智能變電站的一體化測控裝置和系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種智能變電站的一體化測控裝置和系統，設有可提供各模塊數據交換的智能管理器，實現測控功能，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析功能，過程層功能，液晶面板管理功能，各個電路在智能管理器的控制下協同工作完成各項功能，減少了二次設備的占地面積，提高了變電站二次設備的集成度，簡化了維護管理的工作量，提高維護管理效率,同時可為電力自動化系統提供統一的穩態、動態、暫態、過程層報文，集成穩態、動態、暫態數據監測、集成網絡報文分析功能。
【專利說明】智能變電站的一體化測控裝置和系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及智能電網【技術領域】，特別是涉及一種智能變電站的一體化測控裝置和 系統。

【背景技術】
[0002] 智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各電壓等級電網協調發展的堅強電網為基 礎，將現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網 高度集成而形成的新型電網。它以充分滿足用戶對電力的需求和優化資源配置、確保電力 供應的安全性、可靠性和經濟性、滿足環保約束、適應電力市場化發展等為目的，實現對用 戶可靠、經濟、清潔、互動的電力供應和增值服務。
[0003] 智能變電站是智能電網的重要組成部分，采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能 設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采 集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能 調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。
[0004] 現有技術的智能變電站測控裝置的服務對象是單個間隔，功能單一，測控裝置工 程維護工作量大。在保測一體化裝置存在爭議的情況下，維持測控裝置的獨立性，順應智能 電網發展方向，將測控裝置向多間隔化和多功能化發展的方式已經成為一種趨勢。另外， 隨著電子信息技術及網絡化的發展，作為獨立化存在測控裝置集成多種應用功能已成為可 能，如集成三態數據監測、集成錄波和網絡報文分析等，將大大減輕測控裝置工程維護工作 量，提高維護管理效率。


【發明內容】

[0005] 基于上述情況，本發明提出了一種智能變電站的一體化測控裝置和系統，以提高 變電站二次設備的集成度，減少測控裝置工程維護工作量。為此，采用的技術方案如下。
[0006] -種智能變電站的一體化測控裝置，設有測控功能電路，動態、暫態數據監測以及 網絡報文分析的多功能電路，過程層功能電路和用于數據交換的智能管理器；
[0007] 所述智能管理器連接測控功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多 功能電路和過程層功能電路；
[0008] 所述過程層功能電路處理常規互感器的交流采樣和具有電子式互感器的數字采 樣，進行常規繼電器控制的輸入和輸出，進行基于面向通用對象的變電站事件GOOSE的數 字化輸入和輸出；
[0009] 所述智能管理器負責對時，與測控功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分 析的多功能電路和過程層功能電路之間的通信；
[0010] 所述測控功能電路由智能管理器上取得原始采樣數據并進行計算；
[0011] 所述動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路用于完成動態數據、暫 態錄波數據、網絡報文分析的工作，再傳輸到用戶電腦上，同時通過智能管理器傳輸到液晶 面板管理電路提供數據顯示。
