CN105487441A - 变电站避雷器数据同步采集传输装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明变电站避雷器数据同步采集传输装置及其控制方法涉及变电站避雷器运行状态的数据采集转换传输技术领域，具体涉及一种用于智能变电站避雷器运行状态同步信息采集与传输的技术。包括传感器模块、信号处理模块和ZigBee无线传输模块，所述传感器模块由线圈绕制的霍尔电流传感器组成；传感器模块将所采集的避雷器的电压电流信号传向信号处理模块，所述电压电流信号经过信号处理模块中的功率放大器放大后，经ZigBee无线传输模块传向监控中心的上位机；信号处理模块包括多通道AD及调理电路模块、时钟同步模块、高速CPLD模块、DSP模块、IEC61850-9-2协议处理模块、其它类型协议处理模块和FPGA模块。

Description

变电站避雷器数据同步采集传输装置及其控制方法

技术领域

本发明变电站避雷器数据同步采集传输装置及其控制方法涉及变电站避雷器运行状态的数据采集转换传输技术领域，具体涉及一种用于智能变电站避雷器运行状态同步信息采集与传输的技术。

背景技术

目前，在变电站避雷器在线监测的同步采集和传输技术的实现过程中，后端的信号处理也逐渐为广大电力工作人员重视。信号处理技术的发展将得出更加精确有效的监测结果，同时也为前段的避雷器在线监测装置提出了更高的要求。现有成果表明，目前的在线监测装置普遍面临信号采集同步性差、传输速度慢或通信协议不标准等问题。信号采集的同步性差，往往给后端的信号处理带来极大的误差。通信协议的不标准，导致信号格式不统一，为后台信号处理带来更大的工作量，并且还存在与其它自动化设备难以兼容的问题，在智能电网中的适用性也大打折扣。传输速度慢会造成数据采集时间的延长，跟不上后台信号处理对速度的要求。基于上述问题，研发传输速度快、同步性能优良且通信协议符合电力***标准的在线监测装置成为避雷器在线监测领域的研究热点。在这样的行业背景下，本发明对进一步推动电力***智能变电站避雷器在线监测具有非常重要的科技意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种变电站避雷器数据同步采集传输装置及其控制方法，结合ZigBee无线传输技术、IEC61850-9-2的过程层采样值转换技术、IEEE1588网络同步技术的优点，把不同避雷器的信息按照统一规约进行无线传输，以实现对当前智能变电站避雷器运行状态信息的全方位采集和统一分析，解决了现有变电站避雷器在线监测过程中信息同步采集及传输问题。

本发明的另一目的是提供智能变电站避雷器运行状态同步采集及传输装置的控制方法。

实现本发明解决所述技术问题采用的技术方案包括：（1）基于IEC61850-9-2的避雷器信息处理方法；（2）基于IEEE1588的时钟同步方法；（3）基于无线传输模块的实时传输方法，以上三种方法在本发明中被融合到信号处理模块和ZigBee无线传输模块里。

变电站避雷器数据同步采集传输装置及其控制方法是采取以下技术方案实现的：

变电站避雷器数据同步采集传输装置包括传感器模块、信号处理模块和ZigBee无线传输模块，所述传感器模块由线圈绕制的霍尔电流传感器组成；传感器模块将所采集的避雷器的电压电流信号传向信号处理模块，所述电压电流信号经过信号处理模块中的功率放大器放大后，经ZigBee无线传输模块传向监控中心的上位机。

信号处理模块包括多通道AD及调理电路模块、时钟同步模块、高速CPLD模块（即复杂可编程逻辑元件模块）、DSP模块、IEC61850-9-2协议处理模块、其它类型协议处理模块和FPGA模块；所述DSP模块通过高速并行总线与高速CPLD模块以及时钟同步模块连接，高速CPLD模块通过并行数据通道与多通道AD及调理电路模块以及其他类型协议处理模块连接，时钟同步模块通过并口采集脉冲信号；所述DSP模块通过FIF0接口与IEC61850-9-2协议处理模块连接。

所述多通道AD以及调理电路模块用来进行信号滤波、电路阻抗匹配、信号直流偏置以及信号电平转换等；

所述时钟同步模块集成了同步时钟方案，为采集信息提供精确的同步时标；同时时钟同步模块给高速CPLD模块提供作为基准的秒脉冲信号，该秒脉冲信号也可以输出给外部电子式互感器作为同步采集的基准信号；

