CN101291059A - 面向数字化电力系统的电能质量分析仪及电能质量分析方法 - Google Patents

Abstract

面向数字化电力系统的电能质量分析仪及电能质量分析方法，是遵循IEC61850——变电站通信网络和系统的唯一国际标准及电力系统无缝通信的基础，基于数字信号处理器、光纤以太网通信和通用分组无线业务通信技术，该分析仪由主控模件(1)、交流变换模件(2)、继电器模件(3)、电源模件(4)、人机接口模件(5)、以太网接口(6)、通用分组无线业务模块(7)以及通用串行总线(8)八个部分组合而成；各模件采用插件通过母板总线实现电气连接；人机接口模件(5)与主控模件(1)之间采用通用串行总线(8)连接，以太网接口(6)、通用分组无线业务模块(7)通过信号线与主控模件(1)连接，4路CT、4路PT信号(21)与交流变换模件(2)连接。

Description

面向数字化电力系统的电能质量分析仪及电能质量分析方法

技术领域

本发明是遵循IEC61850——变电站通信网络和系统的唯一国际标准及电力系统无缝通信的基础，基于数字信号处理器(TMS320C6713)、光纤以太网通信和通用分组无线业务通信技术，并依据变电站、电力系统数字化的趋势，而设计的一种新架构的电能质量分析仪，属于电能质量方面的综合分析技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，电力电子器件及电力电子设备的广泛应用，大量非线性、冲击性负荷的投运，公用电网中产生了大量的谐波干扰、电压扰动，波动和闪变，电能质量不断恶化；同时，越来越多的控制设备、自动化设备对电能质量要求敏感，且被广泛应用于工农业生产和人们的日常生活。这些都对电能质量提出了越来越高的要求，也赋予了电能质量新的含义。为了保障电力系统的安全、可靠、经济运行和电力用户的合法权益，对电能质量进行实时监测和分析，并据此提出整改方案、加强防范措施、限制干扰源有着十分重要的意义。

为了解决不同厂商产品的互操作问题，IEC TC57最新制定了变电站通信网络和系统标准——IEC61850，该标准在总结变电站自动化技术发展经验的基础上，对变电站自动化系统的通信问题作了深入的分析和研究，以解决互操作为目的，从整体上对变电站自动化系统的信息传输和处理给出了规范。IEC 61850采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，数据自描技术，为不同厂商的智能电子设备实现互操作和系统无缝集成提供了途径，并将成为整个电力系统无缝通信的基础。

与传统的电磁式互感器相比，新型的电子式互感器(ECT/EVT)，具有无磁饱和、无铁磁谐振、抗电磁干扰强、频带响应宽、绝缘简单可靠、暂态特性好、体积小、重量轻，综合成本低等优点。此外，电子式互感器采集的测量信息通过光纤通信传输，能够节约二次电缆的使用，并更易于实现测量信息的共享。上世纪80年代，国外就已开始ECT/EVT的研制工作。1999年，国际电工委员会颁布了ECT/EVT的国际标准(IEC 60044-7/8)。目前，ABB、ALSTOM和SIEMENS等公司都具备了各系列的实用产品；国内，ECT/EVT也已形成研究热点，相关高校、互感器和自动化设备制造厂商都积极开展了此方面的研究，目前已有相关产品问世。

变电站、电力系统数字化的趋势是随着数字式过程层设备(如电子式互感器、智能断路器)和通信技术的快速发展而出现的。在实现电力系统数字化、共享化的基础上，数字化变电站、电力系统强调信息的统一化和站内设备之间、变电站与控制中心之间协同操作、集成应用的能力。未来的变电站、电力系统将从数字化的趋势出发进行建设。

以太网通信技术自诞生至今一直不断创新：网络带宽由最初的10Mbps发展到100Mbps、1Gbps甚至10Gbps，传输介质由同轴电缆发展出双绞线和光纤；网络拓扑由总线型发展出星型、环型和网状；特别是快速、交换式和光纤以太网的出现使以太网的性能和可靠性得到显著提高。目前，以太网不仅已经成为局域网中的绝对主导技术，而且也开始朝着广域网和工业现场延伸。

