CN1992467A - 数字化变电站管理单元 - Google Patents

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CN1992467A CNA2005101123809A CN200510112380A CN1992467A CN 1992467 A CN1992467 A CN 1992467A CN A2005101123809 A CNA2005101123809 A CN A2005101123809A CN 200510112380 A CN200510112380 A CN 200510112380A CN 1992467 A CN1992467 A CN 1992467A
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Abstract

一种数字化变电站管理单元，包括有中央处理子系统、至少一个IO端口子系统和电源子系统；其中IO端口子系统提供有至少一个串行端口，至少一个网络端口，至少一个CAN端口，用来与不同外部设备相连接；电源子系统用来提供整个单元的各路供电；其特征在于所述的各个IO端口子系统均通过以太网总线与中央处理子系统相连。本发明由于采用以太网总线架构，不但速度快而且互换性好、接口设计易于实现标准化，并且结合特有的对端口的自动配置技术，从而能轻松实现不同外部设备的互联互换，使其集数据采集、SCADA系统、网关、路由器、防火墙、时钟对时系统、网络交换机于一身成为可能。

Description

数字化变电站管理单元
技术领域
本发明涉及一种变电站管理单元，特别是一种数字化变电站管理单元，它在电网控制、输变电自动化系统中具有数据交换处理和继电保护管理功能。
背景技术
随着电力需求增大，电力系统的规模越来越大、越来越复杂化。近年来，随着电力自动化系统的广泛应用和信息技术的发展，电力系统对新技术的应用不断提出新的要求。特别是在电网控制和输变电自动化领域中，集电力控制、通讯、电子和工业IT技术为一体的最新应用成为技术应用的前沿课题。
当前，绝大多数电网控制和输变电自动化领域中的通讯处理器或服务器产品都是基于微处理器的数字产品，它们支持基于串行、CAN、以太网的通讯方式，能够执行控制命令、向与之相连的智能电子设备采集、发送数据，实现管理和控制功能。
但是，该类产品一般都是基于PCI总线、Campact PCI总线的，弊端是速度低、互换性差、接口设计困难、无法实现标准化、稳定性差等；特别是随着应用需求的不断提高，这些产品硬件的不足逐渐显现：支持的通讯端口种类、数量和网速有限，不能满足当前系统对基于网络设计的、多以太网/串行端口、结合多个标准的、优先的规约、易于处理变电站集成任务的需求；CPU速度和存储能力有限，不能满足现代化的变电站集成对大量实时数据和历史数据的采集、处理和存储需求；不支持或支持有限的网络管理功能，如VPN、数据加密、VoIP、视频应用等，不能满足现代化的电力信息系统对变电站控制/监视系统的最新需求；不兼容IEC61850，不符合电力通讯最新发展趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种互换性好、接口设计易于实现标准化的数字化变电站管理单元。
本发明所要进一步解决的技术问题是提供一种能轻松实现不同外部设备的互联互换的数字化变电站管理单元。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该数字化变电站管理单元，包括有中央处理子系统、至少一个IO端口子系统和电源子系统；其中IO端口子系统提供有至少一个串行端口，至少一个网络端口，至少一个CAN端口，用来与不同外部设备相连接；电源子系统用来提供整个单元的各路供电；其特征在于所述的各个IO端口子系统均通过以太网总线与中央处理子系统相连。
其中所述的中央处理子系统可以有一个以上。
其中电源子系统可以包括至少二个独立的电源模块，并且在其中一个发生故障时能自动切换至其余的电源模块。
其中IO端口子系统可以包括有：
数据接收与发送模块，与连接至端口的外部设备进行通信；
数据存储模块，存储从外部设备中采集的数据；
