CN201846138U - 基于统一断面数据采集的断路器智能组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于统一断面数据采集的断路器智能组件,包括机箱,在机箱内设置有总线式背板,其特征在于:在总线式背板上插接有核心插件CPUS、电源插件、工频信号采集插件、操作回路插件、状态监测采集插件、合并单元插件,所述核心插件CPUS分别与电源插件、工频信号采集插件、操作回路插件、状态监测采集插件、合并单元插件相通信。本实用新型具备在6U、1/2机箱结构内实现多种功能应用的综合装置,统一断面数据采集,为变电站全景数据库提供数据集,为断路器的安全运行提供齐备的单装置解决方案,有效节省设备投资,保证断路器的安全运行及提高设备运行寿命,减少停电检修次数。
Description
技术领域
本实用新型属电工技术领域,更准确地说本实用新型涉及一种面向35KV及以下电压等级的断路器的保护、测控、状态监测及断路器数字化输入输出的综合一体化装置。
背景技术
随着国家电网公司对智能电网的重点投资和建设,及十二五规划对一次设备智能化提出的“测量数字化、 控制网络化、 状态可视化、 功能一体化和信息互动化”的要求,智能变电站对断路器运行工况数据需要全面的收集和分析,达到断路器设备从停电检修过渡到实时在线监测和故障检修。
传统的面向断路器的微机保护测控一体化装置已广泛使用,但面向的对象主要是电网的工频信号;传统的断路器的状态监测装置也逐步在推广使用,其功能受限于断路器本体信息;目前工程应用基本上是两种类型的装置各自独立运行,信息不交互,且采集的信号量时标不统一,为断路器的全景数据获取及分析、运行监控及事故分析带来不便。同时传统装置考虑更多的是基本功能应用,对断路器控制器的网络通信、IEC61850信息建模、数字化功能等方面考虑欠缺。
文献一《智能式断路器控制器》(中国专利申请号200920227462.1)披露了一种智能式断路器控制器的硬件***框架,采用了ARM+DSP的***构架,***框设计基本上还是传统的微机保护测控装置的设计思想,AD采样+开入开出信号+液晶+通讯管理,没有涉及到数据的外同步采样统一断面数据,装置的设计也没有考虑到智能变电站对设备的数字化输出和网络GOOSE跳闸解决方案。
文献二《基于DSP的高压断路器综合在线监测装置》(易慧等《高压电气》2007.2)介绍了一种基于TMS320F206为主控器的信号采集装置,通过采集断路器的动触头的行程位移、分合闸线圈电流电压、振动信号、绝缘介质特性,来综合评估断路器的工作状态和计算电寿命估计。这类装置功能较单一,只做断路器状态监测,在高电压等级变电站内的断路器设备上可以使用,但低压领域尤其10KV开关柜内由于柜内空间及经济成本因素不会得到广泛使用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种断路器智能组件,具备在6U、1/2机箱结构内实现多种功能应用的综合装置,统一断面数据采集,为变电站全景数据库提供数据集,为断路器的安全运行提供齐备的单装置解决方案。
为解决上述技术问题,本实用新型提供一种基于统一断面数据采集的断路器智能组件, 包括机箱,在机箱内设置有总线式背板,其特征在于:在总线式背板上插接有核心插件CPUS、电源插件、工频信号采集插件、操作回路插件、状态监测采集插件、合并单元插件,所述核心插件CPUS分别与电源插件、工频信号采集插件、操作回路插件、状态监测采集插件、合并单元插件相通信。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述核心插件CPUS包括通讯管理单元PPC、与通讯管理单元相通信的FPGA采集单元、与FPGA采集单元相通信的DSP运算单元。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:通讯管理单元PPC包含2个百兆以太光口,3个百兆电口,所述两个电口为MMS通信以太网口,以IEC61850通信协议与上位管理机通信;两个光口为GOOSE通信以太网口,负责GOOOSE实时报文处理,实现装置联锁及跳合闸操作,完成智能终端功能,还包括一个内部以太电口用于和液晶CPU通讯。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述DSP分别与电源插件中的开入开出模块及操作回路插件相相通信。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述FPGA采集单元接受工频信号采集插件的采样及数据,同时接受DSP运算单元采集的32路外部开入信号,接收外部B码对时信号,并通过本地解码提取秒脉冲、同步采样脉冲,同时FPGA每半个周波计算所有通道的基波向量,联同生数据(采样值)带时标一起存入4个周波存储深度的缓冲区,通过本地16位数据总线方式把AD数据发布给通讯管理单元PPC和DSP运算单元。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述机箱为标准6U、1/2机箱。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述通讯管理单元PPC和DSP运算单元之间的数据交互通道为双口RAM形式。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述合并单元插件包括通讯CPU,合并单元插件的第二FPGA同步接受由核心插件CPUS的FPGA采集单元通过差分总线发来的采样数据,经过整理传送给通讯CPU,由通讯CPU决定按照IEC 61850-9-2标准向过程层网络发送或者以IEC 60044-8协议通过串行光纤口发送。
