CN107196268A - 基于同构双cpu板卡的继电保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同构双CPU板卡的继电保护装置及继电保护方法，采用两块CPU板卡分别对交流量信号和直流开关量信号进行采集，基于所采集到的信号，两块CPU板卡采用不同的保护逻辑判别算法进行保护启动逻辑以及保护动作出口逻辑判断，并分别将判断结果发送给所述开关量输出板卡；最后根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应。

Description

基于同构双CPU板卡的继电保护装置及保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，尤其涉及一种基于同构双CPU板卡的继电保护装置及保护方法。

背景技术

随着继电保护装置的发展，和对电网稳定性要求的提高，现在高电压等级继电保护装置普遍采用双AD采样回路来增加采样的可靠性，防止AD采样出问题后，装置出现误动的现象。双AD采样回路的设计，出现了新的继电保护装置的设计方案：一是双AD采样回路在一块CPU板卡中实现，二是由两块单AD采样回路的CPU板卡实现双AD的功能。方案一虽然实现简单，但是当这一块CPU板卡发生故障时不能有效的监视和防止误动的现象，方案二采用双CPU板卡可以互相监视，但两块CPU板卡获得的信息不一样，主CPU板卡可以获得完整的装置信息，执行启动和保护逻辑，从CPU板卡仅能获得部分装置的信息，仅执行启动逻辑。虽然方案二采用的是双CPU板卡方案，但仅主CPU板卡内部执行了保护逻辑判断的程序，无法避免由于算法原理上的缺陷造成的逻辑判断错误。另外，两块CPU板卡获得的装置信息也不一样，一旦发生误动和拒动现象，只能从主CPU板卡内部调出日志和录波，不能进行装置内信息的比对，难以发现问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于同构双CPU板卡的继电保护装置及保护方法，采用双CPU结构能够提高继电保护装置的动作出口的可靠性和快速性，两块CPU板卡分别采用不同原理的保护逻辑判别算法，互补不足，避免由于算法原理上的缺陷造成的逻辑判断错误，减少故障分析时间，提高生产力。

技术方案：为了实现上述目的，本发明中基于同构双CPU板卡的继电保护装置，包括：CPU板卡、交流模拟量输入板卡、直流开关量输入板卡和开关量输出板卡以及人机对话板卡，所述交流模拟量输入板卡用于为所述CPU板卡提供交流模拟量信号，所述直流开关量输入板卡用于为所述CPU提供直流开关量信号，所述开关量输出板卡用于根据所述CPU板卡的指令来完成保护出口动作，所述人机对话板卡用于为CPU板卡提供定值信息；其特征在于，所述CPU板卡有两块，且两块CPU板卡分别对所述模拟量信号和直流开关量信号进行采集，然后采用不同原理的保护逻辑判别算法基于所采集到的信号和定值信息进行保护启动逻辑以及保护动作出口逻辑判断，并分别将判断结果发送给所述开关量输出板卡，所述开关量输出板卡根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应。

与此同时，本发明还公开了一种基于同构双CPU板卡的继电保护方法，该方法包括以下步骤：

交流模拟量输入板卡采集交流量信号，所述交流量信号经过传变转化为模拟量信号；

直流开关量输入板卡分别为两块CPU板卡提供直流开关量信号；

两块CPU板卡分别采集所述模拟量信号以及直流开关量信号，然后分别基于所采集到的信号和人机对话板卡所提供的定值信息进行保护启动逻辑以及保护动作出口逻辑判断，并分别将判断结果发送给所述开关量输出板卡；

开关量输出板卡根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应。

进一步地，两块CPU板卡在进行保护启动逻辑判断之前，先进行采样值信息一致性判断，只有当采样值信息一致时才进行保护启动逻辑判断。具体为：两块CPU板卡分别采集当前时刻的采样值信息，并更新自身数据共享区中的数据，将数据共享区的属性设置为只读；将另一块CPU板卡数据共享区中的数据进行复制，并与自身数据共享区中的数据进行比较，若一致，则判定与对方数据一致；只有当两块CPU均判定与对方数据一致时，则数据一致，否则数据不一致。

