多状态量可组态变电设备智能组件

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及一种多状态量可组态变电设备智能组件。

背景技术

目前各类智能组件软硬件架构、组网方式、通信媒介的不同限制了智能组件的快速升级，且造成了额外的维护工作量，难以适应电网运维集约化、智能化的发展趋势，亟需提高智能组件的模块化、通用化水平。同时变电设备在线监测装置智能组件的工作稳定性和可靠性验证需要进一步研究，针对智能组件在恶劣气候条件下的适应性验证方法还处于空白。对于投运后的装置缺少现场校验方面的研究，由于变压器油中溶解气体在线监测装置属于需要定期校准数据的一类仪器，缺少现场校验和维护可能导致数据漂移、工作不稳定。本发明专利涉及到变电设备智能组件的灵活配置，模块化构建，提升智能组件的实用性和可维护性。

目前变电站中智能组件监测元器件种类繁多，型号尺寸各异，质量参差不齐，且采用的通信协议不统一，接口互不兼容，导致统一接入困难，无法实现多状态量信号的统一上送和集中监控，给设备日常维护升级、备品备件准备、设备缺陷及时处理等工作带来诸多困难。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种多状态量可组态变电设备智能组件，通过以传感器、智能组件与变电设备有机结合，使得变电设备具有测量数字化、控制网格化、状态可视化、功能一体化和信息自动化特征。

本发明提供了一种多状态量可组态变电设备智能组件，其特征在于包括设备层、过程层、站控层；所述设备层包括用于变电站内的电力设备监测的子IED和智能组件分配单元；过程层包括主IED；站控层包括本地处理单元；子IED经智能组件分配单元与主IED电连接，主IED与本地处理单元电连接；子IED将采集到的对应的电力设备状态信息经智能组件分配单元发送至主IED，主IED将各电力设备状态信息上传至本地处理单元，本地处理单元根据各电力设备的状态信息进行处理分析以判断各电力设备的工作状态，并生成对应的控制命令经监控主IED、智能组件分配单元。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元采用自动总线接口识别并设置有CAN总线接口模块、RS485总线接口模块、以太网总线接口模块、模拟接口模块、数字接口模块以及相关的无线通信接口模块，上述接口模块用于连接各电力设备的IED以获取个电力设备的状态信息；各电力设备的IED通过智能组件分配单元实现信息交互；智能组件分配单元还设置有用于连接主IED的网络接口。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元的各个接口模块采用FPGA构成各个数据采集组件并将采集到数据通过SATA接口存储到各个接口模块内的存储介质内，各个接口模块的SATA接口与主IED的主机板接口电连接。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元的各个接口模块均接入有高精度全局同步时钟；高精度全局同步时钟通过时钟管理模块以分频和倍频的方式接入到各个接口模块，为各个接口模块的FPGA中的计数器提供时钟；FPGA通过识别各个接口时序采集并存储数据并通过各个接口模块的SATA接口将采集到数据发送至主IED。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元的各个接口模块均包括分别与AXI内部总线电连接的I/O子系统、内存子系统、嵌入式处理器和用户自定义逻辑模块；I/O子系统包括存储模块、低速IO模块和网络模块，存储模块包括SATA存储介质和SSD固态驱动器，低速IO模块用于连接外部电力设备的IED以采集数据信息，网络模块用于获取用户定义逻辑模块的控制指令；I/O子系统中集成有FPGA；在每个FPGA计算节点上集成有SATA控制器以支持基于SSD固态驱动器的高速非易失性存储；在内存子系统中包括两个双倍数据率同步动态随机存取存储器和一个片外静态随机存取存储器，两个双倍数据率同步动态随机存取存储器和一个片外静态随机存取存储器均设置有对应的控制器；嵌入式处理器和AXI系统总线作为控制模块用于完成I/O子系统、内存子系统和用户自定义逻辑模块的初始化工作以及运行时的状态控制，为SATA控制器提供基于AHCI的驱动接口，维护基于SSD的轻量级文件系统；用户自定义逻辑模块根据不同的并行数据采集状态量的逻辑而变化，利用片上可重构资源对应用层的业务逻辑进行硬件加速，同时针对特定应用进行优化，针对电力设备的信息安全数据，信息安全漏洞的攻击行为的数据采集对业务逻辑进行单独的设计和数据的隔离处理。

