一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置及采樣平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置及采樣平臺，分析了變電站中穩(wěn)態(tài)遙測測量、同步相量測量、電能量計算的需求，對三種測量的共性技術(shù)進(jìn)行提煉，實現(xiàn)了單裝置對三種測量功能的集成，裝置包括AD接口元件、跟頻重采樣元件、穩(wěn)態(tài)計算元件、頻率計算元件、相量計算元件和電能量計算元件，并在此基礎(chǔ)上提出一種采用PCIe高速總線技術(shù)、LVDS背板交換技術(shù)解決采樣大容量及實時數(shù)據(jù)交換問題的高性能數(shù)字化采樣平臺，構(gòu)建了實現(xiàn)了相關(guān)功能的程序元件，滿足三種測量算法融合的要求。
【專利說明】一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置及采樣平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力自動化【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置及采樣平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]智能變電站作為智能電網(wǎng)重要的樞紐節(jié)點，是統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的重要支撐和保障。隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站中的推廣應(yīng)用，電子式電流互感器、電壓互感器和合并單元等過程層設(shè)備取代了傳統(tǒng)間隔層裝置中的模擬量采集部件，開關(guān)設(shè)備狀態(tài)信號和控制信號先接入智能終端，然后通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)接入間隔層裝置，一次側(cè)采樣值和狀態(tài)信號不再是由電纜傳送的模擬量，而是由通信網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)字量。因此，在智能變電站的測控應(yīng)用中，傳統(tǒng)的繼電保護裝置、測控裝置等間隔層裝置的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，其采集和控制操作功能不再集中在測控單元中完成，一般由合并單元、SV采集網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化測控單元的組合來完成數(shù)據(jù)的采集，由智能終端、GOOSE網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化測控單元來完成分合閘控制操作等，測控技術(shù)的發(fā)展為變電站信息共享、數(shù)據(jù)綜合提供了良好的基礎(chǔ)。
[0003]在智能變電站中，采集的數(shù)據(jù)可分為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)(測控、防誤閉鎖、電能質(zhì)量等裝置完成)、動態(tài)數(shù)據(jù)(PMU、數(shù)據(jù)集中器等裝置完成)、暫態(tài)數(shù)據(jù)(由故障錄波器完成)、計量數(shù)據(jù)(電度表、用電管理終端)。每一類數(shù)據(jù)采用獨立裝置并分別構(gòu)成各種應(yīng)用子系統(tǒng)，如:監(jiān)控子系統(tǒng)、五防子系統(tǒng)、PMU子系統(tǒng)、故障錄波子系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測子系統(tǒng)、電能量采集子系統(tǒng)等。
[0004]智能變電站大量新設(shè)備的增加使得變電站的建設(shè)成本增加，在當(dāng)前提倡節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，如何能夠在滿足新的發(fā)展需求的前提下盡量減少設(shè)備的數(shù)量、提高設(shè)備運行的安全可靠性成為當(dāng)前面臨的一大難題，為此，考慮到測控同源技術(shù)的通用性，以變電站間隔為對象，將同一間隔內(nèi)的測控功能進(jìn)行有效整合形成一個綜合測控裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在分析了智能變電站中的應(yīng)用子系統(tǒng)的需求及技術(shù)指標(biāo)后，比較了穩(wěn)態(tài)遙測量、同步相量、電能量三種量測數(shù)據(jù)采集的不同需求，比較了三種電參量測量在采樣、運算等方面的特點，提出了三種測量的算法融合方法，實現(xiàn)了單處理器完成三種測量算法的集成，并基于此實現(xiàn)了涵蓋三種功能的一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，并且為了滿足裝置的需求，構(gòu)建了一種高性能的數(shù)字化采樣平臺。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，包括AD接口元件、跟頻重采樣元件、穩(wěn)態(tài)計算元件、頻率計算元件、相量計算元件和電能量計算元件，所述AD接口元件分別與跟頻重采樣元件和頻率計算元件相連接，所述跟頻重采樣元件分別與穩(wěn)態(tài)計算元件和相量計算元件相連接，電能量計算元件和穩(wěn)態(tài)計算元件相連接，
[0008]所述AD接口元件在250 μ s中斷中執(zhí)行，用于讀取合并單元的SV報文采樣值數(shù)據(jù)，每個中斷讀取一個采樣值數(shù)據(jù)點，并將采樣值數(shù)據(jù)分別存入不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；
