一种适用于智能变电站电容性设备的在线监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明为智能变电站电容性设备在线监测各终端采用RS485总线方式与IED互联，IED对数据进行处理，打包以IEC61850协议上传给监控主机。同时为方便传统变电站升级改造，IED为一独立模块，可单独使用。本发明充分利用了ARM处理器和子ARM芯片的高效快速的数字信号处理能力。采用485总线命令实现各现场监测终端的异地同步触发，其同步误差小于2NS，大大提高了系统测量的精度。采用RS485有线传输的方式实现容性设备现场监测单元与IED之间的指令传输和数据通信，克服了变电站高压环境下的电磁无线传输的干扰问题，保证数据传输的可靠性和实时性。
【专利说明】—种适用于智能变电站电容性设备的在线监测系统
【技术领域】
:
[0001]本发明适用于智能变电站实现设备连续监测，及传统变电站智能化改造时，在线监测装置从过程层、间隔层到站控层的信息传输。
【背景技术】
:
[0002]1、IEC61850开放式通信标准
[0003]2、单片机技术
[0004]3、LINUX操作系统及编程技术
[0005]4、RS485总线传输协议。
【发明内容】
:
[0006]本发明为智能变电站电容性设备在线监测各终端采用RS485总线方式与IED互联，IED对数据进行处理，打包以IEC61850协议上传给监控主机。同时为方便传统变电站升级改造，IED为一独立模块，可单独使用。
[0007]1、智能变电站设备在线监测系统构架
[0008]变电站在线监测系统可分为站控层、间隔层和过程层。过程层主要完成与一次设备开关量I/o、模拟量采样和控制命令的发送等功能；间隔层由智能电子设备(IED)组成，完成对站控层控制命令的发送和过程层信息的传输，并对监测终端采集到的数据进行分析以及存储；站控层实现管理间隔层、过程层设备等功能，并完成与控制中心和人机界面等的通信。
[0009]根据变电站系统结构，设备在线监测装置通过RS485总线与系统IED互联。整个系统的工作流程如下:监控主机服务器发出采集指令，经IED通过RS485传给每一个监控终端。各个终端接到采集指令后，同时刻采集电流信号。当各个终端数据采集完毕后，将采集数据通过RS485传过IED，IED对数据进行处理，打包以IEC61850协议上传给监控主机。
[0010]2设备在线监测IED
[0011]系统IED采用ARM+子ARM双处理器，具有很高的数据采集、管理和分析能力。不同(PU负责不同任务，保证每个环节高效进行，可实现信息的高速、稳定传输，对设备状态进行实时控制更加精确。IED主要实现的功能有:
[0012]通信功能，接收设备在线监测装置采集到的监测数据以及传送站控层服务器的采集命令；
[0013]对监测终端采集到的数据进行分析，并对故障信息进行存储以及本地显示。
[0014]嵌入IEC61850协议，实现变电站的信息共享以及设备的互操作性。
[0015]2.1IED 的硬件
[0016]IED作为变电站中的间隔层设备，不仅需要实时准确的接收站控层的采集命令并及时下发给过程层监测装置，还要将过程层上传的数据及时发回发控层，对设备上传的异常数据进行分析和预警。为了实现系统IED运行的高速性和实时性，该系统用ARM+子ARM双CPU架构为硬件核心。ARM采用ARM9系列芯片，可附加外围的键盘、液晶、以太网通讯等硬件设备，用以完成整个系统的管理和控制。ARM功能包括向子ARM发送指令，要求回传数据、对数据进一步处理、存储和显示，以及与子ARM和上位机的通讯。利用子ARM的高速运算和多种片上外设的特点完成对采集命令的下发，并对采集来的数据进行计算和分析，同时实时的响应ARM的请求，将数据处理的结果发送给ARM。子ARM与ARM的通讯采用SPI通τΗ ο
[0017]2.1.1电源模块
