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断路器智能终端模块化设计方案徐显明，张振兴，彭攀，秦海晶，王天祥（西安西电高压开关有限责任公司，陕西 西安 710018）摘要：提出了一种智能化变电站断路器智能终端的硬件模块化设计思路和实现方案。本方案符合智能化变电站对开关的智能化要求，支持IEC61850协议，装置硬件采用模块化设计方案，板卡更容易维护和更换，任何一个模块故障或检修时，不影响其它模块的正常工作。关键词：断路器；智能终端；模块化；IEC61850Design of Intelligent Controlling for Circuit Breaker Based on IEC61850ZHANG Zhen-xing, WU Jiang-bo, REN qiang, WANG Tian-xiang(XIAN XD HIGH VOLTAGE APPAPATUS CO.,LTD, Xian 710018,China)Abstract: The design and realization of a new intelligent controller for circuit breaker based on s/OS2II embedded operate system and S3C2440ARM was presented. It has 10/100M adapted Optical Ethernet, which support IEC61850.The design of hardware and software of embedded system were introduced. The results of industrial tests show that this intelligent controller has high reliability, the results of experiment has achieved to anticipation request. Key words: circuit breaker; C/OS-; IEC61850; intelligent controller1 引言在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，对已有的变电站自动化技术产生深刻的影响，变电站自动化技术即将进入数字化新阶段。而断路器智能终端是实现高压开关智能化，适应基于IEC61850数字化变电站的关键部分1。本文从硬件方面采用模块化设计为核心思想设计断路器智能终端，可实现变电站对电网中高压开关设备的电力参数进行采集和监视，并通过光纤将各种参数传入保护和测控，以便对系统进行及时调度。该控制器支持IEC61850协议，具有多个10/100M自适应光纤以太网口，硬件采用模块化设计方案，板卡更容易维护和更换，且允许带电插拔，任何一个模块故障或检修时，不影响其它模块的正常工作。2 硬件设计对断路器进行控制是变电站继电保护的核心内容之一，继电保护装置通过对采集到的系统模拟量进行分析，确定系统是否发生了故障，是否应该跳开断路器，能不能让断路器重新合上等，智能终端作为断路器的控制装置，其可靠性对断路器的正常工作起着至关重要的作用。为了保证较高的可靠性，在硬件设计上，采用模块化设计方案将各功能部件分开设计，各模块插件间通过母线背板连接，相互之间通过内部总线通信，使得各插件位置可互换，装置的功能可灵活配置；而且在硬件设计上将强电部分和弱电部分分开，弱电部分采用背板总线方式，强电回路直接从插件上出线，进一步提高了硬件的可靠性和抗干扰性。整个智能终端硬件分为电源模块，主管理板模块，GOOSE模块，DI开关量输入模块，DO开关量输出模块，操作箱模块，扩展模块，其硬件模块结构如图1所示。图1 智能终端硬件模块图2.1 电源模块设计此模块为直流逆变电源插件。直流220V或110V电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出智能控制器装置需要的直流电压即5V，24V。两组电压均不共地，采用浮地方式，同外壳不相连。5V为各模块处理器系统提供工作电源；24V为开出板模块和操作板模块提供继电器的驱动电源，装置内部使用。2.2 管理板模块设计 此模块插件是装置的必备插件，采用了处理速度快、功能强大的32位CPU之ARM9系列S3C2440芯片,其硬件主要配置有数据记录功能的大容量的 RAM 及 FLASH芯片；1个串口UART供调试接PC机使用，通过超级终端可以显示硬件的运行状态；1个USB口供下载程序使用；2 个 100M 光以太网外部接口（SC接口，波长1300nm的多模光纤）、1个 10/100M 电以太网（RJ45 接口），其中光以太网为运行接口，电以太网为测试/显示接口，基于 PC的以太网外接显示软件仅可通过电以太网和装置连接。