CN201256292Y - Gis数字式间隔测控装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种GIS数字式间隔测控装置，包括CPU模块，所述CPU模块由FPGA芯片、ARM处理器、RAM存储器、看门狗电路、FISH和晶振电路组成，所述CPU模块经CAN总线连接有人机界面模块，所述CPU模块经A/D转换电路与模拟量输入模块连接，所述CPU模块还通过高速数据总线与4－20mA模拟量转换模块连接，开关量输入模块经光电隔离电路与CPU模块连接，开关量输出模块通过驱动电路与CPU模块连接，所述CPU模块还经驱动电路与开关分、合闸操作模块连接，所述ARM处理器还与GPS时钟输入电路、通讯扩展电路和以太网电路连接。本装置能够逻辑编程，在线监测与智能控制，并且具有良好的电磁兼容性能，抗震动能力强，工作温度范围宽，特别适用于高压及超高压变电站。

Description

GIS数字式间隔测控装置
技术领域
本实用新型属于高压开关设备智能化领域，涉及一种数字式间隔测控装置，尤其是一种气体绝缘全封闭组合电器(GIS)的数字式间隔测控装置。
背景技术
在传统的GIS二次回路中主要采用了电磁式继电器技术，各种继电器功能单一，为完成复杂的功能需要大量各种不同类型的继电器，同时为连接这些继电器而使用了上千条硬导线，在GIS旁边专门建造了控制室以便安置其庞大的控制柜，GIS壳体上的柜体仅作母线室用。
在具有现代技术的GIS中，数字式测控装置采用软件程序实现控制逻辑取代了传统的由继电器和上千条导线所构成的控制逻辑，既方便灵活，可靠性也大大提高。此外GIS数字式测控装置还具有在线监测与诊断功能，不仅可以提供GIS设备现在的运行状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断是否存在故障的先兆，从而延长设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维修保养的费用，提高了电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述传统的现有技术的缺点，提供一种逻辑可编程，可在线监测与智能控制，具有良好的电磁兼容性能，抗震动能力强，工作温度范围宽，并特别适用于高压及超高压变电站的GIS数字式间隔测控装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种GIS数字式间隔测控装置，包括CPU模块，其特征在于：所述CPU模块由FPGA芯片、ARM处理器、RAM存储器、看门狗电路、FISH和晶振电路组成，所述CPU模块经CAN总线连接有人机界面模块，所述CPU模块经A/D转换电路与模拟量输入模块连接，所述CPU模块还通过高速数据总线与4-20mA模拟量转换模块连接，开关量输入模块经光电隔离电路与CPU模块连接，开关量输出模块通过驱动电路与CPU模块连接，所述CPU模块还经驱动电路与开关分、合闸操作模块连接，所述ARM处理器还与GPS时钟输入电路、通讯扩展接口和光以太网接口连接。
上述CPU模块中的FPGA芯片和ARM处理器分别连接有RAM存储器、看门狗电路、FISH和晶振电路，所述FPGA芯片和ARM处理器通过高速数据总线连接。
上述人机界面模块由液晶显示器、指示灯和键盘组成，所述人机界面模块经CAN总线与所述ARM处理器连接。
上述模拟量输入模块由模拟量输入端子、电压变换电路、电流变换电路和跳线开关组成，所述模拟量输入端子分别与电压变换电路和电流变换电路连接，所述电压变换电路通过跳线开关和A/D转换电路与FPGA芯片连接，所述电流变换电路通过跳线开关和A/D转换电路与FPGA芯片连接。
上述开关量输入模块包括电输入端子和光电隔离电路，所述电输入端子经光电隔离电路与所述FPGA芯片连接；所述开关量输出模块包括驱动电路、出口继电器和电输入端子，所述电输入端子的输入端与出口继电器的输出端连接，所述出口继电器的输入端与驱动电路的输出端连接，所述驱动电路的输入端与所述FPGA芯片连接。
上述4-20mA模拟量转换模块由依次连接的模拟量输入端子、4-20mA直流模拟转换电路、A/D转换电路、CPLD芯片、D/A转换电路、4-20mA直流模拟量输出电路和模拟量输出端子组成，所述CPLD芯片经高速数据总线与所述ARM处理器连接。