通用分组无线业务是在全球移动通信系统基础上发展出来的一种新型无线通信技术。由于通用分组无线业务的数据分组工作模式代替了全球移动通信系统的电路交换模式，相对于全球移动通信系统具有以下几个方面的优势：信道由多个用户共享，不会被独占，可以保证各用户数据的实时传输；  数据传输速率快，最快可达到164kbps，而全球移动通信系统只有14.4kbps；采用针对数据业务的计费方法，即流量计费方法，与上网时间无关，用户可以时时在线；网络接入速度快，数据传输更加稳定、抗干扰能力强。目前，通用分组无线业务已经成为成熟而理想的无线通信方式。

因此，无论是为了满足系统和用户对电能质量越来越高的要求，还是为了适应变电站、电力系统数字化的发展趋势，都有必要借助最新的电子、通信技术对电能质量分析仪这一装置的功能内容、应用技术和体系结构重新做出审视、分析和设计。

发明内容

技术问题：本发明目的是满足系统和用户对电能质量分析功能要求的不断提高，依据变电站、电力系统数字化的趋势，基于数字信号处理器(TMS320C6713)、光纤以太网通信和通用分组无线业务通信技术，设计的符合IEC61850标准的面向数字化电力系统的电能质量分析仪。

技术方案：本发明从变电站和电力系统数字化的趋势出发，同时兼顾现有变电站的现状，研制开发了基于数字信号处理器(TMS320C6713)、光纤以太网通信和通用分组无线业务通信技术，并符合IEC61850标准的电能质量分析仪。

本发明核心系统由五个模件组合而成(见附图1)：交流变换模件、主控模件、继电器模件、电源模件和人机接口模件。各模件采用前向插件式结构，各插件通过母板总线实现电气联系，只有人机接口模件与主控模件之间采用RS485通信，这样可以提高插件的可靠性。

该分析仪由主控模件、交流变换模件、继电器模件、电源模件、人机接口模件、以太网接口、通用分组无线业务模块以及通用串行总线八个部分组合而成；各模件采用插件通过母板总线实现电气连接；人机接口模件与主控模件之间采用通用串行总线连接，以太网接口、通用分组无线业务模块通过信号线与主控模件连接，4路CT、4路PT信号与交流变换模件连接，交流变换模件与主控模件之间以及主控模件与继电器模件之间由开入/开出信号线连接，继电器模件的输出端为12路开出信号。

主控模件由数字信号处理器和复杂可编程逻辑器件以及一些外扩存储器如并行闪存、同步动态随机存取存储器构成；并且在数字信号处理器与外扩器件之间连接了一复杂可编程逻辑器件帮助数字信号处理器实现IO扩展、地址译码、接口及时序匹配、输入输出信号缓冲；数字信号处理器的管脚“32”与缓冲器SN74LVC125A的管脚“2”相连、复杂可编程逻辑器件的管脚“82”与缓冲器SN74LVC125A的管脚“5”相连完成主控模件与人机接口模件的通信；复杂可编程逻辑器件的管脚“87”与以太网控制器LAN91C111的管脚“32”、复杂可编程逻辑器件的管脚“88”与以太网控制器LAN91C111的背“31”、复杂可编程逻辑器件的管脚89与以太网控制器LAN91C111的管脚29、复杂可编程逻辑器件的管脚90与以太网控制器LAN91C1 11的管脚38、复杂可编程逻辑器件的管脚91与以太网控制器LAN91C111的管脚30、复杂可编程逻辑器件的管脚92与以太网控制器LAN91C111的管脚41和95分别相连完成主控模件与以太网接口的通信。复杂可编程逻辑器件的管脚30与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚36、复杂可编程逻辑器件的管脚29与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚37、复杂可编程逻辑器件的管脚28与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚38、复杂可编程逻辑器件的管脚134与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚41、复杂可编程逻辑器件的管脚117与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚49、复杂可编程逻辑器件的管脚132与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚51、复杂可编程逻辑器件的管脚32与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚47、复杂可编程逻辑器件的管脚142与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚8和42、复杂可编程逻辑器件的管脚34与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚9、复杂可编程逻辑器件的管脚36与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚40分别相连完成主控模件和通用串行总线2.0的通信。