上述技术方案中，所述主IED的主机板由基于x86构架的控制单元组成，其含有16GB以上系统内存和外设端口，外设端口通过扩展总线经过扩展接口板与各个接口模块相连；扩展接口板设计了电气接口相同的四个或以上的扩展插槽，各个接口模块可根据变电设备接入需求随意放入插槽，组成各式不同功能的监测智能组件；扩展接口板集成了低抖动系统时钟，提供给各个接口模块，对外可接入外部时钟同步信号经过解调后与矫正本体低抖动时钟输出。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元还包括控制系统端点捕捉模块；控制系统端点捕捉模块包含低压24通道模拟前端处理模块、模拟量开关、ADC模块、FPGA模块、SATA存储介质；控制系统端点捕捉模块用于对模拟量或者数字量进行状态捕获。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元还设置有以太网接口，用于本地接入本地网络以实现远程操作、数据共享或加入集群化的自动化控制系统逻辑分析与安全防护系统。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元中部署自动化控制系统逻辑分析与安全防护管理，收集各个接口模块的数据，依据统一的时间戳进行有序排列，支持序列化数据分析、数据回放，计算数据帧到帧、数据帧到端口的延时、延时抖动功能。

本发明提供了一种变电设备，其特征在于所述变电设备配置有上述的多状态量可组态变电设备智能组件。

本发明提供了一种变电站内电力设备的监控方法，其特征在于包括以下步骤：用于变电站内的电力设备监测的子IED将采集到的对应的电力设备状态信息经智能组件分配单元发送至主IED，主IED将各电力设备状态信息上传至本地处理单元，本地处理单元根据各电力设备的状态信息进行处理分析以判断各电力设备的工作状态，并生成对应的控制命令经主IED、智能组件分配单元。

本发明的通信方式更加丰富，涵盖总线、以太网、无线通信等方式。通过以传感器、智能组件与变电设备有机结合，使得变电设备具有测量数字化、控制网格化、状态可视化、功能一体化和信息自动化特征。本发明是由设备本体、智能组件、传感器和执行器等组成的智能化输变电设备，通过在传统设备上增加智能监控模块，使其集成数据采集、在线监测、故障判断和信息通信等多种功能。本发明有效改善电子设备运行环境、运维检修便利性，争取做到合理控制一次性建设成本，大幅降低后期运检成本，全寿命周期成本更低，效益更高。

附图说明

图1为本发明的组件分层示意图；

图2为本发明的同步时钟的接入示意图；

图3为本发明的接口模块示意图；

图4为本发明的总线设备的框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，一种多状态量可组态变电设备智能组件，其特征在于包括设备层、过程层、站控层；所述设备层包括用于变电站内的电力设备监测的子IED和智能组件分配单元；过程层包括主IED；站控层包括本地处理单元；子IED经智能组件分配单元与主IED电连接，主IED与本地处理单元电连接；子IED将采集到的对应的电力设备状态信息经智能组件分配单元发送至主IED，主IED将各电力设备状态信息上传至本地处理单元，本地处理单元根据各电力设备的状态信息进行处理分析以判断各电力设备的工作状态，并生成对应的控制命令经监控主IED、智能组件分配单元、合并单元发送至继电保护装置。

本发明的配置工具、配置文件、配置流程符合DL/T1146。设备层、过程层、站控层的通信包含构成组件的各IED之间的网络通信以及与变电站内过程层网络、站控层网络之间的通信。智能组件的接口及时序、本地化处理单元，针对变电设备中需要监测的电气量及非电气量，全面接入到多状态量可组态变电设备智能组件。

上述技术方案中，对外的接口形式包括CAN、RS485、以太网、模拟接口、数字接口以及相关的无线通信接口。本发明内各IED组网，各IED需要信息共享才能完成特定的功能。所述智能组件分配单元采用工业级光纤接口以太网交换机并设置有CAN总线接口模块、RS485总线接口模块、以太网总线接口模块、模拟接口模块、数字接口模块以及相关的无线通信接口模块，上述接口模块用于连接各电力设备的IED以获取个电力设备的状态信息；各电力设备的IED通过智能组件分配单元实现信息交互；智能组件分配单元还设置有用于连接主IED的网络接口。各IED可以通过上述交换机实现信息交换。该交换机可以留出一个网络接口与变电站的过程层网络互联。本发明对外组网，需要与站控层通信的智能组件IED，例如主IED可通过独立的网口连接到站控层网络，智能组件分配单元需要与变电站过程层网络通信的主IED，通过组件柜内部交换机连接到过程层网络。

