数字化保护与测控装置
阅读：914发布：2024-02-29
专利汇可以提供数字化保护与测控装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种数字化保护与测控装置，包括：DSP处理器、大规模可编程 门 阵列、光纤以太网 接口 等；DSP处理器为32位浮点DSP处理器；以太网芯片和DSP处理器与过程层接口，通过数据/ 地址总线 与大规模可编程门阵列连接；采用双端口RAM；大规模可编程门阵列通过数据/地址总线与两个DSP处理器连接；ARM处理器为32位ARM处理器，与DSP处理器通过同步串行连接。本实用新型的测量量输入为数字 信号 ，过程层通过点对点光纤通信，支持IEC61850－9－1标准；采用32位高性能浮点DSP芯片实现更快的 算法 ，提高保护装置的 数据采集 与处理能 力 ；采用FPGA代替传统的分立器件和专用功能的芯片，简化了系统 硬件 。，下面是数字化保护与测控装置专利的具体信息内容。
1、数字化保护与测控装置，其特征在于包括：DSP处理器、大规模可编程门阵列、大容量总线存储器、CPU、电路板、ARM处理器、以太网芯片、光纤以太网接口和显示屏；所述的DSP处理器为32位浮点DSP处理器，采用独立方式处理过程层数据，架构设计上支持多个过程层接口；所述的大容量总线存储器为大容量FLASH存储器；所述的以太网芯片和DSP处理器与过程层接口，处理过程网络的数据，将不同格式和采样速率的原始数据归一为后端保护、测控计算DSP处理器需要的数据，与大规模可编程门阵列间通过数据总线、地址总线连接；采用双端口RAM，通过大规模可编程门阵列内的RAM实现；所述的大规模可编程门阵列通过数据总线、地址总线与两个DSP处理器连接，实现两个DSP处理器间互联需要的同步、互锁操作，实现硬件的开关量输出正确性检查以及外围电路的同步与控制；所述的ARM处理器为32位ARM处理器，处理后台通讯、装置界面，与DSP处理器通过同步串行连接。
2、 根据权利要求l所述的数字化保护与测控装置，其特征在于其测量量输 入为数字信号，采用点对点通信方式通过光纤以太网接口输入。
3、 根据权利要求1所述的数字化保护与测控装置，其特征在于其硬件平台 采用基于嵌入式双以太网、带光纤收发接口的数字式保护硬件；所述的CPU为 双CPU。
4、 根据权利要求2所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的测量 量输入，其通信标准釆用IEC 61850标准。
5、 根据权利秀求1所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的过程 层，其通信采用IEC 61850-9-1通信标准。
6、 根据权利要求3所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台同时支持数字信号和模拟信号输入，同时兼有模拟量信号输入。
7、根据权利要求6所述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件 平台的数字接口具有与传统模拟量输出接口相同的保护处理接口，采用相同的 保护处理软件，在底层支撑平台区分数字和模拟两种输入方式。
数字化保护与测控装置
技术领域
背景技术
网络通信、计算机自动化与测控保护等技术的飞速发展，为变电站综合自 动化系统实现数字化、网络化奠定了技术基础。传统的电磁式互感器只能产生 模拟量信号，对于数字化变电站，应用起来较为麻烦。电子式与光电式互感器 具有优良的绝缘性能，不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题，并且测量 精度更高，因此，代替目前传统电磁式互感器是未来发展的必然趋势；同时， 通过数字信号代替传统测量模拟量传输，有利于实现数据信息的共享。由于测 量源头互感器的技术升级也引发了保护与测控装置走向数字化。今后，传统变 电站将逐步向数字化变电站过渡。IEC标准委员会在2006年正式制定出全球统 一的变电站通信标准IEC 61850，规范了未来数字化变电站的技术标准，并指
明了今后变电站自动化技术发展方向，要求今后变电站内设备都应遵循IEC 61850标准。IEC 61850标准的应用有利于提高变电站的综合自动化水平，确 保更加安全、经济、可靠和高质量的供电。但是目前，还没有一种真正符合 IEC61850标准的数字化保护与测控装置，使得全数字化变电站的建设难以实 现。
