CN209088631U - 智能变电站的二次继电保护芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种智能变电站的一种智能变电站的二次继电保护芯片，其包括HSR交换模块。HSR交换模块通过HSR MAC接口模块接收以太网物理层接口模块所传输的智能变电站的设备的报文数据，将报文数据进行分类处理，按照报文数据的优先级进行时序控制并传输，其中报文数据的类型包括MMS网络报文、GOOSE网络报文、SV网络报文、IEEE1588网络报文。该二次继电保护芯片通过一个独立的HSR模块建立的以太网数据通道来实现智能变电站现行各类数据的解析、分类等功能，使得智能变电站各层设备便于精简网络设计、降低设备功耗及成本、增强单套设备可靠性，同时简化工程现场网络架构及施工难度、提高系统集成度，提高系统运行的可靠性和可维护性。
Description
技术领域
本实用新型是关于智能变电站技术领域，特别是关于一种智能变电站的二次继电保护芯片。
背景技术
电力系统智能变电站的设备通常分为过程层、间隔层、站控层共三层设备。其中过程层包含由一次设备和智能组件构成的智能设备、合并单元和智能终端等，用于实现变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、状态监测等相关功能。间隔层设备一般指继电保护装置、测控装置等二次设备，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，即与各种远方输入/输出、智能传感器和控制器通信。站控层包含自动化系统、站域控制、通信系统、对时系统等子系统，实现面向全站或一个以上一次设备的测量和控制的功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁以及同步相量采集、电能量采集、保护信息管理等相关功能。
发明人在实现本实用新型的过程中，作出了如下思考：对于三层不同的设备其网络通讯接口多为以太网接口，涉及到关键数据往往需要采用光纤传输。对于过程层和间隔层设备而言，网络传输的通讯协议包括GOOSE(Generic Object Oriented SubstationEvent)以及SV(Sampled Value)等。GOOSE是IEC61850标准定义的一种通用的以对象为中心的变电站事件抽象模型，提供如命令、告警等快速传输的机制，主要用于实现在多个智能电子设备之间的信息传递，包括传输跳合闸信号、故障录波启动等。SV可以理解为交换采样数据集中的采样值的相关模型对象和服务，用于传输关键实时模拟量。而对于站控层设备而言，网络传输的通讯协议多数为MMS(manufacturing message specification)，同时间隔层的设备通常也需要支持MMS网络。MMS即制造报文规范，是IS0/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。MMS规范了工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性，用于变电站数据采集及监视控制。
发明人还发现随着精准对时协议IEEE1588的推广，基于网络对时的应用也逐渐盛行，多网络接口的需要日渐增多，目前阶段各个电力设备制造厂家所设计的智能设备多数采用分网络接口的方式来处理，即包括独立设置的MMS网络口、GOOSE网络口、SV网络口、1588网络口等，这些网络口各自独立设置，独立应用，可能有部分网络功能已共网口，但无全部合一的网络形式。随着智能变电站系统的应用与发展，各个问题及弊端也显现出来，如整个系统的集成度不够，工程实施过程中网络布线过多、变电站造价成本上升、单台设备功耗偏大、硬件故障点增多，数据传输较慢，时延较长。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种智能变电站的二次继电保护芯片，其通过一个独立的HSR模块建立的以太网数据通道来实现智能变电站现行各类数据须使用到的如MMS报文、GOOSE报文、SV报文和1588对时报文等的解析、分类等功能，使得智能变电站各层设备便于精简网络设计、降低设备功耗及成本、增强单套设备可靠性，同时简化工程现场网络架构及施工难度、提高系统集成度，提高系统运行的可靠性和可维护性。