用于信号变换，交流采样板还包括第二FPGA，采样芯片采用位并行，由第二FPGA负责完成采样同步控制，并将读取的采样数据通过内部总线传输给主控插件。采样回路相对独立，可根据需要插入不同数量的交流采样板，灵活实现扩展，可支持多路同步采样输入，双极性模拟输入范围采用±5V，由第二FPGA负责完成多个AD采样芯片的同步采样控制，读取采样数据并放入CPCI缓冲区，等待CPU按采样间隔时间定时读取。交流采样板逻辑示意如图3所示。
在本发明一实施例中，考虑到变电站内过程层和间隔层之间交互只有SV、GOOSE两类以太网数据，同时为预防站内可能发生的网络风暴，过程层接口板还包括第三FPGA，用于GOOSE、SV数据的解帧或打包发送，同时可利用实现数据定时发送，或接收数据打时标功能，并通过内部总线和主控插件交互。过程层接口板的第三FPGA集成有PCI内核，通过CPCI总线和主控插件CPU进行交互数据。如合并单元通过定时中断定时将同步数据写入第三FPGA指定的数据区，之后由第三FPGA负责完成将采样数据以IEC-61850-9-2协议格式按预定间隔时间发出，而作为接收方的保护装置内的过程层接口板在每接收一顿数据记录接收到第一个字节的时刻，并和解帧后采样数据一起放入接口缓冲区，供保护CPU使用，完成采样再同步。
在本发明一实施例中，智能变电站通用硬件仿真装置包括如下外部接口：
LC光纤接口(可插拔SFP模块)八个，用于IEC 61850-9-1/2/2LE报文输入输出；
串口输出（ST光纤）三个，用于模拟互感器报文及IEC 60044-7/8报文输出；
串口输入（ST光纤）两个，用于模拟互感器报文及IEC 60044-7/8报文输入；
同步输入三个，支持PPS秒脉冲、IRIG-B码输入，支持TTL/RS485/光纤；
同步输出四个，支持PPS秒脉冲、IRIG-B码输出，支持TTL/RS485/光纤*2；
ST光纤输入接口一个，支持采样脉冲、秒脉冲、B码测试；
三相电压电流输入口、出口；十二路小信号输出口（可选）；八路开入量接口（光耦，有源无源自动兼容）；四路开出量接口（光耦，无源）；RJ45调试网络接口一个；USB接口一个；SD卡接口一个。
通过通用硬件仿真装置模拟仿真保护装置，典型保护设备仿真功能流程图如图5所示。
采用上述的智能变电站通用硬件仿真装置的仿真方法，包括：
步骤1：导入SCD文件，下载配置信息；
步骤2：设置仿真类型，所述仿真类型包括保护装置仿真、测控装置仿真、合并单元仿真；
步骤3：设置导入定值单、控制字，投退压板；
步骤4：采集故障SV/GOOSE波形数据并转换数据；
步骤5：通过保护算法和逻辑计算，上报MMS报文，输出GOOSE变位报文和保护出口信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种智能变电站通用硬件仿真装置，其特征在于，包括：内部总线、主控插件、过程层接口板、交流采样板，
所述主控插件用于完成交流电量的采集、计算、保护逻辑判断；
所述过程层接口板用于发送接收GOOSE、SV数据；
所述交流采样板包括交流采样回路、采样芯片，所述交流采样回路用于将输入电流电压模拟信号处理成采样芯片可直接处理的低电压信号，经采样芯片模数转换后送给主控插件以进行计算、保护逻辑判断。
2.根据权利要求1所述的一种智能变电站通用硬件仿真装置，其特征在于，所述内部总线采用CPCI高速并行总线。
3.根据权利要求1所述的一种智能变电站通用硬件仿真装置，其特征在于，所述主控插件采用双核异构处理器和第一FPGA构成的三核硬件。
4.根据权利要求3所述的一种智能变电站通用硬件仿真装置，其特征在于，该仿真装置的逻辑单元电路由第一FPGA构成。
5.根据权利要求1所述的一种智能变电站通用硬件仿真装置，其特征在于，所述交流采样板还包括第二FPGA，采样芯片采用位并行，由第二FPGA负责完成采样同步控制，并将读取的采样数据通过内部总线传输给主控插件。
6.根据权利要求1所述的一种智能变电站通用硬件仿真装置，其特征在于，所述过程层接口板还包括第三FPGA，用于GOOSE、SV数据的解帧或打包发送，并通过内部总线和主控插件交互。
7.一种采用权利要求1所述的智能变电站通用硬件仿真装置的仿真方法，其特征在于，包括：
步骤1：导入SCD文件，下载配置信息；
步骤2：设置仿真类型，所述仿真类型包括保护装置仿真、测控装置仿真、合并单元仿真；
步骤3：设置导入定值单、控制字，投退压板；
步骤4：采集故障SV/GOOSE波形数据并转换数据；
步骤5：通过保护算法和逻辑计算，上报MMS报文，输出GOOSE变位报文和保护出口信息。
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