CN102097784B - 继电保护光纤数字接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及继电保护光纤数字接口装置，包括开关量输入电路、开关量输出电路、两个CPU，开关量输入电路的输出端分别连入两CPU的输入端口，两CPU的输出端连入与门电路输入端，与门电路的输出端控制连接开关量输出电路；两CPU均分为发送部分和接收部分，输入各CPU信道的信号经过发送部分的延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块处理后，发送给光电转换模块，CPU从光电转换模块接收的信号经过接收部分的码型逆变换模块、解帧和解码模块处理后由输出电路输出；本发明采用双CPU、双通道，实现了传输时间的提高、安全性和可靠性大幅提高。

Description

继电保护光纤数字接口装置

技术领域

本发明属于继电保护技术领域，涉及一种高集成的继电保护光纤数字接口装置。

背景技术

继电保护光纤数字接口装置是利用光传输通道，专门用于传送继电保护信号的具有单一功能的电力设备，可以传输多个继电保护的命令信号，它区别于电力线载波收发信机。继电保护光纤数字接口装置是用来传输继电保护跳闸信号的，所以对传输时间的要求比较高，一般几个毫秒以内；另外对命令的传输可靠性、装置的稳定性要求也很高，如果因为错误的命令或者丢失命令造成保护拒动或者误动，那么损失是不可想象的。

现有的一种继电保护光纤通信接口装置如图1所示，该装置由一块CPU芯片通过中断检测到命令信号，然后把信号通过串口传送到SCC串口通信控制器及***芯片电路，然后编码解码，再进行光电转换。该装置的关键电路是串连接，关键节点比较多，相互之间传输数据有一定的延时；当任一个关键节点出现故障，整台设备就停止运行，增加故障率；数据传输环节多，增加了不可靠性；如果发送命令和接受命令同时启动，可能引起并行冲突，增加了不可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种双通道继电保护光纤数字接口装置，以解决现有接口装置故障率高、可靠性和稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明的继电保护光纤数字接口装置，包括开关量输入电路、开关量输出电路和CPU，开关量输入电路的输出端连入CPU的输入端口，CPU控制连接开关量输出电路，所述CPU分为发送部分和接收部分，发送部分包括延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块，接收部分包括码型逆变换模块、解帧和解码模块；输入CPU的信号经过发送部分的延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块处理后，发送给光电转换模块，CPU从光电转换模块接收的信号经过接收部分的码型逆变换模块、解帧和解码模块处理后由输出电路输出。

进一步的，所述CPU为具有并行处理能力的CPLD芯片。

进一步的，还包括服务单元，该服务单元与所述CPU相连，服务单元上设有与人机界面通讯连接的接口。

进一步的，所述服务单元为一单片机。

进一步的，所述CPU接收部分还包括判别时间模块和输出扩展模块，所述信号经解码模块、判别时间模块、输出扩展模块处理后由输出端输出。

本发明的另一继电保护光纤数字接口装置技术方案为：包括开关量输入电路、开关量输出电路，还包括两个CPU，两CPU分别与各自的光纤通道组成两路独立信道，所述开关量输入电路的输出端分别连入两CPU的输入端口，两CPU的输出端连入与门电路输入端，与门电路的输出端控制连接开关量输出电路；所述两个CPU均分为发送部分和接收部分，发送部分包括延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块，接收部分包括码型逆变换模块、解帧和解码模块；输入各CPU信道的信号经过发送部分的延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块处理后，发送给光电转换模块，CPU从光电转换模块接收的信号经过接收部分的码型逆变换模块、解帧和解码模块处理后由输出电路输出。

进一步的，所述CPU为具有并行处理能力的CPLD芯片。

进一步的，还包括两单片机，单片机上设有与人机界面通讯连接的接口，两个单片机与所述两CPU对应相连。

进一步的，所述CPU接收部分还包括判别时间模块和输出扩展模块，所述信号经解码模块、判别时间模块、输出扩展模块处理后由输出端输出。

进一步的，所述与门电路没有输入命令时，与门的输入是高电平，命令来到后，输入改为低电平。

本发明的继电保护光纤数字接口装置，CPU分为发送部分和接收部分，发送部分包括延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块，接收部分包括码型逆变换模块、解帧和解码模块，使得命令发送和接收、编码和解码能同时进行，且都能在CPU内部实现，减少命令传输环节，关键元器件减少到一个，使得接口装置的可靠性、稳定性、命令传输时间有了大幅提高。CPU采用具备并行处理能力的CPLD芯片，如果多个命令同时到达，采用CPLD的并行处理特性，可以并行处理命令信号，不会造成命令丢失。

