CN114116558A - 一种io设备及微机保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电力系统自动化技术领域的一种IO设备及微机保护装置，包括：一种IO设备，所述IO设备包括核心板和可扩展底板，所述核心板通过数据线与可扩展底板进行连接，接收来自不同功能电路采集的外部数据，以及，发送控制命令给不同功能电路执行单元，所述可扩展底板配合核心板完成数据输入、输出及隔离。本发明根据需求可以有各种变化，可扩展性强，增加新特性的IO设备只需设计扩展底板，可以减小开发规模。

Description

一种IO设备及微机保护装置
技术领域
本发明涉及一种IO设备及微机保护装置，属于电力系统自动化技术领域。
背景技术
通常微机保护的硬件电路由六个功能单元构成，即微机主系统、工作电源、数据采集系统、开关量输入输出电路、通信接口和人机对话系统。其中开关量输入输出、数据采集系统可以广泛地定义成IO设备系统，不同类型的IO设备通常由专门的电路设计完成，安放位置与背板插槽绑定，具有位置不可互换性，同时，通常在设计初就需要按最大化资源设计，随着时间的推移这种设计的局限性就会慢慢暴露出来，后期很难扩展，满足不了电力系统发展对微机保护提出的新需求，需要进行二次开发甚至推倒整个架构体系重新开发。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种IO设备及微机保护装置，根据需求可以有各种变化，可扩展性强，增加新特性的IO设备只需设计扩展底板，可以达到减小开发规模的效果。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种IO设备，所述IO设备包括核心板和可扩展底板，所述核心板通过数据线与可扩展底板进行连接，接收来自不同功能电路采集的外部数据，以及，发送控制命令给不同功能电路执行单元，所述可扩展底板配合核心板完成数据输入、输出及隔离。
进一步的，所述核心板包括FPGA和Flash存储单元，所述FPGA通过CAN总线与一保护CPU进行通信交互，所述Flash存储单元存放IO设备配置文件。
进一步的，所述IO设备配置文件以功能元件为单位进行定义，且IO设备配置文件就地化存放；所述IO设备配置文件包括功能元件数量和功能元件描述，所述功能元件数量定义所述核心板支持的功能电路种类数，所述功能元件描述定义每一功能元件功能和属性。
进一步的，所述功能元件描述包括IO设备类型Type字段、起始通道编号字段和结束通道编号字段；所述Type字段定义功能元件的类型，包括：开关量输入、开关量输出、模拟输入、模拟输出和交流输入，所述起始通道编号字段和结束通道编号字段分别定义该功能元件数据在同类型逻辑父设备数据集中的始末位置。
第二方面，本发明提供了一种微机保护装置，所述微机保护装置配置有上述任一项所述的IO设备，还包括：
保护CPU，通过FPGA连接一CAN总线；
所述IO设备通过核心板上的FPGA连接至CAN总线，与保护CPU进行通信交互。
进一步的，所述IO设备通过对地址进行硬件编码给CAN总线的每个槽位分配了唯一的地址信息，所述IO设备识别CAN总线发出的数据包的地址信息，仅接收包含本设备地址信息的数据包，以及，将本设备地址信息填充到发向CAN总线数据包的发送报文中。
进一步的，所述保护CPU定时向IO设备发巡检报文，响应于收到来自该IO设备的应答报文后，清零计数器并置位该IO设备存在标志位，响应于累计超过一段时间未收到该IO设备应答报文时，清零该IO设备存在标志位并标识该IO设备不存在。
进一步的，所述IO设备检测到自身硬件故障后发送错误代码给保护CPU，所述保护CPU置位对应的逻辑子设备故障位标志，同时闭锁对该逻辑子设备的一切操作。
进一步的，所述IO设备配置文件可生成逻辑设备描述字，所述保护CPU根据生成的逻辑设备描述字控制IO设备。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
一、本发明针对常规微机保护装置IO设备资源相对固定、缺乏灵活性、难以扩展的问题，将IO设备设计成通用核心板和可扩展底板，通用核心板完成各种IO模件功能，可扩展底板则配合核心板完成数据输入输出及隔离，根据需求可以有各种变化，可扩展性强，增加新特性的IO设备只需设计扩展底板，可以减小开发规模。
二、本发明中配置文件就地化存放，无论IO设备在卡槽什么位置，CPU都可通过CAN总线获取IO设备配置文件从而全局掌控IO设备资源，IO设备不再与特定的位置绑定，可以实现灵活多变的组合，满足不同的需求。
三、本发明以逻辑子设备为操作单位，当检测到某一个逻辑子设备故障位标志置位后只需闭锁对该逻辑子设备的操作，不影响IO设备内其它类型功能电路的运行和同类型父类设备内其它兄弟设备的正常运行，缩小了故障范围。
附图说明
图1是本发明实施例二提供的微机保护装置系统架构图；