交流变换模件由PT/CT采集模块、有源滤波器、模数转换芯片AD7665组成。其中PT/CT采集模块包含四个CT、四个PT，其输出分别与有源滤波器的管脚8相连。有源滤波器的输出与多路开关MAX355的管脚4、5、6、7、10、11、12、13相连，多路开关MAX355的管脚8、9分别与运放器AD8022的管脚3、5相连，运放器AD8022的管脚1、7分别与模数转换芯片AD7665的管脚42、43相连。电源模件采用模拟电源和数字电源两大块。模拟电源由第一电源芯片MAX1856和第二电源芯片TPS767D301组成，数字电源由第三电源芯片MAX1644和第四电源芯片TPS70345组成。人机接口模件包括显示设备和指点输入设备两部分。液晶屏由单片机WINBOND77E58、液晶屏DMF50081、液晶控制器SED1335组成。数字信号处理器通过复杂可编程逻辑器件的IO口与相应的继电器模件、模数转换芯片AD7665、人机接口模件、以太网接口、通用分组无线业务模块以及通用串行总线2.0相连，所需的不同电压输入标准由电源模件供给。

在软件实现流程中，首先关闭数字信号处理器全部中断，然后对数字信号处理器本身及外围器件进行初始化；其中数字信号处理器本身的初始化包括以下几个初始化子模块：①数字信号处理器工作主频、②内部时钟、③GPIO、④等待周期、⑤内部定时器工作方式、⑥多通道缓冲串口、⑦模拟多路开关首通道的切入；外部器件的初始化包括：实时时钟DS1511W、以太网控制器LAN91C111、通用串行总线控制器CY7C68001；这部分软件是底层的器件驱动程序，和硬件直接接口；接着进行模件的全面自检，包括电源电压、数字信号处理器内部RAM、并行闪存、模数转换通道、以太网通信。自检不正常则报警，正常则开放数字信号处理器相应中断之后进入主循环流程；在主流程循环中有“A/D部分自检”模块，为模拟量通道自检；其方法是两个模数转换器的输入口都接入固定2.5V参考电平，自检时将此路电压通过模数转换器转换为数字量，对其结果进行判断，如果超出了误差允许范围，则认为此部分电路发生了异常，立即进入故障报警流程；主循环流程的运行分主程序流程和中断流程两部分；当没有中断时，系统运行主程序；一旦收到中断，则系统将首先保存当前处理现场，然后进入相应的中断流程；系统中断任务主要包括准同步测频、启动模数转换器转换、GPS校时。

若接入的是传统的电磁式互感器，由二次电缆将现场PT和CT采集的模拟量八路三相电压和电流信号(Ua、Ub、Uc、U0、Ia、Ib、Ic、I0)输入交流变换模件，经过模拟滤波、高精度A/D转换后送入主控模件，由数字信号处理器进行计算分析，实现如下功能：

1)电压电流有效值、峰值、相位角、频率、波峰因数；

2)直流分量、基波、各次谐波、电压电流THD；

3)总功率、有功、无功、功率因数、谐波功率、功率THD；

4)瞬态尖峰、跌落、浪涌大小，时间；

5)三相不平衡度、电压波动和闪变；

6)判断是否满足电能质量五项指标谐波、电压允许偏差、电网频率、三相不平衡度、电压波动和闪变；

7)用户指定次数间谐波的计算(最高计算到50次谐波)。

若接入的是电子式互感器，则直接由光纤以太网将电子式互感器采集的信号送入主控模件，由数字信号处理器进行计算分析，同样实现上述7项功能。

人机接口模件包括显示设备(液晶屏和指示灯)和指点输入设备(键盘)两部分。显示设备可显示多级功能菜单和各种数据、参数、波形、一次系统图、断路器状态、事件记录表等信息；并设有液晶休眠功能，当无故障、无告警状态下5分钟后，LCD自动休眠。当有键盘操作或有故障、告警信号时，自动打开LCD显示。上位机也可发信号打开LCD显示。

