CN109995137B - 一种智能变电站自动化系统 - Google Patents
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Abstract
一种智能变电站自动化系统，包括主机、通讯处理器、电源、监控显示器、视频图像服务器、调制解调器、GPS校时系统、监控系统、保护系统、报警系统和调度集控系统。该智能变电站自动化系统提高了智能变电站安全稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，提高了供电可靠性，节能降耗，减少了事故隐患。
Description
技术领域
本发明属于智能电力领域，具体涉及一种智能变电站自动化系统。
背景技术
变配电系统包括高压设备、变压设备、低压设备、发电设备、动力柜等。变配电系统是整个智能建筑的心脏，特别是在客运车站、隧道等特殊的建筑中，需要变配电系统具有高供电可靠性，需要变配电系统节能降耗，需要变配电系统减少事故隐患。
目前，变电站自动化系统主要有两种方式，其一通过配置模拟量、信号量输入输出设施实现整个变电站的数据采集、由监控系统PC机完成变电站的控制功能，即集中采集、集中控制方式，该方式的主要缺限是；可靠性差，当数据采集设备发生故障时整个变电所的运行都可能受影响；其二在进线、母联、馈线配置RTU设备，由RTU设备完成数据采集、保护、控制功能，PC机直接与RTU设备进线通讯方式完成对整个变电所自动化功能，该方的主要缺限是：当RTU设备较多时，PC机的负荷会增大，造成PC机运行缓慢，影响整个系统的正常运行。
并且，现有的多数智能变电站在运行过程中所有信息都集中于调度端，因此，整个调度自动化系统的事件分辨率就显得尤为重要，影响事件分辨率的主要决定因素就是时钟。高精度校时系统的事件信息更有利于事故分析、故障定位及隐患排查。由于系统全网时钟不同步会造成一些较为特殊的故障，如数据和信息丢失、SOE事件信息逻辑混乱、某些工作站死机甚至系统瘫痪。当前自动化系统时间同步体系处于开环状态，缺乏反馈无法获知工作状态，由此产生一些时钟不同步带来的安全隐患。
鉴于以上问题，需要提出一种能够精确校时功能的智能变电站自动化系统。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种智能变电站自动化系统，所述自动化系统包括主机、通讯处理器、电源、监控显示器、视频图像服务器、调制解调器、GPS校时系统、监控系统、保护系统、报警系统和调度集控系统；
所述通讯处理器、电源和监控显示器分别连接主机，所述调制解调器和GPS校时系统分别连接通讯处理器，所述调制解调器接入以太网，并通过以太网连接视频图像服务器和调度集控系统，所述GPS校时系统与GPS卫星地面设备无线通信，所述通讯处理器和所述调度集控系统分别连接所述报警系统、所述测控系统和所述保护系统；
所述监控系统包括远程监控装置、无功补偿电容器控制器、遥控装置、遥测装置、遥信装置；
所述保护系统包括电能质量监测装置、电力参数测量仪和多回路监控单元，所述的电能质量监测装置负责进线开关和变压器的过流、过负荷、温度等的保护及监控，所述的电力参数测量仪负责变压器低压侧开关的监视和控制，所述的多回路监控单元负责消防电源和非消防电源联络开关的状态监视和控制。
当监控系统发现异常状况时，所述调度集控系统控制所述报警系统对进行报警，并控制保护系统对所述异常状况发生设备提供响应保护，将异常状况所在地位置显示于监控显示器上。
其中，所述GPS校时系统用于执行GPS校时方法，来对本发明的智能变电站自动化系统进行实时校时，所述校时方法包括：
步骤1，校时系统设备加电开机后，校时系统自动把DSP模块和FPGA模块的程序加载到相应的控制芯片中，使模块完成初始化；
步骤2，FPGA模块对所述DSP模块对应管脚进行配置，同时将所述DSP模块的输出时钟作为本地的全局时钟；
步骤3，GPS卫星地面设备向所述DSP模块发送信号，串行通信模块对信号进行类型判断；
步骤4，当判断所述通信信号为IRIG-B校时信号时，所述串行通信模块基于所述IRIG-B校时信号从多个串行通信协议中选择适用的串行通信协议以通过串行通信总线进行通信；
步骤5，确定所述IRIG-B校时信号的串行通信模式为同步串行通信；
步骤6，判断耦合到所述串行通信总线的端口控制模块的配置模式，当所述端口控制模块被配置为用于所述串行通信总线上的异步通信时，根据所述本地的全局时钟信号，将所述端口控制模块从异步串行通信模式调整为同步串行通信模式；