[0012] 一種智能變電站的一體化測控系統，設有設置在測控功能電路中的測控功能模 塊，設置在動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路中的同步相量測量模塊、暫 態擾動監測模塊，設置在液晶面板管理電路中的液晶面板管理模塊，設置在過程層管理電 路中的過程層功能模塊和智能管理器模塊；所述測控功能模塊、同步相量測量模塊、暫態擾 動監測模塊、液晶面板管理模塊和過程層功能模塊通過智能管理器模塊實現相互通信；
[0013] 所述測控功能模塊接收到智能管理器模塊傳輸過來的原始采樣數據后，進行測量 和控制方面的處理；
[0014] 所述同步相量測量模塊接收過程層功能模塊上送的原始采樣數據，利用GPS衛星 同步時鐘實現對電網母線電壓和線路電流相量的同步測量，通過通信系統傳送到電網的控 制中心或保護、控制器中，用于實現全網運行監測控制或實現區域保護和控制；
[0015] 所述暫態擾動監測模塊接收過程層功能電路上送的原始采樣數據，進行暫態擾動 監測的計算并將結果通過智能管理器模塊傳輸到液晶面板管理模塊進行實時顯示；
[0016] 所述液晶面板管理模塊接收智能管理器模塊發來的數據并通過液晶顯示器進行 實時顯示；
[0017] 所述過程層功能模塊從變電站電壓、電流互感器獲取電壓、電流原始采樣值，從變 電站的開關設備獲得開入量的采樣值，獲取的電壓、電流及開入量的采樣值后將這些原始 采樣數據傳送給智能管理器模塊；
[0018] 所述智能管理器模塊收到過程層功能模塊發送來的原始采樣數據后將這些原始 數據分別傳輸到測控功能模塊、同步相量測量功能模塊以及暫態擾動監測功能模塊；同時 將測控功能模塊、同步相量測量功能模塊以及暫態擾動監測功能模塊發送來的結果傳輸到 液晶面板管理模塊進行實時顯示。
[0019] 與現有技術相比，本發明的智能變電站的一體化測控裝置和系統設有可提供各模 塊數據交換的智能管理器，實現測控功能，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析功能，過 程層功能，液晶面板管理功能，各個電路在智能管理器的控制下協同工作完成各項功能，減 少了二次設備的占地面積，提高了變電站二次設備的集成度，簡化了維護管理的工作量，提 高維護管理效率，同時可為電力自動化系統提供統一的穩態、動態、暫態、過程層報文，集 成穩態、動態、暫態數據監測、集成網絡報文分析功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明智能變電站的一體化測控裝置中過程層功能電路的結構示意圖；
[0021] 圖2是本發明智能變電站的一體化測控裝置中液晶面板管理電路的結構示意圖；
[0022] 圖3是本發明智能變電站的一體化測控裝置中測控功能電路的結構示意圖。
[0023] 圖4是本發明智能變電站的一體化測控裝置中多功能電路的結構示意圖；
[0024] 圖5是本發明智能變電站的一體化測控系統的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。本發明的智能變電站的一體 化測控裝置（裝置），設有測控功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能 電路（多功能電路），過程層功能電路，液晶面板管理電路，用于數據交換的智能管理器。智 能管理器連接測控功能電路、多功能電路、過程層功能電路和液晶面板管理電路。測控功能 電路、多功能電路、過程層功能電路和液晶面板管理電路分別以板卡的結構獨立設置，以保 證各電路的功能實現的安全性。
[0026] 如圖1所示，過程層功能電路設有第一 CPU (圖中的PowerPC)，第一 CPU連接有 內存芯片；第一 CPU連接有閃存FLASH (Flash EEPROM Memory) :FLASH的一部分用于存放 操作系統和應用系統，另一部分用于存放記錄文件；第一 CPU連接有時鐘電路和無盤啟動 (B00TR0M)插座；第一 CPU連接有兩片模擬信號轉換為數字信號的（A/D)芯片，支持A/D采 樣，采集變電站電壓和電流數據；第一 CPU經以太網PHY網卡連接調試網口；第一 CPU通過 第一現場可編程門陣列FPGA連接8個介質訪問控制層（MAC)接口，支持8對光口（8收8 發），第一 FPGA還連接兩路光串口校時輸入，支持光B碼或者光秒脈沖；第一 FPGA連接有 FPGA配置芯片。過程層功能電路經第一 FPGA與板卡的輸入輸出10總線、數據總線、校時總 線、秒脈沖輸出口連接。