进一步地，只有在两块CPU板卡均判定保护启动时，才进行保护动作出口逻辑判断。

更进一步地，所述开关量输出板卡根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应，具体为：只有两块CPU板卡均判定保护启动时，所述开关量输出板卡才执行保护启动；当两块CPU板卡均判定保护动作出口时，则所述开关量输出板卡保护动作出口。

其中，两块CPU板卡在进行信号采集之前，将自身信息共享给对方，并比较自身信息与对方信息是否相同，若相同，则其中一块CPU板卡向对方发送采集动作启动指令，两块CPU板卡开始对信号进行采集；否则进入装置故障闭锁状态，所述自身信息包括：配置信息以及定值信息。

有益效果：本发明中基于同构双CPU板卡的继电保护装置及继电保护方法，两块CPU板卡分别采用不同原理的保护逻辑判别算法，采用两块CPU板卡分别对交流量信号和直流开关量信号进行采集，基于所采集到的信号进行保护启动逻辑以及保护动作出口逻辑判断，并分别将判断结果发送给所述开关量输出板卡；最后根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应，能够提高继电保护装置的动作出口的可靠性和快速性，避免由于算法原理上的缺陷造成的逻辑判断错误，减少故障分析时间，提高生产力。

附图说明

图1为本发明中基于同构双CPU板卡的继电保护装置的结构示意图；

图2为本发明中双CPU板卡的模拟量输入示意图；

图3为本发明中双CPU板卡与直流开关量输入、开关量输出通讯示意图；

图4为本发明中双CPU板卡与HMI板卡的通讯示意图；

图5为本发明中基于同构双CPU板卡的继电保护方法的流程示意图；

图6为本发明中双CPU板卡数据一致性判断示意图；

图7为本发明中保护启动与保护出口组合逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

图1中基于同构双CPU板卡的继电保护装置包括：一块电源(PWR)板卡、两块CPU板卡、一块人机对话(HMI)板卡、若干块交流模拟量输入(AC)板卡、若干块直流开关量输入(DI)板卡和若干块开关量输出(DO)板卡以及一块母板，两块CPU板卡与交流模拟量输入(AC)板卡的模拟量信号端口连接；两块CPU板卡分别与直流开关量输入(DI)板卡、开关量输出(DO)板卡通过母板上的输入输出总线(I/O Bus)进行连接完成数据的交换；电源板卡通过母板与其他各板卡连接，为其余各板卡供电；人机对话(HMI)板卡与两块CPU板卡进行通信连接，用于修改CPU板卡的定值信息；两块CPU板卡的硬件结构完全相同，软件上采用不同原理的保护逻辑判别算法，使用时无需其他的设置可以交换位置使用。AC板卡、DI板卡、DO板卡的数量根据实际情况选择。

如图2所示，AC板卡用于采集交流量信号，交流量信号经过传变转化为可采集的模拟量信号分别进入两块CPU，模拟量信号再由两块CPU各自的AD芯片采集，完成模数转换，再进行相关运算处理。AD采样的发起源自于其中任意一块CPU板卡，一般是由CPU板卡1来启动，CPU板卡2进行同步采样跟随，并在运行过程中，始终保持同步跟踪。由于不同的AD采集会产生一定的差异，当差异在算法可承受的范围内，认为采样可信。两块CPU板卡在可信的采样输入时正常工作，采样不可信，装置进入装置故障闭锁状态。两块CPU间快速的互传采样值信息可以从源头上闭锁保护，提高闭锁速度，防止误动情况的发生。

如图3所示，两块CPU板卡都可以通过输入输出总线获得直流开关量的输入信息，并且都可以通过总线发送开关量输出信息。实现时，双CPU既可以通过一条总线来实现上述功能，也可以通过各自独立的总线来实现上述功能。使用一条总线来实现时，需要在通信方式上，采用广播的方式，使两块CPU板卡在同一时刻收到信息，并且接收CPU信息时需要利用地址或特征值来进行两块CPU板卡的判别，通过各自独立的总线实现则不需要，但是会增加硬件的复杂程度和成本，并建立一致性判别机制。双CPU板卡在数据采集和逻辑运算上是独立的，DO板卡同时接收两块CPU的指令时，需要经过逻辑组合来完成继电器出口功能。保护启动与保护出口组合逻辑，保护启动信号和保护动作信号都具备时，DO板卡保护动作出口。

