CN111313555A - 一种用于智能变电站的全冗余智能终端装置 - Google Patents

Abstract

一种高可靠性全冗余的智能终端装置，通过硬件和软件的全冗余设计方案将接收到的保护装置冗余GOOSE报文进行处理，只有在2个冗余报文状态一致的情况下，智能终端装置才将出口继电器的触点闭合执行跳闸操作，否则出口继电器的触点不会闭合，有效避免继电保护装置和智能终端装置在任一元件损坏或因任一软件模块异常而造成误动作情况的发生，同时可以发现装置故障并告警、及时进行维修，确保智能终端装置出口是可靠的。该智能终端装置可直接应用于工程应用的过程层设备中。

Description

一种用于智能变电站的全冗余智能终端装置

技术领域

本发明属于智能变电站领域，特别涉及一种全冗余高可靠的智能终端装置。

背景技术

目前，智能变电站给变电站的保护装置、自动化装置和运维管理带来深远的影响和巨大的变革，现已成为智能电网建设的重要组成部分，由于智能变电站的广泛应用，在经济和技术方面都有着重大意义。随着数字化通信技术在智能变电站内的广泛应用，智能终端装置已成为变电站内遥信信号采集，断路器、刀闸控制的重要环节，其功能和性能受到广泛关注。然而，随着智能变电站普及，智能终端装置在安全、可靠、稳定性各方面还不够成熟，出现了一些问题。因此，智能终端装置可靠和稳定性能的提高是衡量智能变电站稳定、可靠的运行重要指标。

智能终端装置作为过程层设备，遵循IEC61850标准，为数字化变电站间隔层、站控层设备提供断路器、刀闸等状态量信息以及完成相应控制执行操作。智能终端装置通过IEC61850-8-1的GOOSE报文与保护装置进行信息交互，是保护装置的监视和执行者，直接控制刀闸和断路器，动作行为的正确性尤其重要, 一旦智能终端装置运行异常，误动或拒动都会造成严重事故，严重时会造成全变电站失电。

现有技术实现中，采用单CPU完成断路器跳合闸操作，而保护装置采用启动CPU和保护CPU，合成1条GOOSE报文进行跳闸，智能终端装置接收到 GOOSE报文后采用单帧跳闸，没有任何的冗余可言，容易造成误出口。本发明采用一种全冗余的方法来有效抵御智能终端装置和保护装置任一元件或软件出现异常时，智能终端装置不误输出跳闸动作命令，该方法简单明了，具备较强的可实施性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过程层设备即全冗余高可靠的智能终端装置用于有效地监测整个智能终端装置中的每个元件是否正常、软件是否正常运行，如有异常能及时地告知监控后台，通知维护人员进行维修。本发明旨在提高过程层设备和保护设备的安全动作行为。

本发明采用以下技术方案实现：

一种用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其与设置有启动CPU、保护 CPU和FPGA的保护装置以IEC61850-8-1标准进行交互，该智能终端装置包括：分时复用以太网、FPGA、启动CPU、出口CPU、启动继电器和出口插件；在智能终端装置的FPGA中设置有软核MAC以及各自独立、互不影响的第一以太网模块和第二以太网模块；智能终端装置FPGA的软核MAC从以太网获得保护装置启动CPU的启动GOOSE报文和保护装置保护CPU的跳闸GOOSE报文，通过管道通信传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块将这两种报文通过管道通信传送给智能终端装置的启动CPU，第二以太网模块将这两种报文通过管道通信传送给智能终端装置的出口CPU；智能终端装置的启动CPU 根据保护装置启动CPU的启动GOOSE报文，通过启动继电器控制出口插件的出口继电器线圈负端与地的联接；智能终端装置的出口CPU根据保护装置保护 CPU的跳闸GOOSE报文，控制出口插件的出口继电器线圈正端与电源的联接。