[0018]IED电源部分采用AC/DC电源芯片，主要作用是将交流220V电压转换为5V和备用的12V电压。5V电压通过线性稳压芯片MIC29502BU转换为3.3V，提供给CAN网络接口电路、以太网网络接口电路和IED上的其他用电器件正常供电。3.3V电压通过线性电压调节芯片LM1117-ADJ转换为1.5V和1.9V，分别给子ARM内核和WIFI接口电路供电。3.3V电压通过隔离电源芯片Β0305提供5V隔离电源给485网络接口电路供电。此设计是该系统的关键，部分隔离设计很好的供电模块免受外界电磁干扰。
[0019]2.1.2 SPI 通讯
[0020]主从CPU之间的通讯方式可有3种:SPIHPI以及双口 RAM。在该系统中，子ARM没有HPI功能模块，而SPI相比较双口 RAM更加稳定和迅速，所以主从CPU之间采用SPI通讯方式，可以使整个系统更加可靠、高效。
[0021]具体工作流程如下:ARM发出信号来启动数据传输，子ARM通过中断方式来接收数据，当接收到完整的控制帧时，首先检验控制帧的效性，对于有效的控制帧，首先关闭SPI中断，同时进行相应的处理。处理完后，再开启SPI中断并ARM发送数据。ARM对于无效的数据帧和超时错误，将回应错误码要求重发，对开不正常的数据将启动预警功能。
[0022]2.2 IED软件设计
[0023]该系统采用双CPU、主从式结构，不同CPU承担不同的任务，以ARM为主，子ARM为从。在ARM上嵌入了 LINUX操作系统，ARM软件设计注重人机界面以及系统的稳定性；在子ARM软件设计上，采用C程序设计语言，通过TI公司的开发软件CCS3.3编程开发，进而保证整个软件系统及通讯设计具有较强的实时性。
[0024]主机ARM根据配置文件启动轮询函数，并根据预先拟定的通信协议将对要采集的终端设备的命令进行提取和下发，子ARM获取命令后对命令的有效位进行截取后转发给智能终端，智能终端返回的数据在子ARM中根据协议进行解析并对不同的数据进行相关的计算整合，再封装上传至ARM。进行进一步的处理和通讯。
[0025]3 KC6I85O 协议实现
[0026]IEC61850是一个开放的通信标准，它具有开放系统的特点，在IED设备间能够实现无缝连接。IEC61850是第一个关于变电站自动化系统比较完整的通信标准体系，明确提出了信息分层、可实现系统的配置管理、面向对象、采用映射的方法和具体网络独立、数据对象统一建模，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求，已成为无缝通信系统传输协议的基础，避免了繁琐的协议转换，实现了智能电子设备IED间的互操作。
[0027]IED采用IEC61850所提供的标准对系统IED进行模型，并将这些模型在站控层的服务器、间隔层的IED和在线监测装置通过软件联系起来，进而实现了过程层、间隔层IED之间以及站控层服务器之间的通信。
[0028]逻辑节点是IEC61850中基本的数据模型，数据模型表达了数据类型、哪些数据需要通信以及这些数据如何通信。其中又包括一定的数据对象，而数据对象又是由相应的数据属性构成。IED应用嵌入式以太网，使其可以不经中央处理单元、通信单元或协议转换单元、网关等中间环节，直接与变电站自动化系统网络连接，在站控也采用IEC61850的情况下，不仅可以节省整个系统的设计，还可以节减调试维护时间。
[0029]本发明充分利用了 ARM处理器和子ARM芯片的高效快速的数字信号处理能力。采用485总线命令实现各现场监测终端的异地同步触发，其同步误差小于2NS，大大提高了系统测量的精度。采用RS485有线传输的方式实现容性设备现场监测单元与IED之间的指令传输和数据通信，克服了变电站高压环境下的电磁无线传输的干扰问题，保证数据传输的可靠性和实时性。IED其主要功能是完成与设备现场监测单元以及上位机的数据通信，其强大的实时监控能力及高速稳定的通信能力，可高效、可靠地实现设备在线监测工作。220kV邢集变电站改造一年多来，运行良好，完全满足现场使用要求。结果表明，该设计可以精确测得变电站设备在线运行情况，为变电站安全运行提供了可靠的保证。
【专利附图】
【附图说明】
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[0030]图1是本发明变电站设备在线监测系统构架图；