如图4所示，人机对话板(HMI)卡一方面负责装置本地的液晶显示，一方面与远端后台进行通讯。当HMI板卡与双CPU进行通讯时，既可以采用广播的方式与两块CPU同时通信，也可以选择任意一块CPU做为通讯的对象。一般情况下，对于公共业务如：定值整定、控制字整定、软压板投退、通信测试等采用采用广播的方式与双CPU同时进行通信。对于与后台通信中的遥信上送、遥测上送、事件上送、录波上送等情况，一般选择其中的一块CPU板卡做为使用中的信息交互通讯，习惯上被称为主CPU板卡。另一块CPU板卡做为备用中的信息交互通讯，习惯上被称为从CPU板卡。当使用者需要查看从CPU板卡的信息时，可以通过软件实现切换，使从CPU板卡与HMI板卡间的通讯成为使用中的信息交互通讯，而让主CPU板卡与HMI板卡间的通讯成为备用中的信息交互通讯。当其中一块CPU板卡通讯异常时，HMI板卡自动判别并切换到另一块CPU板卡通讯，保证远方通信后台能得到实时的信息。双CPU板卡之间的通讯主要是互相对另一CPU板卡的采样值信息、中间算法输出信息、配置信息以及定值信息与自身比较，发现不一致时闭锁保护并告警。同时，双CPU板卡通过之间的通信相互监视工作状况，包括闭锁、告警、保护启动、保护动作等信息。

