CN109474073A - 一种智能变电站二次系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能变电站二次系统，该二次系统取消了原有的智能终端，将智能终端的开关位置采集功能和控制功能集成到高压开关控制器中，实现智能变电站的信号采集和控制，将GOOSE收发、规约转换功能设置在规约转换模块中来。本发明将原有的智能终端功能划分开来处理，实现特定的控制功能。这种分布式采集、控制的方法，克服传统智能变电站中智能终端开入开出信号、控制信号较多造成的可靠性较差的缺陷，提升保护控制系统的稳定性，优化了智能变电站的二次配置结构。

Description

一种智能变电站二次系统

技术领域

本发明属于智能变电站技术领域，具体涉及一种智能变电站二次系统。

背景技术

随着电力系统规模的不断扩大，大容量、超高压、远距离输电日益增多，系统结构也日趋复杂，变电站保护一体化是未来的发展趋势。根据现有需求，需要对面向间隔对象的就地一体化装置关键技术进行设计研究，实现就地多功能保护控制计量监测一体化，减少数据传输环节，提升保护控制系统的性能指标，优化变电站二次系统架构，实现智能设备就地化安置。

在现有的智能变电站中，智能终端装置的开入开出信号、控制信号较多，皆由智能终端来判断、处理所有的控制逻辑，处理效果不佳，降低系统可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能变电站二次系统，用以解决智能终端的开入开出信号和控制信号较多造成的智能终端处理效果不佳的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种智能变电站二次系统，包括站域保护控制装置，与站域保护控制装置通讯连接有就地一体化装置，所述就地一体化装置中设置有规约转换模块，所述规约转换模块与高压开关控制器通过通讯光缆连接，且就地一体化装置与高压开关控制器分离设置；所述规约转换模块用于接收站域保护控制装置下发的GOOSE报文，解析GOOSE报文并组织下行报文，下发给高压开关控制器；并接收高压开关控制器上送的上行报文；其中，所述下行报文包括开出数据帧；所述高压开关控制器用于从规约转换模块下发的下行报文中解析出开出数据帧，根据开出数据帧来控制高压开关动作；并采集高压开关位置信息，根据采集的高压开关位置信息组织上行报文，上送给规约转换模块；其中，所述上行报文包括开入数据帧。

本发明的有益效果：

本发明的智能变电站二次系统，取消了原有的智能终端，将智能终端的开关位置采集功能和控制功能集成到高压开关控制器中，实现智能变电站的信号采集和控制，将GOOSE收发、规约转换功能设置在规约转换模块中来。将功能划分开来处理，实现特定的控制功能。这种分布式采集、控制的方法，克服传统智能变电站中智能终端开入开出信号、控制信号较多造成的可靠性较差的缺陷，提升保护控制系统的稳定性，优化了智能变电站的二次配置结构。

进一步的，所述高压开关控制器包括刀闸控制器和断路器控制器。将高压开关控制器划分为刀闸控制器和断路器控制器，分别对刀闸控制器和断路器控制器进行采集和控制，这种分布式采集、控制方法提高了保护系统的可靠性和稳定性。

进一步的，所述断路器控制器为插件结构，包括第一CPU插件、第一开入插件、第一开出插件、第一操作插件、第二CPU插件、第二开入插件、第二开出插件、第二操作插件；所述第一CPU插件和第一开入插件、第二开入插件、第一开出插件、第一操作插件相连；所述第二CPU插件和第一开入插件、第二开入插件、第二开出插件、第二操作插件相连。设置两个CPU插件，且共享开入，独立控制开出，进一步提升系统的可靠性。

进一步的，所述第一CPU插件和第二CPU插件均包括一个CPU和与该CPU连接的一个FPGA；所述FPGA用于接收下行报文，并将下行报文发送给CPU，同时解析出下行报文中的开出数据帧，并接收CPU解析下行报文中的开出数据帧的结果，将自身解析下行报文中的开出数据帧的结果和CPU解析下行报文中的开出数据帧的结果进行逻辑与操作，根据逻辑与操作的结果控制开出回路；所述CPU用于接收FPGA发送的下行报文，并解析出开出数据帧，将解析的结果反馈给FPGA。

进一步的，所述刀闸控制器为插件结构，包括相应的CPU插件、开入插件和开出插件。将刀闸控制器设置为插件结构，更为简单、方便。

进一步的，所述第一CPU插件、第二CPU插件上均设置有无线接口。在第一CPU插件和第二CPU插件上均设置无线接口，便于后期调试，大大提升了装置后期维护的效率。

附图说明

图1是本发明的智能变电站二次系统架构图；

图2是本发明的断路器控制器的内部插件结构图；

图3是本发明的CPU插件的硬件结构图；

图4是本发明的CPU插件的数据流示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

系统实施例

将原有智能终端的功能划分成两部分功能，一部分为通讯和规约转换功能，一部分为开关位置采集和控制功能。将通讯和规约转换功能集成设置在规约转换模块中，该规约转换模块集成设置在就地一体化装置A中；将开关位置采集和控制功能集成到高压开关控制器(这里的高压开关控制器包括断路器控制器和刀闸控制器)。就地一体化装置A与高压开关控制器分离设置。其中，高压开关控制器就地化安装。就此，形成了如图1所示的智能变电站二次系统。