本发明电路设计上主要包括电流/电压的三相四路采集、滤波和看门狗电路、A/D转换电路、数字信号处理器+复杂可编程逻辑器件处理器电路、RAM电路，RS232和RS485串行通信、10/100Mbps以太网通信模块、通用分组无线业务通信模块和通用串行总线通信模块等。

本发明除了能在现场监测电能质量的各项参数外，还可通过通用分组无线业务无线通信将监测数据、事件记录实时传送至远方用电管理部门，以供监视和查询；也可通过构建以太网网络实现电能质量的分布式管理或集成应用。

有益效果：大部分电能质量分析仪通常只具备电能检测分析的能力，与现有技术水平相比，本装置具有以下有益效果：

1)本发明从变电站和电力系统数字化的趋势出发，同时兼顾现状，设计了一种具有良好兼容性的新型架构，不仅能应用于新型的电子式互感器、智能断路器，亦可应用于传统的电磁互感器和断路器。

2)本发明利用CPU丰富的IO资源，增加了12路开关量输出控制继电器，及与之配合的12路开关量输入，一旦发现电能质量严重不合格，具备简单的保护动作能力。

3)本发明采用的数字信号处理器(TMS320C6713)为TI公司新推出的专门用于数字信号处理的高速浮点数字信号处理器，工作主频200MHz，单指令执行周期仅为5ns，具有强大的定点浮点运算能力，运算速度可达1600MIPS，可快速进行FFT运算，从而实现真正的实时监测。

4)本发明采用的模数转换器(AD7665)为Analog Device公司生产的高速、低功耗16位逐次逼近型模数转换器，能保证采样和计算的高精度和高速率。

5)本发明不仅能够单独实现电能质量分析功能，而且能通过10/100Mbps以太网实现装置之间以及装置与工作站之间的高速通信，避免了在每台分析仪处都加装上位机接入以太网的情况，缩减了投资，并方便对地区电能质量进行整体监控；同时还可通过通用分组无线业务无线通信将监测数据、事件记录实时传送至远方用电管理部门。

6)本发明体积重量适中，结构简单，既可以携带使用也可固定安装。采用基于数字信号处理器的插件式结构，各模件协同工作，性能比单板结构提高很多。同时结构灵活，所有模件通过模板进行通信，可扩展性强，为进一步开发升级产品提供了方便。

7)本发明支持变电站通信网络和系统的唯一国际标准及电力系统无缝通信的基础——IEC61850标准，具备无缝接入系统，以及与其它电力自动化设备互操作能力。

附图说明

图1是装置各模件连接图，其中有：主控模件1，交流变换模件2，PT/CT采集模块21、有源滤波器22、AD7665 23，继电器模件3，电源模件4、模拟电源41、数字电源42，人机接口模件5、WINBOND77E58芯片51、大规模液晶屏DMF50081 52、SED1335 53，以太网接口6，通用分组无线业务模块7，通用串行总线8。

图2是人机接口工作原理图，

图3是主控模件整体连接框图，其中有：主控模块1、数字信号处理器11、复杂可编程逻辑器件12、并行闪存13、同步动态随机存取存储器14。

图4是数字信号处理器核心处理模块功能框图，

图5是复杂可编程逻辑器件工作原理，

图6a是核心处理模块电路图一，图6a为上半部分，图6b为下半部分，

图7是核心处理模块电路图二，图7a为上半部分，图7b为下半部分，

图8是通用分组无线业务MC351功能模块，

图9是通用串行总线控制结构图。

具体实施方式

面向数字化电力系统的电能质量分析仪由主控模件1、交流变换模件2、继电器模件3、电源模件4、人机接口模件5、以太网接口6、通用分组无线业务模块7以及通用串行总线8八个部分组合而成；各模件采用插件通过母板总线实现电气连接；人机接口模件5与主控模件1之间采用通用串行总线8连接，以太网接口6、通用分组无线业务模块7通过信号线与主控模件1连接，4路CT、4路PT信号21与交流变换模件2连接，交流变换模件2与主控模件1之间以及主控模件1与继电器模件3之间由开入/开出信号线连接，继电器模件3的输出端为12路开出信号。