数据处理模块，对从外部设备中采集的数据进行处理；
以及端口自动配置模块，在与外部设备通信之前，由该自动配置模块根据与选定端口连接的外部设备种类，在事先保存的设备数据库中选取相应的数据对端口进行配置。
所述的端口配置包括通信参数、控制方式和应用功能的配置；其中通信参数包括波特率、数据位、停止位、校验位；
所述的数据接收与发送包括通用的异步网络通信和/或CAN总线通信；
所述的IO端口子系统还可以提供至少一种以下端口之一或其组合：USB端口、VoIP端口、VGA端口、DIO端口、AIO/AC端口；
所述的外部设备可以是以下之一或其组合：具有串口的电子设备，具有网络端口的网络通信设备，具有USB端口的移动硬盘、U盘、键盘、鼠标、打印机、多功能一体机，具有CAN总线的CAN通信设备，具有VoIP端口的网络电话，具有VGA端口的视频设备，具有DIO端口的一次设备，具有AIO/AC端口的一次设备；
所述的数字化变电站管理单元还包括有以下接口之一或其组合：对时接口、对时天线接口、电源接口；其中与对时接口相连的外部设备可以是IRIG-B、1PPS或NTP；与对时天线接口相连的外部设备可以是GPS时间同步时钟；
所述的数字化变电站管理单元还可以包括有网络路由模块、IP过滤模块、实时数据库处理模块、协议规则解析模块。
与现有技术相比，本发明由于采用以太网总线架构，不但速度快而且互换性好、接口设计易于实现标准化，并且结合特有的对端口的自动配置技术，从而能轻松实现不同外部设备的互联互换，使其集数据采集、SCADA系统、网关、路由器、防火墙、时钟对时系统、网络交换机于一身成为可能。
附图说明
图1为本发明实施例一的应用例示意图。
图2为本发明实施例一的机箱前面板图。
图3为本发明实施例一的机箱后面板图。
图4为本发明实施例一增加DIO扩展板后的面板图。
图5为本发明实施例一的结构原理框图。
图6为本发明实施例一的PCB板分解和安装图。
图7为图6中主CPU模块结构图。
图8为图6中用于IO子系统和VoIP子系统的Cool Module图。
图9为图6中CPU的一个子系统主板原理图。
图10为图6中CPU-T板的原理图。
图11为图6中Ether-T板的原理图。
图12为图6中GPS-T板的原理图。
图13为图6中PS-T板的原理图。
图14为图6中CAN-T板的原理图。
图15为图6中SIO子系统的原理图。
图16为图6中DIO子系统的原理图。
图17为图6中VoIP子系统的原理图(不应用Cool Module)。
图18为图6中VoIP子系统的又一种原理图(应用Cool Module)。
图19为本发明实施例一的高级软件数据流和控制流程图。
图20为本发明实施例一的IED透明访问示意图。
图21为本发明实施例一的数据集中数据流程图。
图22为本发明实施例一的规约转换数据流程图。
图23为本发明实施例一的PLC数据流程图。
图24为本发明实施例二的结构原理框图。
图25为本发明实施例二的PCB板分解和安装图。
图26为本发明实施例二的前后面板图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～23所示，为本发明的实施例一；
图1显示了本发明实施例一的一个应用例，其中
变电站层包括：
设备级：BCU、继电器、RTU等IED设备；
通讯级：数字化变电站管理单元及与之相连的打印机、显示器、电话机、卫星天线、用于本地设备维护的计算机；
子站级：计算机系统；打印机等输出设备。
数字化变电站管理单元与设备级各电子设备可以通过基于TCP/IP、串行通讯、CAN总线方式通讯，还可以通过DIO和AIO端子直接向各电子设备采集和发送数字和模拟信号。本发明通过各端口与其它通讯级的设备通讯，通过网络联入子站级层计算机系统。
数字化变电站管理单元通过TCP/IP和串行通讯与中心站层设备通讯，转发数据，接受各种指令。
数字化变电站管理单元的端口分为：
串口：连接支持串行通讯的设备，如设备层的BCU、继电器、RTU等IED设备；控制中心/保护管理中心计算机系统；打印机等；
维护口；以串行通讯方式连接计算机，供维护本专利数字化变电站管理单元；
以太网口：连接支持以太网、光纤以太网网络通讯的设备，如设备层的BCU、继电器、RTU等IED设备；控制中心/保护管理中心计算机系统；局域网内其它计算机系统等；