[0009]所述頻率計算元件在IOms中斷中執(zhí)行，用于系統(tǒng)頻率跟蹤的快速計算，計算出相量數(shù)據(jù)及線路頻率，計算出的頻率用于后續(xù)的跟頻重采樣元件；
[0010]所述跟頻重采樣元件在IOms中斷中執(zhí)行，用于調(diào)整重采樣率，將80點/周波數(shù)據(jù)抽取成64點/周波數(shù)據(jù)，同時當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動時，根據(jù)當(dāng)前測得的系統(tǒng)頻率實時調(diào)整插值間隔，保證數(shù)據(jù)的整周期采樣；并且跟頻重采樣元件通過FFT算法將SV報文采樣值數(shù)據(jù)時域信號變換為頻域信號，將64點/周波跟頻后的采樣值數(shù)據(jù)提供給穩(wěn)態(tài)計算元件和相量計算元件； [0011]所述穩(wěn)態(tài)計算元件采用跟頻重采樣元件輸出的頻域信號數(shù)據(jù)計算電壓、電流的有效值和功率、諧波穩(wěn)態(tài)遙測量，并在每次遙測計算后判斷遙測量是否發(fā)生變化，記錄下變化時刻所對應(yīng)的時標(biāo)；
[0012]所述相量計算元件在IOms中斷中執(zhí)行,相量計算元件讀取該IOms時間段跟頻重采樣元件輸出的頻域信號數(shù)據(jù)進(jìn)行幅值與相角的運算，輸出相量數(shù)據(jù)，并根據(jù)采樣序號記錄下該IOms起始時刻的時標(biāo)；
[0013]所述電能量計算元件采用頻域計算法對穩(wěn)態(tài)計算元件計算的瞬時功率進(jìn)行累加，得到電能量。
[0014]前述的SV報文采樣值數(shù)據(jù)為80點/周波的電壓、電流采樣值數(shù)據(jù)，每個SV報文采樣值數(shù)據(jù)包括采樣值數(shù)據(jù)、品質(zhì)、指針、采樣序號和數(shù)據(jù)時標(biāo)。
[0015]前述的頻率計算元件選取AD接口元件數(shù)據(jù)緩沖區(qū)某一電壓通道的采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行基于相量測量快速的DFT計算，每次中斷后到AD采樣模塊緩沖區(qū)往前找到I個半周波的采樣數(shù)據(jù)計算一次頻率，在計算頻率的同時，計算斷路器兩側(cè)的實時相位差，相位差采用頻率計算元件的DFT算法計算出來的電壓基波的實部和虛部計算。
[0016]前述的跟頻重采樣元件根據(jù)頻率計算元件計算的頻率對AD接口元件數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，復(fù)制出序號連續(xù)的80個采樣值數(shù)據(jù)點，通過二階Lagrange插值算法將80點/周波數(shù)據(jù)抽取成64點/周波數(shù)據(jù)。
[0017]前述的跟頻重采樣元件中插值運算要考慮采樣緩沖區(qū)丟點情況的容錯處理，可通過采樣序號的連續(xù)性判斷是否丟點，對于只出現(xiàn)丟失I個數(shù)據(jù)點的情況，二階Lagrange插值算法仍能擬合出插值點；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)多個數(shù)據(jù)點丟失，則復(fù)位數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，丟棄已緩存采樣值數(shù)據(jù)；若累計連續(xù)出現(xiàn)丟點超過5個周波，則產(chǎn)生采樣值數(shù)據(jù)丟點的異常告警。
[0018]前述的跟頻重采樣元件對來自AD接口元件接收的多個合并單元采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行同步對齊處理，通過對采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，根據(jù)采樣序號和時標(biāo)進(jìn)行不同合并單元采樣值數(shù)據(jù)的對齊，實現(xiàn)采樣值數(shù)據(jù)同步。
[0019]前述的穩(wěn)態(tài)計算元件計算電壓、電流的有效值和功率、諧波穩(wěn)態(tài)遙測量，計算方法如下:
[0020]電力系統(tǒng)周期的電流、電壓信號的傅立葉級數(shù)形式可表示為:
[0021]




OO
UU = C0+COS(/^V +ft)



k=\
[0022]即
【權(quán)利要求】
1.一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，其特征在于，包括AD接口元件、跟頻重采樣元件、穩(wěn)態(tài)計算元件、頻率計算元件、相量計算元件和電能量計算元件，所述AD接口元件分別與跟頻重采樣元件和頻率計算元件相連接，所述跟頻重采樣元件分別與穩(wěn)態(tài)計算元件和相量計算元件相連接，電能量計算元件和穩(wěn)態(tài)計算元件相連接， 所述AD接口元件在250 μ s中斷中執(zhí)行，用于讀取合并單元的SV報文采樣值數(shù)據(jù)，每個中斷讀取一個采樣值數(shù)據(jù)點，并將采樣值數(shù)據(jù)分別存入不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)； 所述頻率計算元件在IOms中斷中執(zhí)行，用于系統(tǒng)頻率跟蹤的快速計算，計算出相量數(shù)據(jù)及線路頻率，計算出的頻率用于后續(xù)的跟頻重采樣元件； 所述跟頻重采樣元件在IOms中斷中執(zhí)行，用于調(diào)整重采樣率，將80點/周波數(shù)據(jù)抽取成64點/周波數(shù)據(jù)，同時當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動時，根據(jù)當(dāng)前測得的系統(tǒng)頻率實時調(diào)整插值間隔，保證數(shù)據(jù)的整周期采樣；并且跟頻重采樣元件通過FFT算法將SV報文采樣值數(shù)據(jù)時域信號變換為頻域信號，將64點/周波跟頻后的采樣值數(shù)據(jù)提供給穩(wěn)態(tài)計算元件和相量計算元件； 所述穩(wěn)態(tài)計算元件采用 