本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)保護系統(tǒng)，特別是一種數(shù)字化變電站的繼電保護系統(tǒng)。

背景技術：

現(xiàn)有技術的數(shù)字化變電站有以下兩種結構模式：1.數(shù)字式合并單元+智能終端+純數(shù)字式保護裝置(采樣值SV和面向通用對象的變電站事件Goose跳閘)，2.傳統(tǒng)采樣合并單元+智能終端+純數(shù)字式保護裝置?，F(xiàn)場應用主要采用主控室+就地柜組合方式，主控室內安裝保護裝置，就地柜內安裝合并單元和智能終端，主控室與電力機房類似，對主控室的IP防護等級(INGRESS PROTECTION防護等級系統(tǒng))要求不高，一般IP20即可，要求不超過55℃工作環(huán)境。就地柜設置在戶外，對其的IP防護等級要求比較高，通常為IP65，一般會設有空調機，合并單元和智能終端的防護等級要求為IP42，需要滿足不超過85℃高溫的工作環(huán)境。

現(xiàn)有技術的數(shù)字化變電站的結構在實際使用中存在以下不足：安裝在就地柜的合并單元、智能終端裝置發(fā)熱量大，光纖數(shù)量多，導致可靠性下降。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種就地化繼電保護系統(tǒng)，要解決的技術問題是提高數(shù)字化變電站的可靠性。

本發(fā)明采用以下技術方案：一種就地化繼電保護系統(tǒng)，設有單間隔保護裝置、跨間隔保護裝置和測控自動化裝置，所述單間隔保護裝置就地設置，跨間隔保護裝置和測控自動化裝置設置在數(shù)字化變電站的主控室內，單間隔保護裝置與主控室之間通過百兆光纖通信。

本發(fā)明的單間隔保護裝置中，直接與一次設備電纜連接的超級采集單元放在戶外柜內，線路保護、母差子機、合并單元和智能終端通過光纖放在戶外柜外面。

本發(fā)明的超級采集單元連接有母差子機、B碼光串、線路保護、合并單元、智能終端、線路保護的電流電壓采集單元、母差子機的電流電壓采集單元、合并單元的電流電壓采集單元、開入量采集單元、開出量采集單元和變壓器油溫、檔位的直流量采集單元；所述超級采集單元、線路保護的電流電壓采集單元、母差子機的電流電壓采集單元、合并單元的電流電壓采集單元、開入量采集單元、開出量采集單元和直流量采集單元設置在靠近一次設備放置的戶外柜內；所述線路保護、合并單元、智能終端和母差子機在戶外柜外壁上就地設置；所述超級采集單元分別經千兆光纖與線路保護、合并單元、智能終端和母差子機通信連接；所述線路保護、合并單元、智能終端和母差子機分別經百兆光纖與設置在數(shù)字化變電站的主控室通信連接。

本發(fā)明的跨間隔保護裝置包括母差保護裝置和主變保護裝置。

本發(fā)明的線路保護設有線路保護現(xiàn)場可編程門陣列和以太網收發(fā)器1,線路保護現(xiàn)場可編程門陣列與主控室測控自動化裝置和跨間隔保護裝置通信經以太網收發(fā)器1分別采用MMS和Goose報文，所述以太網收發(fā)器1中設有至少兩個收發(fā)MMS報文的百兆光纖接口和至少兩個收發(fā)Goose報文的百兆光纖接口，所述線路保護現(xiàn)場可編程門陣列連接有兩路E1、B碼光纖接口1、CPU1、CPU2和千兆光模塊1。

本發(fā)明的合并單元設有合并單元保護現(xiàn)場可編程門陣列和以太網收發(fā)器2，合并單元現(xiàn)場可編程門陣列與主控室的跨間隔保護裝置通信經百兆光纖按采樣數(shù)據(jù)點對點傳輸，所述以太網收發(fā)器2設有1～8個采樣數(shù)據(jù)百兆光纖接口，所述合并單元現(xiàn)場可編程門陣列級連接有CPU3、千兆光模塊2和B碼光纖接口2。

