CN108255106B - 用于高压直流断路器二次设备高速通信集控单元和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元和方法，属于高压直流断路器控制领域。用于高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元，包括CPU板用于控制和处理信号，CPU板上包括一块FPGA和一块CPU，两者通过LocalBus总线完成数据交换；至少有两个光口板，其中一个光口板连接至直流控制单元和直流保护单元、另一个光口板连接至机构驱动单元和触发开关驱动单元，所有光口板均通过串行光口发送和接收信号，并将信号转成差分信号后通过背板输入在CPU板上的FPGA；背板与CPU板和光口板连接；电源板为CPU板、光口板和背板供电。本发明降低了直流控制和直流保护与断路器的通信时间，并能保证通信的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及用于高压直流断路器二次设备高速通信的方法，尤其涉及一种用于高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元和方法。
背景技术
随着直流传输电网的兴起，高压直流输电成为未来电力系统多元化发展的一大趋势，高压直流断路器作为直流输电的关键部分，对其控制和保护越来越重要。由于直流系统阻抗较之交流系统要小的多，其短路电流增长极快，因此，及时控制断路器的开断至关重要。
如图4所示高压直流断路器快速开断时序，机构分闸虽然占用了整个分闸过程的大部分时间，但这部分时间难以进行缩减，可以缩减的就是集控单元处理命令的时间，目前一般变电站断路器的保护是通过CPU控制，从出现故障，到CPU处理，再到CPU发出保护控制，整个通信时间在毫秒级，很难提升。
如何尽可能快的将保护命令发送到机构驱动单元，缩短集控单元处理命令的时间，给断路器预留更多的开断时间，使机构回路驱动单元及时控制断路器开断，是能否及时断开断路器的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元和方法，其优势在于，发挥FPGA的高速优势来弥补CPU在通信方面耗时的不足，而使用CPU来弥补FPGA在处理复杂逻辑控制方面的不足，给断路器预留更多的开断时间，减少由于通信耗时造成的断路器未能及时开断的故障。
技术方案：
用于高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元(BCU)，包括CPU 板，用于控制和处理信号，CPU板上包括一块FPGA(现场可编程门阵列) 和一块CPU(中央处理器)，两者通过LocalBus总线完成数据交换；至少有两个光口板，其中一个光口板连接至直流控制单元和直流保护单元、另一个光口板连接至机构驱动单元(MDU)和触发开关驱动单元(ODU)，所有光口板均通过光口发送和接收信号，并将信号转成差分信号后通过背板输入在 CPU板上的FPGA；背板，与CPU板和光口板连接；电源板，为CPU板、光口板和背板供电。
进一步地，集控单元从直流控制单元和直流保护单元接收数据后进行处理，并将处理后数据发送到机构驱动单元和触发开关驱动单元，组成高速通信回路；高速通信的时间是从直流控制单元和直流保护单元发出信号到机构驱动单元接收信号的时间，包括光纤FT3信号传输时间和集控单元处理时间。
进一步地，CPU板上的CPU采用MPC8309，FPGA采用EP4CE115F23。
进一步地，光口板的光口基于光纤，发送光模块采用Avago的 HFBR-1414，接收光模块采用Avago的AFBR-2418。
用于高压直流断路器二次设备高速通信的方法，采用以下步骤：
步骤S1、直流控制单元和直流保护单元通过光纤发送FT3信号给集控单元；
步骤S2、集控单元的光口板将光信号转为差分信号，通过背板传输到CPU 板上的FPGA；
步骤S3、由FPGA对信号进行判断，如果是断路器开断命令就由FPGA 直接通过光纤发送FT3信号到机构驱动单元和触发开关驱动单元进行断路器开断，其余非实时命令则通过LocalBus总线发送给CPU处理；
步骤S4、机构驱动单元将断路器断口位置信息通过光纤FT3信号经光口板和背板发送到CPU板的FPGA，FPGA合成断口位置后通过LocalBus总线发送给CPU做开断是否成功的判断，如果开断成功则将信号经由背板和光口板返回给直流控制单元和直流保护单元，如果开断不成功则由CPU启动自保护后再将进行信号经由背板和光口板返回给直流控制单元和直流保护单元。
有益效果：
1)本发明实现直流控制单元和直流保护单元对断路器之间的高速通信，发挥FPGA的高速优势来弥补CPU在通信方面耗时的不足，结合光纤降低通信时间，给断路器预留更多的开断时间。
2)通过CPU来弥补FPGA在处理复杂逻辑控制方面的不足，保证通信的可靠性。
附图说明
图1用于高压直流断路器二次设备高速通信的方法流程图；
图2用于高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元结构示意图；
图3高压直流断路器原理示意图；
图4高压直流断路器快速开断时序示意图；
其中，1为CPU板、11为FPGA、12为CPU、2为背板、3为光口板、4为电源板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图2所示用于高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元，包括CPU 板1，用于控制和处理信号，CPU板1上包括一块FPGA 11和一块CPU 12，两者通过LocalBus总线完成数据交换；至少有两个光口板3，其中一个光口板连接至直流控制单元和直流保护单元、另一个光口板连接至机构驱动单元和触发开关驱动单元，所有光口板3均通过串行光口发送和接收信号，并将信号转成差分信号后通过背板输入在CPU板1上的FPGA 11；背板2，与CPU板 1和光口板3连接；电源板4，为CPU板1、光口板3和背板2供电。