实用新型内容
为解决上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于电子式
或光电式互感器的数字量输入与符合IEC 61850标准的数字化保护与测控装 置，可用于电力系统数字化变电站。
为实现上述实用新型目的，本实用新型是采取以下的技术方案来实现的： 一种数字化保护与测控装置，其特征在于包括：DSP处理器、大规模可编
程门阵列、大容量总线存储器、CPU、电路板、ARM处理器、以太网芯片、光纤 以太网接口和显示屏；所述的DSP处理器为32位浮点DSP处理器，采用独立 方式处理过程层数据，架构设计上支持多个过程层接口；所述的大容量总线存 储器为大容量FLASH存储器；所述的以太网芯片和DSP处理器与过程层接口， 处理过程网络的数据，将不同格式和采样速率的原始数据归一为后端保护、测 控计算DSP处理器需要的数据，与大规模可编程门阵列间通过数据总线、地址 总线连接；采用双端口RAM，通过大规模可编程门阵列内的MM实现；所述的 大规模可编程门阵列通过数据总线、地址总线与两个DSP处理器连接，实现两 个DSP处理器间互联需要的同步、互锁操作，实现硬件的开关量输出正确性检 查以及外围电路的同步与控制；所述的ARM处理器为32位ARM处理器，处理 后台通讯、装置界面，与DSP处理器通过同步串行连接。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于其测量量输入为数字信号，采 用点对点通信方式通过光纤以太网接口输入。本实用新型具有光纤以太网接 口，实现了符合IEC61850—9一1的过程层接口，采用独立的DSP处理过程层 数据，可以满足任意配置的IEC61850 — 9一1的过程层接口，且设计构架上已 事先考虑在需要的时候可以具有多个过程层接口。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的DSP芯片采用32位高 性能浮点DSP芯片，可以更快地实现算法，提高了保护装置的数据采集与处理
能力，使每周波32点逐点计算成为可能，在每个采样点均进行全过程计算， 迅速判别故障。同时可保证CPU负荷率（负荷率指32点逐点进行保护计算和 控制所占用时间）在20%_30%以内，留有较大的余量可以有能力处理突发情况 下的计算任务。实际测量（以计算任务最多的线路保护为例），每0.625ms计 算一次，每次耗时最小100us，最大160us，平均120us。另外，在保护计算时采 用无分支编程，在保护程序执行时基本无判断和跳转。
本实用新型采用大规模可编程门阵列（FPGA )代替传统的分立器件和一些 专用功能的芯片，简化了系统硬件，使许多器件的功能集中于一个芯片中，大 大减少了电路板面积和焊点数量，极大的縮短了总线长度，提高了抗干扰性能 和电路可靠性（装置故障大部分是由于电路接触不良所造成的而非芯片的原 因）。可编程逻辑器件的使用同时增强了装置功能和应用的灵活性。
本实用新型采用大容量总线存储器将保护定值存储于大容量FLASH存储器 中，可以存储多达256X4个历史事件和8次故障录波数据。该存储器的操作需 要程序解锁， 一般不会在偶然的情况下发生误写数据的情况。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于其硬件平台采用基于嵌入式双 以太网、带光纤收发接口的数字式保护硬件；所述的CPU为双CPU。本实用新 型保护测控部分采用双CPU设计，大部分装置采用1或2个CPU结构，CPU要 处理保护、测量、开关量输入输出、界面显示与后台通讯等，由于受开发能力 和生产成本的限制， 一般不使用高档处理器或DSP (数字信号处理器），每个任 务按照急迫性优先执行，而不能每时每刻保证所有功能都具备。例如当保护启 动时，有的装置将全部的CPU资源用于处理保护，这时界面显示、键盘响应、 通讯等功能全部中断，用户就无法知道当前装置和监控设备的运行状况。同样 由于受处理能力的限制，不能处理开关量SOE事件和具有多端口后台通讯的能 力。