本發(fā)明的智能終端設有智能終端現(xiàn)場可編程門陣列和以太網收發(fā)器3，現(xiàn)場可編程門陣列與主控室的測控自動化裝置通信經以太網收發(fā)器3采用Goose報文，所述以太網收發(fā)器3設有1～8個收發(fā)Goose報文的百兆光纖接口，所述智能終端現(xiàn)場可編程門陣列連接有CPU4、千兆光模塊3和B碼光纖接口3。

本發(fā)明的母差子機設有母差子機現(xiàn)場可編程門陣列和私有協(xié)議模塊，母差子機現(xiàn)場可編程門陣列通過私有協(xié)議與主控室通信，所述母差子機現(xiàn)場可編程門陣列連接有千兆光模塊5、CPU6和B碼光纖接口5。

本發(fā)明在110kV以下電壓等級的數(shù)字化變電站中，合并單元與智能終端集成為合智裝置。

本發(fā)明的合智裝置設有合智裝置現(xiàn)場可編程門陣列和以太網收發(fā)器4，合智裝置現(xiàn)場可編程門陣列與主控室的跨間隔保護裝置通信經百兆光纖按采樣數(shù)據(jù)點對點傳輸，所述以太網收發(fā)器4設有1～8個采樣數(shù)據(jù)百兆光纖接口，合智裝置現(xiàn)場可編程門陣列與主控室測控自動化裝置通信經以太網收發(fā)器4采用Goose報文，以太網收發(fā)器4設有1～8個收發(fā)Goose報文的百兆光纖接口，所述合智裝置現(xiàn)場可編程門陣列連接有千兆光模塊4接、CPU5處和B碼光纖接口4。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，將線路保護、合并單元、智能終端、母差子機就地布置，跨間隔保護裝置和測控自動化裝置設置在主控室內，單間隔保護裝置與主控室通過光纖通信，節(jié)省了大量電纜，節(jié)省了部分光纖，就地布置的系統(tǒng)，端接在戶外柜內安裝，方便布線和接線，發(fā)熱大的裝置安裝在戶外柜外，通過其本身的外殼直接自然散熱，戶外柜發(fā)熱降低，不再需要空調機，降低了繼電保護成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且方便運維。

附圖說明

圖1是互感器采樣的超級采集單元結構框圖。

圖2是數(shù)字化互感器采樣超級采集單元結構框圖。

圖3是本發(fā)明在戶外柜布置的結構框圖。

圖4是本發(fā)明的整體設置示意圖。

圖5是本發(fā)明的線路保護結構框圖。

圖6是本發(fā)明的合并單元結構框圖。

圖7是本發(fā)明的智能終端結構框圖。

圖8是本發(fā)明的合并單元和智能裝置結構框圖。

圖9是本發(fā)明的母差子機結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，互感器采樣的超級采集單元用于數(shù)字化變電站，采用主控室+就地柜的組合方式。就地柜設有現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，F(xiàn)PGA連接有千兆光模塊1～4、B碼光纖串行通信接口(B碼光串)和單片機，F(xiàn)PGA經濾波電路連接有線路保護裝置(線路保護)的電流電壓采集單元CT/PT(CT/PT 1#)、母差保護裝置子機(Bus Differential Protection Sub Unit，母差子機)的電流電壓采集單元CT/PT(CT/PT 2#)、線路間隔和主變高壓側合并單元(合并單元)的電流電壓采集單元CT/PT(CT/PT 3#)、采集變壓器油溫、檔位的直流量采集單元，F(xiàn)PGA經開入隔離電路連接有開入量采集單元，經開出隔離電路連接有開出量采集單元。單片機連接開出隔離電路和調試串行通信接口(調試串口)。千兆光模塊1～4用于發(fā)送端把電信號轉換成光信號，通過光纖光傳送到主控室。