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种智能变电站的二次继电保护芯片，其包括HSR交换模块。所述HSR交换模块包括多个HSR MAC接口模块和多个以太网物理层接口模块，所述HSR交换模块通过所述HSR MAC接口模块接收所述以太网物理层接口模块所传输的智能变电站的设备的报文数据，将所述报文数据进行分类处理，按照所述报文数据的优先级进行时序控制并传输，其中所述报文数据的类型包括MMS网络报文、GOOSE网络报文、SV网络报文、IEEE1588网络报文。
在一优选的实施方式中，该二次继电保护芯片还包括主控CPU模块，其与所述HSR交换模块相耦合，所述主控CPU模块用于接收并处理所述HSR交换模块所发送的报文数据，并将处理后的所述报文数据返回至所述HSR交换模块，所述HSR交换模块将该报文数据按照优先级顺序通过所述HSR MAC接口模块输出至所述以太网物理层接口模块。
在一优选的实施方式中，所述HSR交换模块还包括寄存器，其与所述主控CPU模块以及所述HSR MAC接口模块均相耦合，所述主控CPU模块通过配置所述寄存器的信息能够更改各个所述HSR MAC接口模块之间的数据交换方向，所述主控CPU通过配置所述寄存器的信息还能够设置所述二次继电保护芯片中的传输的数据的优先级。
在一优选的实施方式中，该二次继电保护芯片还包括对时接口和定时器，对时接口用于接收外部对时信号。定时器用于所述二次继电保护芯片的内部定时。
在一优选的实施方式中，该二次继电保护芯片还包括配置MAC接口模块，其与所述主控CPU模块相耦合，所述主控CPU模块接收所述配置MAC接口模块传输的数据来对所述二次继电保护芯片进行配置。
在一优选的实施方式中，该二次继电保护芯片还包括数据加密模块，其与所述HSR模块以及所述CPU单元均耦合，用于加密所述二次继电保护芯片中传输的数据。安全存储模块与所述数据加密模块相耦合，用于对所述加密的数据进行安全存储。
在一优选的实施方式中，该二次继电保护芯片还包括传感器接口模块，其与所述主控CPU模块相耦合，所述传感器接口模块包括ADC接口模块和/或FT3光电设备接口模块，用于对电缆和/或光纤所传输的所述智能变电站的电网数据进行检测和传输，所述主控CPU模块还用于接收并处理所述传感器接口模块所传输的电网数据，并将处理后的所述电网数据发送至所述HSR交换模块，所述HSR交换模块将该电网数据按照优先级通过所述HSR MAC接口模块输出至所述以太网物理层接口模块。
与现有技术相比，根据本实用新型的智能变电站的二次继电保护芯片实现了独立HSR交换路由功能、通过对MAC接收到的HSR数据根据报文类型进行分类分组处理、对需要通过其他端口发送的报文进行转发，实现智能变电站现行各类数据须使用到的如MMS报文、GOOSE报文、SV报文和1588对时报文等的解析、分类等功能，各类智能变电站用的网络数据共享一个网络，适合变电站内各网络数据的组网，减少大量交换机的配置，降低系统总造价，同时优化了现场网络布线，各个智能设备可以使用单一网络接口，简化了软硬件系统设计、降低了单装置设备的整体功耗、也降低了设备成本；还设置了主控CPU模块再通过配置传感器接口模块以及配置MAC接口模块，增加了芯片的功能，大大提升了芯片的通用性。
附图说明
图1是根据本实用新型一实施方式的智能变电站的二次继电保护芯片的模块组成示意图；
图2是根据本实用新型一实施方式的智能变电站的二次继电保护芯片的结构示意图；
图3是根据本实用新型一实施方式的HSR交换模块的结构示意图；
图4是根据本实用新型一实施方式的ADC接口模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
首先，为了便于理解，进行以下名词解释：