CAN口：连接支持CAN总线通讯的设备
USB口：连接支持USB通讯的设备，如打印机、移动硬盘、U盘、键盘、鼠标等
VGA口：连接支持VGA的视频设备，如显示器等
VoIP口：通过电话线连接电话机等音频设备，与网络内其它IP电话进行语音通讯。
DIO端子：连接至设备层设备的数字信号输入、控制输出端子，采集信号和现场设备控制
AIO端子：连接至设备层设备的模拟信号输入输出端子，采集模拟数据
天线接口：连接外部对时设备的天线端子，如GPS时间同步时钟，接收对时信号。
IRIG-B/PPS输入/输出端子：连接外部对时设备的IRIG-B/PPS输入/输出端子，接收外部IRIG-B/PPS信号。
电源接口：连接电源输入端子。
本实施例的前面板上有：串口、网口、电源、CPU、VGA、VoIP电话、运行、RST复位和主机值班信号指示灯，电源开关*2，维护口*4，以太网口*2，USB口*2，串口*2，参见图2。
本实施例的后面板上有：VoIP的Phone口*4、串口*48、CAN口*2、USB口*2、以太网口*5、VGA口*2、天线接口*2、IRIG-B/PPS输入端子*4/输出端子*12、电源输入端口*2、以太网指示灯，参见图3。
本实施例还安装有DIO扩展板，则前面板增加：DIO电源指示灯、维护口*1；后面板增加：DO端子*16、DI端子*18，参见图4；如果，还安装有AIO扩展板，则前面板还增加：DIO电源指示灯、维护口。
如图5所示，本实施例基于以太网总线设计，由三个子系统共同工作实现各种功能。系统结构构成如下：
中央处理(CPU)子系统：
这是数字化变电站管理单元的心脏，本实施例为同时安装有2个CPU子系统的冗余设计，支持通过通讯端口的通信、数据处理、数据存储和管理功能，并且每个CPU子系统均通过以太网系统总线控制IO端口子系统的各个IO端口子系统。
IO端口子系统：
这是IO扩展部分，包括串口扩展(SIO子系统)、二进制/数字IO扩展(DIO子系统)、模拟IO扩展(AIO子系统)、VoIP子系统及其他的子系统。其中VoIP子系统是特殊的IO扩展系统，用于实现具有IP功能的语音通讯。
电源子系统：
电源子系统支持具有自动负荷共享和自动故障切换功能的双电源模块，使系统可靠性更高。
本发明中应用系统总线用以支持各子系统间的内部连接和每个系统的印刷电路板内部连接。为最大化实现系统配置的可行性和可靠性，本实施例的系统总线支持2个主CPU子系统和4个IO子系统；前三个IO子系统的物理结构和电子结构完全一样，均可接受DIO子系统、SIO子系统和AIO子系统；第四个子系统具有特殊形式要素和电子信号发送系统以支持VoIP子系统。
如图6所示，本实施例被设计成标准组件(模块)，主CPU模块、Cool Module等模块。
如图7所示，本实施例的主CPU模块是基于PowerQUICCIITM的CPU设计的，选用Motorola MPC8270PowerQUICCIITM，主要由3种总线扩展MPC8270：
60x总线：用于连接SDRAM、Flash、SRAM和扩展总线；
PCI总线：用于连接VGA控制器、USB控制器和PCI-104扩展总线连接器；
I2C：在该总线上，连接RTC(实时时钟)和EEPROM。也可伸展至扩展连接器供进一步扩展。
所有的MPC8270 CPM IO pin(插头)都伸展到扩展连接器以保持最大的弹性。提供3种扩展插头：
EXP1：60x扩展总线。提供16位数据线、20位地址线、芯片选择线和控制线。
EXP2：MPC8270的全部CPM IO pin(插头)
PCI-104：120pin PCI-104格式的PCI总线。支持一个外部主PCI和多个备PCI。
如图8所示，该用于IO子系统和VoIP子系统的Cool Module为基于MCF5282的CPU设计，MCF5282是广泛应用于工业控制领域Coldfire的微处理器的一个型号。MCF5282具有ColdFire的可变长度的RISC内核，置于芯片上的Flash、SRAM、快速以太网控制器和其它外围设备。
本实施例的主CPU设计为基于MPC8270主CPU模块。除了主CPU模块提供的端口之外，还有以下的增加：
