智能断路器的设计方案

智能断路器的设计方案一．系统的整体框架

断路

器位

置刀

闸

位

置

弹

簧

状

态

合

闸

控

制

信

号

开关位置信息分合闸命令断路器遥控

储

能

电机

操作电流刀

闸

电

机

操

作

电

流

分

闸

线

圈

操

作

电

流

合

闸

线

圈

操

作

电

流

开

关

触

头

的

温

升

灭

弧

室

真

空

度

分

闸

速

度

合

闸

速

度

保护电流测

量

电

流

保

护

电

压

测

量

电

压

二．智能断路器各个模块映射的通信协议栈及通信特点

从图中可以看出：MMS映射了全部的A协议集和T协议集，复杂程度最高。但是该模块主要实现的是断路器参数的在线检测和远程控制，因此对通信的实时性要求并不高，基本上是以人的反映时间为准。

GOOSE模块直接映射到了以太网，其目的是保证分合闸GOOSE报文的快速传递，因此它的特点是：通信映射简单，但是实时性要求高，GOOSE报文的时延必须小于2ms。

SMV也直接映射到了以太网，其特点是：实现简单，但是实时性要求最高，SMV的时延必须控制在微秒级。

三．具体的实现方案

1.方案一

图中所示为南瑞的开关设备智能装置实现方案。CPU采用Freescale公司高性能32位微处理器，考虑到GOOSE和SMV的强实时性要求，在系统中嵌入Vxworks专业硬实时操作系统。MMS,GOOSE,SMV全部在嵌入式单系统中实现。其优点是：结构紧凑，硬件平台比较简单，实现起来相对容易；

缺点是：①采用专业的实时操作系统直接提高了研发经费，个人觉得仅仅为了满足GOOSE和SMV的实时性而采用Vxworks有点浪费；

②由于该系统只采用了61850定义的逻辑节点进行建模，因此系统在线检测的信息种类相对偏少。应该按照62271-3标准进行建模，个别的检测参数如果在标准中没有对应的数据对象，可以考虑扩展建模。

③由于CPU的IO口有限，该方案中的电流互感器和电压互感器采样信号只能以QSPI（同步队列串行接口）方式通过CPU的IO口送入CPU中。这种方式下将不可避免的会造成采样值的巨大时延，产生很大的相位偏移。

这种时延在电子式互感器的设计规范中将不可容忍。

2.方案二

方案二是对方案一的改进，采用双系统实现智能断路器的所有功能。

①具有高实时性要求的GOOSE报文和SMV帧采用FPGA，用纯硬件逻辑实现；由于FPGA具有丰富的IO口资源，可以实现电流电压采样信号的并行接入，减少时延。

②使用嵌入系统实现复杂的MMS服务。由于不需要实现高实时性的任务，因此就没有必要使用昂贵的专业硬实时操作系统，Linux或者WINCE都可以满足MMS的设计要求。研发费用大幅度降低。

③按照62271标准建模，扩展在线检测的信号种类，提高系统遥控和遥测的能力。

方案二的缺点是：硬件电路比较复杂，研发的难度比方案一大。

我在嵌入系统和FPGA系统中都进行过数字化变电站相关产品的研发，具备一定的研发经验，因此按照方案二实现智能断路器还是有信心的。