专利名称：一种同步相量测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电力系统继电保护及安全自动装置的同步相量测量装置，属于继电保护技术领域。
背景技术：
随着我国电网建设的不断发展，网架结构日益完善，也越来越复杂，迫切需要有新的技术手段来加强电网的动态安全监控能力，提高电网安全稳定水平。传统SCADA系统采集的是秒级刷新的稳态数据，故障录波器提供的是故障前后一段时间内快速暂态波形数据，都没有办法提供全网范围内同步采集的动态相量数据。同步相量测量装置(PMU)则利用卫星同步时钟系统为广域范围内的全网同步采样提供统一的采样脉冲和标准时间，使得各个站点之间有了相同的时间基准点和采样参考基准点，在同步采样和计算之后所得到的同步相量能准确描述实际系统的动态过程，为电力系统新型保护、测控、安全稳定控制提供了新的数据源。常规的PMU装置一般采用CPU配合软件的方式进行采样和DFT计算，CPU的负荷比较重，同时其开入量(DI)与开出量(DO) —般是从CPU模件直接引出，通过母板上的硬接线和相应模件之间连接，这样在母板上DI和DO模件位置比较固定，不利于工程的灵活扩展。

实用新型内容为克服现有技术上的不足，本实用新型目的是在于提供一种将CPU从大量的数字运算解放出来专注于通信，保证通信的实时性的同步相量测量装置，大大提高了装置对不同工程的适应能力。为实现上述目的，本实用新型技术方案如下一种同步相量测量装置，其特征在于，包括为各个模件提供电源和智能IO总线接口的母板模件；与上述母板模件相连，将二次电压电流转换为AD芯片所能识别的弱电信号的AC模件；根据从上述AC模件所得的弱电交流信号，采用FPGA芯片在卫星标准同步时钟标准时间信号同步下，进行采样和计算的CPU模件；与上述母板模件相连，用于开入量信号采集的智能DI模件；与上述母板模件相连，用于开出量驱动的智能DO模件；与上述母板模件相连，用于4 20mA信号米集的智能Al模件；与上述母板模件相连，用于4 20mA信号输出的智能AO模件；与上述母板模件相连，提供各种中央告警信号的智能SIG模件；与上述母板模件相连，为各个模件提供工作电源的电源模件；与上述母板模件相连，用于管理打印机和人机界面的HMI模件。CPU模件还接入卫星标准同步时钟的IPPS信号和B码信号，以实现同步采样。[0018]母板模件还设置有智能IO总线接口，以实现IO模件的互换。所述智能IO总线连接母板上设置有复数个IO插件，各个所述IO模件通过智能IO总线和CPU进行数据交换，每个IO插件位置配置有D1、D0、Al、AO模式。一种同步相量测量装置,包括采用测量级弱电互感器的AC模件；用于驱动开出继电器，直接与母板智能IO总线连接的智能DO模件；用于开入量测量，直接与母板智能IO总线连接的智能DI模件；用于提供中央信号，直接与母板智能IO总线连接的智能SIG模件；用于测量4 20mA直流信号，直接与母板智能IO总线连接的智能Al模件；用于驱动输出4 20mA直流信号，直接与母板智能IO总线连接的智能AO模件6 ；用于采样计算和实时通信，直接与母板智能IO总线连接的CPU模件；用于控制打印机，与后台通信，管理人机交互界面，直接与母板智能IO总线连接的HMI模件；用于为装置的各个模件提供电源的电源模件；用于将所有模件连接起来的母板模件； 上述的主CPU模件含有独立的CPU处理器和FPGA及相关软件程序，由FPGA进行采样计算。上述的HMI模件含有独CPU处理器及相关软件程序。上述的电源模件提供常闭节点，以便装置在失去电源时节点闭合告警。上述的母板模件通过智能IO总线为各个IO模件(包括D1、D0、Al、A0)提供统一的总线接口和电源接口，因此每个IO模件的位置可以灵活配置成Al、AO或D1、D0模式。本实用新型的有益效果是采用本实用新型的同步相量测量装置有两个益处，一是基于智能IO总线将各个D1、D0、A1、A0模件连接起来，根据不同工程需要，可以将装置上的各个模件灵活配置成不同模件，比如在常规变电站侧无需Al、AO模件，但需要测量很多开入量，则可以将更多的模件配置为DI模件，在发电厂侧需要测量和输出4 20mA信号，而开关量数量比较少，则需要配置Al、AO模件，DI模件则少配置；二是装置的采样和计算在CPU模件中由FPGA完成，将CPU从运算量大的DFT递推和频繁的采样中断中解放出来，专注于实时通信，从而提高了系统通信性能。