HSR(high-availability seamless ring)表示高可用性无缝环网结构的冗余通信技术；MAC表示物理地址；Clock Source表示时钟来源；Global Clock表示全球时钟；DMA表示直接存储器访问；DDR表示双倍速率同步动态随机存储器；Switch Module表示交换模块；PHY表示以太网物理接口；Bridge表示桥式电路；DC-DC Power表示直流转直流电源；FT3Decoder表示FT3解码器；Fibre表示光口；REG FILE表示寄存器列表；CMD QUE表示命令队列；CLK GEN表示定时器；ADC AFE表示ADC的模拟前端输入；Configurable Buffer表示缓冲区；NORFLASH和NANDFLASH均为非易失闪存的一种；AXI(Advanced extensibleInterface)是一种总线协议，具有高速高性能的特点；SPI表示串行外设接口；Ethernet表示因特网接口；UART表示通用异步收发传输器；I2C表示两线式串行总线；GPIO表示通用输入/输出接口。
图1是根据本实用新型一实施方式的智能变电站的二次继电保护芯片的模块组成示意图。图2是根据本实用新型一实施方式的智能变电站的二次继电保护芯片的结构示意图。该二次继电保护芯片包括：HSR交换模块10，可选地，还包括主控CPU模块11、对时接口12、定时器13、配置MAC接口模块14、数据加密模块15、安全存储模块16、传感器接口模块17。
本实施例中，以4端口千兆以太网为例来说明HSR交换模块10。图3是该实施方式的HSR交换模块，该HSR交换模块10包括4个HSR MAC接口模块A、B、C、D和4个千兆PHY接口模块A、B、C、D(以太网物理层接口模块)，HSR交换模块10用于通过HSR MAC接口模块接收PHY接口模块所传输的智能变电站的设备的报文数据，Switch Module将报文数据进行分类处理，按照报文数据的优先级进行时序控制并传输，其中报文数据的类型包括MMS网络报文、GOOSE网络报文、SV网络报文、IEEE1588网络报文。在其它实施方式中，报文类型不局限于以上提到的几种，还可以包括标准以太网协议中EtherType域中涉及到的2个字节的所有类型。
4口千兆HSR交换模块可以将A、B、C、D四个端口的数据进行交换，并将数据送到系统内部AXI总线。四个端口的交换模式可以有以下三种：A至B，C至D；A至C、B至D；A至D、B至C。A、B、C、D四个端口的数据也能够独立经过AXI总线接口传送到DDR存储器。多种类型数据接入的同步采样方法使用专用的IP核进行同步处理。采用该4口千兆HSR交换模块组网的子机数量建议不超过30个，网络时延可以满足保护动作5ms时间之内。HSR交换模块基于节点冗余算法，HSR交换模块组网需要一进一出的两个HSR MAC端口组成一个节点。当一个节点的一个HSR MAC端口收到数据后直接转发至另一个HSR MAC端口，可以实现报文双发双收功能，且在网络故障时实现零切换时间的技术。
通过独立的HSR交换模块来实现智能变电站的各类报文如MMS网络报文，GOOSE网络报文、SV网络报文和1588对时报文等的分类处理，能够为继电保护以及测控等二次设备提供一组时间同步或相关的数据，例如可以同步电流和电压采样值，通过汇集/合并多个电子式互感器的数据，获取电力系统电流和电压瞬时值，并以确定的数据品质传输到继电保护设备等，各类智能变电站用的网络数据可以共享一个网络，适合变电站内部各网络数据的组网，减少了大量交换机的配置，可以降低系统总造价，同时又简化了现场网络布线。
可选地，该二次继电保护芯片还包括主控CPU模块11。主控CPU模块11与HSR交换模块10相耦合，主控CPU模块11用于接收并处理HSR交换模块10所发送的报文数据，并将处理后的报文数据返回至HSR交换模块10，HSR交换模块10将该报文数据按照优先级顺序通过HSR MAC接口模块输出至以太网物理层接口模块。通过增加主控CPU模块11，可以进一步扩展芯片的功能。具体地，本实施方式中，主控CPU模块选用双核Cortex-A9处理器。
该二次继电保护芯片还设置了DDR3存储单元以及DDR3控制器。HSR交换模块10对各类报文分类处理后，通过DDR3存储该分类数据并通过共享内存的方式分不同区域共享给主控CPU模块11进行各个类别的处理。