本发明的另一继电保护光纤数字接口装置，采用两个CPU及各自光纤通道构成的双通道，增加了可靠性和稳定性；每个CPU分为发送部分和接收部分，发送部分包括延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块，接收部分包括码型逆变换模块、解帧和解码模块，这样在命令的检测、传输、解码编码、输出接收过程全部在CPU内部实现，减少命令传输环节，关键元器件减少到一个，使得接口装置的可靠性、稳定性、命令传输时间有了大幅提高。CPU采用具备并行处理能力的CPLD芯片，如果多个命令同时到达，采用CPLD的并行处理特性，可以并行处理命令信号，不会造成命令丢失。本发明的接口装置运行稳定可靠，用质量控制计算方法计算故障率，同现有的接口装置相比降低了三个量级，从而提高了电力***运行的稳定性，采用可靠的编解码技术，增加命令的可靠性，同时也降低了维护费用，这对用户和生产厂家都是一笔不小的费用。

附图说明

图1是现有接口装置的原理框图；

图2是本发明接口装置实施例的原理框图；

图3是本发明双通道接口装置的原理框图；

图4是本发明CPLD的原理框图。

具体实施方式

一、继电保护光纤数字接口装置（单通道）

本发明的继电保护光纤数字接口装置如图2、图4所示，该实施例的继电保护光纤数字接口装置包括开关量输入电路、开关量输出电路、一个CPU和服务单元，CPU为具有并行处理能力的CPLD芯片，服务单元上设有与人机接口界面通讯连接的接口，服务单元为一单片机，开关量输入电路的输出端连入CPLD芯片的输入端口，CPLD芯片控制连接开关量输出电路，CPLD芯片分为发送部分和接收部分，发送部分设有输入延时即延时判断模块、抽样模块、编码与组帧模块、码型变换模块；接收部分设***型逆变换模块、同步模块、解帧模块、解码模块、判别时间模块和输出扩展模块。

开关量输入电路主要是将外部保护输入的命令信号经光耦隔离变换成装置内部的逻辑电平。开关量输出电路主要是将所接收到的命令信号变换成相应的接点输出。装置的核心是CPLD,它收到命令信号后，经过发送部分的输入延时模块、抽样模块、然后编码、组帧，再经过码位变换，发送给光电转换模块，转换成光信号；由于CPLD具有并行处理能力，它在发送的同时，也把从光电模块接收到的数据经过接收部分的码型逆变换模块进行码位变换，然后解帧、解码，经过可选的延时，把命令信号送到命令输出回路。服务单元是一个单片机，它在上电时做一些初始化工作，给CPLD提供收发延时的参数，另外做一些其他事务的管理工作，但它不参与命令的传输。

CPLD芯片中还设有与单片机相连的锁存器1、锁存器2和缓冲器。 

依据图4，对CPLD芯片原理框图说明如下：

标号为输入到缓冲器中①～⑨的数据分别为：

①.1…4命令通道的发命令状态；

②.5…8命令通道的发命令状态；

③.1…4命令通道的收命令状态；

④.5…8命令通道的收命令状态；

⑤.接收告警；

⑥.误码率告警；

⑦.帧失步告警；

⑧.光路A中断（光路接收告警A）；

⑨.光路B中断（光路接收告警B）。

发送部分

1）输入延时模块

延时模块可以避免将噪声误认为“命令”状态。在输入命令信号发现低电平时延时模块开始工作。延时模块的工作时钟为64k，延迟的时间就是对时钟脉冲的计数。

2）抽样模块

数据发送的时钟频率为64K，一帧的数据共80比特，发送时间为1.25ms，因此两帧之间发送时间间隔为1.25ms；故每隔1.25ms需要对命令信号抽样一次。

3）编码与组帧模块

编码与组帧均受到命令方式的控制。将前4命令称为A组命令，后4命令称为B组命令，4命令工作方式的时候只需对A组命令的命令信号进行编码、组帧、发送，8命令工作方式的时候则需要对A、B两组命令交替进行编码组帧发送等过程。编解码采用48位分组码，该种方法能对48位中出现低于24位的误码给予纠正，增加了传输的可靠性。