前述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述状态监测采集插件包括6隔离采样回路(4~20mA)和9路光纤测温模块。
本实用新型的达到的有益效果:本实用新型具备在6U、1/2机箱结构内实现多种功能应用的综合装置,统一断面数据采集,为变电站全景数据库提供数据集,为断路器的安全运行提供齐备的单装置解决方案,有效节省设备投资,保证断路器的安全运行及提高设备运行寿命,减少停电检修次数。
附图说明
图1为本实用新型的装置机箱结构正视图。
图2为本实用新型的装置机箱结构剖面图。
图3为断路器智能组件硬件原理框图。
图4为断路器智能组件的状态监测功能框图。
图5为断路器智能组件装置端子定义图。
图6为本实用新型的功能图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步说明。
图1和图2示意了本装置的机箱尺寸及结构。
断路器智能组件采用了标准6U、1/2机箱结构设计,装置结构特点是:采用背板前置,功能插件后插的装置方案,合理布置功能插件,包括总线式背板、电源插件(包含开入功能模块)、核心插件CPUS(包含通讯管理单元PPC、FPGA采集单元、DSP运算单元)、工频信号采集插件、操作回路插件、状态监测采集插件、合并单元插件、显示单元(固定在门板上)。
断路器智能组件软硬件功能包含7大功能模块:
数据采集及主控模块:选用带DSP内核的大容量RAM的FPGA(XC3SD1800A),其功能包括:以4KHz的采样速度负责4片8通道的16位AD(MAX11046)的采样及数据接受工作,同时负责接受DSP运算单元以2KHz采样速率采集的32路外部开入信号;同时接收外部B码(光纤或485方式),并通过本地解码提取秒脉冲,同步采样脉冲。另外FPGA每半个周波(10MS)计算所有通道的基波向量,联同生数据(采样值)带时标一起存入4个周波存储深度的缓冲区,通过本地16位数据总线方式把AD数据发布给通讯管理单元PPC和DSP运算单元。以双口RAM的形式提供PPC和DSP运算单元之间的数据交互通道;提供背板6对冗余差分总线,以10M的速率与其它智能板件通信。
保护测控模块:主要由DSP运算单元和工频信号采集插件、开入开出模块、操作回路插件完成,完成一条线路的保护功能及测控功能。
通讯管理模块:由通讯管理单元PPC完成,包含2个百兆以太光口,3个百兆电口;其中两个电口为MMS通信以太网口,以IEC61850通信协议与上位管理机通信;两个光口为GOOSE通信以太网口,负责GOOOSE实时报文处理,实现装置联锁及跳合闸操作,完成智能终端功能。一个内部以太电口用于和液晶CPU通讯。
合并单元模块:主要由合并单元插件板上的通讯CPU(MCF5274)完成;该插件板上的第二FPGA同步接受由主核心板上的主控FPGA通过差分总线发来的采样数据,经过整理传送给MCF5274,由MCF5274决定以SAV9-2格式向过程层网络发送或者以IEC 60044-8协议通过串行光纤口发送。
状态监测模块:由状态监测板完成;该板设计了6隔离采样回路(4~20mA)和9路光纤测温模块,通过对安装在断路器本体上的传感器信号采集,能够实现储能电机的电源、电流监视;断路器动作分合闸线圈电流监测;断路器储能弹簧压力监视;断路器动触头操作行程监测;断路器触头温度监测。通过数据分析对断路器进行状态评估和剩余电寿命估计。
统一断面实时数据记录模块:主要由通讯管理单元PPC和FPGA完成。由于FPGA对每次采样数据集打上绝对时间(基于B码同步)硬件时标,通讯管理单元PPC可以对稳态数据按照带时标的格式向PMU(同步向量装置)发送。通讯管理单元PPC内嵌了一个实时的故障录波软件,可以根据模拟通道的类型及开关的信号作为录波启动条件,从而记录断路器状态变化时的暂态数据,形成comtrade格式的文件,便于事后回放和故障分析。
人机管理模块:由一个具备TFT、网络通讯接口的CPU负责,以480×272点针的彩色液晶显示数据。
图3为本实用新型的硬件设计原理图。由于该断路器智能组件集成了与断路器开关柜对象应用相关的几乎所有功能,包括保护、测控、状态监测、智能终端、数字化输出,加上机箱结构空间的限制,对硬件设计提出了较高的要求。考虑到智能组件的统一断面数据采集,数据量大和实时性要求,装置采用了多CPU***解决方案。核心主板CPUS承担了数据采集、运算、存储、通信、逻辑操作等大部分功能。
核心插件CPUS使用了具有300MHz主频的专业通讯CPU-MPC8313,具备2个千兆以太网接口、3个PCI网卡,1Gz字节的NAND存储设备。MPC8313是智能组件的数据集控中心,由他来负责断路器的运行信息向外发布及装置内部数据的实时交互。MPC8313使用了工业领域内高可靠性实时VxWorks操作***,确保了数据处理的实时性能。在MPC8313软件体系内采用了IEC61850信息建模,使用icd配置文件,按照IEC61850规约与外界通讯。在MPC8313软件框架内嵌入了高优先级任务的故障录波记录模块,实时接收由FPGA发来的采样数据及同步向量,按照通道类型配置及启动定值计算各种启动条件,实时记录断路器发生异常时整个***的暂态和动态过程。在MPC8313软件框架内嵌入了低优先级的状态监测分析任务,提取录波数据及稳态量,计算和分析断路器的本体状态。