可选地，HSR交换模块10还包括寄存器10a。寄存器10a与主控CPU模块11以及HSRMAC接口模块相耦合，主控CPU模块11通过配置寄存器10c的信息能够更改各个HSR MAC接口模块之间的数据交换方向，主控CPU通过配置寄存器10a的信息还能够设置二次继电保护芯片中的传输的数据的优先级。
可选地，为了保证时间的精准性，该二次继电保护芯片还包括对时接口12，对时接口12用于接收外部对时信号。可选地，选用Global Clock作为对时的时钟源。该二次继电保护芯片还包括定时器13，用于二次继电保护芯片的内部定时，可以对数据做精准时延。
可选地，该二次继电保护芯片还包括配置MAC接口模块14，配置MAC接口模块14与主控CPU模块11相耦合，主控CPU模块11接收配置MAC接口模块14传输的数据从而对二次继电保护芯片进行配置，比如说配置HSR交换模块的数据流向。
可选地，该二次继电保护芯片还包括数据加密模块15和安全存储模块16。数据加密模块15与HSR模块以及CPU单元均耦合，用于加密二次继电保护芯片中传输的数据。安全存储模块16与数据加密模块15相耦合，用于对加密的数据进行安全存储。通过设置了数据加密模块15和安全存储模块16，能够保护芯片数据的安全。
可选地，该二次继电保护芯片还包括传感器接口模块17。传感器接口模块17与主控CPU模块11相耦合，传感器接口模块17包括ADC接口模块17a和/或FT3光电设备接口模块17b，用于对电缆和/或光纤所传输的智能变电站的电网数据进行检测和传输，主控CPU模块11还用于接收并处理传感器接口模块17所传输的电网数据，并将处理后的电网数据发送至HSR交换模块10，HSR交换模块10将该电网数据按照优先级通过HSR MAC接口模块输出至以太网物理层接口模块。可选地，ADC接口模块17a和FT3光电设备接口模块17b通过Bridge连接至AXI总线。
图4是本实施方式的ADC接口模块的结构框图。该ADC接口模块17a设置了16路的模拟前端输入，相应的16路ADC转换器对模拟前端输入的数据进行模数转换之后存入缓冲区中，ADC接口模块17a的DMA将缓冲区中的数据搬运至主控CPU模块的DDR3存储器，数据通过主控CPU模块进行相应的计算处理。ADC接口模块的采样时钟的生成可以根据寄存器配置生成不同采样率时钟。数据帧长度的设置可以根据系统实时性的要求，将各个ADC通道配置成不同采样点数来设置，比如80、96、256等。
本实施方式的芯片选用了DC-DC Power，为了便于扩展功能，芯片还集成了1个NORFLASH存储器及控制器、1个NANDFLASH存储器及控制器，1个MINISD存储器以及控制器。芯片支持欠压检测，支持低功耗模式以及外围接口唤醒功能。此外亦支持SPI、Ethernet、UART、I2C、GPIO等多种通用的外设接口。
本实施方式中，智能变电站的二次继电保护的数据交互主要包括HSR交换模块的数据交互以及传感器输入的数据的交互。
HSR交换模块的数据交互过程如下：HSR交换模块10通过HSR MAC接口模块接收以太网物理层接口模块所传输的智能变电站的设备的报文数据，将报文数据进行分类处理，对待转发的报文数据直接发送至相应的以太网物理层接口进行转发，对待进行CPU处理的报文数据发送至主控CPU模块11，其中，报文数据的类型包括MMS网络报文、GOOSE网络报文、SV网络报文、IEEE1588网络报文，具体地，HSR交换模块10基于节点冗余算法，由一进一出的两个端口组成一个节点，当一个节点的一个HSR MAC端口收到数据后直接转发至另一个HSRMAC端口；主控CPU模块11接收并处理HSR交换模块10发送的报文数据，并将处理后的报文数据返回至HSR交换模块10；HSR交换模块10按照报文数据的优先级进行时序控制并通过HSRMAC接口模块输出至以太网物理层接口模块。
传感器输入的数据的交互过程如下：传感器接口模块17检测并传输电缆和/或光纤所传输的电网数据；主控CPU模块11接收并处理传感器接口模块17发送的电网数据，并将处理后的电网数据发送至HSR交换模块10；HSR交换模块10按照电网数据的优先级进行时序控制并通过HSR MAC接口模块输出至以太网物理层接口模块。
