CN201639364U - 数模一体化合并单元及智能终端一体化装置 - Google Patents

数模一体化合并单元及智能终端一体化装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种数模一体化合并单元及智能终端一体化装置，包括一个过程层以太网通信模块、一个负责高速数据采集处理和交换的FPGA模块及一个用于完成状态量采集、控制输出的DSP模块，其特征在于：所述过程层以太网通信模块、DSP模块均与FPGA模块相连。本实用新型可降设备的制造成本及现场施工成本，降低系统维护成本，能够解决数字化变电站的工程化、实用化和长期运行可靠性问题。

Description

数模一体化合并单元及智能终端一体化装置
技术领域
本实用新型涉及一种数模一体化合并单元及智能终端一体化装置。属于电力自动化技术领域。
背景技术
目前，电子式电流、电压互感器在变电站已开始逐步实用。为了将电子式互感器应用到变电站自动化系统，待解决的关键问题之一就是互感器与变电站二次设备之间的接口问题。电子式互感器的二次输出分为数字输出和模拟输出两种。模拟输出是一种过渡性措施，或应用到比较低的电压等级。数字输出是数字化变电站对电子式互感器提出的要求。在老站改造或新建变电站中，电磁式电流互感器、电压互感器和电子互感器可能会混合使用，或单独使用。模拟互感器、电子互感器数模一体化合并单元开发设计，减少了设备数，降低了系统造价成本，并提高了本间隔采样数据的同步性及可靠性。
而智能终端是是支持数字化变电站的另一个重要的过程层设备，智能终端具有传统操作箱功能和部分测控功能，既支持网络GOOSE方式的跳合闸命令，同时又保留了传统的硬接点方式，可支持与分相或三相操作的断路器配合使用。
在数字化变电站的实施中，由于合并单元和智能终端同属于过程层设备，常安装在同一个屏柜中。把这两个功能合在一个装置中，可降设备的制造成本及现场施工成本，降低系统维护成本，能够解决数字化变电站的工程化、实用化和长期运行可靠性问题。能够适应国网公司数字化电网建设规划，适合传统变电站的技术改造。该项目的研究可以进一步提升国内过程层设备的技术水平，保持国内业界在新一轮的数字化技术革新的国际产业地位，进一步推进智能电网的建设。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于新建数字化变电站以及常规变电站数字化改造的具有数模一体化合并单元及智能终端一体化装置，可减少变电站设备的种类，简化二次系统接线。
为实现上述目的，本实用新型是通过以下的技术方案来实现的：
数模一体化合并单元及智能终端一体化装置采用多模块结构，包括一个过程层以太网通信模块、一个负责高速数据采集处理和交换的FPGA模块及一个用于完成状态量采集、控制输出的DSP模块，其特征在于：所述过程层以太网通信模块、DSP模块均与FPGA模块相连。
所述过程层以太网通信模块包括MPC8313芯片，MPC8313芯片主频达到333MHz，MPC8313芯片与基于IEEE1588精确对时协议的两路百兆全光纤以太网相连，实现基于IEC61850-9-2的采样值传输，MPC8313芯片通过PCI总线外接两路百兆以太网用于完成GOOSE协议的传输。MPC8313芯片的IEEE1588精确对时协议功能输出秒脉冲至FPGA模块，FPGA模块根据此秒脉冲实现全站的同步采样。
所述FPGA模块与3片高精度模数转换电路相连，所述FPGA模块内部配置第一双口RAM和并行接口，用于将模数转换电路产生的模拟采样值及与电子互感器上送的数字化采样值提供给MPC8313芯片，FPGA模块还集成了IRIG-B码和脉冲对时信号的电平转换电路，用于完成IRIG-B码的解码对时功能及守时功能，以及分频产生同步采样给模数转换电路和光电互感器，确保状态量采集的时间精度。FPGA模块内部同时设置供DSP模块的TMS320C6748芯片和MPC8313芯片之间交换数据的第二双口RAM。