本实用新型的GIS数字式间隔测控装置采用模块化设计，能够逻辑编程，在线监测与智能控制，并且具有良好的电磁兼容性能，抗震动能力强，工作温度范围宽，特别适用于高压及超高压变电站。本装置还可以将所有的信号测量、参数设置值、操作记录、统计记录、故障录波、运行状态和时间等显示在LCD上。本装置还配置有2路10M/100M光以太网通信接口，利用它除了与远方调度中心进行通信，实现遥控、遥信、遥测、遥调外，还可与其他间隔的装置进行通信实现基于通信的软件防误连锁；防误连锁逻辑条件可根据具体一次线路不同，进行方便设置，也可根据运行需要选择投入/退出某项条件，组态完成后，通过网络下装。本装置可有效提高GIS设备的智能化水平。
附图说明
图1是本实用新型的硬件电路框图；
图2是交流模拟输入电路框图；
图3是直流4～20mA直流电流模拟量输入\输出电路；
图4是开关量输入电路；
图5是开关量输出电路；
图6是断路器分、合闸操作电路；
图7是本实用新型的一种使用状态图。
具体实施方式
本实用新型的基本工作原理是：从GIS元件CT(电流互感器)及PT(电压互感器)采样来的电压、电流信号和从传感器采样来的温度、压力等4～20mA直流信号经A/D转换产生的数字信号通过CPU来进行运算、处理；CPU同时接收经光电隔离的开关量信号、GPS对时信号以及CAN通信的键盘操作信号。所有这些经A/D转换的数字信号、外部输入的信号量由CPU综合运算和处理，当满足告警或控制输出时便发出相应的告警或控制输出信号至驱动接口电路；此外装置还对4～20mA直流信号进行了扩展，便于其他监测装置的信号输入。所有的信号测量、参数设置值、操作记录、统计记录、故障录波、运行状态、时间等均能在LCD上显示。本装置还配置有2路10M/100M光以太网通信接口，利用它除了与远方调度中心进行通信，实现遥控、遥信、遥测、遥调外，还可与其他间隔的装置进行通信实现基于通信的软件防误连锁；防误连锁逻辑条件可根据具体一次线路不同，进行方便设置，也可根据运行需要选择投入/退出某项条件，组态完成后，通过网络下装。
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
如图1所示，GIS数字式间隔测控装置硬件电路主要包括CPU模块、模拟量输入模块、4～20mA模拟量转换模块、开关量输入模块、开关量输出模块，以下进行详细介绍；
1)模拟量输入模块
图2中输入的电压模拟量Uin和电流模拟量Iin由GIS上所安装的一次电压互感器和电流互感器的二次侧输出，该信号不能够直接被CPU模块上的A/D采样电路使用，本实用新型设计了模拟量输入模块，可将电压、电流信号变换为AD元件可处理的信号。首先由模拟量输入端子输入，经电压和电流变换器变换成模数转换所允许的交流电压信号，再经低通滤波电路和常规的采样保持电路处理后变换为AD元件可处理的信号，送至CUP模块上的AD芯片进行采样。
2)直流4-20mA模拟量转换模块
图3中从传感器输入的4-20mA直流电流信号经电流/电压I/V变换、电压频率VFC变换、光电隔离后进入CPLD，由CPLD将信号转换为数字信号后通过数据总线送入CPU处理；输出的4-20mA直流电流信号由两部分组成，一部分由CPU提供，可与输入的4-20mA直流电流信号有关或无关，一部分由从传感器输入的信号通过电流/电压I/V变换和电压/电流V/I变换直接输出。
3)开关量输入模块
图4中外部开关量信号KRnJ有输入信号时，二极管导通，发出光束，使光敏三极管饱和导通，输出端KRn表现为逻辑高电平供CPU采集，图中只画了一路开关量输入回路，这种开关量输入回路可以是多路的。
4)开关量输出模块
图5中CPU输出低电平时，光敏三极管导通，继电器K吸合，继电器辅助触点供外部隔离开关、接地刀闸分、合闸回路和报警信号等回路使用。
5)开关分、合闸操作模块
图6中可实现两路断路器分闸操作、两路合闸操作、根据需要，两路分、合闸操作可配置成两组一分一合，或者一合两分；两路分闸操作、两路合闸操作回路都要具备完整性信号检测和防跳电路；
6)GPS时钟输入电路
GIS数字式间隔测控装置通过GPS时钟输入电路接受由变电站主时钟发出的秒同步信号，作为装置本身进行故障录波、事件记录、网络同步等操作的同步时间。该GPS时钟输入电路位于CPU模块上，变电站主时钟发出的秒同步信号，在GPS时钟输入电路中经过光电隔离和脉冲信号整形后，输入ARM处理器中。
7)通讯扩展接口