图1为根据本实用新型的一种同步相量测量装置的方框图；图2为本实用新型的CPU模件的原理框图。图中1、AC模件；2、智能DO模件；3、智能DI模件；4、智能SIG模件；5、智能Al模件；6、智能AO模件；7、CPU模件；8、HMI模件；9、电源模件模块；10、母板模件。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
以下结合附图，详细进行说明。本实用新型公开的PMU装置则采用FPGA进行采样和计算，将CPU从大量的数字运算解放出来专注于通信，保证通信的实时性；同时采用智能IO总线模式，母板上每个位置电气接口定义都一致，通过配置文件可以灵活地将母板上某位置的模件配置为DI，DO或者Al，AO模件，这样母板上的各个模件位置不再固定，而是可以灵活配置的，工程应用中非常方便，比如在某些工程中没有4 20mA信号，但需要采集很多的开关量，则可以配置多些DI模件，原本属于Al、AO模件的位置也可以配置为DI模件，这样大大提高了装置对不同工程的适应能力。图1为根据本实用新型的一种同步相量测量装置的总体方框图。图中二次电压(额定为100V线电压)和电流(额定为1A)通过AC模件I的测量级弱电互感器后转换成为AD芯片能测量的±5V信号，经过低通滤波后通过母板接入CPU模件7的AD转换芯片，在FPGA的控制下进行AD采样和计算。为了实现同步采样，将卫星标准同步时钟的B码时间信号和IPPS秒脉冲信号接入FPGA，FPGA器件的采样脉冲同步于IPPS信号，并在每个采样点完成后打上精确至ns的时间信息，这样能实现全网的同步采样和计算；CPU模件的原理框图见图2。智能IO总线连接母板上的每个IO插件，即每个IO插件位置上的电气接口是一样的，各个IO模件通过智能IO总线和CPU进行数据交换，而不是通过硬接线连接，这样每个IO插件位置可以灵活配置为D1、DO、Al、AO模式。本实用新型的一种同步相量测量装置，硬件装置及相关软件编程两部分，所述的硬件部分由AC模件1、智能DO模件2、智能DI模件3、智能SIG模件4、智能Al模件5，智能AO模件6、CPU模件7、HMI模件8、电源模件9、母板模件10组成，所述的软件有CPU程序、FPGA程序、DO模件接口程序、DI模件接口程序、AO模件接口程序、Al模件接口程序、HMI模件程序。所述的AC模件1、智能DO模件2、智能DI模件3、智能SIG模件4、智能Al模件5，智能AO模件6、CPU模件7、HMI模件8、电源模件9都连接到母板模件10上。其工作流程是电力系统二次电压电流经过AC模件I后转换成为±5V信号输入CPU模件7，CPU模件7的FPGA芯片在IPPS脉冲信号和B码时间信号同步后进行采样计算，形成同步相量数据后通过以太网接口高速发往数据集中器；开关量的采集则由智能DI模件完成，采集完所需DI信号后，将数据打包通过智能IO总线发送到CPU ;开关量驱动时，由CPU将相应开关量经智能IO总线输入到指定智能DO模件，该智能DO模件严格判别数据帧是否属于本模件，如是则驱动相应继电器出口，否则丢弃该数据帧；4 20mA直流信号的采集由智能Al完成，采集完所需的直流信号后，将数据打包发往CPU模件7 ；4 20mA直流信号驱动时，由模件7将该4 20mA直流信号对应的数字信号传送到相应的智能AO模件，该智能AO模件通过地址判别收到的数据帧是否属于本模件，如是则将该信号转换为4 20mA直流信号，并经过隔离后输出，否则丢弃该数据帧。上述所说的CPU模件1，采用32位带浮点寄存器的CPU和FPGA工业级芯片，主频最高达 400M，外扩 32MB NOR FLASH, 256MB NAND FLASH, 64MB SDRAM，能满足工频信号每周波1024点的采样要求。