图2 管理板结构图主管理板的硬件结构如图2所示，其中CPUS3C2440采用了ARM920t内核和16/32位RISC体系结构，具有指令高速存储缓冲器、数据高速存储缓冲器使得写缓冲器和物理地址TAGRAM减少主存带宽和响应性带来的影响，同时拥有内部高级微控制总线（AMBA）体系结构2。软件上采用了性能优良的嵌入式实时操作系统，采用IEC61850的GOOSE服务和间隔层的保护、测控装置通信，控制断路器接收控制命令，并采集断路器工作的各种状态信息送往间隔层，实现智能互操作。2.3 GOOSE板模块设计 GOOSE板同样采用了处理速度快、 功能强大的32位CPU以及性能优良的嵌入式实时操作系统。其硬件配置与管理板的唯一不同之处是 3 个 100M 光以太网（ST接口，波长 1310 nm，采用多模光纤）而无电以太网（RJ45 接口），GOOSE模块的主要功能是用于点对点的GOOSE跳闸连接，而与上位机的通信主要靠管理板模块去实现3。 根据IEC61850标准，GOOSE报文在数据链路层上采用ISO/IEC8802.3协议，GOOSE报文中最重要的PDU包含13个数据，分别是gocbRef,timeAllowedtolive,datSet,goID,t,stNum,sqNum,test,confRev,ndsCom,numDatSetEntries,allData,security，向间隔层发送的开关量信息放在allData中。针对开入开出对应的平台通道，智能终端配置界面如图3所示。图3 智能终端GOOSE配置界面2.4 DI开关量输入模块设计 DI开关量输入模块的功能包括：开关量输入，BCD码或二进制输入等。每个输入模块提供16路经光电隔离的硬触点开入，各分为四组，各组数量均为4，每组有一个公共端，各组功能可通过配置表灵活配置，输入模块板可以根据需要扩展多个，最多可以扩展为8个。开关量输入模块用于本间隔内断路器、刀闸的位置和一次设备告警信息的采集和监视。信号采集回路具有防止接点抖动的能力，支持符合 DL/T 860.72-2004 标准的 GOOSE 服务，满足过程层和间隔层智能设备之间开关量和控制数据交换，简称 GOOSE 开入。2.5 DO开关量输出模块设计 DO开关量输出模块提供14路硬开出接点，执行断路器的分合闸命令；装置的大部分接点不作具体应用定义，输出量点数可根据需要灵活配置。 装置通过 GOOSE 机制采集的信息或自身通过逻辑判断出的信息传送给过程层网络，供需要这些信息的智能设备选用，简称 GOOSE 开出。2.6 操作箱模块 操作箱模块，用于执行断路器分合闸命令，配合DO板的开出结点，操作箱模块的相应出口与断路器的分、合闸线圈相连构成操作回路，同时提供防跳回路出口，还提供操作回路相关的开入采集及压力监视。2.7 扩展模块扩展模块，可以根据需要扩展上述某几个模块，可以扩展的模块有DI开关量输入模块最多扩展为8个，DO开关量输出模块最多扩展为8个，操作箱模块最多扩展为8个，GOOSE模块最多扩展为7个，装置的所有模块通过母联背板相互通信，各模块通信如图4所示，扩展模块数量是根据母联背板通信的CAN总线协议来决定的，标准CAN报文11位SID码，智能终端内部CAN通讯系统协议低5位是发送方的源MAC地址，高五位是接收方的目的MAC地址，格式为：（目图4 智能终端模块通信框图的板卡MAC地址）0（源板卡MAC地址）。基于CAN通讯中SID码值越小报文发送优先级越高的特点，可实现智能终端中对于报文优先级的要求。每个板卡的CAN收发器对SID码设置过滤规制，过滤掉SID码的高五位不是自己MAC地址的CAN报文，保证通信的安全性4。3 结语 该智能终端适应智能化变电站对开关的智能化要求，支持IEC61850协议5，将传统的一次开关设备接入智能变电站，并对其进行开关状态的监测和分合闸控制，解决了智能化变电站用通信手段传递控制信息对一次设备不具备智能化接口的缺陷，其中硬件采用模块化设计方案，板卡更容易维护和更换，且允许带电插拔，任何一个模块故障或检修时，不影响其它模块的正常工作。参考文献1 冯硕基于IEC61850光数字继电保护测试仪的研制D北京：北京交通大学，20082 S3C2440A 32-BIT CMOS MICROCONTROLLER USERS MANUAL.20043王松，黄晓明GOOSE报文过滤方法研究J电力系统自动化，2008，32(19)：54574朱华伟，伍爱莲，杨如锋适用于变电站