两块CPU板卡自装置上电开始独立运行，且运行的步骤一致，如图5所示，对于两块CPU板卡，其处理流程是一致的，流程描述如下：

步骤501，装置上电。

步骤502，CPU板卡1上电自检、初始化，自检、初始化通过继续运行，不通过则进入装置故障闭锁(步骤511)；

步骤503，CPU板卡1对比来自CPU板卡2的配置信息、定值信息，判断是否一致，一致继续运行，不一致进入装置故障闭锁(步骤511)；

步骤504，CPU板卡1进行交流量、开关量数据采集(这是循环运算的开始，至此整个流程在循环运行)；

步骤505，CPU板卡1对比来自CPU板卡2的采样值信息，判断是否一致，一致则进入步骤506，否则进入装置故障闭锁(步骤511)；

步骤506，CPU板卡1进行A种原理的保护逻辑判别算法运算；

步骤507，判断CPU板卡1是否保护启动。如果保护启动则进入后续计算，否则返回步骤504重新进行循环。

步骤508，CPU板卡1发送保护启动信号。

步骤509，进行运算判断CPU板卡1是否保护动作。如果保护动作则发送保护动作信号，否则返回步骤504重新进行循环。

步骤510，CPU板卡1发送保护动作信号。至此一个循环结束，返回步骤504重新进行循环。

上述装置故障闭锁指的是任意一个CPU板卡发起，保护进入闭锁状态，不进行出口防止误动。

对于CPU板卡2，其处理步骤与CPU板卡1基本相同，唯一不同的是在进行保护逻辑的判断时选择与CPU板卡1不同的判断原理，具体如下：

步骤512，CPU板卡2上电自检、初始化，自检、初始化通过继续运行，不通过则进入装置故障闭锁(步骤511)；

步骤513，CPU板卡2对比来自CPU板卡1的配置信息、定值信息，判断是否一致，一致继续运行，不一致进入装置故障闭锁(步骤511)；

步骤514，CPU板卡2进行交流量、开关量数据采集，这是循环运算的开始，至此整个流程在循环运行；

步骤515，CPU板卡2对比来自CPU板卡1的采样值信息，判断是否一致，一致则进入步骤516，否则进入装置故障闭锁(步骤511)；

步骤516，CPU板卡2进行B种原理的保护逻辑判别算法；

步骤517，判断CPU板卡2是否保护启动，如果保护启动则进入后续计算，否则返回步骤514重新进行循环；

步骤518，CPU板卡2发送保护启动信号；

步骤519，进行运算判断CPU板卡2是否保护动作，如果保护动作则发送保护动作信号，否则返回步骤514重新进行循环；

步骤520，CPU板卡2发送保护动作信号，至此一个循环结束，返回步骤514重新进行循环。

两块CPU进行采样值信息一致性校验时，必须是最新的有效数据，否则极易发生装置故障闭锁的误判。上述步骤505和步骤515中，本发明两块CPU进行数据共享时采用双向窥探的方法，来保证数据的一致性。在两块CPU上建立数据共享区，数据共享区具有两个标志：有效性标志，一致性标志，当数据有效时，有效性标志为1，当数据无效时，有效性标志为0；当数据一致时，有效性标志为1，当数据不一致时，一致性标志为0。数据有效指数据是当前时刻CPU所采集到的最新数据，数据一致指两块CPU板卡的共享数据区数据是一致的。对于某一时刻，两块CPU分别对自身所采集到的采样值信息进行更新，经过数据更新的数据共享区有效性标志为1，否则为0；当两块CPU的有效性标志均为1时，进行一致性判断。本发明中两块CPU板卡对共享数据进行相互通信保持窥探，并实时改变数据区的读写状态，并进行数据区同步，由底层软件实现，保证应用层软件始终取到的都是更新过后的数据，最终双CPU板卡的一致性校验是使用各自共享数据区里数据有效一致的数据进行的。如图6所示，某一时刻开始时，双CPU板卡的数据都是无效的(任意时刻有效性标志初始值为0)，这种状态是上一次数据一致性比较之后或者刚上电还没有读取数据文件的时候，此时，两个数据区进行数据更新，因此属性都是可写但不可读，两块CPU板卡的数据区写入了新数据，数据区状态变为有效(有效性标志为1)；随后，两块CPU板卡分别进行数据的一致性判断：CPU板卡2复制CPU板卡1的新数据，为了保证CPU板卡1中的数据在数据比较期间不发生变化，此时CPU板卡1的数据区只可以读数据，不可以写数据；CPU板卡2完成复制后将所复制的数据与自身数据区中存储的数据进行对比，若一致，则自身的有效性标志为1；同理，CPU板卡1对数据一致性的判断步骤类似，即复制CPU板卡2的数据区中存储的数据与自身数据区存储的数据进行比较，相同则自身的有效性标志为1，当两块CPU板卡的数据区状态都变为数据有效一致，则告知应用软件可以进行数据读取并进行校验；当数据一致性校验完成以后，两块CPU板卡的数据区状态都变为数据无效(有效性标志为0)，等待下一次数据更新；若两块CPU板卡中有一块一致性标志为0，则进入装置故障闭锁。

双CPU板卡在数据采集和逻辑运算上是独立的，且两块CPU板卡采用了不同原理的保护逻辑判别算法互补不足，这是本发明明显区别其他方式的特点。例如：在变压器保护装置中，一块CPU板卡运行波形对称原理的保护逻辑判别算法，另一块CPU板卡运行谐波制动原理的保护逻辑判别算法。由于，两块CPU并行计算，执行算法时间等于一种算法的计算时间，并没有延长整体的动作时间，但是却弥补了两种算法原理在特定情况下的不足。因此，此种方法优于采用一种算法原理的保护装置，也优于串行执行带有两种算法特征的保护装置。

在出口动作上，DO板卡可以同时收到来自于两块CPU板卡的保护启动信号和保护动作信号，为了动作出口的可靠和快速，需要经过逻辑组合来完成继电器出口。保护启动与保护出口组合逻辑，如图7所示。CPU板卡1的保护启动信号1逻辑与上CPU板卡2的保护启动信号2，做为总的保护启动信号，当两块CPU都保护启动时保护启动。这样可以增加装置的可靠性。CPU板卡1的保护动作信号1逻辑或上CPU板卡2的保护动作信号2，做为总的保护动作信号，当两块CPU板卡有一块动作时保护动作出口。这样可以增加装置的快速性。保护启动信号逻辑与上保护动作信号时，即保护启动信号和保护动作信号都具备时，DO板卡保护动作出口。