①增加了3个10/100Base-T快速以太网口。这种扩展使得CPU子系统能够支持6个快速以太网端口，其中2个是100Base-FX或10/100Base-T，4个端口是10/100Base-T。由于需要达到工业温度范围和CPU总线接口，采用SMSCLAN91C111扩展快速以太网。
②通过采用SMSCLAN91C111增加了另一个10/100Base-T快速以太网口。该端口用于实现双机通讯。
③增加2个Can总线控制器实现双CAN。通常有2种方式扩展CAN接口。一种是使用平行总线。Philips SJA-1000就是常用的standalone平行CAN控制器。另一种方式是使用SPI接口实现CAN功能。典型的SPI接口CAN控制器芯片包括MicrochipMCP2510和MCP2515，其中以MCP2515为佳。考虑主CPU模块支持高速的SPI总线并且SPI是由MPC8270 CPU的CPM管理的，这样可以使主CPU模块从处理传输和接收CAN信息的工作中解脱出来。采用2个MCP2515芯片实现双CAN总线。采用ADiCouple绝缘芯片实现CAN总线绝缘。该芯片基于Analog Davies’s的新技术，提供2.5kV或5kV绝缘。
④采用一个CPLD协调CPU和IO，并辅以实现IRIG-B编码/解码功能。双CPU开关控制也在这里实现。
通过上述结构，可以实现基于主CPU模块的下述IO功能：
①实现基于主CPU模块上3个FCC端口的快速以太网功能。采用Intel LXT971快速以太网PHY，因为它支持10/100Base-T和100Base-FX。
②VGA
③采用2个MIC2076双通道电力分配芯片为4个USB端口供电。其中2个USB端口在前面板，另2个在后面板。
④在SMC1实现维护口功能。
⑤SMC2口连至后面板总线连接器以连接GPS串口。
⑥采用4个SCC端口实现内部总线与IO子系统和VoIP子系统的连接。实现10Base-T以太网口的全部功能，并连至后面板总线连接器。这种实现方式可以最大化实现设计的可行性，并且也易于扩展设备的容量。采纳这种系统结构可以支持双CPU。
本实施例的CPU子系统是由多个PCB板实现的，其中一个PCB板是如图9所示的CPU板，该板上有连接主CPU模块的插座。该板安装至本专利数字化变电站管理单元的前面板上。
如图10所示，是一个终端PCB板，安装至本实施例的后面板上，该板实现2个USB端口、一个VGA端口、3个10/100Base-T快速以太网口(其中两个可配置为100Base-FX)的功能。
如图11所示，为本实施例的CPU子系统中Ether-T板，这是一个终端PCB板，安装至本实施例的后面板上。该板能够实现由SMSCLAN91C111芯片扩展的3个10/100Base-T以太网口的功能。在本实施例中，两个CPU子系统共有6个快速以太网口，可以通过开关控制切换至运行中的子系统的3个快速以太网口；当然，还可以增加其它类型的Ether-T板来支持其他的实施形态。如只切换至1个或2个以太网口，而其他的以太网口不打开；还可以增加以太网转换器来支持更多的100Base-FX端口。
如图12所示，本实施例的CPU子系统中GPS-T板，这是一个多功能终端PCB板，安装至本实施例的后面板上。该板通过天线连接器支持双GPS模块。一个3pin的Phoenix终端连接器连出至form-C格式的双CPU冗余切换状态继电连接器(relay contact)。一个16pin的Phoenix终端连接器连出至双机切换继电连接器(relay contact)，并接受来自本专利数字化变电站管理单元之外的冗余切换继电连接器输入。一个2pin的Phoenix终端连接器用于连接1PPS或IRIG-B信号输入。
如图13所示，为本实施例的CPU子系统中的PS-T板，这是一个多功能终端PCB板。该板的主要功能是将电源输入口与电源连接，此外，还实现频率测量通道功能，它接受wall电力来源作为输入信号以测量电力系统频率。
如图14所示，本实施例CPU子系统中的CAN-T板，CAN-T板是一个CAN总线终端板，最多支持2个CAN总线切换。为支持双CPU冗余，第二个CPU子系统前面板上增加了一个开关键。该键用来选择正常运行的CPU子系统。正常情况下，运行中的CPU定期与备用CPU通讯。如果备用CPU未收到TBD时间像心脏跳动似的信号，就切换为主CPU。主CPU模块的一个扩展的以太网用于支持双CPU通讯。
如图15所示，为本实施例中的SIO子系统，SIO子系统基于Cool Module设计。每个SIO子系统支持16个串口。每个SIO子系统还支持1个CAN总线。每个SIO子系统有两种PCB板：
①SIO板：板子上有连接Cool Module的插头。板子安装在本专利数字化变电站管理单元的前面板上。16个串口是由常用的SC16C554D 4通道通用异步收发器(QUART)芯片支持的。
②SIO-T终端板：板子安装在本专利数字化变电站管理单元的后面板上。每个板子相互绝缘，将8个串口分别以用IRIG信号与8个DB9连接器相连。端口1至端口4支持EIA-232C或EIA-422，可选择硬件跳线。端口5至端口8支持EIA-232C或EIA-485，可硬件跳线。每个SIO子系统最多可容纳2个SIO-T板。SIO-T板还可以将IRIG-B信号分配至DB9连接器。
如图16所示，为本实施例的DIO子系统，DIO子系统基于Cool Module设计。支持32至64个光学绝缘连接输入和12至24个具有SBO能力的继电控制输出。
每个DIO子系统具有3种PCB板：
①DIO板：板子上有连接Cool Module的插头。板子安装在本专利数字化变电站管理单元的前面板上。
②DO-T终端板：该板子安装在本实施例的后面板上，具有12个具有独立的分合操作继电器和独立的执行继电器的控制继电输出。继电控制输出支持SBO(选择后执行操作)。继电接触器在每个继电器的以form A(正常的开启)接触器中安排。
③DI-T终端板：该板子安装在本实施例的后面板上，具有32个光学绝缘接触器输入。
每个DIO子系统支持一个DIO板和2个终端板(DO-T和/或DI-T)。DO-T和DI-T之间可互换。将自动识别DO-T和DI-T的配置。每个DIO子系统有效的DIO容量组合有：
64DI：      DIO+2*DI-T
32DI、12DO：DIO+1*DI-T+1*DO-T
24DO：      DIO+2*DO-T
考虑到每台本专利数字化变电站管理单元最多支持3个DIO系统，则每台服务器最多支持72个DO或192个DI。
如图17所示，为本实施例中不应用Cool Module的VoIP子系统图，该VoIP子系统设计为基于DSP，支持10/100Base-T连接系统总线接口。为支持双CPU冗余，使用一个基于继电器的开关在这两条系统总线之间转换。开关由总线传来的运行信号控制。
如图18所示，为本实施例中应用Cool Module的VoIP子系统图，用来实现与主CPU通讯，采用双端口的RAM作为Cool Module和VoIP DSP系统的接口。在这种方式下，Cool Module负责以太网连接和冗余切换。
每个VoIP子系统有2个PCB板：
DAC板：这是主DSP板，安装在本专利数字化变电站管理单元的前面板上。
VoIP-T终端板：该板支持标准的电话机接口，安装在本专利数字化变电站管理单元的后面板上。
图19显示了本实施例的高级软件数据流和控制流程。
图20显示了本实施例的IED透明访问流程。
图21显示为本实施例的数据集中数据流程。
图22显示了本实施例的规约转换数据流程。
图23显示了本实施例的PLC数据流程。
图24为本发明的实施例二，以插卡方式安装在D20 RTU的Modem槽里，本实施例基于主CPU模块，采用3个FCC实现快速以太网口功能、4个SCC作为4个串口支持串行通讯、SMC1口支持前面板维护口、SPI口扩展CAN总线，使用主CPU模块的其它IO pin作为离散输入输出。
本实施例的主CPU模块是基于PowerQUICCIITM的CPU设计的，同样也选用Motorola MPC8270PowerQUICCIITM，主板设计为基于MPC8270主CPU模块，并增加了以下I/O：
①2个Can总线控制器来实现双CAN。选择2个MCP2515芯片实现双Can总线。
为实现Can总线绝缘，选择AD iCouple绝缘芯片。该芯片基于Analog Davies’s新技术，提供2.5kV或5kV绝缘。