采用双CPU设计，人机界面通信管理和保护计算分开，使得DSP和人机界 面、通讯接口等没有直接联系，外部干扰对保护/测量计算的影响减到了最小， 而DSP只负责保护和测量的计算。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的测量量输入，其通信标 准采用IEC 61850标准，过程层通信采用IEC 61850-9-1通信标准。IEC 61850 标准在借鉴美国UCA2. 0标准的基础上，充分运用了当前计算机领域最新的异 构信息集成技术。IEC 61850 ACSI中定义了数据访问机制和向具体的通信协议 桟的映射，在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到醒S (Manufacturing Messaging Specification) ( IEC 61850-8-1 )。间隔层禾口过 程层间的网络映射成串行单向多点或点对点的传输网络（IEC 61850-9-1)或映 射成基于IEEE 802. 3标准的过程总线（IEC 61850-9-2) (Part 7-2， Part 8/9)。 同时采用了基于XML的SCL语言来描述变电站和自动化系统拓扑以及用于配置 装置功能。IEC 61850标准有利地解决了当前变电站内系统集成难题，解决了 设备之间的互操作问题。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台同时支持数字 信号和模拟信号输入，同时兼有模拟量信号输入。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台的数字接口具 有与传统模拟量输出接口相同的保护处理接口，采用相同的保护处理软件，在 底层支撑平台区分数字和模拟两种输入方式。两个平台的软件使用的模块一 致，仅在底层支撑平台有所不同，这便于在缺少数字化标准源与数字式测试装 置的情况下，仍然可以采用模拟量输出源进行试验测试。
本实用新型装置经IEC 61850功能测试，测试情况良好。
本实用新型支持的IEC 61850主要功能服务有:
table see original document page 8table see original document page 9本实用新型的有益效果是：本实用新型的测量量输入来自于电子式互感器 (或光电互感器)，采用数字信号输入代替传统电磁式互感器的模拟信号输入，
明了今后变电站自动化技术发展方向，要求今后变电站内设备都应遵循IEC 61850标准。IEC 61850标准的应用有利于提高变电站的综合自动化水平，确 保更加安全、经济、可靠和高质量的供电。但是目前，还没有一种真正符合 IEC61850标准的数字化保护与测控装置，使得全数字化变电站的建设难以实 现。
实用新型内容
为解决上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于电子式
或光电式互感器的数字量输入与符合IEC 61850标准的数字化保护与测控装 置，可用于电力系统数字化变电站。
为实现上述实用新型目的，本实用新型是采取以下的技术方案来实现的： 一种数字化保护与测控装置，其特征在于包括：DSP处理器、大规模可编
程门阵列、大容量总线存储器、CPU、电路板、ARM处理器、以太网芯片、光纤 以太网接口和显示屏；所述的DSP处理器为32位浮点DSP处理器，采用独立 方式处理过程层数据，架构设计上支持多个过程层接口；所述的大容量总线存 储器为大容量FLASH存储器；所述的以太网芯片和DSP处理器与过程层接口， 处理过程网络的数据，将不同格式和采样速率的原始数据归一为后端保护、测 控计算DSP处理器需要的数据，与大规模可编程门阵列间通过数据总线、地址 总线连接；采用双端口RAM，通过大规模可编程门阵列内的MM实现；所述的 大规模可编程门阵列通过数据总线、地址总线与两个DSP处理器连接，实现两 个DSP处理器间互联需要的同步、互锁操作，实现硬件的开关量输出正确性检 查以及外围电路的同步与控制；所述的ARM处理器为32位ARM处理器，处理 后台通讯、装置界面，与DSP处理器通过同步串行连接。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于其测量量输入为数字信号，采 用点对点通信方式通过光纤以太网接口输入。本实用新型具有光纤以太网接 口，实现了符合IEC61850—9一1的过程层接口，采用独立的DSP处理过程层 数据，可以满足任意配置的IEC61850 — 9一1的过程层接口，且设计构架上已 事先考虑在需要的时候可以具有多个过程层接口。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的DSP芯片采用32位高 性能浮点DSP芯片，可以更快地实现算法，提高了保护装置的数据采集与处理