[0031]图2是本发明IED的系统硬件结构图；
[0032]图3是本发明IED的电源模块图；
[0033]图4是本发明IED软件流程图；
[0034]图5是本发明容性设备IED的分层模型图。
【具体实施方式】
:
[0035]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0036]1、智能变电站设备在线监测系统构架
[0037]变电站在线监测系统可分为站控层、间隔层和过程层。过程层主要完成与一次设备开关量I/O、模拟量采样和控制命令的发送等功能；间隔层由智能电子设备(IED)组成，完成对站控层控制命令的发送和过程层信息的传输，并对监测终端采集到的数据进行分析以及存储；站控层实现管理间隔层、过程层设备等功能，并完成与控制中心和人机界面等的通信。
[0038]根据变电站系统结构，提出如图1所示的变电站设备在线监测系统构架。图1中双箭头表示有数据双向传输。设备在线监测装置通过RS485总线与系统IED互联。整个系统的工作流程如下:监控主机服务器发出采集指令，经IED通过RS485传给每一个监控终端。各个终端接到采集指令后，同时刻采集电流信号。当各个终端数据采集完毕后，将采集数据通过RS485传过IED，IED对数据进行处理，打包以IEC61850协议上传给监控主机。
[0039]2设备在线监测IED
[0040]系统IED采用ARM+子ARM双处理器，具有很高的数据采集、管理和分析能力。不同(PU负责不同任务，保证每个环节高效进行，可实现信息的高速、稳定传输，对设备状态进行实时控制更加精确。IED主要实现的功能有:
[0041]通信功能，接收设备在线监测装置采集到的监测数据以及传送站控层服务器的采集命令；
[0042]对监测终端采集到的数据进行分析，并对故障信息进行存储以及本地显示。
[0043]嵌入IEC61850协议，实现变电站的信息共享以及设备的互操作性。
[0044]2.1IED 的硬件
[0045]IED作为变电站中的间隔层设备，不仅需要实时准确的接收站控层的采集命令并及时下发给过程层监测装置，还要将过程层上传的数据及时发回发控层，对设备上传的异常数据进行分析和预警。为了实现系统IED运行的高速性和实时性，该系统用ARM+子ARM双CPU架构为硬件核心。ARM采用ARM9系列芯片，可附加外围的键盘、液晶、以太网通讯等硬件设备，用以完成整个系统的管理和控制。ARM功能包括向子ARM发送指令，要求回传数据、对数据进一步处理、存储和显示，以及与子ARM和上位机的通讯。利用子ARM的高速运算和多种片上外设的特点完成对采集命令的下发，并对采集来的数据进行计算和分析，同时实时的响应ARM的请求，将数据处理的结果发送给ARM。子ARM与ARM的通讯采用SPI通讯。系统硬件结构见图2。
[0046]2.1.1电源模块
[0047]电源模块见图3。
[0048]IED电源部分采用AC/DC电源芯片，主要作用是将交流220V电压转换为5V和备用的12V电压。5V电压通过线性稳压芯片MIC29502BU转换为3.3V，提供给CAN网络接口电路、以太网网络接口电路和IED上的其他用电器件正常供电。3.3V电压通过线性电压调节芯片LM1117-ADJ转换为1.5V和1.9V，分别给子ARM内核和WIFI接口电路供电。3.3V电压通过隔离电源芯片B0305提供5V隔离电源给485网络接口电路供电。此设计是该系统的关键，部分隔离设计很好的供电模块免受外界电磁干扰。
[0049]2.1.2 SPI 通讯
[0050]主从CPU之间的通讯方式可有3种:SPIHPI以及双口 RAM。在该系统中，子ARM没有HPI功能模块，而SPI相比较双口 RAM更加稳定和迅速，所以主从CPU之间采用SPI通讯方式，可以使整个系统更加可靠、高效。
[0051]具体工作流程如下:ARM发出信号来启动数据传输，子ARM通过中断方式来接收数据，当接收到完整的控制帧时，首先检验控制帧的效性，对于有效的控制帧，首先关闭SPI中断，同时进行相应的处理。处理完后，再开启SPI中断并ARM发送数据。ARM对于无效的数据帧和超时错误，将回应错误码要求重发，对开不正常的数据将启动预警功能。
