專利名稱：一種數(shù)字化數(shù)據(jù)采集裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集裝置，屬于電力自動化技術領域。
背景技術：
隨著電力系統(tǒng)向大容量、超高壓和特高壓方向發(fā)展，一次、二次設備向小型化、智 能化、高可靠性方向發(fā)展。電子式互感器以其體積小、重量輕、抗電磁干擾能力強、動態(tài)范圍 寬不易飽和、絕緣結(jié)構簡單、易于數(shù)字信號傳輸?shù)葍?yōu)點，順應了電力工程的發(fā)展要求，得到 了越來越廣泛的應用。電子式互感器通過光纖與合并單元相連，并由合并單元將采樣值上 送給間隔層IED，合并單元的使用能夠簡化施工現(xiàn)場的電纜連接，減少占地面積，具有較大 的工程價值，同時也能夠促進數(shù)字化變電站的發(fā)展，并為智能電網(wǎng)的數(shù)字化需求提供有力 保障。對合并單元的研究即是過程層與間隔層接口的研究，具有十分重要的意義。尤其是 基于過程層總線的合并單元的研究，在實現(xiàn)上述功能的同時還能實現(xiàn)不同間隔間數(shù)據(jù)的共 享，使用前景十分廣闊。當前國內(nèi)對合并單元的研究多基于IEC60044-7/8和IEC61850-9-1等標準，并定 義了采樣值傳輸?shù)耐ㄓ脭?shù)據(jù)集。通用數(shù)據(jù)集容納了 12個通道的采樣值，類型均為16位整 數(shù)。采樣頻率在9-1中也明確指明，一般為20什，40&，80&，200打等(fr為電網(wǎng)的額定頻 率，為50HZ)。合并單元通過串行點對點的方式向間隔層裝置發(fā)送數(shù)據(jù)，9-1中也定義了具 體的報文格式，在12路采樣之后設置了 2個16位的整數(shù)表示開關狀態(tài)量。由于報文格式 相對固定，很多廠家的合并單元沒有按照IEC61850標準定義相應的邏輯設備、邏輯節(jié)點和 數(shù)據(jù)集，僅僅按照報文的格式發(fā)送數(shù)據(jù)就行了，所以實現(xiàn)起來相對容易，但這并非真正意義 上的合并單元。有些廠家雖然按照IEC61850標準來實現(xiàn)了合并單元，但是由于9-1本身是 串行點對點的通信連接，不同間隔之間的數(shù)據(jù)仍然不能共享，并沒有真正體現(xiàn)出電子式互 感器的優(yōu)勢，因此，基于過程層總線通信的合并單元的研究就顯得十分有意義。當前國外廠 家如ABB、AREVA, SIEMENS等廠家均推出了基于9_2標準的合并單元，并因9_2的眾多優(yōu)勢 而被大力推廣。國內(nèi)廠家基于過程層總線通信的合并單元的研究還處于摸索階段，所見論 文較少，也沒有實際的產(chǎn)品出來，因而針對9-2標準過程層總線的合并單元的研究顯得尤 為迫切。IEC61850標準中過程總線上有兩類重要信息傳輸采樣值信息和跳閘命令。 IEC61850定義了 3個等級的采樣值同步準確度T3，T4和T5。其中Τ3等級要求為25us，用 于配電線路保護；T4等級要求為4us，用于輸電線路保護中；T5等級要求為lus，用于計量。 由此可以看出，當前常用的GPS實現(xiàn)同步的方法根本無法滿足T5等級的要求。同時GPS同 步對時還需要額外的接線，增加了成本，降低了全站的可靠性。因此必須采用新的更加可靠 的對時方法?？紤]到IEEE1588對時將是今后必然的發(fā)展趨勢，研制的基于9_2標準的合并 單元實現(xiàn)了基于IEEE1588網(wǎng)絡對時的功能。采用對時精度達到亞微妙級的IEEE1588網(wǎng)絡 對時方案，能夠有效減少對GPS網(wǎng)絡的依賴，提高合并單元的可靠性和采樣的精確度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是提供一種數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集裝置，能夠按照 IEC61850-9-2的標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣傳輸功能，進而實現(xiàn)全站采樣數(shù)據(jù)的共享。同時該裝置 還能夠支持IEEE1588對時功能，滿足數(shù)字化變電站對采樣精度的要求。為解決上述問題，本發(fā)明提供一種數(shù)字化數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，包括以下插 件電源板接入220V交直流電壓，為裝置提供工作電源；AC采樣板接入傳統(tǒng)電磁式互感器輸出的模擬電壓電流信號；FT3板(串口通信采樣)接入電子式電壓互感器、電子式電流互感器的采集的數(shù)