[0027] 過程層功能電路通過模擬信號轉換為數字信號的電路（A/D芯片）采集到的變電 站電氣量、運行設備的狀態參數、操作控制執行與驅動的數據后，送入第一 CPU，第一 CPU將 采集到的變電站電氣量、運行設備的狀態參數、操作控制執行與驅動的數據通過智能管理 器，上送至測控功能電路與多功能電路，測控功能電路與多功能電路將計算出的電力系統 四遙數據、動態數據、暫態錄波數據、網絡報文分析結果據通過網絡傳輸給變電站的站控層 系統。
[0028] 過程層功能電路處理常規互感器的交流采樣和具有電子式互感器的數字采 樣，可以進行常規繼電器控制的輸入和輸出，可以進行基于面向通用對象的變電站事件 GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)的數字化輸入和輸出。
[0029] 如圖2所示，液晶面板管理電路設有第二CPU，第二CPU連接有同步動態隨機存儲 器SDRAM，還連接有閃存FLASH和時鐘電路；第二CPU連接有一個薄膜場效應晶體管TFT、按 鍵和網絡控制器，網絡控制器連接交換芯片，交換芯片連接調試網口、網口 1、網口 2和網口 3。液晶面板管理電路經網口 1、網口 2和網口 3與板卡的總線板連接。
[0030] 液晶面板管理電路負責完成人機交互，將用戶命令通過智能管理器下發到各個電 路。使用者通過安裝在操作面板上按鍵下達控制指令，通過智能管理器下發給測控功能電 路、多功能電路、過程層功能電路。
[0031] 智能管理器采用高速現場可編程門陣列FPGA，FPGA負責智能管理器對時和測控 功能電路、多功能電路、過程層功能電路和液晶面板管理電路之間的通信功能。智能管理器 內設有智能管理系統，采用電路化架構，按實現的功能作為電路形式出現，相互獨立，接口 明確，高內聚、低耦合，智能管理系統實現的功能作為電路包括：管理總線電路、數據總線電 路、對時總線電路。
[0032] 如圖3所示，測控功能電路設有第三CPU，第三CPU連接有內存芯片；第三CPU連接 有閃存FLASH、時鐘電路和B00TR0M插座，FLASH用于存放操作系統、應用系統和FPGA配置 系統；第三CPU經以太網PHY網卡連接光/電接口（光/電口）和調試接口或電接口（調 試口或電口），第三CPU連接串口、校時接口和外存儲卡；第三CPU經第三FPGA與板卡的10 總線、校時總線連接，實現測控功能電路與輸入/輸出控制總線和對時總線連接。第三CPU 經板卡的三個介質訪問控制層MAC、以太網PHY網卡分別連接對外光/電接口或對外數據總 線和2個對外光/電接口。
[0033] 測控功能電路由智能管理器控制的數據總線、10總線上取得原始采樣數據，通 過FPGA芯片將數據傳送給第三CPU(對應圖4中的增強型精簡指令集的性能優化芯片 (PowerPC))，由第三CPU進行計算，再將計算結果通過MAC及串口傳輸給液晶面板管理電路 供用戶使用。
[0034] 測控功能電路依據變電站實際工況自由配置、投退。用戶可以通過輸入設備（安 裝在操作面板上按鍵）來操作智能管理器，設置測控功能電路在裝置內是否使能，從而改 變裝置的運行方式。
[0035] 如圖4所示，多功能電路設有第四CPU，第四CPU連接有內存芯片、閃存FLASH、時 鐘電路和B00TR0M插座，FLASH用于存放操作系統、應用系統、FPGA配置系統和數據存儲設 備Compact Flash(CF)卡；第四CPU經以太網PHY網卡連接光/電接口（光/電口）和調 試接口或電接口（調試口或電口），第四CPU連接串口、兩路校時接口。第四CPU可通過校 時接口接收對時信號，也可用第2、3網口進行IEEE1588網絡對時。第四CPU經第四FPGA 與板卡的輸入輸出10總線、數據總線、校時總線、FPGA配置芯片連接。第四CPU經板卡的 三個介質訪問控制層MAC、以太網PHY網卡分別連接3個對外光/電接口。
[0036] 多功能電路完成動態數據、暫態錄波數據、網絡報文分析的相關工作，再通過本電 路上的網卡傳輸到用戶電腦上，同時通過智能管理器傳輸到液晶面板管理電路提供數據顯 /_J、1 〇