所述DSP模块包括TMS320C6748芯片，TMS320C6748芯片通过内部高速总线与智能I/O模件相连，作为智能终端处理的主CPU，通过内部高速总线控制智能I/O模件。智能I/O完成对断路器的操作和隔离刀闸地刀的控制；完成对断路器位置、地刀位置和断路器本体信号(含压力低闭锁重合闸等)的采集。智能终端还支持对变压器本体保护和测控，可选择经过或不经过CPU实现变压器本体开关量保护功能，并能对主变档位、刀闸、风扇等信号实现监视和控制。智能终端在控制的可靠性方面作了着重考虑。采用了双CPU的设计思想，由主CPU控制出口继电器的操作电源，由智能I/O模件执行了控制操作，从而保证了控制的绝对可靠。主CPU和智能I/O的CPU相互监视，2个CPU自检或互检出告警时切断继电器电源以防误出口。断路器的跳合闸采用主CPU直跳合和接收高速总线上的跳合命令相结合的方式，确保智能终端能可靠跳闸。智能终端从控制对象上分断路器控制和隔离开关的控制，从控制的重要性和实时性上将两种控制独立处理，断路器控制和隔离开关的控制具有独立的启动回路和执行回路，确保控制的可靠性。在不同的应用场合，智能终端的配置需求和时序逻辑差别很大，为了增加智能终端的适用性，该装置具有工程化定制配置和逻辑的功能，工程人员根据现场要求进行组态。
本实用新型所达到的有益效果：
本实用新型可减少变电站设备的种类，可降设备的制造成本及现场施工成本，降低系统维护成本，能够解决数字化变电站的工程化、实用化和长期运行可靠性问题。能够适应国网公司数字化电网建设规划，适合传统变电站的技术改造，进一步推进智能电网的建设。
附图说明
图1是本实用新型中的数模一体化合并单元及智能终端一体化装置硬件结构示意图；
图2为断路器控制的可靠性设计原理图；
图3为FPGA模块的合并单元功能示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作具体的介绍。
1、装置的硬件结构
数模一体化合并单元及智能终端一体化装置由MPC8313、FPGA及DSP共3个硬件模块组成。
MPC8313芯片是POWERPC系列处理器中的一款性价比较高的产品，POWERPC处理器是当今比较流行、性能相当优越的单片集成嵌入式微处理器，POWERPC处理器家族支持丰富的协议和接口，集成双百、千兆以太网MACs并支持IEEE1588协议，一个32位33/66MHz PCI总线和一个USB host/device接口。MPC8313处理器还具有一个安全引擎，支持DES，3DES，MD-5，SHA-1，AES和ARC-4编码算法。处理器还提供了一个公钥加速器和片上随机数生成器。这个嵌入式的安全内核源自Freescale安全类协处理器产品线，提供了和这些安全类协处理器相同的直接内存访问(DMA)和并行处理能力。MPC8313通过集成的双百兆MAC实现基于IEC61850-9-2的采样值传输，同时通过PCI总线外扩两路百兆以太网完成GOOSE协议的传输，MPC8313与DSP、FPGA的数据交互通过连至FPGA的并行数据总线实现。
FPGA模块完成了交流采样控制、IRIG-B码解码对时、并将获取的数据通过内部双口RAM与MPC8313进行数据交换。另外还提供双口RAM供TMS320C6748和MPC8313之间交换数据，根据IEEE1588对时或者IRIG-B对时解出的秒脉冲分频产生同步采样脉冲等功能。我们采用XILINX的Spartan-6系列FPGA处理器，该处理器采用可靠的低功耗45nm 9层金属布线双层氧化工艺结构，利用了可靠成熟的Virtex架构，高效双寄存器6输入LUT(查找表)逻辑，丰富的内建系统级模块包括DSP逻辑片，高性能集成存储器控制器支持DDR、DDR2、DDR3和移动DDR存储器。该处理器具有较高的性能，能够满足应用需求。