步骤7，启用串行总线接口和选择的串行通信协议传输所述IRIG-B校时信号；
步骤8，所述DSP模块接收到所述IRIG-B校时信号，从所述IRIG-B校时信号获取当前时间数据对应的电平信号，将所述电平信号转化为当前的系统时间信息T0；
步骤9，所述DSP模块中断对系统时间的累加，产生中断IRQ；
步骤10，所述DSP模块把所述时间信息T0写到所述FPGA模块中所述双口RAM模块的约定地址中，所述FPGA模块将所述中断IRQ通过接口传输给PowerPC；
步骤11，所述PowerPC接收到所述中断IRQ后进行信息判断，当判断为校时信息中断时，记录此时系统时间信息T1；
步骤12，所述PowerPC启动中断服务子程序，从所述FPGA模块的所述双口RAM模块的约定地址中读取所述T0时间信息数据，记录此时系统时间信息T2；
步骤13，所述PowerPC使用系统函数校正系统时间。
本发明的有益效果包括：首先，本发明提高智能变电站安全稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，提高供电可靠性，节能降耗，减少事故隐患；其次，由于具有特别的GPS校时系统，克服了现有嵌入式系统自身时钟精度不够，且误差会产生累积的问题，能够提供ns级高精度时间校准，解决当前无法准确获知工作状态和对应时间的问题，减少因对时错误引起的事件顺序记录无效，极大降低变电站运行事故；再次，本发明在细节设计方面，通过双口RAM设计，不仅实现了嵌入式系统精准校时，而且实现DSP芯片和嵌入式系统间时间同步，避免了Linux系统时间片分散的问题，经过严格测试，DSP芯片和PowerPC处理器两者时间最大差异121us，可以做到0.1ms级，即使嵌入式Linux系统时间片的影响，仍能满足厂站内部时间同步监测精度不大于3ms的要求；另外，本发明将多个单独的串行通信协议的功能组合成单个组合的接口，并可以进行动态调整，满足了不同传输模式需求；最后，本发明通过监控IRIG-B校时信号传输状态，当传输错误率超过阈值则自动校准，使传输速率随之调整而趋近于传输速率请求，可有效降低传输错误的产生，并且可动态调整传输速率以满足不同的传输速率需求，整体维护了系统的稳定运行。
附图说明
图1本发明所提出的智能变电站自动化系统的基本架构；
图2本发明自动化系统中的GPS校时系统的基本架构。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图参考实施例的描述，对本发明的方法进行进一步的说明。
为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在实施例中，不详细描述公知的方法、过程、组件，以免不必要地使实施例繁琐。
参见图1所示，本发明的一种智能变电站自动化系统，所述自动化系统包括主机、通讯处理器、电源、监控显示器、视频图像服务器、调制解调器、GPS校时系统、监控系统、保护系统、报警系统和调度集控系统；
所述通讯处理器、电源和监控显示器分别连接主机，所述调制解调器和GPS校时系统分别连接通讯处理器，所述调制解调器接入以太网，并通过以太网连接视频图像服务器和调度集控系统，所述GPS校时系统与GPS卫星地面设备无线通信，所述通讯处理器和所述调度集控系统分别连接所述报警系统、所述测控系统和所述保护系统；
所述监控系统包括远程监控装置、无功补偿电容器控制器、遥控装置、遥测装置、遥信装置；
所述保护系统包括电能质量监测装置、电力参数测量仪和多回路监控单元，所述的电能质量监测装置负责进线开关和变压器的过流、过负荷、温度等的保护及监控，所述的电力参数测量仪负责变压器低压侧开关的监视和控制，所述的多回路监控单元负责消防电源和非消防电源联络开关的状态监视和控制。
当监控系统发现异常状况时，所述调度集控系统控制所述报警系统对进行报警，并控制保护系统对所述异常状况发生设备提供响应保护，将异常状况所在地位置显示于监控显示器上。
优选地，其中，所述遥测装置为模拟量采集模块，通过配接电压互感器、电流互感器、变送器，用于采集模拟量信号并转换为数字信号，经通讯连接实现与自动化系统的数据交换。
优选地，其中，所述的模拟量信号至少包括电流、电压、功率、温度、湿度、压力或流量。
优选地，其中，所述遥信装置为开关量采集模块，用于采集开关量信号并转换为数字信号，经通讯连接实现与自动化系统的数据交换.