[0037] 多功能電路可依據變電站實際工況自由配置、投退。用戶可以通過操作智能管理 器，設置多功能電路在裝置內是否使能，從而改變裝置的運行方式。
[0038] 多功能電路具有的網絡報文分析功能錄取本間隔的采樣值SV (Sampled Value)報 文、GOOSE報文等過程層。采用實時記錄、滾動存儲的方式保存采集到的報文，用戶可以通 過IEC61850協議，調取報文進行高級應用和深入分析。
[0039] 根據變電站自動化的應用需求，本實施例的智能變電站的一體化測控裝置，采用 以下配置：
[0040] 半層4U插箱結構，共有5個槽位，從右至左編號依次為1號槽、2號槽、3號槽、4號 槽、5號槽，共插入4塊板件，如表1所示：
[0041]

【權利要求】
1. 一種智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 設有測控功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路，過程層功能 電路和用于數據交換的智能管理器； 所述智能管理器連接測控功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能 電路和過程層功能電路； 所述過程層功能電路處理常規互感器的交流采樣和具有電子式互感器的數字采樣，進 行常規繼電器控制的輸入和輸出，進行基于面向通用對象的變電站事件GOOSE的數字化輸 入和輸出； 所述智能管理器負責對時，與測控功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的 多功能電路和過程層功能電路之間的通信； 所述測控功能電路由智能管理器上取得原始采樣數據并進行計算； 所述動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路用于完成動態數據、暫態錄 波數據、網絡報文分析的工作，再傳輸到用戶電腦上，同時通過智能管理器傳輸到液晶面板 管理電路提供數據顯示。
2. 根據權利要求1所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述智能管理器連接有液晶面板管理電路； 所述液晶面板管理電路負責完成人機交互，將用戶命令通過智能管理器下發到各個電 路；使用者通過按鍵下達控制指令，通過智能管理器下發給測控功能電路，動態、暫態數據 監測以及網絡報文分析的多功能電路，過程層功能電路； 所述測控功能電路由智能管理器上取得原始采樣數據并進行計算，再將計算結果傳輸 給液晶面板管理電路供用戶使用； 所述動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路將完成的動態數據、暫態錄 波數據、網絡報文分析通過智能管理器傳輸到液晶面板管理電路提供數據顯示。
3. 根據權利要求2所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述智能管理器采用高速現場可編程門陣列；所述智能管理器內設有智能管理系統， 所述智能管理系統實現的功能電路為：管理總線電路、數據總線電路、對時總線電路。
4. 根據權利要求3所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述過程層功能電路設有第一 CPU，第一 CPU分別連接有內存、閃存、時鐘電路、無盤啟 動插座以及模擬信號轉換為數字信號的電路；第一 CPU經以太網網卡連接調試網口；第一 CPU通過第一 FPGA連接介質訪問控制層接口，所述第一 FPGA還連接光串口校時輸入、FPGA 配置芯片；過程層功能電路經第一 FPGA與板卡的輸入輸出10總線、數據總線、校時總線、秒 脈沖輸出口連接。
5. 根據權利要求4所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述液晶面板管理電路設有第二CPU，第二CPU分別連接有同步動態隨機存儲器、閃 存、時鐘電路、薄膜場效應晶體管、按鍵以及網絡控制器，網絡控制器連接交換芯片，所述交 換芯片分別連接調試網口、網口 1、網口 2和網口 3,所述液晶面板管理電路經網口 1、網口 2 和網口 3與板卡的總線板連接。