FPGA模块管理3片高精度模数转换电路产生的模拟采样值及与电子互感器上送的数字化采样值，同时对采样值进行数字滤波，将采样值和转换结果通过内部双口RAM和并行接口提供给MPC8313。该FPGA模块还集成了IRIG-B码和脉冲对时信号的电平转换电路，同时接受MPC8313的IEEE1588通信模块的秒脉冲对时信号并完成守时功能。FPGA模块进行时间信号同步并分频出同步采样脉冲，并将其输出给模数转换电路及光电互感器，确保采样同步和状态量采集的时间精度。
由于智能终端通过内部高速总线控制智能I/O模件，由智能I/O完成对断路器的操作和隔离刀闸地刀的控制；完成对断路器位置、地刀位置和断路器本体信号(含压力低闭锁重合闸等)的采集，这对智能终端的硬件体系结构有较高的要求。基于TMS320C6748模块负责通过FPGA与MPC8313进行实时数据交换；根据MPC8313的接收的GOOSE命令控制断路器和隔离开关的分合；接收智能I/O模件采集的开关位置信号和直流信号，经过处理后通过MPC8313的GOOSE网络上送。
为了保证智能终端的控制的实时性和可靠性性，主DSP采用主频达300兆赫兹32位工业级定点和浮点DSP进行处理。在本装置中选用6000系列的产品TMS320C6748，这一款芯片是TI公司最近新推出来的具有高性价比的产品。该款芯片具有快速的DSP功能、强大的I/O控制功能、大量的片上存储器、强大的中断管理、方便的编程调试、丰富的外设资源等等，而且该款芯片通过了美国的汽车级认证，具有较宽的工作温度范围-40度～105度和较强的抗干扰能力，适合应用于工业控制领域。利用该芯片的FPGA方便与MPC8313进行无缝连接，简化了系统设计。智能终端在控制的可靠性方面作了着重考虑。采用了双CPU的设计思想，由主CPU控制出口继电器的操作电源，由智能I/O模件执行了控制操作，从而保证了控制的绝对可靠，图2为断路器控制的可靠性设计原理图。24VT由主CPU控制，以TA为例说明。接收GOOSE跳A的命令后，主CPU通过控制TA_5V跳闸；同时主CPU通过高速总线通知智能I/O模件CPU启动OUT输出。采用直接控制跳合和高速总线跳合相结合，满足了断路器控制的快速性和可靠性。
MU功能
MU的基本功能有两部分：与互感器的接口及与间隔层设备的接口。
本装置支持数字化输出的电子式互感器(ECT/EVT)以及常规互感器、小信号互感器接口，其中与电子式互感器的接口遵循以下规范：电子式互感器与合并单元之间的数字接口采用一对2根850μm多模光纤联系，物理接头方式采用FC接头。其中1根由MU至ECT，发送同步采样脉冲；另1根由ECT至MU，发送ECT数据。两者之间采用异步数据流，遵从UART方式进行通信，采用典型的11位(1个起始位、8位数据、1个奇偶校验位和1个停止位)，起始位为“0”，停止位为“1”。传输波特率为2Mbit/s。空位是二进制“1”，光纤内“1”灭，“0”亮。两帧之间应传输填充空位毕特。链路层帧格式为：起始符(2字节)+数据(4字节)+状态(1字节)+帧校验(1字节)，合计8字节，帧校验采用简单CRC奇校验和。8bit CRC码生成多项式为：X8+X2+X+1。此工程的采样率为每周波采样200点，通信带宽要求为(8+3)*8*200*50＝0.88Mbit/s，所以采用2Mbit/s的传输波特率完全能够满足数据传送的速度。