字信號；CPU板數(shù)據(jù)的采樣處理，以及采樣報文的發(fā)送，同時接收外部IEEE1588對時報 文；總線背板所有板件的接入，并實現(xiàn)板件間總線通信；液晶顯示板顯示裝置的采樣數(shù)據(jù)，故障事件記錄以及參數(shù)的整定。前述數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于CPU板內(nèi)部包括PoWerPC8313系列芯片， 可實現(xiàn)千兆網(wǎng)絡通信，同時實現(xiàn)IEEE1588對時功能，進而將數(shù)據(jù)采樣同步的時間誤差控制 在Ius以下，能夠大大提高采樣精度。前述數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于所述CPU板支持GMRP協(xié)議(組播注冊協(xié) 議)。通過GMRP協(xié)議能夠靈活的劃分VLAN，有效減少采樣報文在交換機部分的延遲，同時 還能夠減少端口接收不需要的報文，進而減少網(wǎng)絡端口流量，提高網(wǎng)絡的可靠性。前述數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于所述CPU板中預留兩個網(wǎng)口，用于通過 GOOSE報文將設備的狀態(tài)信息以及故障告警信息發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)或調(diào)度系統(tǒng)。便于在 采樣故障發(fā)生后能夠有效的采取相應的措施。前述數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于在采樣環(huán)節(jié)、讀取配置文件環(huán)節(jié)、采樣處 理環(huán)節(jié)、報文組織環(huán)節(jié)設置自檢函數(shù)，異常情況下快速找出故障點并打印出設備目前狀態(tài) 信息，進而對裝置狀態(tài)進行判斷。前述數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于所述CPU板具有仿真模塊，用于在仿真模 式下，不接入任何采樣數(shù)據(jù)的情況下，通過設置電壓、電流的額定值能夠自動發(fā)出額定值下 的正弦波采樣數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場的調(diào)試。前述數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置的采樣方法，CPU板用來實現(xiàn)才采樣數(shù)據(jù)發(fā)送及報 文處理，同時還能夠接收IEEE1588對時報文、發(fā)送GMRP報文。采樣的數(shù)據(jù)能夠按照 IEC61850-9-2標準的要求發(fā)送報文，數(shù)據(jù)組織靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的全站共享，其特征 在于包括以下步驟1)當設備僅接入AC采樣板時，裝置所組織的9-2標準的報文采樣點號以中斷為 準；當裝置僅接入FT3板時，采樣數(shù)據(jù)以串口通信中中斷觸發(fā)的點號為準；當AC板和FT3同 時接入的時候，采樣點號以AC板為準，因為串口通信會存在1-2個采樣點的延遲；2)當出現(xiàn)某一通道的采樣數(shù)據(jù)丟失以后，裝置的整體采樣點數(shù)仍然會增加，但對 于未收到采樣數(shù)據(jù)的通道，數(shù)據(jù)置0，采樣點數(shù)仍正常增加，但該數(shù)據(jù)的品質(zhì)置無效；3)當數(shù)據(jù)都正常接收，在報文組織的時候會對數(shù)據(jù)進行檢測，判斷是否有越限的數(shù)據(jù)，若有則在其數(shù)據(jù)品質(zhì)相應的位置置無效，若正常，則按照9-2報文的要求，將電壓轉(zhuǎn) 變成lmv，電流轉(zhuǎn)變成IOmA進行組包發(fā)送。本發(fā)明所達到的有益效果本發(fā)明的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置模擬量采樣和數(shù)字化采樣功能。裝置內(nèi)的AC板能 夠接入傳統(tǒng)電纜接入的模擬電壓和電流；而FT3板則能夠接入電子式電流互感器和電壓互 感器輸出的數(shù)字量，整個FT3板能夠接入7路串口數(shù)據(jù)。本裝置具有靈活的組態(tài)配置功能。裝置的采樣頻率，每組報文包括的采樣點數(shù)、發(fā) 送端口等信息都可以靈活整定，通過配置，同一報文可以從同一端口或者幾個端口同時發(fā) 出，完全能夠滿足工程應用的要求。裝置具有液晶顯示插件，能夠通過液晶查看裝置的各項參數(shù)和采樣數(shù)據(jù)，同時還 能夠記錄各種故障告警信息，便于故障的處理和維護。本裝置能夠支持IEC61850-9-2標準，能夠?qū)崿F(xiàn)全站采樣數(shù)據(jù)的共享。同時支持 IEEE1588對時，能夠減少時鐘誤差，提高采樣精度。


圖1為本發(fā)明的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置內(nèi)部結(jié)構圖；圖2為本發(fā)明的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置插件結(jié)構圖。