上述所说的A1、A0、D1、D0模件，编制专门的通信程序，能与CPU进行数据交换，并定期进行硬件自检。上述所说的HMI模件采用阻容式触摸屏和工业级宽温液晶，能适应各种恶劣环境。[0047]本实施例中，上述的智能DO模件2、智能SIG模件4、智能Al模件5和智能AO模件6均含有独立的CPU处理器。采用本实用新型的同步相量测量装置有两个益处，一是基于智能IO总线将各个D1、D0、Al、AO模件连接起来，根据不同工程需要，可以将装置上的各个模件灵活配置成不同模件，比如在常规变电站侧无需Al、AO模件，但需要测量很多开入量，则可以将更多的模件配置为DI模件，在发电厂侧需要测量和输出4 20mA信号，而开关量数量比较少，则需要配置ΑΙ、Α0模件，DI模件则少配置；二是装置的采样和计算在CPU模件中由FPGA完成，将CPU从运算量大的DFT递推和频繁的采样中断中解放出来，专注于实时通信，从而提高了系统通信性能。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型 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1.一种同步相量测量装置，其特征在于，包括 为各个模件提供电源和智能IO总线接口的母板模件； 与上述母板模件相连，将二次电压电流转换为AD芯片所能识别的弱电信号的AC模件； 根据从上述AC模件所得的弱电交流信号，采用FPGA芯片在卫星标准同步时钟标准时间信号同步下，进行采样和计算的CPU模件； 与上述母板模件相连，用于开入量信号采集的智能DI模件； 与上述母板模件相连，用于开出量驱动的智能DO模件； 与上述母板模件相连，用于4 20mA信号采集的智能Al模件； 与上述母板模件相连，用于4 20mA信号输出的智能AO模件； 与上述母板模件相连，提供各种中央告警信号的智能SIG模件； 与上述母板模件相连，为各个模件提供工作电源的电源模件； 与上述母板模件相连，用于管理打印机和人机界面的HMI模件。
2.根据权利要求1所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述CPU模件还接入卫星标准同步时钟的IPPS信号和B码信号，以实现同步采样。
3.根据权利要求1所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述母板模件还设置有智能IO总线接口，以实现IO模件的互换。
4.根据权利要求1所述的同步相量测量装置，其特征在于，所述智能IO总线连接母板上设置有复数个IO插件，各个所述IO模件通过智能IO总线和CPU进行数据交换，每个IO插件位置配置有D1、DO、Al、AO模式。
专利摘要本实用新型公开的是一种同步相量测量装置，包括AC模件、智能DI模件、智能DO模件、智能AI模件、智能AO模件、智能SIG模件、CPU模件、HMI模件、电源模件、母板模件；母板模件为各个模件提供统一的电源接口和智能IO总线接口。母板上的IO插件接口能插入不同类型的IO模件，通过配置实现模件的互换。本实用新型公开的同步相量测量装置采用FPGA进行采样和计算，避免了CPU的频繁中断，将CPU从复杂繁琐的DFT运算中解放出来而专注于通信，保证通信的实时性；同时采用智能IO总线模式，母板上每个IO位置电气接口定义都一致，通过配置文件可以灵活地将母板上某位置的模件配置为DI,DO或者AI,AO模件，母板上的各个IO模件位置不再固定，而是可以灵活配置的，工程应用中非常方便。
文档编号G01R25/00GK202837399SQ201220430918
公开日2013年3月27日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者温富光, 陈庆旭, 邹军, 夏玉裕 申请人:南京国电南自电网自动化有限公司