[0052]2.2 IED软件设计
[0053]该系统采用双CPU、主从式结构，不同CPU承担不同的任务，以ARM为主，子ARM为从。在ARM上嵌入了 LINUX操作系统，ARM软件设计注重人机界面以及系统的稳定性；在子ARM软件设计上，采用C程序设计语言，通过TI公司的开发软件CCS3.3编程开发，进而保证整个软件系统及通讯设计具有较强的实时性。
[0054]主机ARM根据配置文件启动轮询函数，并根据预先拟定的通信协议将对要采集的终端设备的命令进行提取和下发，子ARM获取命令后对命令的有效位进行截取后转发给智能终端，智能终端返回的数据在子ARM中根据协议进行解析并对不同的数据进行相关的计算整合，再封装上传至ARM。进行进一步的处理和通讯。软件流程见图4。
[0055]3 ffiC61850 协议实现
[0056]IEC61850是一个开放的通信标准，它具有开放系统的特点，在IED设备间能够实现无缝连接。IEC61850是第一个关于变电站自动化系统比较完整的通信标准体系，明确提出了信息分层、可实现系统的配置管理、面向对象、采用映射的方法和具体网络独立、数据对象统一建模，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求，已成为无缝通信系统传输协议的基础，避免了繁琐的协议转换，实现了智能电子设备IED间的互操作。
[0057]IED采用IEC61850所提供的标准对系统IED进行模型，并将这些模型在站控层的服务器、间隔层的IED和在线监测装置通过软件联系起来，进而实现了过程层、间隔层IED之间以及站控层服务器之间的通信。容性设备IED的分层模型见图5。
[0058]逻辑节点是IEC61850中基本的数据模型，数据模型表达了数据类型、哪些数据需要通信以及这些数据如何通信。其中又包括一定的数据对象，而数据对象又是由相应的数据属性构成。IED应用嵌入式以太网，使其可以不经中央处理单元、通信单元或协议转换单元、网关等中间环节，直接与变电站自动化系统网络连接，在站控也采用IEC61850的情况下，不仅可以节省整个系统的设计，还可以节减调试维护时间。
[0059]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种适用于智能变电站电容性设备的在线监测系统，其特征在于:具体包括以下部分: .1)、智能变电站设备在线监测系统构架 变电站在线监测系统可分为站控层、间隔层和过程层。过程层主要完成与一次设备开关量I/o、模拟量采样和控制命令的发送等功能；间隔层由智能电子设备(IED)组成，完成对站控层控制命令的发送和过程层信息的传输，并对监测终端采集到的数据进行分析以及存储；站控层实现管理间隔层、过程层设备等功能，并完成与控制中心和人机界面等的通?目。 根据变电站系统结构，设备在线监测装置通过RS485总线与系统IED互联。整个系统的工作流程如下:监控主机服务器发出采集指令，经IED通过RS485传给每一个监控终端。各个终端接到采集指令后，同时刻采集电流信号。当各个终端数据采集完毕后，将采集数据通过RS485传过IED，IED对数据进行处理，打包以IEC61850协议上传给监控主机。 .2)设备在线监测IED 系统IED采用ARM+子ARM双处理器，具有很高的数据采集、管理和分析能力。不同CPU负责不同任务，保证每个环节高效进行，可实现信息的高速、稳定传输，对设备状态进行实时控制更加精确。IED主要实现的功能有: 通信功能，接收设备在线监测装置采集到的监测数据以及传送站控层服务器的采集命令； 对监测终端采集到的数据进行分析，并对故障信息进行存储以及本地显示。 嵌入IEC61850协议，实现变电站的信息共享以及设备的互操作性。 .2.1) IED的硬件 IED作为变电站中的间隔层设备，不仅需要实时准确的接收站控层的采集命令并及时下发给过程层监测装置，还要将过程层上传的数据及时发回发控层，对设备上传的异常数据进行分析和预警。为了实现系统IED运行的高速性和实时性，该系统用ARM+子ARM双CPU架构为硬件核心。