所述高速CPLD模块即复杂可编程逻辑元件模块，用于实现多路模拟输入的高速同步数/模转换，具有容错和自检能力；

所述DSP模块采用DSP数字信号处理器，用于对电子式互感器传送的采样值解析、装置建模、文本描述生成以及MMS通信协议报文生成等；

所述其它类型协议数据处理模块是可扩展模块，用于实现除IEC61850-9-2外的其它不同类型协议的数据处理功能。

所述传感器模块安置于距避雷器3cm处，有两条引出线与信息处理模块相连。

所述IEC61850-9-2协议处理模块包括装置信息模型模块和通信服务模型模块，完成装置模型构建、定值、日志记录、文件传输、采样传输控制和对时的功能；所述IEC61850-9-2协议处理模块的装置信息模型模块由逻辑装置模块、逻辑节点模块和数据处理模块构成；所述IEC61850-9-2协议处理模块的通信服务模型模块由定值模块、日志记录模块、文件传输处理模块、采样传输控制模块和对时模块等构成。

ZigBee无线传输模块包括晶振时钟电路模块、射频输入/输出匹配电路模块和微控制器接口电路模块三个部分；

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，所述ZigBee无线传输模块支持IEC61850协议，ZigBee无线传输模块中的晶振时钟电路模块的芯片本振信号由内部电路提供，需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数，当采用16MHz晶振时其电容值约为22pF；

所述射频输入/输出匹配电路模块用于匹配晶振时钟电路模块的芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。

所述时钟同步模块采用IEEE1588时钟同步协议。

所述的ZigBee无线传输模块按照IEC-61850-9-2通信协议方式传输信息。

变电器避雷器数据同步采集传输装置的控制方法，包括如下步骤：

（1）信息处理模块由并行数据通道传输协议数据，根据时钟同步模块提供的秒脉冲信号在高速CPLD模块中进行插值处理或抽取处理，并将处理后的采样值信息打上时间标签，送入IEC61850-9-2协议处理模块和FPGA模块；

（2）IEC61850-9-2协议处理模块和FPGA模块按照步骤1）得到的采样值信息以及开关状态信息形成61850-9-2数据报文向ZigBee无线传输模块发送；

（3）ZigBee无线传输模块接收步骤2）中的61850-9-2数据报文并向数据中心发送。

综上所述，智能变电站避雷器数据同步采集传输装置控制方法包括如下步骤：

（1）采样值传输模型构建，采用发布者/订阅者结构，由于整个通信过程由发布者的采样值控制模块进行控制，该传输模型中设置采样值控制模块，本设计中选择多路采样值传输控制模块；

（2）为采样值传输模型的具体构建提供一种实现途径，构建IEC61850-9-2中的合并单元，作为逻辑设备完成采样值传输模型中发布者的功能；

（3）采样值传输及特定通信服务映射，发布者和订阅者之间的通信采用独立于通信***的抽象通信服务接口，通过特殊通信服务映射方法SCSM映射到具体的通信协议和通信网络上；

（4）采样值传输模型在通信协议栈的映射以及协议栈中应用层功能和表示层功能在所述装置中实现；

所述数据传输过程中的时钟同步方法是指基于外部源的硬接线时钟同步和基于IEEE1588的网络同步以解决合并单元同步问题，包括如下步骤：

（1）采用基于报文传输的采样控制方式，信号为同步转换命令CMD；

（2）CMD的生成采用软件同步的方法；

（3）基于IEEE1588协议将时钟同步网络中的各个节点统一看作是时钟，分为主时钟和从时钟，其中主时钟作为准确时间的发布者同步从时钟；

（4）在ZigBee无线传输模块中定义一组通信报文：同步报文，跟随报文，延时请求报文，延时响应报文，这些通信报文用于实现时钟同步。

所述ZigBee无线传输模块信号传输流程步骤如下：

（1）获取信号；

（2）读取标记的协议标识；

（3）判定是否为给定字节，如果回答是，读取以太网类型码，如果回答否，则继续下一步；

（4）读取标识的控制信息；

（5）判定是否小于门槛值，如果回答是，进入其它以太网帧，如果回答否，则继续下一步；

（6）继续判定是否等于期望值，如果回答是，继续下一步，如果回答否，进入其它以太网帧；

(7)传输信号到控制中心的上位机。

采取上述方法与措施形成的数据采集转换传输装置可达到如下功能：

（1）对于避雷器运行状态信息，按照IEC61850-9-2协议进行解析；

（2）对于不同避雷器运行状态信息，由装置内部AD进行同步采集，并给采集值打上时间标签；

（3）为装置提供作为基准的同步采集秒脉冲；

（4）计算采集测量值，得到泄露电流幅值；

（5）避雷器运行状态的采集量，并映射为IEC61850-9-2协议中的各逻辑设备、逻辑单元，生成装置模型，并按照时间标签将数据导入模型；

（6）将模型数据映射为相应的MMS（GBT16720.2-2005）报文发送；

本发明的有益效果是：

（1）装置的通信协议完全按照IEC61850标准来实现，易并入数字化变电站通信网络，适应智能变电站统一通信平台的发展趋势；

（2）装置自身可以产生同步秒脉冲，便于控制各避雷器的同步采集，更好地满足智能变电站测控的需要；

（3）装置实现了同步采集功能，可以同时实现智能变电站中多台避雷器的运行状态的实时采集，极大减少了在线监测的成本，同时提高了后端信号处理结果的有效性，有利于大规模推广；