一.电能质量分析仪的硬件结构

1、DSP核心处理模块

本分析装置的主控模块1由数字信号处理器11和复杂可编程逻辑器件12以及一些外扩存储器如并行闪存13、同步动态随机存取存储器14等构成，由于数字信号处理器很多时候专用于处理数字信号，其计算能力很强，而控制能力相对较弱。并且部分信号数字信号处理器11跟某些外扩器件不能无缝接口，因此在TMS320C6713与外扩器件之间连接了一复杂可编程逻辑器件12帮助TMS320C6713实现IO扩展、地址译码、接口及时序匹配、输入输出信号缓冲等功能，其整体功能框图如图4所示。

(1)TMS320C6713芯片介绍

TMS320C6713是TI新推出的高速浮点数字信号处理器，工作主频200MHz，其单指令执行周期仅5ns；具有强大的定点浮点运算能力，运算速度可达1600MIPS。TMS320C6713片内外设资源非常丰富，片内集成了一个32位的外部存储器接口EMIF(External Memory Interface)，可以外扩8位、16位、32位并行存储器，内部的16个独立的扩展的直接存储器访问通道EDMA(Enhanced Direct-Memory-Access)很大提高了存储器访问的效率；两个McASP(multichannel audio serial port)；两个McBSP(multichannel buffered serial port)，可以模拟几乎所有形式的串行接口；两个I2C总线接口；两个32位的通用定时器；16通道通用IO口GPIO(general-purposeinput/output)；一个16位的主机接口HPI(Host-Port Interface)。这样的硬件资源对于电能质量分析仪来说是足够的。

(2)复杂可编程逻辑器件XC95144PQ160

本设计中采用XILINX公司生产的型号为XC95144的复杂可编程逻辑器件，内含144个宏单元，封装有100PIN和160PIN两种，考虑到扩展IO的能力，最终选择160PIN，其可用管脚133PIN。复杂可编程逻辑器件在插件中主要实现如下功能(见附图5)：

■完成传统意义上的地址译码功能。

■扩展开入量和开出量的通道；

■在3.3V的DSP和5V光耦之间起隔离和电平转换作用。

■作为DSP与被控器件间的信号缓冲。

(3)EMIF的应用

TMS320C6713的EMIF具有很强的接口能力，不仅具有很高的数据吞吐率(最高可达1200MB/s)，而且可以与目前几乎所有类型的存储器接口。

TMS320C6713的外部存储器接口(EMIF)分为4个空间，即CE0～CE3，每个CE空间最大可寻址空间为128MB；本设计将模数转换器配置在CE0，地址线AD[21:12]通过复杂可编程逻辑器件模拟的地址译码器分别产生两片模数转换器的CNVST\、CS\、RD\等控制信号；并行闪存用作引导TMS320C6713，将其配置在CE1空间；外扩同步动态随机存取存储器在CE2，其余如实时时钟、以太网、通用串行总线等均配置在CE3空间。

TMS320C6713的每个EMIF管脚都串联了一个33Ω电阻，作为数字信号处理器与外设之间的阻抗匹配电阻，有助于减少串扰，保持信号的完整。

(4)通过EDMA实现从并行闪存芯片的自启动

TMS320C6713片内只有RAM没有ROM，因此，在主控板最终脱离仿真器运行的数字信号处理器系统中，用户代码需要在加电后自行装载运行。数字信号处理器系统的EDMA在系统加电时将配置在CE1空间(对应片外FLASH地址)的1K-Byte引导代码(BootLoader)移植到内部的高速存储单元中去执行。这1K-Byte的代码必须存储在外部的非易失性存储器中。这样既利用了外部的存储单元扩展数字信号处理器本身资源，又充分发挥了数字信号处理器内部资源的效能。