集控单元从直流控制单元和直流保护单元接收数据后进行处理，并将处理后数据发送到机构驱动单元和触发开关驱动单元，组成高速通信回路；高速通信的时间是从直流控制单元和直流保护单元发出信号到机构驱动单元接收信号的时间，包括光纤FT3信号传输时间和集控单元处理时间。
CPU板1上的CPU采用MPC8309，FPGA 11采用EP4CE115F23。
光口板的光口基于光纤，发送光模块采用Avago的HFBR-1414，接收光模块采用Avago的AFBR-2418。
如图1所示用于高压直流断路器二次设备高速通信的方法，使用了上述的集控单元，并采用以下步骤进行：
步骤S1、直流控制单元和直流保护单元通过光纤发送FT3信号给集控单元；
步骤S2、集控单元的光口板3将光信号转为差分信号，通过背板传输到 CPU板1上的FPGA 11；
步骤S3、由FPGA 11对信号进行判断，如果是断路器开断命令就由FPGA 直接通过光纤发送FT3信号到机构驱动单元和触发开关驱动单元进行断路器开断，其余非实时命令则通过LocalBus总线发送给CPU 12处理；
步骤S4、机构驱动单元将断路器断口位置信息通过光纤FT3信号经光口板3和背板2发送到CPU板1的FPGA 11，FPGA 11合成断口位置后通过 LocalBus总线发送给CPU 12做开断是否成功的判断，如果开断成功则将信号经由背板2和光口板3返回给直流控制单元和直流保护单元，如果开断不成功则由CPU 12启动自保护后再将进行信号经由背板2和光口板3返回给直流控制单元和直流保护单元。
对断路器开断命令来源为直流控制单元和直流保护单元，其中直流控制为人为下发，而直流保护是在高压直流断路器监测出故障时，由直流保护主动下发。因为开断命令是由集控单元处理并下发到下一级控制单元，使用集控单元的处理命令的时间直接决定了从直流控制单元和直流保护单元到断路器机构驱动单元的通信时间。
集控单元处理时间＝接收命令时间+FPGA处理时间+发送命令时间，其中接收命令时间和发送命令时间和光纤FT3信号波特率有关，按10Mbps数据速率，每字节1个起始位，8个数据位，1个校验位评估，那么每字节所用的时间为(1+8+1)/(10*1000000)＝1μs/字节，20字节长的报文传输需要约20us，考虑帧间隔，则周期发送时周期宜≥25us，即最高采样率为40kHz。而FPGA处理时间和FPGA的时钟有关，按100MHz的时钟频率，每字节1个起始位，8个数据位，1个校验位评估，接收、发送和处理一个字节分别用一个 clk，那么每字节所用的时间为(1+8+1)/(100*1000000)*3＝0.03μs/字节， 20字节长的报文FPGA处理时间约0.6μs，考虑到其中判断报文类型需要多发的时间，那么20个字节所需时间也不会超过1μs，可以按1us来计算。按 20字节报文计算，集控单元处理时间＝1μs/字节*20+1＝21μs，完全满足如图4所示的高压直流断路器快速开断时序要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.用于高压直流断路器二次设备高速通信的集控单元，其特征在于：包括CPU板(1)，用于控制和处理信号，CPU板(1)上包括一块FPGA(11)和一块CPU(12)，两者通过LocalBus总线完成数据交换；
至少有两个光口板(3)，其中一个光口板连接至直流控制单元和直流保护单元、另一个光口板连接至机构驱动单元和触发开关驱动单元，所有光口板(3)均通过串行光口发送和接收信号，并将信号转成差分信号后通过背板输入在CPU板(1)上的FPGA(11)，FPGA(11)对信号进行判断，如果是断路器开断命令就由FPGA(11)直接发送信号到机构驱动单元和触发开关驱动单元进行断路器开断，并由FPGA(11)合成断口位置后发送给CPU(12)做开断是否成功的判断，其余非实时命令则发送给CPU(12)处理；背板(2)，与CPU板(1)和光口板(3)连接；
电源板(4)，为CPU板(1)、光口板(3)和背板(2)供电。
2.如权利要求1所述的集控单元，其特征在于：集控单元从直流控制单元和直流保护单元接收数据后进行处理，并将处理后数据发送到机构驱动单元和触发开关驱动单元，组成高速通信回路；高速通信的时间是从直流控制单元和直流保护单元发出信号到机构驱动单元接收信号的时间，包括光纤FT3信号传输时间和集控单元处理时间。
3.如权利要求1所述的集控单元，其特征在于：所述CPU板(1)上的CPU采用MPC8309，FPGA采用EP4CE115F23。
4.如权利要求1所述的集控单元，其特征在于：所述光口板的光口基于光纤，发送光模块采用Avago的HFBR-1414，接收光模块采用Avago的AFBR-2418。
5.用于高压直流断路器二次设备高速通信的方法，其特征在于：使用了权利要求1至4之一所述的集控单元，并采用以下步骤进行：
步骤S1、直流控制单元和直流保护单元通过光纤发送FT3信号给集控单元；
步骤S2、集控单元的光口板(3)将光信号转为差分信号，通过背板传输到CPU板(1)上的FPGA(11)；
步骤S3、由FPGA(11)对信号进行判断，如果是断路器开断命令就由FPGA直接通过光纤发送FT3信号到机构驱动单元和触发开关驱动单元进行断路器开断，其余非实时命令则通过LocalBus总线发送给CPU(12)处理；
步骤S4、机构驱动单元将断路器断口位置信息通过光纤经光口板(3)和背板(2)发送到CPU板(1)的FPGA(11)，FPGA(11)合成断口位置后通过LocalBus总线发送给CPU(12)做开断是否成功的判断，如果开断成功则将信号经由背板(2)和光口板(3)返回给直流控制单元和直流保护单元，如果开断不成功则由CPU(12)启动自保护后再将进行信号经由背板(2)和光口板(3)返回给直流控制单元和直流保护单元。
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