跟頻重采樣元件輸出的頻域信號數(shù)據(jù)計算電壓、電流的有效值和功率、諧波穩(wěn)態(tài)遙測量，并在每次遙測計算后判斷遙測量是否發(fā)生變化，記錄下變化時刻所對應(yīng)的時標(biāo)； 所述相量計算元件在IOms中斷中執(zhí)行，相量計算元件讀取該IOms時間段跟頻重采樣元件輸出的頻域信號數(shù)據(jù)進(jìn)行幅值與相角的運算，輸出相量數(shù)據(jù)，并根據(jù)采樣序號記錄下該IOms起始時刻的時標(biāo)； 所述電能量計算元件采用頻域計算法對穩(wěn)態(tài)計算元件計算的瞬時功率進(jìn)行累加，得到電能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，其特征在于，所述SV報文采樣值數(shù)據(jù)為80點/周波的電壓、電流采樣值數(shù)據(jù)，每個SV報文采樣值數(shù)據(jù)包括采樣值數(shù)據(jù)、品質(zhì)、指針、采樣序號和數(shù)據(jù)時標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，其特征在于，所述頻率計算元件選取AD接口元件數(shù)據(jù)緩沖區(qū)某一電壓通道的采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行基于相量測量快速的DFT計算，每次中斷后到AD采樣模塊緩沖區(qū)往前找到I個半周波的采樣數(shù)據(jù)計算一次頻率，在計算頻率的同時，計算斷路器兩側(cè)的實時相位差，相位差采用頻率計算元件的DFT算法計算出來的電壓基波的實部和虛部計算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，其特征在于，所述跟頻重采樣元件根據(jù)頻率計算元件計算的頻率對AD接口元件數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，復(fù)制出序號連續(xù)的80個采樣值數(shù)據(jù)點，通過二階Lagrange插值算法將80點/周波數(shù)據(jù)抽取成64點/周波數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，其特征在于，所述跟頻重采樣元件中插值運算要考慮采樣緩沖區(qū)丟點情況的容錯處理，可通過采樣序號的連續(xù)性判斷是否丟點，對于只出現(xiàn)丟失I個數(shù)據(jù)點的情況，二階Lagrange插值算法仍能擬合出插值點；當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)多個數(shù)據(jù)點丟失，則復(fù)位數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，丟棄已緩存采樣值數(shù)據(jù)；若累計連續(xù)出現(xiàn)丟點超過5個周波，則產(chǎn)生采樣值數(shù)據(jù)丟點的異常告警。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，其特征在于，所述跟頻重采樣元件對來自AD接口元件接收的多個合并單元采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行同步對齊處理，通過對采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，根據(jù)采樣序號和時標(biāo)進(jìn)行不同合并單元采樣值數(shù)據(jù)的對齊，實現(xiàn)采樣值數(shù)據(jù)同步。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向間隔的智能變電站多功能二次裝置，其特征在于，所述穩(wěn)態(tài)計算元件計算電壓、電流的有效值和功率、諧波穩(wěn)態(tài)遙測量，計算方法如下:電力系統(tǒng)周期的電流、電壓信號的傅立葉級數(shù)形式可表示為:
8.一種數(shù)字化采樣平臺，其特征在于，包括管理板和若干片數(shù)字化采樣板，所述管理板上構(gòu)建面向間隔的智能變電站多功能二次裝置的AD接口元件、跟頻重采樣元件、穩(wěn)態(tài)計算元件、頻率計算元件、相量計算元件和電能量計算元件；所述管理板和數(shù)字化采樣板均由CPU模塊和FPGA模塊組成，CPU模塊通過PCIe串行總線訪問FPGA模塊；所述管理板和數(shù)字化采樣板的FPGA模塊通過LVDS管理總線和LVDS數(shù)據(jù)總線進(jìn)行信息交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種數(shù)字化采樣平臺，其特征在于，所述LVDS管理總線負(fù)責(zé)從管理板傳送配置信息和注冊信息給數(shù)字化采樣板，同時實時檢測是否有新數(shù)字化采樣板加入或移除，以備數(shù)據(jù)庫更新管理；所述LVDS數(shù)據(jù)總線負(fù)責(zé)將數(shù)字化采樣板的輸出信息實時傳送給管理板，信息包括采樣值數(shù)據(jù)、電壓、電流的有效值和功率、諧波穩(wěn)態(tài)遙測量、同步相量數(shù)據(jù)和電能量數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種數(shù)字化采樣平臺，其特征在于，所述管理板上構(gòu)建的元件，每個元件必須含一個構(gòu)造函數(shù)用于分配元件對象內(nèi)存，初始化元件的基本變量，并調(diào)用底層接口函數(shù)注冊該元件的輸入變量、輸出變量和參數(shù)變量；每個元件必須含一個初始化函數(shù)用于元件運行前的初始化；每個`元件含一個或多個定期執(zhí)行任務(wù)函數(shù)。
【文檔編號】G01R31/00GK103675522SQ201310559465
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】沈健, 張敏, 周斌, 檀永, 殷垚, 相蓉 申請人:國電南瑞科技股份有限公司, 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司