本装置与间隔层设备之间的接口比较明确，采用光纤以太网接口，按照IEC61850-9-2的规范进行通信。9-2特定通信服务映射(SCSM)通过ISO/IEC8802-3来传输采样值，其所规范的过程总线已是网络的概念，它能更加彻底地实施变电站过程总线的数字化，它要求将MU装置及数字化测控、保护装置包含于同一个交换式以太网上。
FPGA分频及守时
装置的FPGA模块接收外部接入的秒脉冲、IEEE1588对时过来的秒脉冲或者IRIG-B码报文等同步信号后，判断这些同步信号是否有效，有效则根据这些同步信号利用外置的晶振分频出所需要的同步采样脉冲并输出秒脉冲(1pps)，输出同步采样脉冲给模拟数字转换器件及光电互感器，采样脉冲的同步误差不大于1us。同步采样过程中，数据采样脉冲由秒脉冲锁定，保证同步采样脉冲均匀分布在每秒内，相应地相量对应的时标也均匀分布在每秒内。在外部同步信号失效时，FPGA模块根据同步信号失效前所测出的外部晶振的频率进行守时，使得其产生的同步采样脉冲依然有较高精度。FPGA模块产生的同步采样脉冲精度可达1us内，失去同步信号后守时精度能达到5us每小时。
FPGA在合并单元中所完成的功能可如图3所示。
操作箱功能
具有完善的控制功能支持网络GOOSE方式进行断路器三相分相操作和最大支持15路控制对象的合闸、分闸操作，具有三路完整的断路器操作回路；装置出口速度快，接收第一个有效控制命令到出口继电器接点闭合的时间小于5ms；支持保护的分相跳闸、三跳、重合闸等GOOSE命令，支持测控的遥控分、合等GOOSE命令，具有电流保持功能，具有压力监视及闭锁功能，具有跳合闸回路监视功能，各种位置和状态信号的合成功能；装置具有防误闭锁功能，各出口对象具有独立的防误闭锁接点输出，闭锁输出接点按照GOOSE命令进行输出；具有完善的事件报文处理，可保存最新256次动作报告；装置具有精确的状态量采集功能，可以采集96路状态量信号，信号采集时标精度优于2毫秒；装置可以参加10路0～5V或4～20毫安直流信号，并通过GOOSE协议上传。
上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种数模一体化合并单元及智能终端一体化装置，包括一个过程层以太网通信模块、一个负责高速数据采集处理和交换的FPGA模块及一个用于完成状态量采集、控制输出的DSP模块，其特征在于：所述过程层以太网通信模块、DSP模块均与FPGA模块相连。
2.根据权利要求1所述的数模一体化合并单元及智能终端一体化装置，其特征在于：所述过程层以太网通信模块包括MPC8313芯片，MPC8313芯片与基于IEEE1588精确对时协议的两路百兆全光纤以太网相连，实现基于IEC61850-9-2的采样值传输，MPC8313芯片通过PCI总线外接两路百兆以太网用于完成GOOSE协议的传输，MPC8313芯片的IEEE1588精确对时协议功能输出秒脉冲至FPGA模块，FPGA模块根据此秒脉冲实现全站的同步采样。
3.根据权利要求1所述的数模一体化合并单元及智能终端一体化装置，其特征在于：所述FPGA模块与3片高精度模数转换电路相连，所述FPGA模块内部配置第一双口RAM和并行接口，用于将模数转换电路产生的模拟采样值及与电子互感器上送的数字化采样值提供给MPC8313芯片，FPGA模块集成了IRIG-B码和脉冲对时信号的电平转换电路，用于完成IRIG-B码的解码对时功能及守时功能，FPGA模块内部同时设置供DSP模块的TMS320C6748芯片和MPC8313芯片之间交换数据的第二双口RAM。
4.根据权利要求1所述的数模一体化合并单元及智能终端一体化装置，其特征在于：所述DSP模块包括TMS320C6748芯片，TMS320C6748芯片通过内部高速总线与智能I/O模件相连。
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