图2是本发明实施例二提供的IO设备架构示意图；
图3是本发明实施例二提供的IO设备功能元件的划分示意图；
图4是本发明实施例二提供的IO设备配置文件的组织结构图；
图5是本发明实施例二提供的配置文件解析流程图；
图6是本发明实施例二提供的IO设备逻辑子设备描述字；
图7是本发明实施例二提供的IO设备逻辑设备描述字链表结构；
图8是本发明实施例二提供的IO设备状态检测流程图；
图9是本发明实施例二提供的输出控制流程图；
图10是本发明实施例二提供的输入处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。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发明的保护范围。
实施例一：
一种IO设备，IO设备为Input&Output的缩写，即输入输出，由通用核心板和可扩展底板组成，通用核心板完成各种IO模件功能，可扩展底板则配合核心板完成数据输入输出及隔离，根据需求可以有各种变化，增加新特性的IO设备只需设计扩展底板，可扩展性强。IO设备出厂时固化了配置文件，配置文件通过CAN总线发送给保护CPU，保护CPU解析配置文件生成IO设备描述字链表，运行时根据设备描述字对IO设备做出适应性控制，实现了IO设备的位置无关性。通过将IO设备设计成核心板和可扩展底板、配置文件就地化存放、基于总线式的接口设计解决了常规微机保护装置IO设备资源可扩展性差的问题。
实施例二：
请参考图1，一种微机保护装置系统架构图，保护CPU1和保护CPU2通过FPGA与CAN总线连接，IO设备通过核心板连接到CAN总线，CAN总线在保护CPU和IO设备间建立了一个高带宽的通信通道。统一对地址位Addr进行硬件编码，从而给每个IO设备分配唯一的地址，IO设备识别Addr端口获取自己的地址，这样每个IO设备便在系统中就有了唯一合法化的身份。
图2给出了IO设备架构示意图，IO设备采用核心板和可扩展底板的设计方式，核心板设计了FPGA和Flash存储单元，FPGA连接到CAN总线，实现IO设备与保护CPU间的通信，Flash存放IO设备配置文件，核心板通过数据线与可扩展底板进行连接，接收来自不同功能电路采集的外部数据和发送控制命令给不同功能电路执行单元。扩展底板则配合IO设备核心板完成数据输入、输出及隔离，按需求可实现开关量输入、开关量输出、交流量输入、直流量输入输出等。
图3给出了IO设备功能元件的划分示意图，IO设备可以设计成单功能模件，也可以设计成多功能模件，将IO设备按功能划分成若干功能元件，具体有：DI(开关量输入)功能元件、DO(开关量输出)功能元件、AI(模拟量输入)功能元件、AO(模拟量输出)功能元件、AC(交流量输入)功能元件等，每个功能元件可具有一到多个通道。
图4给出了IO设备配置文件的组织结构图，以功能元件为单位定义了IO设备配置文件，IO设备配置文件具体由功能元件数量、功能元件描述组成。功能元件数量定义了IO模件支持的功能电路种类数，功能元件描述对每一功能元件功能和属性进行了定义。
图5给出了配置文件解析流程图，图7给出了IO设备逻辑设备描述字链表结构。按功能类型可将IO设备划分成若干逻辑设备，以功能单元为单位定义其逻辑子设备，不同的逻辑设备由分布在不同IO设备上的同类型逻辑子设备的集合构成。系统上电后，CPU向编号为n(n为1、2……Nmax)的IO设备n请求配置文件，待收到配置文件报文后解析出IO设备n支持的功能元件数目Num，依次读取功能元件配置字，生成逻辑子设备，按类型插入到设备描述字链表。具体的，DO类型的插入到DO逻辑设备描述字链表、DI类型的插入到DI逻辑设备描述字链表、AI类型的插入到AI逻辑设备描述字链表、AO类型的插入到AO逻辑设备描述字链表、AC类型的插入到AC逻辑设备描述字链表，最终将分布在不同IO设备上同类型的逻辑子设备LogicDev0、LogicDev1……链接成了图7的所示的逻辑设备描述字链表。
图6给出了IO设备逻辑子设备描述字，逻辑子设备描述字包括地址字段Addr、起始通道编号字段StartChn、结束通道编号字段EndChn和状态字段Status。地址字段指明逻辑子设备的地址，起始通道编号和结束通道编号字段指明逻辑子设备的数据在逻辑父类设备数据集中的始末位置，状态字段存储逻辑子设备的自检信息，包括存在位标志、硬件故障位标志。
图8给出了IO设备状态检测流程图，为了探测IO设备n存在与否，保护CPU定时向编号为n(n可以是1、2、3……)的IO设备n发巡检报文，在收到来自IO设备n的应答报文后，清零计数器CNTn，置位IO设备n存在标志位，当累计超过一段时间没收到IO设备n应答报文，计数器CNTn会越限，同时清零IO设备n存在标志位，标识IO设备n不存在。在接收到IO设备n故障报文后根据故障类别置位相应逻辑子设备的故障位标志，同时闭锁对该逻辑子设备的一切操作。
图9给出了输出控制流程图，图10给出了采样输入处理流程图，运行过程中保护CPU可根据逻辑设备描述字做出适应性控制。具体的，保护程序将输出数据传输给DO/AO类逻辑父设备，然后遍历DO/AO逻辑设备描述字链表，读取DO/AO逻辑子设备描述字的Addr、StartChn、EndChn字段，从DO/AO逻辑父设备数据中取出通道编号从StartChn开始到EndChn结束的数据填充到报文的数据段，Addr填充到报文的地址段，调用发送接口函数发送报文到CAN总线，CAN总线上地址为Addr的IO设备接收报文并驱动执行单元，对于DO是驱动继电器动作，对于AO是驱动DA输出。通常，输入类型的IO设备会周期性主动上送采样数据，保护CPU收到来自IO设备n的采样值报文后，从报文中解析出地址Addr、类型Type和数据Data[0..n]，然后遍历Type类的IO设备逻辑设备描述字链表，找到地址是Addr的逻辑子设备，获取逻辑子设备描述字的StartChn、EndChn字段，对于DI类，将Data[0...n]填充到位编号从StartChn开始到EndChn结束的DI类逻辑父类设备数据集；对于AC类，将Data[0..n]填充到通道编号从StartChn开始到EndChn结束的AC类逻辑父类设备数据集；对于AI类，将Data[0..n]填充到通道编号从StartChn开始到EndChn结束的AI类逻辑父类设备数据集，保护程序便可从逻辑父类设备取出数据参与保护计算。
本发明的IO设备由通用核心板和可扩展底板组成，通用核心板完成各种IO设备功能，通过CAN总线与CPU相连，出厂时固化了配置文件，无论IO设备在卡槽什么位置，CPU都可通过CAN总线获取IO设备配置文件，对配置文件进行解析，根据配置文件提供的类型字段生成以功能元件为单位的IO设备逻辑子设备，并做出适应性控制，实现了IO设备的位置无关性。可扩展底板则配合核心板完成数据输入输出及隔离，根据需求可以有各种变化，可扩展性强，增加新特性的IO设备只需设计扩展底板，减小了开发规模，可以通过对不同类型的IO设备进行排列组合衍生出一系列的新产品。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种IO设备，其特征是，所述IO设备包括核心板和可扩展底板，所述核心板通过数据线与可扩展底板进行连接，接收来自不同功能电路采集的外部数据，以及，发送控制命令给不同功能电路执行单元，所述可扩展底板配合核心板完成数据输入、输出及隔离。
2.根据权利要求1所述的IO设备，其特征是，所述核心板包括FPGA和Flash存储单元，所述FPGA通过CAN总线与一保护CPU进行通信交互，所述Flash存储单元存放IO设备配置文件。
3.根据权利要求2所述的IO设备，其特征是，所述IO设备配置文件以功能元件为单位进行定义，且IO设备配置文件就地化存放；所述IO设备配置文件包括功能元件数量和功能元件描述，所述功能元件数量定义所述核心板支持的功能电路种类数，所述功能元件描述定义每一功能元件功能和属性。
4.根据权利要求3所述的IO设备，其特征是，所述功能元件描述包括IO设备类型Type字段、起始通道编号字段和结束通道编号字段；所述Type字段定义功能元件的类型，包括：开关量输入、开关量输出、模拟输入、模拟输出和交流输入，所述起始通道编号字段和结束通道编号字段分别定义该功能元件数据在同类型逻辑父设备数据集中的始末位置。
5.一种微机保护装置，其特征在于，所述微机保护装置配置有如权利要求1-4任一项所述的IO设备，还包括：
保护CPU，通过FPGA连接一CAN总线；
所述IO设备通过核心板上的FPGA连接至CAN总线，与保护CPU进行通信交互。
6.根据权利要求5所述的一种微机保护装置，其特征在于，所述IO设备通过对地址进行硬件编码给CAN总线的每个槽位分配了唯一的地址信息，所述IO设备识别CAN总线发出的数据包的地址信息，仅接收包含本设备地址信息的数据包，以及，将本设备地址信息填充到发向CAN总线数据包的发送报文中。
7.根据权利要求5所述的一种微机保护装置，其特征在于，所述保护CPU定时向IO设备发巡检报文，响应于收到来自该IO设备的应答报文后，清零计数器并置位该IO设备存在标志位，响应于累计超过一段时间未收到该IO设备应答报文时，清零该IO设备存在标志位并标识该IO设备不存在。
8.根据权利要求5所述的一种微机保护装置，其特征在于，所述IO设备检测到自身硬件故障后发送错误代码给保护CPU，所述保护CPU置位对应的逻辑子设备故障位标志，同时闭锁对该逻辑子设备的一切操作。
9.根据权利要求5所述的一种微机保护装置，其特征在于，所述IO设备配置文件可生成逻辑设备描述字，所述保护CPU根据生成的逻辑设备描述字控制IO设备。
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