参见图2所示，优选地，其中，所述GPS校时系统具体包括：
数字信号处理器DSP模块、现场可编程门阵列FPGA模块、嵌入式Linux系统CPUPowerPC、系统时间存储模块；所述DSP模块、所述FPGA模块、所述PowerPC通过串行通信接口依次连接；所述GPS卫星地面设备和所述DSP模块通过串行通信总线相连；
所述DSP模块，包括串行通信模块、以及总线控制寄存器、中断寄存器等寄存器保证DSP的正常运转，所述串行通信模块，集成多个串行通信协议的功能，可根据配置实现多个串行通信协议之一的通信模式，所述串行通信模块包含端口控制模块；
所述FPGA模块，包括具有两个独立端口的双口RAM模块、FPGA和FPGA配置芯片，所述双口RAM模块用于通过两路通道实现独立的读写功能，其中一路通道用于DSP读写，另一路通道用于PowerPC读写，所述FPGA配置芯片用来存贮FPGA的信息，所述FPGA对所述双口RAM模块进行读写控制及地址译码处理。
优选地，其中，所述校时系统还包括系统时间存储模块，用于对系统时间进行累加。
优选地，其中，所述GPS卫星地面设备包括GPS接收芯片、GPS发射芯片、卫星信号接收设备。
优选地，其中，所述GPS校时系统用于执行一种GPS校时方法，来对本发明的智能变电站自动化系统进行实时校时，维护了系统运行的稳定，所述校时方法包括：
步骤1，校时系统设备加电开机后，校时系统自动把DSP模块和FPGA模块的程序加载到相应的控制芯片中，使模块完成初始化；
步骤2，FPGA模块对所述DSP模块对应管脚进行配置，同时将所述DSP模块的输出时钟作为本地的全局时钟；
步骤3，GPS卫星地面设备向所述DSP模块发送信号，串行通信模块对信号进行类型判断；
步骤4，当判断所述通信信号为IRIG-B校时信号时，所述串行通信模块基于所述IRIG-B校时信号从多个串行通信协议中选择适用的串行通信协议以通过串行通信总线进行通信；
步骤5，确定所述IRIG-B校时信号的串行通信模式为同步串行通信；
步骤6，判断耦合到所述串行通信总线的端口控制模块的配置模式，当所述端口控制模块被配置为用于所述串行通信总线上的异步通信时，根据所述本地的全局时钟信号，将所述端口控制模块从异步串行通信模式调整为同步串行通信模式；
步骤7，启用串行总线接口和选择的串行通信协议传输所述IRIG-B校时信号；
步骤8，所述DSP模块接收到所述IRIG-B校时信号，从所述IRIG-B校时信号获取当前时间数据对应的电平信号，将所述电平信号转化为当前的系统时间信息T0；
步骤9，所述DSP模块中断对系统时间的累加，产生中断IRQ；
步骤10，所述DSP模块把所述时间信息T0写到所述FPGA模块中所述双口RAM模块的约定地址中，所述FPGA模块将所述中断IRQ通过接口传输给PowerPC；
步骤11，所述PowerPC接收到所述中断IRQ后进行信息判断，当判断为校时信息中断时，记录此时系统时间信息T1；
步骤12，所述PowerPC启动中断服务子程序，从所述FPGA模块的所述双口RAM模块的约定地址中读取所述T0时间信息数据，记录此时系统时间信息T2；
步骤13，所述PowerPC使用系统函数校正系统时间。
优选地，其中，用于校正系统时间的所述系统函数为do_settimeofday()，校正公式为T＝T0+(T2-T1)。
优选地，其中，所述步骤7，启用串行总线接口和选择的串行通信协议传输所述IRIG-B校时信号，具体包括：
步骤7-1，接收传输速率请求；
步骤7-2，根据所述传输速率请求进行计算以产生一分数值；
步骤7-3，将预设的参考频率除以所述分数值，产生第一传输速率；
步骤7-4，将所述第一传输速率提供给所述DSP模块，使所述DSP模块根据所述第一传输速率接收所述IRIG-B校时信号；