优选地，保护装置的启动CPU采集到外部数据后，判断为有故障疑似时，通过以太网输出闭合启动继电器的启动GOOSE报文，智能终端装置FPGA的软核MAC接收到该启动GOOSE报文，传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块将该启动GOOSE报文传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU，智能终端装置的启动CPU通过GOOSE报文设备号APPID 判断为启动GOOSE报文，解析该启动GOOSE报文；智能终端装置的出口CPU 通过GOOSE报文的设备号APPID判断为非跳闸报文，丢弃该启动GOOSE报文；

保护装置的保护CPU采集到外部数据后，判断故障需要外部跳闸时，通过以太网输出跳闸GOOSE报文，智能终端装置FPGA中的软核MAC接收到该跳闸GOOSE报文，传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块分别给传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU，智能终端装置的启动CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为非启动报文，丢弃该跳闸GOOSE报文；智能终端装置的出口CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为保护CPU的跳闸GOOSE报文，解析该跳闸GOOSE报文。

优选地，智能终端装置的启动CPU控制启动继电器线圈正端是否与电源联接，启动继电器线圈控制启动继电器触点是否闭合，启动继电器触点控制出口插件的出口继电器线圈和控制继电器线圈的负端与地的联接；如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为合启动继电器时，则发出闭合启动继电器命令，启动继电器触点闭合，导通出口继电器线圈负端与地的联接；如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为分启动继电器时，则发出打开启动继电器命令，启动继电器触点断开，断开出口继电器线圈负端与地的联接。

优选地，智能终端装置的启动CPU与启动继电器线圈之间设置有第一光耦，第一光耦原边与智能终端装置的启动CPU相连接，副边分别与启动继电器线圈正端和电源相连接；如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为合启动继电器时，智能终端装置的启动CPU输出低电平使的第一光耦原边导通，启动继电器线圈正端与电源导通，启动继电器线圈的负端直接接地，启动继电器线圈有电流流过，启动继电器触点闭合，启动继电器触点一端接地，另一端接出口继电器线圈和控制继电器线圈的负端，导通出口继电器线圈负端与地的联接；如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为分启动继电器时，智能终端装置的启动CPU输出高电平使的第一光耦原边关断，启动继电器线圈正端与电源断开，启动继电器线圈没有电流流过，启动继电器触点断开，断开出口继电器线圈负端与地的联接。

优选地，智能终端装置的出口CPU通过CAN总线发送CAN报文至出口插件的出口插件CPU，出口插件CPU控制出口插件的出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接；如果智能终端装置出口CPU解析的跳闸GOOSE 报文中的命令为跳闸命令时，则向出口插件发出闭合出口继电器的命令，导通出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接；如果智能终端装置出口 CPU解析的跳闸GOOSE报文中的命令为收回跳闸命令时，则向出口插件发出打开出口继电器的命令，断开出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接。

优选地，出口插件包括：出口插件CPU、第二光耦、第三光耦、出口继电器和控制继电器；出口插件CPU与第二光耦、第三光耦原边相联接，第二光耦、第三光耦副边均与电源和出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端相联接；如果智能终端装置出口CPU解析的跳闸GOOSE报文中的命令为跳闸命令时，智能终端装置出口CPU经CAN总线向出口插件发送CAN跳闸命令，出口插件收到跳闸命令后，出口插件CPU的管脚输出相应的电平，驱动第二光耦、第三光耦原端导通，导通出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接；如果智能终端装置出口CPU解析的跳闸GOOSE报文中的命令为收回跳闸命令时，智能终端装置出口CPU经CAN总线向出口插件发送CAN收回跳闸命令，出口插件收到收回跳闸命令后，出口插件CPU的管脚输出相应的电平，驱动第二光耦、第三光耦原端关断，断开出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接。

优选地，智能终端装置还包括遥信插件，智能终端装置的启动CPU和出口 CPU均接收遥信插件的遥信信号，各自组成GOOSE报文，分别发送给智能终端装置FPGA的第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块将两种GOOSE报文通过FPGA的软核MAC和以太网传送给保护装置的启动CPU和保护CPU，使保护装置采集到两组互为冗余的遥信信号。