需说明的是，在电力系统二次设备中，在220KV以下电压等级的设备采用单套配置，但对于220KV以上电压等级的设备，一般采用双套的配置，图1中的就地一体化装置A和就地一体化装置B便是互为冗余设置的两套装置，以下对于就地一体化装置B不再赘述。

如图1所示，该系统包括站域保护控制装置，站域保护控制装置通过交换机与就地一体化装置A进行数据交互。就地一体化装置A集测控、计算、就地化保护等功能，现又增加了规约转换模块。同时，就地一体化装置A通过光纤数字信号与高压开关控制器进行通讯。由高压开关控制器上送给就地一体化装置A的为上行报文，由就地一体化装置A发送给高压开关控制器的为下行报文。其中，上行报文和下行报文中通讯报文帧包括开入数据帧、开出数据帧和时间帧，分别实现高压开关控制器的数据采集、动作控制和时间同步功能。

下面介绍开关控制器。

断路器控制器内部采用插件结构。如图2所示，断路器控制器包括第一CPU插件、第一开入插件、第一开出插件、第一操作插件、第二CPU插件、第二开入插件、第二开出插件、第二操作插件；第一CPU插件和第一开入插件、第二开入插件、第一开出插件、第一操作插件相连；第二CPU插件和第一开入插件、第二开入插件、第二开出插件、第二操作插件相连。而且，断路器控制器采用双电源供电。

第一CPU插件和第二CPU插件共用所有的开入信息，但每个CPU插件单独控制各自的开出信息，以提高系统的稳定性、可靠性。为了提高系统的紧凑性，将电源模块集成到CPU插件上。

这两个CPU插件的硬件结构和数据走向相同，具体每个CPU插件的硬件结构图如图3所示。

CPU插件的主控芯片包括一个FPGA和一个CPU，FPGA和CPU通过总线通讯，通过CPU和FPGA软硬件协同的方式，以提升系统的可靠性。对于下行报文中的开出数据帧，由FPGA接收，并通过寄存器上送给CPU，由FPGA和CPU二者共同对下行报文的开出数据帧进行解析。而且，对于两者的解析结果进行逻辑与操作，来控制开出回路，防止系统误动作发生。具体的，在开出有变位的情况下，CPU负责控制开出插件的启动继电器，控制所有开出回路的启动电源；FPGA通过IO控制开出插件的开出回路输入端。整体来看，通过FPGA+CPU的架构，来提升系统开出控制的可靠性。

断路器控制器外部无需接对时时钟，断路器控制器通过精确的时间帧实现时间同步，并通过FPGA精确控制和记录开入开出的时间戳，以提升系统的实时性。通过下行报文包含的时间帧，实现与就地一体化装置A的时间同步。通过UTC时间与本地时间相结合的方式，FPGA精确控制开入开出的时间戳，将开入开出的时间分辨率精确到100μs以内，提升了系统的实时性，优于传统智能终端的性能。

为了实现断路器控制器的配置调试工作，该CPU插件不再使用传统的有线连接的调试接口，而是设置有无线WIFI接口，通过无线WIFI模块实现参数配置、程序更新、报告读取等功能，大大提高断路器控制器后期维护的效率。

为了实现上行报文和下行报文的传输，该CPU插件还设置有两对通讯口，分别为通讯口1和通讯口2。上行报文是由断路器控制器上送给就地一体化装置A的，下行报文是由就地一体化装置A发送给断路器控制器的。

上行报文采用4M的UART串行报文，报文上送间隔为250μs，包括时间帧、开入数据帧和温湿度数据帧，其报文格式如表1所示：

表1

其中，时间帧包含断路器控制器32位UTC整数时间和16位UTC小数时间，具体如表2所示：

表2

下行报文包含时间帧和开出数据帧两种数据帧，具体如表3所示：

表3

就地一体化装置A将秒脉冲分频为周期为100μs的时钟，并根据这个时钟进行计数，最终形成一个16位的计数信息，16位计数信息就是UTC时间的小数信息，分辨率为100μs。

就地一体化装置A将总共六个字节的时间信息打包成时间帧，通过下行报文发送给断路器控制器，断路器控制器的FPGA负责接收报文信息并将时间信息解析出来，通过计算得出有效的同步时间。