6. 根據權利要求5所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述測控功能電路設有第三CPU，第三CPU分別連接有內存、閃存、時鐘電路以及無盤 啟動插座；第三CPU經以太網網卡連接光/電接口和調試接口或電接口，第三CPU連接還連 接有串口、經串并轉換口連接的串口、兩路全球定位系統校時；第三CPU經第三FPGA與板卡 的10總線、校時總線連接；第三CPU還經板卡的介質訪問控制層、以太網網卡分別連接對外 光/電接口或對內數據總線、對外光/電接口。
7. 根據權利要求6所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路設有第四CPU，第四CPU連接 有內存、閃存、時鐘電路和無盤啟動插座；第四CPU經以太網網卡連接光/電接口和調試接 口或電接口，第四CPU連接串口、經16V554串并轉換口連接的串口、兩路GPS校時，或用第 2、3網口進行IEEE1588網絡對時；第四CPU經第四FPGA與板卡的輸入輸出10總線、數據 總線、校時總線、FPGA配置芯片連接，第四CPU經板卡的介質訪問控制層、以太網網卡分別 連接對外光/電接口。
8. 根據權利要求7所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述測控功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路，過程層功能 電路和液晶面板管理電路分別以板卡的結構獨立設置。
9. 根據權利要求8所述的智能變電站的一體化測控裝置，其特征在于： 所述智能變電站的一體化測控裝置設有機箱，所述機箱采用半層4U插箱結構，過程層 功能電路，動態、暫態數據監測以及網絡報文分析的多功能電路，測控功能電路插接在機箱 的插槽上；液晶面板管理電路安裝在機箱的前面板上，智能管理器安裝在機箱的背板上，在 機箱的插槽上還插接有電源電路，所述電源電路分別為過程層功能電路、多功能電路、測控 功能電路、液晶面板管理電路和智能管理器供電。
10. -種智能變電站的一體化測控系統，其特征在于： 設有設置在測控功能電路中的測控功能模塊，設置在動態、暫態數據監測以及網絡報 文分析的多功能電路中的同步相量測量模塊、暫態擾動監測模塊，設置在液晶面板管理電 路中的液晶面板管理模塊，設置在過程層管理電路中的過程層功能模塊和智能管理器模 塊；所述測控功能模塊、同步相量測量模塊、暫態擾動監測模塊、液晶面板管理模塊和過程 層功能模塊通過智能管理器模塊實現相互通信； 所述測控功能模塊接收到智能管理器模塊傳輸過來的原始采樣數據后，進行測量和控 制方面的處理； 所述同步相量測量模塊接收過程層功能模塊上送的原始采樣數據，利用GPS衛星同步 時鐘實現對電網母線電壓和線路電流相量的同步測量，通過通信系統傳送到電網的控制中 心或保護、控制器中，用于實現全網運行監測控制或實現區域保護和控制； 所述暫態擾動監測模塊接收過程層功能電路上送的原始采樣數據，進行暫態擾動監測 的計算并將結果通過智能管理器模塊傳輸到液晶面板管理模塊進行實時顯示； 所述液晶面板管理模塊接收智能管理器模塊發來的數據并通過液晶顯示器進行實時 顯示； 所述過程層功能模塊從變電站電壓、電流互感器獲取電壓、電流原始采樣值，從變電站 的開關設備獲得開入量的采樣值，獲取的電壓、電流及開入量的采樣值后將這些原始采樣 數據傳送給智能管理器模塊； 所述智能管理器模塊收到過程層功能模塊發送來的原始采樣數據后將這些原始數據 分別傳輸到測控功能模塊、同步相量測量功能模塊以及暫態擾動監測功能模塊；同時將測 控功能模塊、同步相量測量功能模塊以及暫態擾動監測功能模塊發送來的結果傳輸到液晶 面板管理模塊進行實時顯示。
【文檔編號】H02J13/00GK104242447SQ201410364501
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】胡榮, 陶文偉, 張喜銘, 周華鋒, 李金 , 顧慧杰, 樊騰飛, 何錫祺, 熊慕文, 陳桂友, 陳玉林, 王建東, 陳宇恩, 謝曉冬, 黎強, 江浩, 周俊峰 申請人:中國南方電網有限責任公司, 南京南瑞繼保電氣有限公司, 北京四方繼保自動化股份有限公司, 長園深瑞繼保自動化有限公司