综上，本实施方式的智能变电站的二次继电保护芯片设置了HSR交换模块，通过对MAC接收到的HSR数据根据报文类型进行分类分组处理、对需要通过其他端口发送的报文进行转发，对需要使用主控CPU进行进一步处理的HSR报文进行处理，以达到HSR网络报文的优化处理；主控CPU对各类网络报文进行相应的计算处理以及收发控制。如此实现了智能变电站现行各类数据须使用到的如MMS报文、GOOSE报文、SV报文和1588对时报文等的接收、存储、分类、计算处理以及发送控制的相关系列功能，各类智能变电站用的网络数据共享一个网络，适合变电站内各网络数据的组网，减少大量交换机的配置，降低系统总造价，同时优化了现场网络布线；各个智能设备使用单一网络接口，简化了硬件系统设计、降低了单装置设备的整体功耗、也降低了设备成本；另外以太网通信速率可达全速，其支持10/l00/l000Mbps等不同通讯速率；灵活性高，支持多种类型接口的物理层PHY芯片；以太网介质适用于电缆和光缆两种通讯介质。总体来说，该二次继电保护芯片的应用能够使得智能变电站各层设备精简网络设计、降低设备功耗及成本、增强单套设备可靠性，同时简化工程现场网络架构及施工难度、提高系统集成度，提高系统运行的可靠性和可维护性。
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (7)
1.一种智能变电站的二次继电保护芯片，其特征在于，包括：
HSR交换模块，包括多个HSR MAC接口模块和多个以太网物理层接口模块，所述HSR交换模块通过所述HSR MAC接口模块接收所述以太网物理层接口模块所传输的智能变电站的设备的报文数据，将所述报文数据进行分类处理，按照所述报文数据的优先级进行时序控制并传输，其中所述报文数据的类型包括MMS网络报文、GOOSE网络报文、SV网络报文、IEEE1588网络报文。
2.如权利要求1所述的智能变电站的二次继电保护芯片，其特征在于，该二次继电保护芯片还包括：
主控CPU模块，与所述HSR交换模块相耦合，所述主控CPU模块用于接收并处理所述HSR交换模块所发送的报文数据，并将处理后的所述报文数据返回至所述HSR交换模块，所述HSR交换模块将该报文数据按照优先级顺序通过所述HSR MAC接口模块输出至所述以太网物理层接口模块。
3.如权利要求2所述的智能变电站的二次继电保护芯片，其特征在于，所述HSR交换模块还包括：
寄存器，与所述主控CPU模块以及所述HSR MAC接口模块均相耦合，所述主控CPU模块通过配置所述寄存器的信息能够更改各个所述HSR MAC接口模块之间的数据交换方向，所述主控CPU通过配置所述寄存器的信息还能够设置所述二次继电保护芯片中的传输的数据的优先级。
4.如权利要求2所述的智能变电站的二次继电保护芯片，其特征在于，该二次继电保护芯片还包括：
对时接口，用于接收外部对时信号；
定时器，用于所述二次继电保护芯片的内部定时。
5.如权利要求2所述的智能变电站的二次继电保护芯片，其特征在于，该二次继电保护芯片还包括：
配置MAC接口模块，与所述主控CPU模块相耦合，所述主控CPU模块接收所述配置MAC接口模块传输的数据来对所述二次继电保护芯片进行配置。
6.如权利要求2所述的智能变电站的二次继电保护芯片，其特征在于，所述二次继电保护芯片还包括：
数据加密模块，与所述HSR模块以及所述CPU单元均耦合，用于加密所述二次继电保护芯片中传输的数据；
安全存储模块，与所述数据加密模块相耦合，用于对所述加密的数据进行安全存储。
7.如权利要求2所述的智能变电站的二次继电保护芯片，其特征在于，该二次继电保护芯片还包括：
传感器接口模块，与所述主控CPU模块相耦合，所述传感器接口模块包括ADC接口模块和/或FT3光电设备接口模块，用于对电缆和/或光纤所传输的所述智能变电站的电网数据进行检测和传输，所述主控CPU模块还用于接收并处理所述传感器接口模块所传输的电网数据，并将处理后的所述电网数据发送至所述HSR交换模块，所述HSR交换模块将该电网数据按照优先级通过所述HSR MAC接口模块输出至所述以太网物理层接口模块。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |