CN116643081A - 一种高可靠性的继电保护装置采样***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性的继电保护装置采样***和方法，包括：目标继电保护装置的交流模件输出的模拟量采样信号转换为相同的两份信号，通过多个运算放大器分别输出到不同的模数转换模块，得到主采信号和复采信号；FPGA芯片，用于对主采信号和复采信号分别执行独立的插值及检错逻辑，并按照私有规约格式组织成为采样值报文；中央处理器模块，用于对采样值报文进行处理操作，并建立异常处理机制，实时监视继电保护装置采样***的元器件工况及软硬件自检结果。本发明缓解了现有技术中存在的因单粒子翻转效应等元器件异常工作状态导致的继电保护装置采样数据出错、造成继电保护装置不正确动作的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力***自动化技术领域，具体为一种高可靠性的继电保护装置采样***和方法。
背景技术
随着电子技术的发展，现代微机继电保护装置中集成电路元器件大量运用，装置性能得到大幅提升，但与此同时，元器件性能不稳定、单粒子翻转等引起的采样环节问题频出，导致保护装置在实际运行中频频出现误动、拒动，对电网稳定安全运行带来了很大威胁。特别是关键处理芯片受到大气环境中的高能粒子(质子、电子、重离子等)带来的粒子辐射时，其中的集成电路元器件会受到这些高能粒子轰击，其保持的状态有可能发生翻转，此效应称为单粒子翻转效应。如果元器件的状态发生错误翻转，会造成芯片工作不稳定甚至产生致命的错误，当采样数据被破坏或篡改，这对于继电保护装置影响十分严重。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种高可靠性的继电保护装置采样***和方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种高可靠性的继电保护装置采样***，设置于目标继电保护装置内；包括：多个运算放大器、多个模数转换模块、FPGA芯片和中央处理器模块；所述目标继电保护装置的交流模件输出的模拟量采样信号转换为相同的两份信号，通过所述多个运算放大器分别输出到不同的模数转换模块，得到主采信号和复采信号；所述FPGA芯片，用于对所述主采信号和所述复采信号分别执行独立的插值及检错逻辑，并按照私有规约格式将所述主采信号和所述复采信号组织成为采样值报文；所述采样值报文包括主采信号采样值报文和复采信号采样值报文；所述采样值报文末尾包括整段报文校验码；所述中央处理器模块，用于对所述采样值报文进行处理操作；所述处理操作包括数据处理、数据正确性校验及一致性校验和数据品质处理；所述中央处理器模块，还用于建立异常处理机制，实时监视所述继电保护装置采样***的元器件工况及软硬件自检结果。
进一步地，所述多个运算放大器和所述多个模数转换模块均采用独立电源供电。
进一步地，所述FPGA芯片，还用于：以预设频率从所述多个模数转换模块读取所述主采信号和所述复采信号；基于所述目标继电保护装置的保护算法所需采样频率，分别对所述主采信号和所述复采信号进行插值处理；同时计算由所述主采信号和所述复采信号的插值前后数据生成的校验码并做校验。
进一步地，所述FPGA芯片对所述主采信号的插值处理逻辑与对所述复采信号的插值处理逻辑相互独立设置，且所述FPGA芯片在对所述主采信号和所述复采信号的插值处理逻辑中设置探针监视功能。
进一步地，所述中央处理器模块，还用于：若对所述采样值报文进行数据正确性校验不通过，则丢弃所述采样值报文，并发出告警信号；若对所述采样值报文进行数据正确性校验通过，则检查所述采样值报文中各采样通道的品质是否存在异常标志位；如果是，则对存在异常标志位的采样通道作无效处理。
进一步地，所述中央处理器模块，还用于：获取所述继电保护装置采样***的采样元件工况，并基于所述采样元件工况判断所述继电保护装置采样***是否存在工况异常；所述采样元件工况包括：所述多个运算放大器的工作电压及参考电压、所述多个模数转换模块的工作电压及温度、所述FPGA芯片的工作电压及温度、所述中央处理器模块的温度；若所述继电保护装置采样***不存在工况异常，且对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验通过，则将所述采样值报文发送给所述目标继电保护装置的保护算法模块。
进一步地，所述中央处理器模块，还用于：若所述继电保护装置采样***存在工况异常，或对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验不通过，则闭锁所述目标继电保护装置的保护功能。
第二方面，本发明实施例还提供了一种高可靠性的继电保护装置采样方法，应用于继电保护装置采样***；所述继电保护装置采样***设置于目标继电保护装置内；包括：将所述目标继电保护装置的交流模件输出的模拟量采样信号转换为相同的两份信号，通过多个运算放大器分别输出到不同的模数转换模块，得到主采信号和复采信号；对所述主采信号和所述复采信号分别执行独立的插值及检错逻辑，并按照私有规约格式将所述主采信号和所述复采信号组织成为采样值报文；所述采样值报文包括主采信号采样值报文和复采信号采样值报文；所述采样值报文末尾包括整段报文校验码；对所述采样值报文进行处理操作；所述处理操作包括数据处理、数据正确性校验及一致性校验和数据品质处理；建立异常处理机制，实时监视所述继电保护装置采样***的元器件工况及软硬件自检结果。
进一步地，还包括：若对所述采样值报文进行数据正确性校验不通过，则丢弃所述采样值报文，并发出告警信号；若对所述采样值报文进行数据正确性校验通过，则检查所述采样值报文中各采样通道的品质是否存在异常标志位；如果是，则对存在异常标志位的采样通道作无效处理。
进一步地，还包括：获取所述继电保护装置采样***的采样元件工况，并基于所述采样元件工况判断所述继电保护装置采样***是否存在工况异常；若所述继电保护装置采样***不存在工况异常，且对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验通过，则将所述采样值报文发送给所述目标继电保护装置的保护算法模块；若所述继电保护装置采样***存在工况异常，或对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验不通过，则闭锁所述目标继电保护装置的保护功能。
本发明提供了一种高可靠性的继电保护装置采样***和方法，采样***在基于双重化配置的基础上，大幅度丰富了采样数据及软硬件自检的信息量，在源头上暴露出采样环节存在的问题，保证了保护算法所运用电气量数据的有效性，提高了继电保护装置的可靠性，更好地保障电力***的稳定运行，缓解了现有技术中存在的因单粒子翻转效应等元器件异常工作状态导致的继电保护装置采样数据出错、造成继电保护装置不正确动作的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高可靠性的继电保护装置采样***的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高可靠性的继电保护装置采样方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1是根据本发明实施例提供的一种高可靠性的继电保护装置采样***的示意图。其中，继电保护装置采样***设置于目标继电保护装置内。如图1所示，本发明实施例提供的继电保护装置采样***包括：多个运算放大器10、多个模数转换模块20、FPGA芯片30和中央处理器模块40。
在本发明实施例中，继电保护装置采样***的硬件部分采用高度独立的双重化设计，实现对电气量主采与复采电气回路的解耦。具体地，目标继电保护装置的交流模件输出的模拟量采样信号转换为相同的两份信号，通过多个运算放大器10分别输出到不同的模数转换模块20，得到主采信号和复采信号。
其中，交流模件通过电压互感器获取电压采样信号；运算放大器10将电压采样信号转换至模数转换模块20(AD模块)的采样范围内信号。
可选地，在本发明实施例中，继电保护装置采样***根据主采信号和复采信号的处理单元，分为主采回路和复采回路。其中，主采回路与复采回路的元器件高度独立设置，多个运算放大器10和多个模数转换模块20均采用独立电源供电。优选地，每个模件最多配置四片模数转换模块20，每片模数转换模块20最多支持十六路采样通道。可选地，运算放大器10采用双电源供电，且采用独立的参考电压。
具体地，FPGA芯片30，用于对主采信号和复采信号分别执行独立的插值及检错逻辑，并按照私有规约格式将主采信号和复采信号组织成为采样值报文；其中，采样值报文包括主采信号采样值报文和复采信号采样值报文；采样值报文末尾包括整段报文校验码。
在本发明实施例中，FPGA芯片30将主采信号和复采信号按照私有规约格式组织成为内部采样值报文通过数据总线传输至中央处理器模块40，并将由整段报文计算得到的32位校验码加至采样值报文的末尾。
具体地，中央处理器模块40，用于对采样值报文进行处理操作。其中，处理操作包括数据处理、数据正确性校验及一致性校验和数据品质处理，以确认采样值报文的有效性。
具体地，中央处理器模块40，还用于建立异常处理机制，实时监视继电保护装置采样***的元器件工况及软硬件自检结果。
具体地，在本发明实施例中，FPGA芯片30，还用于：
以预设频率从多个模数转换模块读取主采信号和复采信号；
基于目标继电保护装置的保护算法所需采样频率，分别对主采信号和复采信号进行插值处理；
同时计算由主采信号和复采信号的插值前后数据生成的校验码并做校验。
如图1所示，在本发明实施例中，FPGA芯片30对主采信号的插值处理逻辑与对复采信号的插值处理逻辑相互独立设置，且FPGA芯片30在对主采信号和复采信号的插值处理逻辑中设置探针监视功能。
具体地，在继电保护装置采样***中配置FPGA芯片30对主采信号与复采信号别进行处理，并支持硬件回路自检及数据校验的功能。具体为，FPGA芯片30负责以较高频率从各模数转换模块20读取主采信号与复采信号，进而根据在FPGA芯片30配置寄存器中设置的保护算法所需的采样频率对数据进行插值处理。
在本发明实施例中，FPGA芯片30内部处理主采信号与复采信号及各自的插值处理逻辑完全独立，并在各自的插值电路中增加探针监视功能，同时计算由插值前后的数据生成的8位校验码并作校验，进而将判别结果保存至结果寄存器中。优选地，FPGA芯片30从模数转换模块20读取数据的频率应设置的相对高，不低于10kHz；保护模块所需的采样频率一般为1200Hz～4800Hz。
可选地，FPGA芯片30组织的私有规约报文中的内容包含：报文类型、采样频率、采样数据、采样数据品质、报文内容32位校验码，如下表1所示：
表1采样值报文
可选地，私有规约报文中报文类型占用一个字节，FPGA与CPU应约定除其它规约类型以外的值，用于识别传递的报文为内部采样值报文。例如原有5种内部规约，规约类型为0x01-0x05，内部采样值报文的报文类型可约定为0x06。
私有规约报文中单个采样通道的数据品质占用一个字节，用于传递采样环节的错误信息，如下表2所示：
表2
| 比特位 | 数据意义 |
| 0 | AD读取失败 |
| 1 | FPGA内部出错 |
| 2 | 插值逻辑出错 |
| 3 | 报文自校验出错 |
| 4 | 保留 |
| 5 | 保留 |
| 6 | 保留 |
| 7 | 保留 |
可选地，在本发明实施例中，中央处理器模块40，还用于：若对采样值报文进行数据正确性校验不通过，则丢弃采样值报文，并发出告警信号；
若对采样值报文进行数据正确性校验通过，则检查采样值报文中各采样通道的品质是否存在异常标志位；如果是，则对存在异常标志位的采样通道作无效处理。
可选地，中央处理器模块40，还用于：
获取继电保护装置采样***的采样元件工况，并基于采样元件工况判断继电保护装置采样***是否存在工况异常；采样元件工况包括：多个运算放大器的工作电压及参考电压、多个模数转换模块的工作电压及温度、FPGA芯片的工作电压及温度、中央处理器模块的温度；
若继电保护装置采样***不存在工况异常，且对主采信号采样值报文与复采信号采样值报文进行的一致性校验通过，则将采样值报文发送给目标继电保护装置的保护算法模块。
若继电保护装置采样***存在工况异常，或对主采信号采样值报文与复采信号采样值报文进行的一致性校验不通过，则闭锁目标继电保护装置的保护功能。
具体地，CPU(及中央处理器模块40)收到FPGA芯片30传递的内部采样值报文后，计算除校验码的整段报文内容生成的校验码，当与报文末尾的校验码一致时，认为采样值报文在传输过程中未被破坏与篡改。若内部报文校验不通过，则丢弃报文，同时发出告警信号，闭锁保护功能；若内部报文校验通过，CPU检查各采样通道的品质是否有异常标志位，当所有采样通道品质无异常时，则采样值报文作有效处理，否则对存在异常品质标志位的采样通道作无效处理。
可选地，在本发明实施例中，整个采样***建立异常处理机制，实现对采样环节相关元器件工况及软硬件自检的监视，同时CPU要对主采信号与复采信号的采样值数据进行一致性校验，当整个***不存在异常时，CPU将采样值数据提供给保护算法模块。
具体地，目标继电保护装置在线监视采样环节相关元器件工况包括：各运算放大器的工作电压及参考电压、各AD芯片的工作电压及温度、FPGA芯片的工作电压及温度、CPU温度等，当各项被监测量超出预设的阈值时，发出告警信号，闭锁保护功能。在线监测的各元器件工况的告警阈值，具体为，电压的阈值范围取额定电压的97.5％～102.5％；温度的阈值范围取各芯片技术规格书的工作温度范围。
具体地，CPU对主采信号与复采信号的采样值数据进行一致性校验，具体为，CPU定时对比主采与复采的采样值，两者之差应满足相对误差小于2.5％或绝对误差小于满量程的0.1％，否则判别为主复采不一致，闭锁保护功能。
由以上描述可知，本发明针对现代微机继电保护装置元器件性能不稳定、单粒子翻转等引起的采样环节问题频出导致保护装置在实际运行中频频出现误动、拒动的现状，提出了一种高可靠性的继电保护装置采样***，在基于双重化配置的基础上，大幅度丰富了采样数据及软硬件自检的信息量，在源头上保证了保护算法所运用电气量数据的有效性，提高了继电保护装置的可靠性，更好地保障电力***的稳定运行，具备广阔的应用前景。本发明缓解了现有技术中存在的因单粒子翻转效应等元器件异常工作状态导致的继电保护装置采样数据出错、造成继电保护装置不正确动作的技术问题。
实施例二：
图2是根据本发明实施例提供的一种高可靠性的继电保护装置采样方法的流程图，该方法应用于上述实施例一中的继电保护装置采样***；其中，继电保护装置采样***设置于目标继电保护装置内。如图2所示，该采样方法具体包括如下步骤：
步骤S202，将目标继电保护装置的交流模件输出的模拟量采样信号转换为相同的两份信号，通过多个运算放大器分别输出到不同的模数转换模块，得到主采信号和复采信号。
步骤S204，对主采信号和复采信号分别执行独立的插值及检错逻辑，并按照私有规约格式将主采信号和复采信号组织成为采样值报文；采样值报文包括主采信号采样值报文和复采信号采样值报文；采样值报文末尾包括整段报文校验码。
步骤S206，对采样值报文进行处理操作；处理操作包括数据处理、数据正确性校验及一致性校验和数据品质处理。
步骤S208，建立异常处理机制，实时监视继电保护装置采样***的元器件工况及软硬件自检结果。
本发明提供了一种高可靠性的继电保护装置采样方法，在基于双重化配置的基础上，大幅度丰富了采样数据及软硬件自检的信息量，在源头上暴露出采样环节存在的问题，保证了保护算法所运用电气量数据的有效性，提高了继电保护装置的可靠性，更好地保障电力***的稳定运行，缓解了现有技术中存在的因单粒子翻转效应等元器件异常工作状态导致的继电保护装置采样数据出错、造成继电保护装置不正确动作的技术问题。
具体地，步骤S204还包括如下步骤：
步骤S2041，以预设频率从所述多个模数转换模块读取所述主采信号和所述复采信号；
步骤S2042，基于所述目标继电保护装置的保护算法所需采样频率，分别对所述主采信号和所述复采信号进行插值处理；
步骤S2043，同时计算由所述主采信号和所述复采信号的插值前后数据生成的校验码并做校验。
可选地，本发明实施例提供的方法还包括如下步骤：
若对采样值报文进行数据正确性校验不通过，则丢弃采样值报文，并发出告警信号；
若对采样值报文进行数据正确性校验通过，则检查采样值报文中各采样通道的品质是否存在异常标志位；如果是，则对存在异常标志位的采样通道作无效处理。
可选地，本发明实施例提供的方法还包括如下步骤：
获取继电保护装置采样***的采样元件工况，并基于采样元件工况判断继电保护装置采样***是否存在工况异常；
若继电保护装置采样***不存在工况异常，且对主采信号采样值报文与复采信号采样值报文进行的一致性校验通过，则将采样值报文发送给目标继电保护装置的保护算法模块；
若继电保护装置采样***存在工况异常，或对主采信号采样值报文与复采信号采样值报文进行的一致性校验不通过，则闭锁目标继电保护装置的保护功能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种高可靠性的继电保护装置采样***，其特征在于，设置于目标继电保护装置内；包括：多个运算放大器、多个模数转换模块、FPGA芯片和中央处理器模块；
所述目标继电保护装置的交流模件输出的模拟量采样信号转换为相同的两份信号，通过所述多个运算放大器分别输出到不同的模数转换模块，得到主采信号和复采信号；
所述FPGA芯片，用于对所述主采信号和所述复采信号分别执行独立的插值及检错逻辑，并按照私有规约格式将所述主采信号和所述复采信号组织成为采样值报文；所述采样值报文包括主采信号采样值报文和复采信号采样值报文；所述采样值报文末尾包括整段报文校验码；
所述中央处理器模块，用于对所述采样值报文进行处理操作；所述处理操作包括数据处理、数据正确性校验及一致性校验和数据品质处理；
所述中央处理器模块，还用于建立异常处理机制，实时监视所述继电保护装置采样***的元器件工况及软硬件自检结果。
2.根据权利要求1所述的继电保护装置采样***，其特征在于：所述多个运算放大器和所述多个模数转换模块均采用独立电源供电。
3.根据权利要求1所述的继电保护装置采样***，其特征在于：所述FPGA芯片，还用于：
以预设频率从所述多个模数转换模块读取所述主采信号和所述复采信号；
基于所述目标继电保护装置的保护算法所需采样频率，分别对所述主采信号和所述复采信号进行插值处理；
同时计算由所述主采信号和所述复采信号的插值前后数据生成的校验码并做校验。
4.根据权利要求3所述的继电保护装置采样***，其特征在于：所述FPGA芯片对所述主采信号的插值处理逻辑与对所述复采信号的插值处理逻辑相互独立设置，且所述FPGA芯片在对所述主采信号和所述复采信号的插值处理逻辑中设置探针监视功能。
5.根据权利要求1所述的继电保护装置采样***，其特征在于：所述中央处理器模块，还用于：若对所述采样值报文进行数据正确性校验不通过，则丢弃所述采样值报文，并发出告警信号；
若对所述采样值报文进行数据正确性校验通过，则检查所述采样值报文中各采样通道的品质是否存在异常标志位；如果是，则对存在异常标志位的采样通道作无效处理。
6.根据权利要求1所述的继电保护装置采样***，其特征在于：所述中央处理器模块，还用于：
获取所述继电保护装置采样***的采样元件工况，并基于所述采样元件工况判断所述继电保护装置采样***是否存在工况异常；所述采样元件工况包括：所述多个运算放大器的工作电压及参考电压、所述多个模数转换模块的工作电压及温度、所述FPGA芯片的工作电压及温度、所述中央处理器模块的温度；
若所述继电保护装置采样***不存在工况异常，且对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验通过，则将所述采样值报文发送给所述目标继电保护装置的保护算法模块。
7.根据权利要求6所述的继电保护装置采样***，其特征在于：所述中央处理器模块，还用于：若所述继电保护装置采样***存在工况异常，或对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验不通过，则闭锁所述目标继电保护装置的保护功能。
8.一种高可靠性的继电保护装置采样方法，其特征在于，应用于继电保护装置采样***；所述继电保护装置采样***设置于目标继电保护装置内；包括：
将所述目标继电保护装置的交流模件输出的模拟量采样信号转换为相同的两份信号，通过多个运算放大器分别输出到不同的模数转换模块，得到主采信号和复采信号；
对所述主采信号和所述复采信号分别执行独立的插值及检错逻辑，并按照私有规约格式将所述主采信号和所述复采信号组织成为采样值报文；所述采样值报文包括主采信号采样值报文和复采信号采样值报文；所述采样值报文末尾包括整段报文校验码；
对所述采样值报文进行处理操作；所述处理操作包括数据处理、数据正确性校验及一致性校验和数据品质处理；
建立异常处理机制，实时监视所述继电保护装置采样***的元器件工况及软硬件自检结果。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：还包括：
若对所述采样值报文进行数据正确性校验不通过，则丢弃所述采样值报文，并发出告警信号；
若对所述采样值报文进行数据正确性校验通过，则检查所述采样值报文中各采样通道的品质是否存在异常标志位；如果是，则对存在异常标志位的采样通道作无效处理。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：还包括：
获取所述继电保护装置采样***的采样元件工况，并基于所述采样元件工况判断所述继电保护装置采样***是否存在工况异常；
若所述继电保护装置采样***不存在工况异常，且对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验通过，则将所述采样值报文发送给所述目标继电保护装置的保护算法模块；
若所述继电保护装置采样***存在工况异常，或对所述主采信号采样值报文与所述复采信号采样值报文进行的一致性校验不通过，则闭锁所述目标继电保护装置的保护功能。
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