步骤7-5，监控信号传输的传输错误率，若所述传输错误率超过阈值，调节所述分数值，将所述参考频率除以调节后的分数值，产生第二传输速率，将所述第二传输速率提供给所述DSP模块，使所述DSP模块根据所述第二传输速率接收所述IRIG-B校时信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：首先，本发明提高智能变电站安全稳定运行水平，降低运行维护成本，提高经济效益，提高供电可靠性，节能降耗，减少事故隐患；其次，克服了现有嵌入式系统自身时钟精度不够，且误差会产生累积的问题，能够提供ns级高精度时间校准，解决当前无法准确获知工作状态和对应时间的问题，减少因对时错误引起的事件顺序记录无效，极大降低变电站运行事故；再次，本发明在细节设计方面，通过双口RAM设计，不仅实现了嵌入式系统精准校时，而且实现DSP芯片和嵌入式系统间时间同步，避免了Linux系统时间片分散的问题，经过严格测试，DSP芯片和PowerPC处理器两者时间最大差异121us，可以做到0.1ms级，即使嵌入式Linux系统时间片的影响，仍能满足厂站内部时间同步监测精度不大于3ms的要求；另外，本发明将多个单独的串行通信协议的功能组合成单个组合的接口，并可以进行动态调整，满足了不同传输模式需求；最后，本发明通过监控IRIG-B校时信号传输状态，当传输错误率超过阈值则自动校准，使传输速率随之调整而趋近于传输速率请求，可有效降低传输错误的产生，并且可动态调整传输速率以满足不同的传输速率需求，整体维护了系统的稳定运行。
这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。
Claims (6)
1.一种智能变电站自动化系统，其特征在于，所述自动化系统包括主机、通讯处理器、电源、监控显示器、视频图像服务器、调制解调器、GPS校时系统、监控系统、保护系统、报警系统和调度集控系统；
所述通讯处理器、电源和监控显示器分别连接主机，所述调制解调器和GPS校时系统分别连接通讯处理器，所述调制解调器接入以太网，并通过以太网连接视频图像服务器和调度集控系统，所述GPS校时系统与GPS卫星地面设备无线通信，所述通讯处理器和所述调度集控系统分别连接所述报警系统、所述保护系统；
所述监控系统包括远程监控装置、无功补偿电容器控制器、遥控装置、遥测装置、遥信装置；
所述保护系统包括电能质量监测装置、电力参数测量仪和多回路监控单元，所述的电能质量监测装置负责进线开关和变压器的过流、过负荷、温度的保护及监控，所述的电力参数测量仪负责变压器低压侧开关的监视和控制，所述的多回路监控单元负责消防电源和非消防电源联络开关的状态监视和控制；
当监控系统发现异常状况时，所述调度集控系统控制所述报警系统对进行报警，并控制保护系统对所述异常状况发生设备提供响应保护，将异常状况所在地位置显示于监控显示器上；
所述GPS校时系统具体包括：
数字信号处理器DSP模块、现场可编程门阵列FPGA模块、嵌入式Linux系统CPUPowerPC、系统时间存储模块；所述DSP模块、所述FPGA模块、所述PowerPC通过串行通信接口依次连接；所述GPS卫星地面设备和所述DSP模块通过串行通信总线相连；
所述DSP模块，包括串行通信模块、以及总线控制寄存器和中断寄存器，保证DSP的正常运转，所述串行通信模块，集成多个串行通信协议的功能，可根据配置实现多个串行通信协议之一的通信模式，所述串行通信模块包含端口控制模块；
所述FPGA模块，包括具有两个独立端口的双口RAM模块、FPGA和FPGA配置芯片，所述双口RAM模块用于通过两路通道实现独立的读写功能，其中一路通道用于DSP读写，另一路通道用于PowerPC读写，所述FPGA配置芯片用来存贮 FPGA的信息，所述FPGA对所述双口RAM模块进行读写控制及地址译码处理。
2.如权利要求1所述的自动化系统，其中，所述遥测装置为模拟量采集模块，通过配接电压互感器、电流互感器、变送器，用于采集模拟量信号并转换为数字信号，经通讯连接实现与自动化系统的数据交换。
3.如权利要求2所述的自动化系统，其中，所述的模拟量信号至少包括电流、电压、功率、温度、湿度、压力或流量。
4.如权利要求1所述的自动化系统，其中，所述遥信装置为开关量采集模块，用于采集开关量信号并转换为数字信号，经通讯连接实现与自动化系统的数据交换。
5.如权利要求1所述的自动化系统，其中，所述校时系统还包括系统时间存储模块，用于对系统时间进行累加。
6.如权利要求1所述的自动化系统，其中，所述GPS卫星地面设备包括GPS接收芯片、GPS发射芯片、卫星信号接收设备。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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