综上所述，本发明中基于同构双CPU板卡的并行双原理继电保护装置以及继电保护方法中两块CPU板卡在数据采集和逻辑运算上是独立的，且两块CPU板卡采用了不同原理的保护逻辑判别算法互补不足，这是本发明明显区别其他方式的特点。在实际需要配置两种原理的保护装置的应用场合下，本发明装置可以配置一台即可实现两种原理的保护功能，大幅度节省成本。此项技术可以应用于电力系统、工业自动化、军事国防等诸多领域，对于需要加强装置稳定性的应用场合都可以改进使用。本发明的应用提高了继电保护装置的动作出口的可靠性和快速性，减少故障分析时间，提高了生产力。因此，本技术具有很高的推广价值。

本发明提供了一种基于同构双CPU板卡的并行双原理继电保护装置实现方法的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于同构双CPU板卡的继电保护装置，包括：CPU板卡、交流模拟量输入板卡、直流开关量输入板卡和开关量输出板卡以及人机对话板卡，所述交流模拟量输入板卡用于为所述CPU板卡提供交流模拟量信号，所述直流开关量输入板卡用于为所述CPU提供直流开关量信号，所述开关量输出板卡用于根据所述CPU板卡的指令来完成保护出口动作，所述人机对话板卡用于为所述CPU板卡提供定值信息；其特征在于，所述CPU板卡有两块，且两块CPU板卡分别对所述模拟量信号和直流开关量信号进行采集作为采样值信息，然后采用不同原理的保护逻辑判别算法分别基于采样值信息和定值信息进行保护启动逻辑以及保护动作出口逻辑判断，并分别将判断结果发送给所述开关量输出板卡，所述开关量输出板卡根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应。

2.一种基于同构双CPU板卡的继电保护方法，应用于权利要求1所述的继电保护装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

交流模拟量输入板卡采集交流量信号，所述交流量信号经过传变转化为模拟量信号；

直流开关量输入板卡分别为两块CPU板卡提供直流开关量信号；

两块CPU板卡分别采集所述模拟量信号以及直流开关量信号作为采样值信息，然后分别基于采样值信息和人机对话板卡所提供的定值信息进行保护启动逻辑以及保护动作出口逻辑判断，并分别将判断结果发送给所述开关量输出板卡；

开关量输出板卡根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应。

3.根据权利要求2所述的继电保护方法，其特征在于，两块CPU板卡在进行保护启动逻辑判断之前，先进行采样值信息一致性判断，只有当采样值信息一致时才进行保护启动逻辑判断。

4.根据权利要求3所述的继电保护方法，其特征在于，采样值信息一致性判断具体为：

两块CPU板卡分别采集当前时刻的采样值信息，更新自身数据共享区中的数据，并将数据共享区的属性设置为只读；将另一块CPU板卡数据共享区中的数据进行复制，并与自身数据共享区中的数据进行比较，若一致，则判定与对方数据一致；只有当两块CPU均判定与对方数据一致时，则采样值信息一致，否则不一致。

5.根据权利要求2所述的继电保护方法，其特征在于，只有在两块CPU板卡均判定保护启动时，才进行保护动作出口逻辑判断。

6.根据权利要求5所述的继电保护方法，其特征在于，所述开关量输出板卡根据两块CPU板卡的保护启动逻辑与保护动作出口逻辑的组合结果做出响应，具体为：只有两块CPU板卡均判定保护启动时，所述开关量输出板卡才执行保护启动；当两块CPU板卡均判定保护动作出口时，则所述开关量输出板卡保护动作出口。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的继电保护方法，其特征在于，两块CPU板卡在进行采样值信息采集之前，将自身信息共享给对方，并比较自身信息与对方信息是否相同，若相同，则其中一块CPU板卡向对方发送采集动作启动指令，两块CPU板卡开始对信号进行采集；否则进入装置故障闭锁状态，所述自身信息包括：配置信息以及定值信息。