能力，使每周波32点逐点计算成为可能，在每个采样点均进行全过程计算， 迅速判别故障。同时可保证CPU负荷率（负荷率指32点逐点进行保护计算和 控制所占用时间）在20%_30%以内，留有较大的余量可以有能力处理突发情况 下的计算任务。实际测量（以计算任务最多的线路保护为例），每0.625ms计 算一次，每次耗时最小100us，最大160us，平均120us。另外，在保护计算时采 用无分支编程，在保护程序执行时基本无判断和跳转。
本实用新型采用大规模可编程门阵列（FPGA )代替传统的分立器件和一些 专用功能的芯片，简化了系统硬件，使许多器件的功能集中于一个芯片中，大 大减少了电路板面积和焊点数量，极大的縮短了总线长度，提高了抗干扰性能 和电路可靠性（装置故障大部分是由于电路接触不良所造成的而非芯片的原 因）。可编程逻辑器件的使用同时增强了装置功能和应用的灵活性。
本实用新型采用大容量总线存储器将保护定值存储于大容量FLASH存储器 中，可以存储多达256X4个历史事件和8次故障录波数据。该存储器的操作需 要程序解锁， 一般不会在偶然的情况下发生误写数据的情况。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于其硬件平台采用基于嵌入式双 以太网、带光纤收发接口的数字式保护硬件；所述的CPU为双CPU。本实用新 型保护测控部分采用双CPU设计，大部分装置采用1或2个CPU结构，CPU要 处理保护、测量、开关量输入输出、界面显示与后台通讯等，由于受开发能力 和生产成本的限制， 一般不使用高档处理器或DSP (数字信号处理器），每个任 务按照急迫性优先执行，而不能每时每刻保证所有功能都具备。例如当保护启 动时，有的装置将全部的CPU资源用于处理保护，这时界面显示、键盘响应、 通讯等功能全部中断，用户就无法知道当前装置和监控设备的运行状况。同样 由于受处理能力的限制，不能处理开关量SOE事件和具有多端口后台通讯的能 力。
采用双CPU设计，人机界面通信管理和保护计算分开，使得DSP和人机界 面、通讯接口等没有直接联系，外部干扰对保护/测量计算的影响减到了最小， 而DSP只负责保护和测量的计算。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的测量量输入，其通信标 准采用IEC 61850标准，过程层通信采用IEC 61850-9-1通信标准。IEC 61850 标准在借鉴美国UCA2. 0标准的基础上，充分运用了当前计算机领域最新的异 构信息集成技术。IEC 61850 ACSI中定义了数据访问机制和向具体的通信协议 桟的映射，在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到醒S (Manufacturing Messaging Specification) ( IEC 61850-8-1 )。间隔层禾口过 程层间的网络映射成串行单向多点或点对点的传输网络（IEC 61850-9-1)或映 射成基于IEEE 802. 3标准的过程总线（IEC 61850-9-2) (Part 7-2， Part 8/9)。 同时采用了基于XML的SCL语言来描述变电站和自动化系统拓扑以及用于配置 装置功能。IEC 61850标准有利地解决了当前变电站内系统集成难题，解决了 设备之间的互操作问题。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台同时支持数字 信号和模拟信号输入，同时兼有模拟量信号输入。
前述的数字化保护与测控装置，其特征在于所述的硬件平台的数字接口具 有与传统模拟量输出接口相同的保护处理接口，采用相同的保护处理软件，在 底层支撑平台区分数字和模拟两种输入方式。两个平台的软件使用的模块一 致，仅在底层支撑平台有所不同，这便于在缺少数字化标准源与数字式测试装 置的情况下，仍然可以采用模拟量输出源进行试验测试。
本实用新型装置经IEC 61850功能测试，测试情况良好。
本实用新型支持的IEC 61850主要功能服务有:
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