优选地，遥信插件的每一路遥信均包括两个光耦，两个光耦副边均采用正反极性相反的冗余采集遥信信号，监视光耦击穿和光耦副边电源异常；出口插件的出口继电器线圈的负端经过电阻与第四光耦的原边联接，用于检测出口继电器线圈是否断线；出口插件的出口继电器具有两副触点，一副触点用于接外回路控制断路器跳闸出口，另一副触点用于光耦进行回采，获得出口继电器输出的状态，确认出口CPU发出的跳闸信号出口插件是否正确执行。

优选地，智能终端装置的软核MAC获得保护装置启动CPU的启动GOOSE 报文和保护装置保护CPU的跳闸GOOSE报文，通过管道通信传送给第一以太网模块和第二以太网模块后，第一以太网模块和第二以太网模块相互冗余地完成：进行CRC校验；GOOSE报文帧特征字检查，只接收GOOSE报文；网络风暴识别；在GOOSE报文外层增加接收到的时间戳和CRC。第一以太网模块和第二以太网模块将这两种报文分别通过管道通信传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU后，启动CPU和出口CPU相互冗余地完成：报文校验；GOOSE解包；是否为本CPU的订阅的GOOSE报文，如为订阅报文则接收，其它丢弃；判断 GOOSE报文接收逻辑，逻辑正确则解析数据，否则丢弃。

优选地，智能终端装置的启动CPU和出口CPU定时进行实时数据交互，如果发现2个CPU的实时数据不一致则延时确认告警。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明通过过程层设备智能终端装置的全冗余设计，包括硬件部分、通讯报文和数据处理，由智能终端装置启动 CPU和出口CPU分别接收保护装置启动CPU和保护CPU冗余的GOOSE动作报文，根据报文的动作行为分别控制启动继电器线圈和出口继电器线圈。同时可以监视两者动作行为是否一致，如长期不一致，则告警，同时闭锁继电器输出。防止保护装置和智能终端装置单一硬件的损坏和软件的异常造成智能终端装置误动作的发生。硬件的损坏包括装置内部CPU异常，遥信插件光耦击穿，开出插件继电器异常等，可用硬件冗余解决。软件的异常包括由于各种原因导致的软件运行异常，其中典型的是由于宇宙高频射线及CPU或RAM芯片封装材料的α射线引起芯片程序区或者全局变量区数据电平反转，致使CPU运行程序区或数据区被意外修改，引起CPU的逻辑结果异常，可用通过2个CPU冗余来控制不同继电器得以解决。通过全冗余的配置可以使智能终端装置的输出更加可靠、可信，结构简单，可实施性强。

附图说明

图1为本发明公开的全冗余高可靠的智能终端装置结构框图。

图2为2个遥信插件双光耦采集原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

下面结合说明书附图1，对本发明的技术方案作进一步详细介绍。

在本申请实施例中，提供了一种全冗余的智能终端装置，包括分时复用以太网，现场可编程门阵列FPGA，启动CPU、出口CPU、启动继电器、出口插件、遥信插件。保护装置与智能终端装置通过IEC61850-8-1标准(GOOSE报文)进行信息交互。保护装置包括：启动CPU、保护CPU和设置有软核MAC的FPGA。

分时复用以太网的以太网线上按不同的时间段分别传输不同CPU的报文；智能终端装置的FPGA中设置软核MAC以及各自独立、互不影响的第一以太网模块和第二以太网模块，智能终端装置FPGA的MAC获得保护装置启动CPU 的GOOSE报文和保护装置保护CPU的GOOSE报文，将2种报文均传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块的处理工作完全一样，相互冗余地完成如下工作：(1)进行CRC校验；(2)GOOSE报文帧特征字检查，只接收GOOSE报文；(3)网络风暴识别；(4)在GOOSE报文外层增加接收到的时间戳和CRC。

其中，网络风暴,或称广播风暴,是指过多的数据包在网络中广播,消耗了大量的网络带宽,导致正常的数据包无法在网络中正常传送,网络通讯缓慢甚至陷于瘫痪。智能变电站的稳定依赖于网络的正常运行，平稳有序的网络流量是站内智能设备稳定运行的关键。而网络报文又具有随机性，当某类报文流量达到一定阈值后会产生网络风暴，轻则影响报文订阅方的运行，重则对全网段装置产生影响，甚至会引起保护退出。CRC校验是指循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check, CRC)，是一种广泛运用于通信网络以及自定义数据传输协议中的数据传输检错方法，避免因报文错误导致装置误动作出口。