（4）装置的数据传输采用无线传输技术，通信协议满足IEC61850标准，统一了数据格式，避免后端的数据格式转换，同时节约了线、突破了距离控制限制，提高了在线监测效率，更好地实现了智能变电站避雷器在线监测的需求。

附图说明

图1本发明所述装置的总体框架示意图。

图2是本发明所述装置的内部结构框图示意图。

图3是本发明所述装置的时钟同步处理模块结构框图示意图。

图4是本发明所述装置中IEEE1588整体处理流程示意图。

图5是本发明所述IEC61850－9－2协议处理模型框架示意图。

图6是本发明所述逻辑装置建模流程示意图。

具体实施方式

结合附图给出实施例对本发明的技术方案做进一步的具体说明。参见图1图2可知，本发明所述智能变电站避雷器运行状态数据同步采集传输装置属于硬件装置，安装于变电站内，由于智能变电站避雷器的采样值传输与变电站的控制、监视和保护功能密切相关，是变电站自动化***通信的重要组成部分，本发明针对当前变电站避雷器在线监测中存在的多台避雷器数据不能同步采集和传输的问题，综合了三大技术：（1）时钟同步方案；（2）无线传输方案；（3）IEC61850-9-2协议处理技术，设计了智能变电站运行状态数据同步采集传输装置，旨在完成不同避雷器数据同步采集并能按照IEC61850-9-2的标准传输。参见图1可知，本发明包括了传感器模块、信号处理模块和ZigBee无线传输模块。传感器模块采集到避雷器的电压电流信号，传向信号处理模块，经过功率放大器放大后，经ZigBee无线传输模块传向监控中心的上位机。图2是信号处理模块示意图，主要包括以下六个部分：

图3是本发明的时钟同步处理模块内部结构示意，该模块的内部结构，包括IRIGB码（Inter-RangeInstrumentationGroup）解析子模块，控制逻辑模块，IEEE1588报文解析处理子模块，MII介质无关接口子模块，接收串口数据、秒脉冲、IRIGB码以及以太网数据，通过数据线和地址线与外部进行信息交互。该模块主要负责提供本装置的同步时钟。同步时钟源支持GPS、IRIGB码以及IEEE1588时间同步协议三种。控制逻辑模块负责切换三种模式以及按照标准格式例如年、月、日、时、分、秒，向外输出秒脉冲以及时间信息。所述基于外部源的硬接线时钟同步技术主要解决合并单元同步问题，本发明中，采用基于报文传输的采样控制方式，信号为同步转换命令CMD。CMD报文有效内容是0×A₅、ST、DM和SP分别表示起始位、分辨位和终止位,这是异步串行输出的一般格式。各A/D在收到起始位后开始计时，在判断所收信息符合预定要求(0×A₅)后，经过T₀时间开始进行模数转换。

参见图4，是所示IEEE1588整体处理流程示意实施例子，在TCP/IP驱动层、MAC媒体通路控制层、物理层三层构建中，IEEE1588报文检测模块通过物理层获取以太网中的信息，该模块检测到报文信息后，向本地时钟模块发出触发信号指令。IEEE1588处理软件通过DSP模块与TCP/IP驱动层进行信息交互。***的同步时钟信号经过TCP/IP驱动层、MAC层、物理层，最终发送到以太网。智能传感器、保护、测量等设备均配备IEEE1588时钟，同步的设备采样值通过智能传感器数字化传输，遵循IEC61850-9-2协议发送到以太网上。

参见图5，是所述IEC61850-9-2协议处理模型框架，主要实现对避雷器的采样值解析、装置建模、文本描述生成，以及MMS通信协议报文生成等功能。具体地，其实现步骤为：

第一步：IEC61850-9-2协议处理框架构建；

第二步：根据上述框架，可以将数据处理装置接收到的数据和自身信息进行重新建模。例如，以一个逻辑装置为例，建模流程参见图6所示意。逻辑设备的作用是基于通信目的对逻辑节点和数据集进行聚集和归并。

需要说明的是，本发明采用通信协议栈规范、采样值传输模型在通信协议栈的映射以及协议栈中应用层功能和表示层功能实现等方面均在装置中实现：

通信协议栈规范技术针对051的7层模型进行具体规范。其中物理层以太网速率与采样率有关，本发明中确定传感器的采样率为每周期36点，由于ZigBee无线传输模块采用802.11协议，发送数据帧速度为11Mbps，其与交换机之间的以太网速率选择10Mbit/s即可。由于对采样值传输的高实时性要求，为避免在信堆栈延时，报文将直接映射到数据链路层，传输层、网络层等为空。