4）码型变换模块

    经过编码与组帧模块输出数据也就是移位寄存器移出的数据的时钟频率为64khz，把这些数据转化成256khz的信号，把数据1变成1100，把数据0变成1010。

接收部分

1）码型逆变换模块

CPLD从码型变换电路接收到数据形式为1100或1010，需要把1100转化成1，1010转化成0，码型逆变换模块就是完成这样的功能的。 

2）同步模块

在解帧解码之前需要进行同步，同步的整个过程包括搜索与跟踪两个过程，刚开机或者处于帧失步状态的时候首先要搜索同步头。完成了同步就可以进行解帧，解帧的同时还要跟踪同步，以避免失步重新进入搜索的状态。

3）解帧模块

达到同步后就可以进行解帧，数据处理单元中共有四种帧，分别为A组命令帧，B组命令帧（分别对应于前四命令，后四命令），记录帧，其它的辅助帧（设置帧、请求帧），帧之间的区别就是在组帧时加上不同的帧识别标志，具体的区别是同步头后面的8比特数据。

4）解码模块

命令解码是命令编码的逆过程。

5）判别时间模块

判别时间与输入延时的作用完全一样，唯一的差别在判别时间模块是对输出命令的延时，而输入延时是对输入命令的延时。

6）输出扩展模块

输出扩展就是对命令的有效状态（命令为低电平）进行扩展，为了***的正常工作而对命令进行的一种处理。

二、继电保护光纤数字接口装置（双通道）

本发明的双通道继电保护光纤数字接口装置如图3所示，该接口装置包括开关量输入电路、开关量输出电路，两个CPU、两个服务单元，两服务单元均为单片机，单片机上设有与人机界面通讯连接的接口，两CPU均采用具有并行处理能力的CPLD芯片，两CPLD芯片分别与各自的光纤通道组成两路独立信道，开关量输入电路的输出端分别连入两CPLD芯片的输入端口，两CPLD芯片的输出端连入与门电路的输入端，与门电路的输出端控制连接开关量输出电路；两个CPLD芯片如图4所示均分为发送部分和接收部分。发送部分设有输入延时即延时判断模块、抽样模块、编码与组帧模块、码型变换模块；接收部分设***型逆变换模块、同步模块、解帧模块、解码模块、判别时间模块和输出扩展模块。

开关量输入电路主要是将外部保护输入的命令信号经光耦隔离变换成装置内部的逻辑电平。开关量输出电路主要是将所接收到的命令信号变换成相应的接点输出。装置的核心是CPLD,它收到命令信号后，经过发送部分的输入延时模块，抽样模块、然后编码、组帧，再经过码位变换，发送给光电转换模块，转换成光信号；由于CPLD具有并行处理能力，它在发送的同时，也把从光电模块接收到的数据经过接收部分的码型逆变换模块进行码位变换，然后解帧、解码，经过可选的延时，把命令信号送到命令输出回路。服务单元是一个单片机，它在上电时做一些初始化工作，给CPLD提供收发延时的参数，另外做一些其他事务的管理工作，但它不参与命令的传输。

CPLD（A）和CPLD（B）和各自的光纤通道组成两路独立信道。接口装置收到的命令信号同时传送到CPLD(A)和CPLD(B),它们分别工作，把命令信号送入光通道；再把从各自光通道收到的光信号转变成命令信号，两路命令信号经过与门电路处理后，变成一路信号，由输出电路输出。

与门电路，在没有命令时，与门的输入是高电平，命令来到后，输入就改为低电平，这样，两路传输信道，只要有一路正确传输，经过与门电路后，都可以正确输出命令信号。这样可靠性就得到保证。