判别GOOSE报文正确后第一以太网模块将接收到的以太网GOOSE报文传送给启动CPU，第二以太网模块将接收到的以太网GOOSE报文传送给出口CPU。

启动CPU接收到第一以太网模块的GOOSE报文后，只接收保护装置启动 CPU的启动GOOSE报文，其它丢弃。出口CPU接收到第二以太网模块的GOOSE 报文后，只接收保护装置保护CPU的跳闸GOOSE报文，其它丢弃。智能终端装置的启动CPU和出口CPU处理工作完全一样，相互冗余地完成如下工作：(1) 报文校验；(2)GOOSE解包；(3)是否为本CPU的订阅的GOOSE报文，如为订阅报文则接收，其它丢弃；(4)判断GOOSE报文接收逻辑，逻辑正确则解析数据，否则丢弃；处理上述工作后，智能终端装置的启动CPU和出口CPU各自进行如下处理：

智能终端装置的启动CPU接收保护装置的启动CPU的启动GOOSE报文，智能终端装置的出口CPU接收保护装置的保护CPU的跳闸GOOSE报文，智能终端装置的启动CPU通过启动继电器触点控制出口继电器线圈负端与地的联接，智能终端装置的出口CPU经CAN总线发送CAN报文至出口插件CPU，出口插件CPU控制出口继电器的线圈正端与24V电源的联接。要使智能终端装置的出口继电器闭合必须满足保护装置启动CPU发送启动GOOSE命令，并且保护装置保护CPU发送跳闸的GOOSE命令，这样才能闭合智能终端装置的出口继电器，两者为与逻辑关系。

可选择地，保护装置的启动CPU采集到外部数据后，进行启动逻辑运算，当启动CPU输出逻辑结果为系统有故障疑似时，通过光纤以太网输出闭合启动继电器的启动GOOSE报文，智能终端装置FPGA中的软核MAC接收到该启动 GOOSE报文，传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块将该GOOSE报文传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU。智能终端装置的启动CPU通过GOOSE报文设备号APPID判断为启动GOOSE报文，解析该GOOSE报文；智能终端装置的出口CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为非跳闸GOOSE报文，丢弃该GOOSE报文。

如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为合启动继电器时，则发出闭合启动继电器命令，启动继电器触点闭合，闭合出口继电器线圈负端与地的联接。如果GOOSE报文中的命令为分启动继电器时，则发出打开启动继电器命令，启动继电器触点断开，断开出口继电器线圈负端与地的联接。

如图1所示，智能终端装置的启动CPU控制启动继电器的线圈QDJ，启动继电器的线圈QDJ控制启动继电器触点QDJ-1，启动继电器触点QDJ-1控制出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的负端与地的联接。

具体地，智能终端装置的启动CPU通过GOOSE报文设备号APPID确认为启动GOOSE报文，解析该启动GOOSE报文，如果智能终端装置启动CPU解析的GOOSE报文中的命令为合启动继电器时，智能终端装置的启动CPU输出低电平使的第一光耦T1原边导通，启动继电器线圈QDJ正端与24V电源导通，启动继电器线圈QDJ的负端直接接地，此时启动继电器线圈QDJ有电流流过，启动继电器触点QDJ-1闭合，启动继电器触点QDJ-1一端接地，另一端接出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的负端。这样保护装置的启动CPU下达启动命令后，为智能终端装置的出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ提供地端，由于出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的正端还受出口CPU的控制，因此出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ还不能闭合。相反，如保护装置的启动CPU判断系统恢复正常，则会发送收回启动继电器GOOSE命令，相应触点打开过程与闭合相似。

可选择地，保护装置的保护CPU采集到外部数据后，进行保护逻辑运算，当保护CPU输出逻辑结果确认为系统故障需要外部跳闸时，通过光纤以太网输出跳闸GOOSE报文，智能终端装置FPGA中的软核MAC接收到该跳闸GOOSE 报文，传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块分别给传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU。智能终端装置的启动 CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为非启动报文，丢弃该GOOSE报文；智能终端装置的出口CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为保护CPU 的跳闸报文，解析该GOOSE报文。

如果智能终端装置出口CPU解析的GOOSE报文中的命令为跳闸命令时，则向出口插件发出闭合出口继电器的命令，出口插件收到命令后，如图1所示，则向控制出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的第二光耦T2、第三光耦 T3输出低电平，此时出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的正端与24V 电源相接，如此时启动继电器闭合则出口继电器和控制继电器触点闭合，否则出口继电器不能闭合，因此只有保护装置的启动CPU和保护CPU都发出闭合命令时，智能终端装置的出口继电器才能闭合，这样防止单系统下任一元件损坏和任一软件模块异常造成保护误动作情况的发生。

如图1所示，智能终端装置的出口CPU通过CAN总线发送CAN网报文至出口插件CPU，出口插件CPU控制出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ 的正端与电源的联接。

具体地，智能终端装置的出口CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为保护CPU的跳闸报文，解析该跳闸GOOSE报文，如果智能终端装置出口CPU 解析的GOOSE报文中的命令为跳闸命令时，通过CAN网总线向出口插件发送 CAN网跳闸命令，出口插件收到跳闸命令后，出口插件CPU的管脚输出相应的电平，驱动第二光耦T2、第三光耦T3原端导通，使得出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的正端与电源24V联接。由于启动继电器触点QDJ-1已闭合，为出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ负端已与地联通，整个继电器线圈 TJ和控制继电器KTJ电源回路导通，出口继电器触点TJ-1和控制继电器触点 KTJ-1闭合，完成整个跳闸命令，相反，如保护装置的保护CPU判断系统恢复正常，如果GOOSE报文中的命令为收回跳闸命令时，相应触点打开过程与闭合相似。

只有在启动继电器触点QDJ-1闭合时，即出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的负端接通地，出口插件的出口命令也下达时，出口继电器线圈TJ和控制继电器线圈KTJ的正端接通24V电源，此时出口继电器线圈才能有电流流过，满足出口继电器触点TJ-1和控制继电器线圈触点KTJ-1闭合条件，两者为逻辑与关系。控制继电器触点KTJ-1与出口继电器触点TJ-1，两者为串联关系，两者同时出口时，外接出口接线端子闭合，任一继电器异常外接出口接线端子打开，保证可靠出口。

由上述内容可知，当保护装置启动CPU、保护CPU、智能终端装置启动CPU、出口CPU，4个CPU中任意一个异常，出口继电器不会出口，因此启动和保护回路任意一个误判均不会出口。

智能终端装置与保护装置有4个CPU需要相互通讯，内部无交换机，采用 FPGA软交换方式，保护装置与智能终端装置的FPGA使用内部软MAC与各自的2个CPU按分时复用方式进行通讯，当智能终端装置的MAC接收到外部以太网数据时，分别给FPGA的第一以太网模块和第二以太网模块，由他们分别将正确的GOOSE报文给启动CPU和出口CPU。启动CPU和出口CPU要发送 GOOSE报文分别给第一以太网模块和第二以太网模块，按8000中断，奇数次中断MAC传输启动CPU的GOOSE报文，偶数次中断MAC传输出口CPU的 GOOSE报文(即分时复用)，由他们采用分时复用方式传送给软MAC，再通过光纤以太网分别传送给保护装置的启动CPU和保护CPU。

智能终端装置的启动CPU和出口CPU均接收遥信插件的遥信信号，各自组成GOOSE报文，分别传送给智能终端装置FPGA的第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块将各自GOOSE报文通过FPGA的软核MAC和以太网光纤传送给保护装置的启动CPU和保护CPU进行逻辑判断。使得保护装置采集到两组互为冗余的遥信信号。

智能终端装置用光耦采集断路器和刀闸位置触点状态，为了防止光耦击穿导致遥信位置不正确，每一路遥信均采用2个光耦采集遥信信号，遥信插件将遥信信息发送到CAN总线上，智能终端装置的启动CPU和出口CPU分别从CAN 总线上获得遥信信息，接收到报文后，将遥信信息以GOOSE报文通过各自的传输链路传送给保护装置的启动CPU和保护CPU，由保护装置的启动CPU和保护 CPU插件收到遥信后各自进行逻辑判断。

如图2所示，遥信插件每一路遥信的2个光耦副边均采用正反极性相反的冗余采集遥信信号，具有监视光耦击穿和光耦副边电源异常的功能，同时装置还具备启动继电器和出口继电器线圈开路检测功能。

1路遥信输入分别给2个光耦G5、G6，当外回路提供220V直流时，光耦 G5、G6的原边导通，对于光耦G5副边输出高电平，而光耦G6副边输出低电平，遥信插件CPU可以分别获得光耦G5、G6副边的状态，当其中一个光耦击穿后如G5原边或副边击穿，不论外回路电源是否提供，光耦G5副边输出电平不变，而光耦G6的副边电平会变化。正常情况下，G5、G6两个光耦副边电平相反，如2个电平一致，经延时确认后，报光耦击穿或副边电源异常。

为了确认CPU发出的跳闸信号出口插件是否正确执行，在出口插件的继电器有2副触点，1副触点用于接外回路控制断路器跳闸出口，另一副触点用于光耦进行回采，获得继电器输出的状态。

所述智能终端装置还包括出口插件的出口继电器线圈TJ、控制继电器线圈 KTJ断线检测功能和结构，出口继电器TJ和控制继电器KTJ采用松下继电器DSP 1-DC24V，其参数如下：

额定动作电流	12.5mA
		线圈电阻	1920Ω

当继电器线圈电流小于6mA时，继电器不会动作，而第四光耦G1原端二极管施加3mA时，即能可靠导通,在继电器线圈的电源侧施加24V，串联6KΩ的电阻，控制出口继电器线圈TJ的负端分合，即可控制光耦的通断，而此时的流过线圈电流为3mA<6mA,继电器不会吸合。当线圈正常时，出口插件CPU输出低电平时，控制第二光耦T2原端导通，使得出口继电器线圈TJ正端与24V 电源联通，由于出口继电器线圈TJ的负端经过电阻R(6K)、第四光耦G1与地相联，流过出口继电器线圈TJ和第四光耦G1的电流为3mA，第四光耦G1的原边导通，第四光耦G1的副边输出低电平，由于继电器线圈电流为3mA小于 6mA，出口继电器TJ的触点不会吸合。当出口继电器线圈TJ烧断时，出口CPU 输出低电平，这时第四光耦G1的原边没有电流，第四光耦G1副边输出为高电平，即可判断出口继电器线圈TJ是否烧断，同理判断控制继电器线圈KTJ是否烧断。

由于出口继电器线圈TJ有电流时，其2个触点TJ-1和TJ-2同时闭合，TJ-2 的状态即为TJ-1的状态。为了回采出口继电器触点TJ-2的状态，在TJ-2与第五光耦G2的原端并联，如图所示，正常情况下TJ-2打开流过第五光耦G2原边电流为3mA,第五光耦G2可靠导通，第五光耦G2的副边输出低电平，当TJ-2闭合时，第五光耦G2的原边被短路没有电流流过，第五光耦G2副边输出高电平，从而可以确定跳闸继电器是否正确执行保护装置发出的跳闸指令。同理，通过在 KTJ-2余第六光耦G3的原端并联，从而可以确定跳闸继电器是否正确执行保护装置发出的跳闸指令。

本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明通过过程层设备智能终端装置的全冗余设计，包括硬件部分、通讯报文和数据处理，由智能终端装置启动 CPU和出口CPU分别接收保护装置启动CPU和保护CPU冗余的GOOSE动作报文，根据报文的动作行为分别控制启动继电器线圈和出口继电器线圈。同时可以监视两者动作行为是否一致，如长期不一致，则告警，同时闭锁继电器输出。防止保护装置和智能终端装置单一硬件的损坏和软件的异常造成智能终端装置误动作的发生。硬件的损坏包括装置内部CPU异常，遥信插件光耦击穿，开出插件继电器异常等，可用硬件冗余解决。软件的异常包括由于各种原因导致的软件运行异常，其中典型的是由于宇宙高频射线及CPU或RAM芯片封装材料的α射线引起芯片程序区或者全局变量区数据电平反转，致使CPU运行程序区或数据区被意外修改，引起CPU的逻辑结果异常，可用通过2个CPU冗余来控制不同继电器得以解决。通过全冗余的配置可以使智能终端装置的输出更加可靠、可信，结构简单，可实施性强。

名词解释

CPU：Central Processing Unit，中央处理机；

FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列；

GOOSE：Generic Object Oriented Substation Event，面向通用对象的变电站事件；

APPID：Application Identification，应用标识；

CRC：Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验；

CAN：Controller Area Network，控制器局域网络总线；

MAC：Media Access Control

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其与设置有启动CPU、保护CPU和FPGA的保护装置以IEC61850-8-1标准进行交互，其特征在于：

该智能终端装置包括：分时复用以太网、FPGA、启动CPU、出口CPU、启动继电器和出口插件；在智能终端装置的FPGA中设置有软核MAC以及各自独立、互不影响的第一以太网模块和第二以太网模块；

智能终端装置FPGA的软核MAC从以太网获得保护装置启动CPU的启动GOOSE报文和保护装置保护CPU的跳闸GOOSE报文，通过管道通信传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块将这两种报文通过管道通信传送给智能终端装置的启动CPU，第二以太网模块将这两种报文通过管道通信传送给智能终端装置的出口CPU；

智能终端装置的启动CPU根据保护装置启动CPU的启动GOOSE报文，通过启动继电器控制出口插件的出口继电器线圈负端与地的联接；智能终端装置的出口CPU根据保护装置保护CPU的跳闸GOOSE报文，控制出口插件的出口继电器线圈正端与电源的联接。

2.如权利要求1所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

保护装置的启动CPU采集到外部数据后，判断为有故障疑似时，通过以太网输出闭合启动继电器的启动GOOSE报文，智能终端装置FPGA的软核MAC接收到该启动GOOSE报文，传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块将该启动GOOSE报文传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU，智能终端装置的启动CPU通过GOOSE报文设备号APPID判断为启动GOOSE报文，解析该启动GOOSE报文；智能终端装置的出口CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为非跳闸报文，丢弃该启动GOOSE报文；

保护装置的保护CPU采集到外部数据后，判断故障需要外部跳闸时，通过以太网输出跳闸GOOSE报文，智能终端装置FPGA中的软核MAC接收到该跳闸GOOSE报文，传送给第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块分别给传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU，智能终端装置的启动CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为非启动报文，丢弃该跳闸GOOSE报文；智能终端装置的出口CPU通过GOOSE报文的设备号APPID判断为保护CPU的跳闸GOOSE报文，解析该跳闸GOOSE报文。

3.如权利要求2所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

智能终端装置的启动CPU控制启动继电器线圈正端是否与电源联接，启动继电器线圈控制启动继电器触点是否闭合，启动继电器触点控制出口插件的出口继电器线圈和控制继电器线圈的负端与地的联接；

如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为合启动继电器时，则发出闭合启动继电器命令，启动继电器触点闭合，导通出口继电器线圈负端与地的联接；

如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为分启动继电器时，则发出打开启动继电器命令，启动继电器触点断开，断开出口继电器线圈负端与地的联接。

4.如权利要求3所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

智能终端装置的启动CPU与启动继电器线圈之间设置有第一光耦(T1)，第一光耦(T1)原边与智能终端装置的启动CPU相连接，副边分别与启动继电器线圈正端和电源相连接；

如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为合启动继电器时，智能终端装置的启动CPU输出低电平使的第一光耦原边导通，启动继电器线圈正端与电源导通，启动继电器线圈的负端直接接地，启动继电器线圈有电流流过，启动继电器触点闭合，启动继电器触点一端接地，另一端接出口继电器线圈和控制继电器线圈的负端，导通出口继电器线圈负端与地的联接；