所述采样值传输模型在通信协议栈的映射技术包括对象名字、对象参考、公共数据类等的映射技术。

所述协议栈中应用层和表示层功能实现，应用层在将应用协议数据单元(APDU)置人发送缓冲区之前，负责将1个或多个应用服务数据单元(ASDU)集合成一个APDU。在采样率较高时，需要APDU集合多个ASDU，这里采样率为每周期36点，映射中APDU可只包含1个ASDU。

本发明中表示层采用抽象语法记法(ASN.1)对抽象数据类型进行编码。对于IEC61850-9-2，ASN.1编码要求比较容易，因为合并单元发送的数据包内容有具体规定，当APDU仅包含1个ASDU时，报文长度固定不变。

本装置的工作过程是这样的：时钟同步模块、其它类型协议数据处理模块、IEC61850－9－2协议处理模块属于软件部分；传感器将采集到的信号传到信号处理模块，信号处理模块由并行数据通道传输协议数据，由其它类型协议数据处理模块进行协议转换，然后根据时钟同步模块提供的秒脉冲信号在CPLD中进行插值或者抽取处理，并打上时间标签，送入IEC61850－9－2协议处理模块，随后按照采样值、开关状态信息分成61850－9－2数据报文向ZigBee无线传输模块ZigBee发送，ZigBee模块接收信号并最终传输至监控中心的上位机。数据点数可按照国网标准在初始配置中修改。同时该转换装置支持对二次侧模拟量直接采样转换。采样率可由初始设置设定，最高采样率可达10MSPS。

尽管上面对本发明的具体实施方式进行了描述，但应当清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种变电站避雷器数据同步采集传输装置，其特征在于：包括传感器模块、信号处理模块和ZigBee无线传输模块，所述传感器模块由线圈绕制的霍尔电流传感器组成；传感器模块将所采集的避雷器的电压电流信号传向信号处理模块，所述电压电流信号经过信号处理模块中的功率放大器放大后，经ZigBee无线传输模块传向监控中心的上位机；

信号处理模块包括多通道AD及调理电路模块、时钟同步模块、高速CPLD模块、DSP模块、IEC61850-9-2协议处理模块、其它类型协议处理模块和FPGA模块；

所述DSP模块通过高速并行总线与高速CPLD模块以及时钟同步模块连接，高速CPLD模块通过并行数据通道与多通道AD及调理电路模块以及其他类型协议处理模块连接，时钟同步模块通过并口采集脉冲信号；

所述DSP模块通过FIF0接口与IEC61850-9-2协议处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的变电站避雷器数据同步采集传输装置，其特征在于：所述传感器模块安置于距避雷器3cm处，有两条引出线与信息处理模块相连。

3.根据权利要求1所述的变电站避雷器数据同步采集传输装置，其特征在于，所述IEC61850-9-2协议处理模块的装置信息模型模块由逻辑装置模块、逻辑节点模块和数据处理模块构成。

4.根据权利要求1所述的变电站避雷器数据同步采集传输装置，其特征在于，所述IEC61850-9-2协议处理模块的通信服务模型模块由定值模块、日志记录模块、文件传输处理模块、采样传输控制模块和对时模块构成。

5.根据权利要求1所述的变电站避雷器数据同步采集传输装置，其特征在于，所述时钟同步模块采用IEEE1588时钟同步协议。

6.根据权利要求1所述的变电站避雷器数据同步采集传输装置，其特征在于：所述的ZigBee无线传输模块按照IEC-61850-9-2通信协议方式传输信息。

7.根据权利要求1所述的智能变电站避雷器数据同步采集传输装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）信息处理模块由并行数据通道传输协议数据，根据时钟同步模块提供的秒脉冲信号在高速CPLD模块中进行插值处理或抽取处理，并将处理后的采样值信息打上时间标签，送入IEC61850-9-2协议处理模块和FPGA模块；

（2）IEC61850-9-2协议处理模块和FPGA模块按照步骤1）得到的采样值信息以及开关状态信息形成61850-9-2数据报文向ZigBee无线传输模块发送；

（3）ZigBee无线传输模块接收步骤2）中的61850-9-2数据报文并向数据中心发送。

8.根据权利要求8所述的智能变电站避雷器数据同步采集传输装置的控制方法，其特征在于，所述ZigBee无线传输模块信号传输流程步骤如下：

（1）获取信号；

（2）读取标记的协议标识；

（3）判定是否为给定字节，如果回答是，读取以太网类型码，如果回答否，则继续下一步；

（4）读取标识的控制信息；

（5）判定是否小于门槛值，如果回答是，进入其它以太网帧，如果回答否，则继续下一步；

（6）继续判定是否等于期望值，如果回答是，继续下一步，如果回答否，进入其它以太网帧；

(7)传输信号到控制中心的上位机。