具體實施例方式本裝置主要有AC采樣板、FT3串口采樣板、Power電源板、CPU板、總線通信背板、 液晶顯示板。AC板和FT3串口板用來進行數(shù)據(jù)采樣，總線背板用來接入其它板件并實現(xiàn)板 件間的總線通信，Power電源板為裝置提供電源，CPU板負責數(shù)據(jù)的處理及組織報文，同時 接收IEEE1588對時，向交換機發(fā)送GMRP報文用以動態(tài)建立VLAN。同時CPU板上還預留有 2個網(wǎng)絡端口，用來通過GOOSE發(fā)送裝置的狀態(tài)及告警信息。整個裝置的具體實現(xiàn)流程如 下裝置上電后首先讀取配置文件。配置文件分為裝置配置文件和9-2報文配置文件 兩個。裝置配置文件用來配置裝置的基本參數(shù)，如電壓電流的一次額定值，串口晶振頻率、 網(wǎng)口有效標志及通信參數(shù)等；9-2報文配置文件用來配置9-2報文所包含的數(shù)據(jù)屬性、目的 地址、應用標示等配置信息。若相關的參數(shù)配置不正確或者未配置，裝置會進行相應的報錯 處理。因此，配置文件的正確配置以及裝置的正確讀取是保證裝置正常運行的前提。裝置采樣接收。針對AC板，裝置通過中斷定時讀取采樣AD芯片的數(shù)據(jù)。整個AC 采樣板能夠接入保護的三相電壓、電流，測量的三相電流以及保護用的中性點電壓等。針對 FT3串口采樣板，具有7路串口信息，用來接入變電站一個間隔的4路電壓和3路電流。裝 置晶振定時發(fā)送采樣脈沖，電子式互感器在接收到采樣脈沖后將采樣數(shù)據(jù)按照FT3的格式 發(fā)送給采樣裝置，整個采樣頻率由晶振來控制。當裝置僅接入一種板件的時候，采樣數(shù)據(jù)按 照各自的點號進行處理，當AC板和FT3板同時使用的時候，由于串口通信存在的延遲，根據(jù) 不同廠家的電子式互感器，存在1-2個點的采樣延遲，此時采樣數(shù)據(jù)的點號要以電子式互 感器的為準，即電子式互感器的當前采樣點與AD采樣的前一個或者兩個點為組進行后續(xù) 報文的處理。
裝置報文的處理。數(shù)據(jù)到達報文處理流程后首先會對數(shù)據(jù)是否溢出以及是否 有效進行判斷，并對每個數(shù)據(jù)的品質(zhì)進行置位，以表示數(shù)據(jù)的有效性。然后將數(shù)據(jù)按照 IEC61850-9-2標準的要求，將電壓V轉(zhuǎn)變成lmV，電流A轉(zhuǎn)變成10mA。接著報文處理流程 會進行報文的組包，此時會根據(jù)9-2報文的配置要求組織報文，因此整個9-2報文的長度和 數(shù)據(jù)個數(shù)是靈活可變的。最后將采樣數(shù)據(jù)按照9-2報文配置文件中數(shù)據(jù)的配置順序進行填 放，最后交給底層的發(fā)送函數(shù)進行報文的發(fā)送處理。底層的發(fā)送函數(shù)也會根據(jù)裝置的基本 配置將相應的一個或者多個9-2報文通過一個或者多個網(wǎng)口進行發(fā)送。裝置的對時處理。由于本裝置能夠接收IEEE1588對時，因此，其對時處理也是較 為復雜。整個對時過程是通過多次交互來實現(xiàn)。首先主時鐘每隔2s向其發(fā)送對時報文，采 樣裝置在第一次接收到對時報文后對時就開始了。通過多次不斷的調(diào)整，最終裝置的時間 和主時鐘之間的時間誤差會降低到Ius以下。目前整個裝置的對時精度可以控制在400ns 左右οGMRP報文的處理。為有效降低全站采樣網(wǎng)絡的通信流量，有效減少通信延遲，每個 采樣裝置定時都會向交換機發(fā)送GMRP報文，報文中包含需要采樣裝置采樣數(shù)據(jù)的設備的 MAC地址，交換機在收到這些報文后就將相應的報文轉(zhuǎn)發(fā)到接入該設備的端口，從而有效降 低了端口通信流量，實現(xiàn)全站VLAN的動態(tài)控制。GOOSE報文發(fā)送處理。CPU板預留的兩個網(wǎng)口用來實現(xiàn)裝置狀態(tài)及告警信息的上 送。當采樣芯片異常、電源異常或者通信異常的時候，CPU板能夠及時將故障信息上送到接 收裝置或者后臺監(jiān)控系統(tǒng)以及調(diào)度終端，進而對采樣異常的原因進行定位和分析，便于及 時采取相應的補救措施。如此方式能夠?qū)ρb置的整個運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，有利于全站 的運行管理和維護。裝置的液晶面板主要是用來顯示裝置的采樣數(shù)據(jù)，同時用來查看裝置的配置參 數(shù)，故障信息記錄等信息。整個液晶板與總線板相互獨立，彼此之間通過總線進行通信。