如果智能终端装置启动CPU解析的启动GOOSE报文中的命令为分启动继电器时，智能终端装置的启动CPU输出高电平使的第一光耦原边关断，启动继电器线圈正端与电源断开，启动继电器线圈没有电流流过，启动继电器触点断开，断开出口继电器线圈负端与地的联接。

5.如权利要求2所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

智能终端装置的出口CPU通过CAN总线发送CAN报文至出口插件的出口插件CPU，出口插件CPU控制出口插件的出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接；

如果智能终端装置出口CPU解析的跳闸GOOSE报文中的命令为跳闸命令时，则向出口插件发出闭合出口继电器的命令，导通出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接；

如果智能终端装置出口CPU解析的跳闸GOOSE报文中的命令为收回跳闸命令时，则向出口插件发出打开出口继电器的命令，断开出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接。

6.如权利要求5所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

出口插件包括：出口插件CPU、第二光耦(T2)、第三光耦(T3)、出口继电器和控制继电器；出口插件CPU与第二光耦(T2)、第三光耦(T3)原边相联接，第二光耦(T2)、第三光耦(T3)副边均与电源和出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端相联接；

如果智能终端装置出口CPU解析的跳闸GOOSE报文中的命令为跳闸命令时，智能终端装置出口CPU经CAN总线向出口插件发送CAN跳闸命令，出口插件收到跳闸命令后，出口插件CPU的管脚输出相应的电平，驱动第二光耦(T2)、第三光耦(T3)原端导通，导通出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接；

如果智能终端装置出口CPU解析的跳闸GOOSE报文中的命令为收回跳闸命令时，智能终端装置出口CPU经CAN总线向出口插件发送CAN收回跳闸命令，出口插件收到收回跳闸命令后，出口插件CPU的管脚输出相应的电平，驱动第二光耦(T2)、第三光耦(T3)原端关断，断开出口继电器线圈和控制继电器线圈的正端与电源的联接。

7.如权利要求2所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

智能终端装置还包括遥信插件，智能终端装置的启动CPU和出口CPU均接收遥信插件的遥信信号，各自组成GOOSE报文，分别发送给智能终端装置FPGA的第一以太网模块和第二以太网模块，第一以太网模块和第二以太网模块将两种GOOSE报文通过FPGA的软核MAC和以太网传送给保护装置的启动CPU和保护CPU，使保护装置采集到两组互为冗余的遥信信号。

8.如权利要求7所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

遥信插件的每一路遥信均包括两个光耦，两个光耦副边均采用正反极性相反的冗余采集遥信信号，监视光耦击穿和光耦副边电源异常；

出口插件的出口继电器线圈(TJ)的负端经过电阻与第四光耦(G1)的原边联接，用于检测出口继电器线圈是否断线；

出口插件的出口继电器具有两副触点，一副触点用于接外回路控制断路器跳闸出口，另一副触点用于光耦进行回采，获得出口继电器输出的状态，确认出口CPU发出的跳闸信号出口插件是否正确执行。

9.如权利要求1或2所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

智能终端装置的软核MAC获得保护装置启动CPU的启动GOOSE报文和保护装置保护CPU的跳闸GOOSE报文，通过管道通信传送给第一以太网模块和第二以太网模块后，第一以太网模块和第二以太网模块相互冗余地完成：进行CRC校验；GOOSE报文帧特征字检查，只接收GOOSE报文；网络风暴识别；在GOOSE报文外层增加接收到的时间戳和CRC。

第一以太网模块和第二以太网模块将这两种报文分别通过管道通信传送给智能终端装置的启动CPU和出口CPU后，启动CPU和出口CPU相互冗余地完成：报文校验；GOOSE解包；是否为本CPU的订阅的GOOSE报文，如为订阅报文则接收，其它丢弃；判断GOOSE报文接收逻辑，逻辑正确则解析数据，否则丢弃。

10.如权利要求1中9中任一项所述的用于智能变电站的全冗余智能终端装置，其特征在于，

智能终端装置的启动CPU和出口CPU定时进行实时数据交互，如果发现2个CPU的实时数据不一致则延时确认告警。

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