同时针对无线传感器IED，多状态量可组态变电设备智能组件无线接入功能，集传感器技术、通信技术、计算机技术以及网络技术于一体，具有自动组网、动态智能和协同感知等功能。无线传感节点的数据实时传输汇聚到智能组件，对数据进行处理、分析，并对监测结果进行综合评估。

多状态量可组态变电设备组件符合高压设备通信、在线监测技术规范和标准，智能组件分配单元可以接入监测类型、通信规约及接口类型以及主设备非电量、电压、电流、环境温湿度、油中溶解气体、局部放电、铁心接地电流、SF6密度微水、避雷器阻性电流等监测信号，对于光缆、电缆等通信介质以及通信同步的不同时延的需求差异，对于串口、网口等通信接口的需求差异，对于Modbus-RTU、Modbus-TCP/IP等通信协议的需求差异均可满足。考虑智能组件分配单元应用的可行性和可扩展性，本发明专利采用基于总线、板卡模块形式的智能组件IED和通信板卡，可以通过模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、网络交换模块、基于FPGA的高速数据采集模块、无线数传及定位模块(含WIFI、蓝牙、ZIGBEE、GPRS/3G/4G、北斗/GPS等)、协议转换模块、总线接口模块系列(含串口、CAN、以太网等)以及其他特定功能模块的自由组合，实现智能组件分配组件对不同设备不同状态量数据的统一接入和集成。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元采用交换机并设置有CAN总线接口模块、RS485总线接口模块、以太网总线接口模块、模拟接口模块、数字接口模块以及相关的无线通信接口模块，上述接口模块用于连接各电力设备的IED以获取个电力设备的状态信息；各电力设备的IED通过智能组件分配单元实现信息交互；智能组件分配单元还设置有用于连接主IED的网络接口。同时主IED的主机板接口能够将数据与其他平台的主机进行传输和处理。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元的各个接口模块采用FPGA构成各个数据采集组件并将采集到数据通过SATA接口存储到各个接口模块内的SATA存储介质内，各个接口模块的SATA接口与主IED的主机板接口电连接。采用FPGA构成各个数据采集组件，具有并行计算和可配置的高带宽I/O能力，有效的对电力现场的多种协议数据和电力信息安全数据进行并行采集，提高计算效率，同时FPGA器件本身的低功耗特性，能够有效降低能耗。

上述技术方案中，所述智能组件分配单元的各个接口模块均接入有高精度全局同步时钟；高精度全局同步时钟通过时钟管理模块以分频和倍频的方式接入到各个接口模块，为各个接口模块的FPGA中的计数器提供时钟；FPGA通过识别各个接口时序采集并存储数据并通过各个接口模块的SATA接口将采集到数据发送至主IED。多状态量可组态变电设备智能组件的所有模块的驱动时序是通过计数器实现的，根据需要设计的各个模块上各个信号的变化，采用全局时钟同步，将高精度全局时钟接入时钟管理模块。

上述技术方案中，多状态量可组态变电设备智能组件的采集部分是基于SOPC的并行数据采集，主要实现高密集型数据和稀疏型数据(如RS485协议数据、CAN总线协议数据等)的高并发同步采集。所述智能组件分配单元的各个接口模块均包括分别与AXI内部总线电连接的I/O子系统、内存子系统、嵌入式处理器和用户自定义逻辑模块。在I/O子系统中实现了从物理层到传输层网络协议的硬件处理流水线，能够支持高达10Gbps的TCP/IP网络数据包的采集和处理，同时支持对稀疏型数据的采集和处理。I/O子系统包括存储模块、低速IO模块和网络模块，存储模块包括SATA存储介质和SSD固态驱动器，低速IO模块用于连接外部电力设备的IED以采集数据信息，网络模块用于获取用户定义逻辑模块的控制指令；I/O子系统中集成有FPGA；在每个FPGA计算节点上集成有SATA控制器以支持基于SSD固态驱动器的高速非易失性存储；在内存子系统中包括两个双倍数据率同步动态随机存取存储器和一个片外静态随机存取存储器，两个双倍数据率同步动态随机存取存储器和一个片外静态随机存取存储器均设置有对应的控制器。嵌入式处理器和AXI系统总线作为控制模块，用于完成系统模块和外设模块初始化工作以及运行时的状态控制，为SATA控制器提供基于AHCI(Serial ATA Advanced Host Controller Interface)的驱动接口，维护基于SSD的轻量级文件系统；本部分的的系统模块和外设模块主要包括内存子系统、IO子系统、用户自定义逻辑模块。用户自定义逻辑模块根据不同的并行数据采集状态量的逻辑而变化，利用片上可重构资源对应用层的业务逻辑进行硬件加速，同时针对特定应用进行优化，针对电力设备的信息安全数据，信息安全漏洞的攻击行为的数据采集对业务逻辑进行单独的设计和数据的隔离处理。