以上已以較佳實施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同替換 或者等效變換方式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種數(shù)字化數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，包括以下插件電源板接入220V交直流電壓，為裝置提供工作電源；AC采樣板接入傳統(tǒng)電磁式互感器輸出的模擬電壓電流信號；FT3板接入電子式電壓互感器、電子式電流互感器的采集的數(shù)字信號；CPU板數(shù)據(jù)的采樣處理，以及采樣報文的發(fā)送，同時接收外部IEEE1588對時報文；總線背板所有板件的接入，并實現(xiàn)板件間總線通信；液晶顯示板顯示裝置的采樣數(shù)據(jù)，故障事件記錄以及參數(shù)的整定。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于CPU板內(nèi)部包括 PowerPC8313系列芯片，實現(xiàn)千兆網(wǎng)絡通信，同時實現(xiàn)IEEE1588對時功能。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于所述FT3串口采樣 板具有7路串口，用來接入變電站一個間隔中采用電子式互感器采樣的4路電壓和3路電 流。同時還能實現(xiàn)串口采樣和模擬采樣混合模式。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于所述CPU板支持GMRP 協(xié)議。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于所述CPU板中預留 兩個網(wǎng)口，用于通過GOOSE報文將設備的狀態(tài)信息以及故障告警信息發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng) 或調(diào)度系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于在采樣環(huán)節(jié)、讀取配 置文件環(huán)節(jié)、采樣處理環(huán)節(jié)、報文組織環(huán)節(jié)設置自檢函數(shù)，異常情況下快速找出故障點并打 印出設備目前狀態(tài)信息，進而對裝置狀態(tài)進行判斷。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，其特征在于所述CPU板具有仿 真模塊，用于在仿真模式下，不接入任何采樣數(shù)據(jù)的情況下，通過設置電壓、電流的額定值 能夠自動發(fā)出額定值下的正弦波采樣數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場的調(diào)試。
8.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置的采樣方法，其特征在于包括以下步驟1)當設備僅接入AC采樣板時，裝置所組織的9-2標準的報文采樣點號以中斷為準；當 裝置僅接入FT3板時，采樣數(shù)據(jù)以串口通信中中斷觸發(fā)的點號為準；當AC板和FT3同時接 入的時候，采樣點號以AC板為準，因為串口通信會存在1-2個采樣點的延遲；2)當出現(xiàn)某一通道的采樣數(shù)據(jù)丟失以后，裝置的整體采樣點數(shù)仍然增加，但對于未收 到采樣數(shù)據(jù)的通道，數(shù)據(jù)置0，采樣點數(shù)仍正常增加，但該數(shù)據(jù)的品質(zhì)置無效；3)當數(shù)據(jù)正常接收，在報文組織時對數(shù)據(jù)進行檢測，判斷是否有越限的數(shù)據(jù)，若有，則 在其數(shù)據(jù)品質(zhì)相應的位置置無效，若正常，則按照9-2報文的要求，將電壓轉(zhuǎn)變成lmv，電流 轉(zhuǎn)變成IOmA進行組包發(fā)送。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣裝置，包括以下功能插件Power電源板；AC采樣板接入傳統(tǒng)電磁式互感器輸出的模擬電壓電流信號；FT3板接入電子式電壓互感器、電子式電流互感器的采集的數(shù)字信號；CPU板用來處理采樣數(shù)據(jù)以及發(fā)送采樣報文，接收外部IEEE1588對時報文、GMRP報文，同時還能夠通過GOOSE發(fā)送設備狀態(tài)告警信息；總線背板接入裝置的插件，并實現(xiàn)板件間的總線通信；液晶顯示板顯示裝置的采樣數(shù)據(jù)，故障事件記錄以及參數(shù)整定。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的全站共享，同時能夠?qū)?shù)據(jù)的采樣同步誤差控制在1μs以下，極大的提高了數(shù)據(jù)采樣精度，提高全站保護的可靠性和準確性。
文檔編號H02J13/00GK101951024SQ201010256490
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權日2010年8月18日
發(fā)明者于海波, 仇新宏, 何昭輝, 倪益民, 周斌, 季學軍, 徐石明, 李娟 , 李惠宇, 樊陳, 沈健, 謝黎, 黃國方 申請人:國電南瑞科技股份有限公司