核心插件CPUS使用了具有150MHz主频的DSP-TMS320F28335,该DSP完成组件的保护测控功能。保护功能包括:低电压及方向闭锁的三段式电流保护、三相一次重合闸、合闸后加速、低频低压减载、母线接地告警、零序方向告警、PT断线告警、CT回路异常告警、断路器失灵告警、控制回路断线告警等。测控功能包括:遥测(Ua、Ub、Uc、Uab、Ubc、Uca、Ia、Ib、Ic、P、Q、F、COS、3U0、3I0)、遥信(32路)、遥控(3路)、电网谐波监视(监视电压总谐波畸变率THDu和电流总谐波畸变率THDi,监视电压2~19次谐波含有率HRUk和电流2~19次谐波含有率HRIk)。
核心插件CPUS使用了具有了DSP内核的FPGA(XC3SD1800A)。智能组件充分利用FPGA的硬件并行处理能力和硬件功能可重构机制,采取内部时钟与外部对时时钟同步的机制,将统一断面的采样数据按照功能分类和需求以数据总线方式或背板串行总线方式同步共享给各个CPU,同时以双口RAM和单口RAM方式为CPU之间搭建信息沟通的桥梁。
图4较为详细的解释了断路器智能组件的状态监测对象,需要说明的是传感器如测量行程的角位移传感器、光纤测温探头、弹簧拉力传感器都安装在断路器本体内,状态监测板对外的传感器信号接入都是以4~20mA的方式接入(除光纤测温)。4~20mA电流环可以有效提高信号的抗干扰能力及减少现场误接线的次数。
图5的装置端子定义图清晰的说明了智能组件对外的信号接口。P1为DIDC插件,功能主要为提供装置电源及24路开入信号、告警信号继电器出口。P2为CPUS插件。P3为合并单元(MU)插件,他负责将CPUS通过背板差分总线发送的采样数据以SAV9-2或IEC 60044-8格式向外发送。P4为模拟AC插件,通过PT/CT互感器将信号隔离接入。P5为操作回路及信号出口板,包含了一路操作回路,3路保护跳闸出口,3路遥控选择执行操作机构。P6为状态监测插件,主要功能是9路光纤测温信号接入及6路4~20mA信号的隔离接入。
以上已以较佳实施例公开了本实用新型,然其并非用以限制本实用新型,凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案,均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于统一断面数据采集的断路器智能组件, 包括机箱,在机箱内设置有总线式背板,其特征在于:在总线式背板上插接有核心插件CPUS、电源插件、工频信号采集插件、操作回路插件、状态监测采集插件、合并单元插件,所述核心插件CPUS分别与电源插件、工频信号采集插件、操作回路插件、状态监测采集插件、合并单元插件相通信。
2.根据权利要求1所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述核心插件CPUS包括通讯管理单元PPC、与通讯管理单元相通信的FPGA采集单元、与FPGA采集单元相通信的DSP运算单元。
3.根据权利要求2所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:通讯管理单元PPC包含2个百兆以太光口,3个百兆电口,所述两个电口为MMS通信以太网口,以IEC61850通信协议与上位管理机通信;两个光口为GOOSE通信以太网口,负责GOOOSE实时报文处理,实现装置联锁及跳合闸操作,完成智能终端功能,还包括一个内部以太电口用于和液晶CPU通讯。
4.根据权利要求2所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述DSP分别与电源插件中的开入开出模块及操作回路插件相相通信。
5.根据权利要求2所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述FPGA采集单元接受工频信号采集插件的采样及数据,同时接受DSP运算单元采集的32路外部开入信号,接收外部B码对时信号,并通过本地解码提取秒脉冲、同步采样脉冲,同时FPGA每半个周波计算所有通道的基波向量,联同采样值带时标一起存入4个周波存储深度的缓冲区,通过本地16位数据总线方式把AD数据发布给通讯管理单元PPC和DSP运算单元。
6.根据权利要求1所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述机箱为标准6U、1/2机箱。
7.根据权利要求2所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述通讯管理单元PPC和DSP运算单元之间的数据交互通道为双口RAM形式。
8.根据权利要求2所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述合并单元插件包括通讯CPU,合并单元插件的第二FPGA同步接受由核心插件CPUS的FPGA采集单元通过差分总线发来的采样数据,经过整理传送给通讯CPU,由通讯CPU决定按照IEC 61850-9-2标准向过程层网络发送或者以IEC 60044-8协议通过串行光纤口发送。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于统一断面数据采集的断路器智能组件,其特征在于:所述状态监测采集插件包括6隔离采样回路和9路光纤测温模块。
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