ARM采用ARM9系列芯片，可附加外围的键盘、液晶、以太网通讯等硬件设备，用以完成整个系统的管理和控制。ARM功能包括向子ARM发送指令，要求回传数据、对数据进一步处理、存储和显示，以及与子ARM和上位机的通讯。利用子ARM的高速运算和多种片上外设的特点完成对采集命令的下发，并对采集来的数据进行计算和分析，同时实时的响应ARM的请求，将数据处理的结果发送给ARM。子ARM与ARM的通讯采用SPI通讯。 .2.1.1)电源模块 IED电源部分采用AC/DC电源芯片，主要作用是将交流220V电压转换为5V和备用的.12V电压。5V电压通过线性稳压芯片MIC29502BU转换为3.3V，提供给CAN网络接口电路、以太网网络接口电路和IED上的其他用电器件正常供电。3.3V电压通过线性电压调节芯片LM1117-ADJ转换为1.5V和1.9V，分别给子ARM内核和WIFI接口电路供电。3.3V电压通过隔离电源芯片B0305提供5V隔离电源给485网络接口电路供电。此设计是该系统的关键，部分隔离设计很好的供电模块免受外界电磁干扰。 . 2.1.2) SPI 通讯 主从CPU之间的通讯方式可有3种=SPIHPI以及双口 RAM。在该系统中，子ARM没有HPI功能模块，而SPI相比较双口 RAM更加稳定和迅速，所以主从CPU之间采用SPI通讯方式，可以使整个系统更加可靠、高效。 具体工作流程如下=ARM发出信号来启动数据传输，子ARM通过中断方式来接收数据，当接收到完整的控制帧时，首先检验控制帧的效性，对于有效的控制帧，首先关闭SPI中断，同时进行相应的处理。处理完后，再开启SPI中断并ARM发送数据。ARM对于无效的数据帧和超时错误，将回应错误码要求重发，对开不正常的数据将启动预警功能。 . 2.2) IED软件设计 该系统采用双CPU、主从式结构，不同CPU承担不同的任务，以ARM为主，子ARM为从。在ARM上嵌入了 LINUX操作系统，ARM软件设计注重人机界面以及系统的稳定性；在子ARM软件设计上，采用C程序设计语言，通过TI公司的开发软件CCS3.3编程开发，进而保证整个软件系统及通讯设计具有较强的实时性。 主机ARM根据配置文件启动轮询函数，并根据预先拟定的通信协议将对要采集的终端设备的命令进行提取和下发，子ARM获取命令后对命令的有效位进行截取后转发给智能终端，智能终端返回的数据在子ARM中根据协议进行解析并对不同的数据进行相关的计算整合，再封装上传至ARM。进行进一步的处理和通讯。 .3)IEC61850协议实现 IEC61850是一个开放的通信标准，它具有开放系统的特点，在IED设备间能够实现无缝连接。IEC61850是第一个关于变电站自动化系统比较完整的通信标准体系，明确提出了信息分层、可实现系统的配置管理、面向对象、采用映射的方法和具体网络独立、数据对象统一建模，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求，已成为无缝通信系统传输协议的基础，避免了繁琐的协议转换，实现了智能电子设备IED间的互操作。 IED采用IEC61850所提供的标准对系统IED进行模型，并将这些模型在站控层的服务器、间隔层的IED和在线监测装置通过软件联系起来，进而实现了过程层、间隔层IED之间以及站控层服务器之间的通信。 逻辑节点是IEC61850中基本的数据模型，数据模型表达了数据类型、哪些数据需要通信以及这些数据如何通信。其中又包括一定的数据对象，而数据对象又是由相应的数据属性构成。IED应用嵌入式以太网，使其可以不经中央处理单元、通信单元或协议转换单元、网关等中间环节，直接与变电站自动化系统网络连接，在站控也采用IEC61850的情况下，不仅可以节省整个系统的设计，还可以节减调试维护时间。
【文档编号】H02J13/00GK104300676SQ201410443861
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】王建玲, 李春雷, 吴雨亮, 吴威, 刘莉华, 于贞, 赵广磊, 梁凌红, 陈颍杰, 胡广超, 张奇恩 申请人:国网安徽省电力公司阜阳供电公司