濾波電路采用兩級無源RC濾波電路，截止頻率為2KHz，用于濾除高頻干擾，保護、測量需要的更低的截止頻率由FPGA及其系統(tǒng)實現(xiàn)。

超級采集單元采用FPGA和單片機構成，將采集到的模擬量和開關量信號轉換為符合千兆光纖接口格式的報文數(shù)據(jù)。FPGA和單片機連接至千兆光模塊，對線路保護、母差子機的保護系統(tǒng)解耦，因此可以一次配置，只要與其連接的互感器、刀閘、斷路器一次設備不失效，后續(xù)免升級免維護。單片機實現(xiàn)對1A/5A互感器、110V/220V開關量輸入的配置管理和調試，可以采用普通ARMCortexM0級別的單片機。

電流互感器CT信號采用雙模擬信號轉換成數(shù)字信號AD配置，可以提高整體可靠性，AD選用美國ADI公司的AD7606芯片，具有8通道同步采樣，單5V供電，可以簡化了電源配置。開入隔離電路采用光耦隔離，開出隔離電路采用繼電器隔離。

采集交流信息的電流互感器CT、電壓互感器PT采用模擬量，采樣合并單元與電子式互感器的合并單元依靠千兆光模塊1～4與主控室內的線路保護、合并單元、電力系統(tǒng)的智能終端(智能終端，Smart Terminal電力系統(tǒng)的智能終端用于數(shù)字化變電站，接收Goose報文，控制斷路器、刀閘的分合)、母差子機進行數(shù)據(jù)傳輸。

就地柜的主要發(fā)熱源頭是光模塊，每路百兆光模塊的功耗在1W左右。為降低功耗，現(xiàn)有技術采用的單片機+FPGA+光模塊結構，用FPGA直接驅動光模塊，光模塊選擇千兆位電信號轉換為光信號的接口器件SFP或小型化光纖連接器件SFF，功耗最低可以到0.3W以下，F(xiàn)PGA選用低功耗產品，例如美國阿爾卡特Altera公司的MAX10系列，美國萊迪思Lattice公司的MathXO2系列，美國愛特Actel公司的IGLOO2系列。單片機做配置管理和調試。按采集36路交流模擬量，控制100路輸入輸出IO，對外提供4對千兆接口來計算，整體功耗可以控制在單片機0.2W+FPGA 0.5W+光模塊4×0.3W＝1.9W，假設電源損耗80％，整體功耗可以控制在2.5W以下。隨著光模塊數(shù)量增多，每路只增加0.3W，發(fā)熱是可控的。假設按現(xiàn)有技術，則至少功耗為高性能CPU 2.5W+FPGA1.5W+網卡PHY 1W+以太網物理層芯片(Physical Layer)4×0.5W＝8W，電源損耗80％，整機功耗10W以上。而且隨著光模塊數(shù)量增多，功耗急劇增大。

可見，現(xiàn)有技術結構存在的不足是功耗大，可靠性低，而且需要大量光纜、電纜進入主控室。

如圖2所示，數(shù)字化互感器采樣的超級采集單元，采集交流信息的線路保護的電流電壓采集單元CT/PT、母差子機的電流電壓采集單元CT/PT、合并單元的電流電壓采集單元CT/PT可以采用電子式互感器，經隔離和積分還原電路得到交流數(shù)據(jù)，以數(shù)字量報文的形式發(fā)送至FPGA。相對于圖1所示的結構，將互感器電纜改為光纜進入戶外柜。

本發(fā)明的就地化繼電保護系統(tǒng)(系統(tǒng))，采樣就地設置的結構方式，將單間隔保護裝置就地設置，跨間隔保護裝置和測控自動化裝置設置在主控室內，跨間隔保護裝置包括母差保護裝置和主變保護裝置。單間隔保護裝置與主控室之間通過百兆光纖通信。系統(tǒng)直接采集模擬量、開關量(直采)，跳閘開出直接連接智能終端(直跳)。

根據(jù)單間隔保護裝置功能、發(fā)熱分為不同的組件，直接與一次設備電纜連接的超級采集單元放在戶外柜內，線路保護、母差子機、合并單元、智能終端等通過光纖和主控室相連的裝置放在戶外柜外面。