多状态量可组态变电设备智能组件的信号与总线仿真设备包含以太网总线接口模块、CAN总线接口模块、RS485总线接口模块、自动化控制系统端点捕捉扩展模块、主机板、电源、扩展接口板等。主机板由基于x86构架的控制单元组成，其含有16GB以上系统内存，USB，以太网等外设端口，通过扩展总线经过扩展接口板与各个接口模块相连。扩展接口板设计了电气接口相同的四个及以上的扩展插槽，各个接口模块可根据变电设备接入需求随意放入插槽，从而组成各式不同功能的监测智能组件。扩展接口板集成了低抖动系统时钟，提供给各个扩展模块，对外可接入外部时钟同步信号经过解调后与矫正本体低抖动时钟输出。

所述各个接口模块采用FPGA作为整体组件的核心单元。FPGA具有定制化数据处理能力，其处理过程延时可严格控制，保证了采样数据时间戳的低抖动性，内部采用高稳定晶振为其提供系统时钟，选择大容量的SATA存储介质存储程序和数据。由FPGA直接提供SATA存储接口可有效提升存储器访问带宽，在硬件采用RAID0设备进一步保证了模块数据存储的能力。数据存储格式上采用日志型存储文件系统，并依据时间序列，帧包类型建立快速索引机制。

FPGA模块外部提供系统时钟输入接口，引入自身的计数器从而实现系统时间全局时间戳标定，同时其提供对主机高速通讯接口，以便主机进行管理和数据读写。

多状态量可组态变电设备智能组件的一体化信号与总线仿真设备结构及接口，整体采用可插拔板卡形式，按状态一体机机壳上向变电设备提供各种接口，包含以太网接口、USB接口等，直接在主IED上处理相关业务，同时提供的以太网接口可方便本地接入本地网络实现远程操作、数据共享或加入集群化的自动化控制系统逻辑分析与安全防护系统。

系统中主机部署自动化控制系统逻辑分析与安全防护管理，收集各个组件、采集设备的数据，依据统一的时间戳进行有序排列，支持序列化数据分析、数据回放，计算数据帧到帧、数据帧到端口的延时、延时抖动等功能。总线仿真设备总体采用1U机箱设计规格，并可级联多个设备更加节约设备占用机柜空间。

本发明提供了一种变电设备，其特征在于所述变电设备配置有上述的多状态量可组态变电设备智能组件。

本发明提供了一种变电站内电力设备的监控方法，其特征在于包括以下步骤：用于变电站内的电力设备监测的子IED将采集到的对应的电力设备状态信息经智能组件分配单元发送至主IED，主IED将各电力设备状态信息上传至本地处理单元，本地处理单元根据各电力设备的状态信息进行处理分析以判断各电力设备的工作状态，并生成对应的控制命令经主IED、智能组件分配单元。

本发明还提供了一种变电站内电力设备的监控方法的非暂时性计算机只读介质，包括：

存储在其中的指令，其中所述指令在由一个或以上处理器执行时，使所述一个或以上处理器执行以下的方法包括：

用于变电站内的电力设备监测的子IED将采集到的对应的电力设备状态信息经智能组件分配单元发送至主IED，主IED将各电力设备状态信息上传至本地处理单元，本地处理单元根据各电力设备的状态信息进行处理分析以判断各电力设备的工作状态，并生成对应的控制命令经主IED、智能组件分配单元。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。