CPLD芯片中还设有与单片机相连的锁存器1、锁存器2和缓冲器。 

依据图4，对CPLD芯片原理框图说明如下：

标号为输入到缓冲器中①～⑨的数据分别为：

①.1…4命令通道的发命令状态；

②.5…8命令通道的发命令状态；

③.1…4命令通道的收命令状态；

④.5…8命令通道的收命令状态；

⑤.接收告警；

⑥.误码率告警；

⑦.帧失步告警；

⑧.光路A中断（光路接收告警A）；

⑨.光路B中断（光路接收告警B）。

发送部分

1）输入延时模块

延时模块可以避免将噪声误认为“命令”状态。在输入命令信号发现低电平时延时模块开始工作。延时模块的工作时钟为64k，延迟的时间就是对时钟脉冲的计数。

2）抽样模块

数据发送的时钟频率为64K，一帧的数据共80比特，发送时间为1.25ms，因此两帧之间发送时间间隔为1.25ms；故每隔1.25ms需要对命令信号抽样一次。

3）编码与组帧模块

编码与组帧均受到命令方式的控制。将前4命令称为A组命令，后4命令称为B组命令，4命令工作方式的时候只需对A组命令的命令信号进行编码、组帧、发送，8命令工作方式的时候则需要对A、B两组命令交替进行编码组帧发送等过程。编解码采用48位分组码，该种方法能对48位中出现低于24位的误码给予纠正，增加了传输的可靠性。

4）码型变换模块

    经过编码与组帧模块输出数据也就是移位寄存器移出的数据的时钟频率为64khz，把这些数据转化成256khz的信号，把数据1变成1100，把数据0变成1010。

接收部分

1）码型逆变换模块

CPLD从码型变换电路接收到数据形式为1100或1010，需要把1100转化成1，1010转化成0，码型逆变换模块就是完成这样的功能的。 

2）同步模块

在解帧解码之前需要进行同步，同步的整个过程包括搜索与跟踪两个过程，刚开机或者处于帧失步状态的时候首先要搜索同步头。完成了同步就可以进行解帧，解帧的同时还要跟踪同步，以避免失步重新进入搜索的状态。

3）解帧模块

达到同步后就可以进行解帧，数据处理单元中共有四种帧，分别为A组命令帧，B组命令帧（分别对应于前四命令，后四命令），记录帧，其它的辅助帧（设置帧、请求帧），帧之间的区别就是在组帧时加上不同的帧识别标志，具体的区别是同步头后面的8比特数据。

4）解码模块

命令解码是命令编码的逆过程。

5）判别时间模块

判别时间与输入延时的作用完全一样，唯一的差别在判别时间模块是对输出命令的延时，而输入延时是对输入命令的延时。

6）输出扩展模块

输出扩展就是对命令的有效状态（命令为低电平）进行扩展，为了***的正常工作而对命令进行的一种处理。

Claims (4)

1.一种继电保护光纤数字接口装置，包括开关量输入电路、开关量输出电路，其特征在于：还包括两个CPU，两CPU分别与各自的光纤通道组成两路独立信道，所述开关量输入电路的输出端分别连入两CPU的输入端口，两CPU的输出端连入与门电路输入端，与门电路的输出端控制连接开关量输出电路；所述两个CPU均分为发送部分和接收部分，发送部分包括延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块，接收部分包括码型逆变换模块、解帧和解码模块；输入各CPU信道的信号经过发送部分的延时判断模块、编码与组帧模块和码型变换模块处理后，发送给光电转换模块，CPU从光电转换模块接收的信号经过接收部分的码型逆变换模块、解帧和解码模块处理后由输出电路输出；所述CPU为具有并行处理能力的CPLD芯片。

2.根据权利要求1所述的继电保护光纤数字接口装置，其特征在于：还包括两单片机，单片机上设有与人机界面通讯连接的接口，两个单片机与所述两CPU对应相连。

3.根据权利要求1所述的继电保护光纤数字接口装置，其特征在于：所述CPU接收部分还包括判别时间模块和输出扩展模块，所述输入各CPU信道的信号经解码模块、判别时间模块、输出扩展模块处理后由输出电路输出。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的继电保护光纤数字接口装置，其特征在于：所述与门电路没有输入命令时，与门的输入是高电平，命令来到后，输入改为低电平。

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