②基于快速以太网的3个主CPU模块FCC端口。采用3个Intel LXT971 PHY实现10/100Base-T端口。其中一个连至前面板和后面板，但同一时间只可以使用一个端口。
③SMC1实现维护口功能。
④采用一个CPLD协调CPU和IO并实现IRIG-B编码/解码功能。
采用4个SCC端口实现4个串口功能。
本实施例除了主CPU模块和基础PCB板，为了将所有的信号传递到后面板，采用一个单独接口PCB板，该接口板置于后面板主板的上方，在这个板上，安装2个DB15连接器连至串行端口和CAN总线端口，参见图25。
本实施例的前面板上有：LED状态指示灯、一个维护口和一个10/100Base-T以太网口用于下载编码，后面板有：3个以太网口、串口、IRIG-B/1PPS端子等，参见图26。

Claims (14)

1、一种数字化变电站管理单元，包括有中央处理子系统、至少一个IO端口子系统和电源子系统；其中IO端口子系统提供有至少一个串行端口，至少一个网络端口，至少一个CAN端口，用来与不同外部设备相连接；电源子系统用来提供整个单元的各路供电；其特征在于所述的各个IO端口子系统均通过以太网总线与中央处理子系统相连。
2、根据权利要求1所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的中央处理子系统至少有二个。
3、根据权利要求1所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的电源子系统包括至少二个独立的电源模块，并且在其中一个发生故障时能自动切换至其余的电源模块。
4、根据权利要求1所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的IO端口子系统包括有：
数据接收与发送模块，与连接至端口的外部设备进行通信；
数据存储模块，存储从外部设备中采集的数据；
数据处理模块，对从外部设备中采集的数据进行处理；
以及端口自动配置模块，在与外部设备通信之前，由该自动配置模块根据与选定端口连接的外部设备种类，在事先保存的设备数据库中选取相应的数据对端口进行配置。
5、根据权利要求4所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的端口配置包括通信参数、控制方式和应用功能的配置。
6、根据权利要求5所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的通信参数包括波特率、数据位、停止位、校验位。
7、根据权利要求4所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的数据接收与发送包括通用的异步网络通信和/或CAN总线通信。
8、根据权利要求4所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的IO端口子系统还提供有至少一种以下端口之一或其组合：USB端口、VoIP端口、VGA端口、DIO端口、AIO/AC端口。
9、根据权利要求4所述的数字化变电站管理单元，其特征在于所述的外部设备是以下之一或其组合：具有串口的电子设备，具有网络端口的网络通信设备，具有USB端口的移动硬盘、U盘、键盘、鼠标、打印机、多功能一体机，具有CAN总线的CAN通信设备，具有VoIP端口的网络电话，具有VGA端口的视频设备，具有DIO端口的一次设备，具有AIO/AC端口的一次设备。
10、根据权利要求4所述的数字化变电站管理单元，其特征在于还包括有对时接口，与该对时接口相连的外部设备可以是以下之一或其组合：IRIG-B、1PPS或NTP。
11、根据权利要求10所述的数字化变电站管理单元，其特征在于还包括有对时天线接口。
12、根据权利要求1所述的数字化变电站管理单元，其特征在于还包括有网络路由模块和/或IP过滤模块。
13、根据权利要求1所述的数字化变电站管理单元，其特征在于还包括有实时数据库处理模块。
14、根据权利要求1所述的数字化变电站管理单元，其特征在于还包括有协议规则解析模块。
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