間隔保護裝置為線路保護、合并單元、智能終端和母差子機。

如圖3和圖4所示，本發(fā)明的裝置，就地設置有超級采集單元，超級采集單元連接有母差子機、B碼光串、線路保護、合并單元、智能終端、線路保護的電流電壓采集單元CT/PT(CT/PT 1#)、母差子機的電流電壓采集單元CT/PT(CT/PT 2#)、合并單元的電流電壓采集單元CT/PT(CT/PT 3#)、開入量采集單元、開出量采集單元和變壓器油溫、檔位的直流量采集單元。

超級采集單元、CT/PT 1#、CT/PT 2#、CT/PT 3#、開入量采集單元、開出量采集單元和直流量采集單元設置在靠近一次設備放置的戶外柜內。線路保護、合并單元、智能終端和母差子機在戶外柜外壁上就地設置。超級采集單元分別經千兆光纖與線路保護、合并單元、智能終端和母差子機通信連接。線路保護、合并單元、智能終端和母差子機分別經百兆光纖與設置在數(shù)字化變電站的主控室通信連接。

超級采集單元接收CT/PT 1#、CT/PT 2#、CT/PT 3#、開入量采集單元、開出量采集單元和直流量采集單元發(fā)送來的交流量和開關量，向母差子機、線路保護、合并單元和智能終端輸出控制信號，控制斷路器動作。超級采集單元經傳輸校時B碼的光纖與設置在主控室的全球定位系統(tǒng)GPS連接，將校時信息經B碼光串引入到與超級采集單元連接的各個單元中，進行同步。

超級采集單元采用低功耗高可靠性的FPGA，具備4路千兆并行轉換器Serders功能，功耗低于2.5W，實現(xiàn)超低功耗和高可靠性。本實施例選擇美國愛特Actel公司的SMARTFUSION2系列產品。

母差子機經千兆光纖與超級采集單元連接，超級采集單元通過母差子機接收主控室的母差保護裝置(母差主機)傳來的母差保護的跳合閘開關量數(shù)據(jù)的面向通用對象的變電站事件GOOSE報文。母差子機對上與主控室的母差保護裝置通過百兆光纖接口相連，對下經千兆光纖與超級采集單元相連。

線路保護通過千兆光纖與超級采集單元連接，線路保護經超級采集單元接收從電流電壓采集單元CT/PT采集來的交流量信息。線路保護裝置用于保護線路的一次設備，線路保護經百兆光纖與主控室通信，采用制造報文規(guī)范MMS報文和Goose報文格式，線路保護的E1端經E1光纖與數(shù)字化變電站的對側線路保護相連接。E1為一種電信信道，采用同步時分復用方法將30個語音信道和2個控制信道復合在一條2.048Mbit/s的高速信道上。對側是指供電線路另一端的數(shù)字化變電站。

合并單元經千兆光纖與超級采集單元連接，接收從合并單元互感器CT/PT3#采集來的交流量采樣數(shù)據(jù)，經百兆光纖按采樣數(shù)據(jù)SV點對點傳輸至主控室的跨間隔保護裝置。

智能終端經千兆光纖與超級采集單元連接，接收從開入量采集單元、開出量采集單元和直流量采集單元發(fā)送來的交流量和開關量信息數(shù)據(jù)，智能終端經百兆光纖采用Goose報文與主控室通信。

如圖5所示，線路保護設有線路保護FPGA和8口以太網收發(fā)器PHY188E3082,線路保護FPGA與主控室測控自動化裝置和跨間隔保護裝置通信經PHY1分別采用MMS和Goose報文。8口的以太網收發(fā)器PHY1中設有至少兩個收發(fā)MMS報文的光纖接口和至少兩個收發(fā)Goose報文的光纖接口，均為百兆光纖接口，由PHY1控制百兆光纖接口進行報文傳輸。線路保護FPGA連接有兩路E1、B碼光纖接口1、CPU1和CPU2、千兆光模塊1。E1用于與對側線路保護裝置通信，B碼光纖接口1用于經B碼光纖從超級采集單元獲取校時信息，CPU1和CPU2用于運行線路保護系統(tǒng)，千兆光模塊1用于線路保護FPGA與超級采集單元通信，獲取交流、開入、開出信息。