因为报文是按照固定的频率和固定的波特率发送的，所以整个发送的延时时间是固定的，通过计算得到发送延时T_delay，然后加上就地一体化装置A的本地时间T_S，就可以得出断路器的本地时间T_d：T_d＝T_S+T_delay。

断路器控制器定时(间隔250μs)接收就地一体化装置A的下行时间帧，计算出断路器的本地时间T_d，定时校正本地的时间信息。开入采样时间通过在开入位置的采样脉冲的时钟沿上打上时戳，并将时戳打包在报文信息中，形成上行时间帧，通过上行报文发送给主机。

除此之外，断路器控制器还包含以下主要硬件回路：

1)温湿度采集回路，主要用于采集一次环境下的温湿度信息；

2)4-20mA小信号采集回路，由AD和模拟回路组成；

3)灯板回路，用于驱动灯板实现装置运行状态的指示；

4)开入开出回路，CPU板开入开出回路的驱动隔离装置；其中，开入回路包括分位开入、合位开入、联锁解锁开关开入、远方就地开关开入、急停开入、门限位开入、分限位开入、合限位开入、公共端。

CPU插件的数据流模型如图4所示。

总线接口逻辑用于完成FPGA与CPU之间的实时数据交换。

总线接口逻辑主要通过寄存器和FIFO来实现与CPU进行数据的交互，寄存器分为控制寄存器，状态寄存器和数据寄存器三类。

控制寄存器用于使上位机通过CPU设置FPGA的一些工作参数，如报文收发的波特率，报文长度，报文发送间隔等信息。

状态寄存器用于使FPGA将目前的工作状态发送给CPU，例如，FIFO读写状态、收发报文的完整性、报文CRC错、报文头错等统计变量。

FIFO主要分为接收报文FIFO和发送报文FIFO(分别对应下行报文和上行报文)两部分。FPGA将接收的报文数据重新封包后转发给CPU，CPU的应用程序将报文进行解析后，完成对突变事件的记录和保存。发送报文由FPGA采集开入信息，完成数据的打包，并通过FIFO与CPU实现报文共享。

FIFO给每个报文预留32字的缓存区，总共可以缓存8帧报文。

下面介绍刀闸控制器。

刀闸控制器内部同样采用插件结构。但是，刀闸控制器只使用一个CPU插件即可。具体CPU插件结构与断路器控制器中的CPU插件结构相同，这里不再赘述。另外，需说明的是，图1中的刀闸控制器的插件结构为按照最大化设计出来的，在实际应用刀闸控制器时，部分插件可以不安装。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种智能变电站二次系统，其特征在于，包括站域保护控制装置，与站域保护控制装置通讯连接有就地一体化装置，所述就地一体化装置中设置有规约转换模块，所述规约转换模块与高压开关控制器通过通讯光缆连接，且就地一体化装置与高压开关控制器分离设置；

所述规约转换模块用于接收站域保护控制装置下发的GOOSE报文，解析GOOSE报文并组织下行报文，下发给高压开关控制器；并接收高压开关控制器上送的上行报文；其中，所述下行报文包括开出数据帧；

所述高压开关控制器用于从规约转换模块下发的下行报文中解析出开出数据帧，根据开出数据帧来控制高压开关动作；并采集高压开关位置信息，根据采集的高压开关位置信息组织上行报文，上送给规约转换模块；其中，所述上行报文包括开入数据帧。

2.根据权利要求1所述的智能变电站二次系统，其特征在于，所述高压开关控制器包括刀闸控制器和断路器控制器。

3.根据权利要求2所述的智能变电站二次系统，其特征在于，所述断路器控制器为插件结构，包括第一CPU插件、第一开入插件、第一开出插件、第一操作插件、第二CPU插件、第二开入插件、第二开出插件、第二操作插件；所述第一CPU插件和第一开入插件、第二开入插件、第一开出插件、第一操作插件相连；所述第二CPU插件和第一开入插件、第二开入插件、第二开出插件、第二操作插件相连。

4.根据权利要求3所述的智能变电站二次系统，其特征在于，所述第一CPU插件和第二CPU插件均包括一个CPU和与该CPU连接的一个FPGA；

所述FPGA用于接收下行报文，并将下行报文发送给CPU，同时解析出下行报文中的开出数据帧，并接收CPU解析下行报文中的开出数据帧的结果，将自身解析下行报文中的开出数据帧的结果和CPU解析下行报文中的开出数据帧的结果进行逻辑与操作，根据逻辑与操作的结果控制开出回路；

所述CPU用于接收FPGA发送的下行报文，并解析出开出数据帧，将解析的结果反馈给FPGA。

5.根据权利要求2所述的智能变电站二次系统，其特征在于，所述刀闸控制器为插件结构，包括相应的CPU插件、开入插件和开出插件。

6.根据权利要求3所述的智能变电站二次系统，其特征在于，所述第一CPU插件、第二CPU插件上均设置有无线接口。