通讯扩展接口在GIS数字式间隔测控装置中用于实现装置的通讯扩展功能，通讯扩展接口的种类包括：电以太网、RS485、RS232和USB接口。其中电以太网和RS485用于与其他自动化设备之间的通信连接。RS232和USB接口用于实现控制GIS数字式间隔测控装置操作控制逻辑的就地下载。
8)光以太网接口
GIS数字式间隔测控装置中的光以太网接口用于GISGIS数字式间隔测控装置之间的数据传输，以及GIS数字式间隔测控装置与远方操作员工作站之间的数据传输。
9)CPU模块
CPU模块包括A/D采样电路、ARM处理器、FPGA芯片及其各自的外扩RAM、看门狗电路和晶振电路，负责对GIS装置中的电压电流模拟量信号、开关量状态信号的采集，并对GIS装置中的4～20mA模拟量进行测量。所述CPU模块连接有A/D采样电路、GPS时钟输入电路、光以太网通讯接口、通讯扩展接口。上述CPU模块中ARM处理器采用ATMEL的AT91RM9200，FPGA芯片采用ATLERA的EP1C6Q240C8。
如图7所示，本实用新型GIS数字式间隔测控装置安放于GIS就地控制柜，对下与GIS机构通过电缆连接，完成对GIS设备运行状态信息的采集和对GIS设备的操作，对上直接通过光纤与主控室保护和测控设备以及其他间隔的间隔测控装置连接，交互参数、状态和控制命令等信息，实现数据共享和互操作。采用光纤通信，不但节约了大量连接电缆和元件数量，而且解决了电磁干扰问题；GIS数字式间隔测控装置可以实现单个间隔内断路器、隔离开关及接地刀闸的防误连锁，多台装置可实现基于网络通讯实现多个间隔的防误连锁；该实用新型具有现场可编程功能，每台装置中针对GIS设备的操作逻辑和联锁逻辑可由实际操作人员根据现场具体工况的要求，在便携式电脑上现场进行修改，修改完毕后通过RS232接口或USP接口下载到GIS数字式间隔测控装置的CPU模块中，以实现对GIS数字式间隔测控装置的操作逻辑和联锁逻辑的现场编程。此外还可以由运行人员根据实际运行的需要在远方工作站上对GIS数字式间隔测控装置的操作和联锁逻辑进行修改通过光以太网下载到GIS数字式间隔测控装置的CPU模块中，完成对GIS数字式间隔测控装置的操作逻辑和联锁逻辑的远方修改。

Claims (6)

1.一种GIS数字式间隔测控装置，包括CPU模块，其特征在于：所述CPU模块由FPGA芯片、ARM处理器、RAM存储器、看门狗电路、FISH和晶振电组成，所述CPU模块经CAN总线连接有人机界面模块，所述CPU模块经A/D转换电路与模拟量输入模块连接，所述CPU模块还通过高速数据总线与4-20mA模拟量转换模块连接，开关量输入模块经光电隔离电路与CPU模块连接，开关量输出模块通过驱动电路与CPU模块连接，所述CPU模块还与开关分、合闸操作模块连接，所述ARM处理器还与GPS时钟输入电路、通讯扩展接口和光以太网接口连接。
2.根据权利要求1所述的GIS数字式间隔测控装置，其特征在于：所述CPU模块中的FPGA芯片和ARM处理器分别连接有RAM存储器、看门狗电路、FISH和晶振电路，所述FPGA芯片和ARM处理器通过高速数据总线连接。
3.根据权利要求1所述的GIS数字式间隔测控装置，其特征在于：所述人机界面模块由液晶显示器、指示灯和键盘组成，所述人机界面模块经CAN总线与所述ARM处理器连接。
4.根据权利要求1所述的GIS数字式间隔测控装置，其特征在于：所述模拟量输入模块由模拟量输入端子、电压变换电路、电流变换电路和跳线开关组成，所述模拟量输入端子分别与电压变换电路和电流变换电路连接，所述电压变换电路通过跳线开关和A/D转换电路与FPGA芯片连接，所述电流变换电路通过跳线开关和A/D转换电路与FPGA芯片连接。
5.根据权利要求1所述的GIS数字式间隔测控装置，其特征在于：所述开关量输入模块包括电输入端子和光电隔离电路，所述电输入端子经光电隔离电路与所述FPGA芯片连接；所述开关量输出模块包括驱动电路、出口继电器和电输入端子，所述电输入端子的输入端与出口继电器的输出端连接，所述出口继电器的输入端与驱动电路的输出端连接，所述驱动电路的输入端与所述FPGA芯片连接。
6.根据权利要求1所述的GIS数字式间隔测控装置，其特征在于：所述4-20mA模拟量转换模块由依次连接的模拟量输入端子、4-20mA直流模拟转换电路、A/D转换电路、CPLD芯片、D/A转换电路、4-20mA直流模拟量输出电路和模拟量输出端子组成，所述CPLD芯片经高速数据总线与所述ARM处理器连接。
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