如圖6所示，合并單元設有合并單元FPGA和8口以太網收發(fā)器PHY288E3082，合并單元FPGA與主控室的跨間隔保護裝置通信經百兆光纖按SV點對點傳輸，傳輸交流量數(shù)據(jù)。PHY2設有N個SV百兆光纖接口，N為1～8個，具體數(shù)量按現(xiàn)在要求確定。合并單元FPGA經千兆光模塊2接收超級采集單元發(fā)送來的交流量信息，經CPU3處理后通過百兆光纖接口發(fā)送給主控室，B碼光纖接口2用于經B碼光纖從超級采集單元獲取校時信息。

如圖7所示，智能終端設有智能終端FPGA和8口以太網收發(fā)器PHY 388E3082，智能終端FPGA與主控室的測控自動化裝置通信經PHY3采用Goose報文。PHY3設有M個收發(fā)Goose報文的百兆光纖接口，M為1～8個，具體數(shù)量按現(xiàn)在要求確定。智能終端FPGA經千兆光模塊接收超級采集單元發(fā)送來的開入、開出量信息，經CPU4處理后通過百兆光纖發(fā)送給主控室，B碼光纖接口3用于經B碼光纖從超級采集單元獲取校時信息。

在110kV以下電壓等級的變電站中，合并單元與智能終端集成為一個裝置，可以減少合并單元與智能終端數(shù)量，降低成本。

如圖8所示，合并單元和智能裝置(合智裝置)設有合智裝置FPGA和8口以太網收發(fā)器PHY4 88E3082。合智裝置FPGA與主控室的跨間隔保護裝置通信經百兆光纖按SV點對點傳輸，合智裝置PHY4設有N個SV百兆光纖接口，N為1～8個。合智裝置FPGA與主控室測控自動化裝置通信經PHY4采用Goose報文，合智裝置PHY4設有M個收發(fā)Goose報文的百兆光纖接口，M為1～8個。合智裝置FPGA的千兆光模塊4接收超級采集單元發(fā)送來的交流、開入、開出量信息，經CPU5處理后通過百兆光纖接口發(fā)送給主控室，B碼光纖接口4用于經B碼光纖從超級采集單元獲取校時信息。

如圖9所示，母差子機設有母差子機FPGA和私有協(xié)議模塊，母差子機FPGA通過私有協(xié)議與主控室的母差主機通信。私有協(xié)議為母差子機FPGA與不同數(shù)字化變電站母差主機的專有通信協(xié)議。母差子機FPGA的千兆光模塊5接收超級采集單元發(fā)送來的采集交流、開入、開出數(shù)據(jù)，經CPU6處理后通過百兆光纖接口傳輸至主控室的母差主機，B碼光纖接口5用于經B碼光纖從超級采集單元獲取校時信息。

本發(fā)明將數(shù)量最大的單間隔保護裝置線路保護、合并單元、智能終端、母差子機就地布置，跨間隔保護裝置和測控自動化裝置設置在主控室內，單間隔保護裝置與主控室通過光纖通信，節(jié)省了現(xiàn)有技術中的數(shù)字化變電站連接進入主控室的大量電纜，節(jié)省了現(xiàn)有技術中單間隔保護裝置到智能終端的點對點傳輸?shù)牟糠止饫w。系統(tǒng)直采、直跳，本間隔內的交流量、開入、開出量在本間隔處理，不再經通信轉發(fā)，安全可靠。就地布置的系統(tǒng)，端接在戶外柜內安裝，方便布線和接線。根據(jù)功能、發(fā)熱分為不同設置的組件，發(fā)熱量大的組件安裝在戶外柜外，通過其本身的外殼直接自然散熱，散熱好，戶外柜發(fā)熱降低，不再需要空調機，降低了繼電保護的成本，與一次設備直連的超級采集單元柜內安裝，IP防護好，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且方便運維。