2、通信模块

本设计充分利用了数字信号处理器多接口，多信道的特点，通信模块非常丰富，其中包含：串口通讯、以太网通讯、通用串行总线2.0通信等等手段，保证了装置与控制、显示终端的正常通信。

(1)串口通信

TMS320C6713有两个多通道缓冲串行口(McBSP)。McBSP是由标准串口发展而来，支持全双工通信，拥有双缓冲寄存器，允许连续的数据流。此外，McBSP具有独立的时钟输入和帧同步信号，使用者可以选择内部时钟或是外部时钟。由于McBSP有着极其灵活的硬件接口，设计者可以根据不同的需求将其配置为各种串口形式，使用非常方便。本装置将McBSP1配置为RS485，与液晶及键盘模块通信，另一串口McBSP0配置为RS232供面板及打印机使用。

(2)以太网

以太网(Ethernet)是目前一种使用广泛的、采用总线拓扑的网络技术。本设计选用SMSC公司的10/100Mbps的以太网控制器LAN91C111(6)作为以太网接口的控制芯片。它是SMSC公司为嵌入式系统应用设计的第3代快速以太网控制器。LAN91C111支持两种不同的网络接口。一种是利用内置的物理层模块PHY的收发口。另一种则是基MII(介质无关)标准，可与外部收发器连接接口。为提高装置的通用性，本系统设计时将接口一作为双绞线端口。另一接口由收发器LXT971接光线。

附图9给出了本装置中LAN91C111数据的发送流程，数据的发送分为寄存器的设置，数据的写入准备，数据的触发发送等几个部分。LAN91C111与TMS320C6713之间通过16位并行线连接，控制信号均由地址线通过复杂可编程逻辑器件译码。LAN91C111内部含RAM，可以为数据传输提供缓冲。数据的发送和接收都首先在FIFO内排队，然后进行编码或解码。向数据寄存器写入数据的基本顺序为：状态字、字节数、目标地址、源地址、报文长度、发送报文、控制字。其中字节数的大小为发送包的长度加上状态字、字节数、控制字，即，包长度+6bytes。其中，发送源地址、目标地址所占字节数包括在报文长度中。数据读取的过程与发送相似。

(3)通用分组无线业务模块

通用分组无线业务无线模块(7)采用的是Siemens公司的MC35I无线模块。MC35I由全球移动通信系统基带处理器、全球移动通信系统射频、ZIF连接器等部分组成(附图10)。该模块在支持全球移动通信系统功能的基础上，支持通用分组无线业务。该模块基带处理器由C166MCU和数字信号处理器双核构成，数据处理速度块；提供900M/1800M双频制式选择；支持语音、数据传输、短消息、传真业务；通讯速率多重选择，支持1200bps～115200bps的波特率；工作温度范围大，抗干扰能力强，适用于工业应用场合；AT指令进行控制；对外接口简单，采用标准的RS232串行接口。另外MC351供电电压范围为3.3～4.8V，而开关电源的供电电压为5V，故需要电平匹配电路实现5V电源电压与MC351供电电压的匹配。电平匹配电路用DC-DC集成模块和辅助电路构成，由于MC351在发送数据的瞬间电流可达到2A，这里选用LM2576作为DC-DC集成模块。

(4)通用串行总线2.0

系统对外通信还有配置有一个通用串行总线2.0接口。系统选取CYPRESS公司的CY7C68001 EZ-USB SX2(8)作为通用串行总线2.0接口芯片。

SX2内置一个通用串行总线收发器，一个串行接口引擎(SIE)，以及一个收发数据用的命令解码器。支持8位或16位外部主机接口，能与DSPs、ASICs、FPGAs等绝大多数微处理器实现无缝连接，并且支持同步及异步两种接口方式。SX2接口设计如图9所示。

CY7C68001提供给DSP两种接口：①FIFO接口，CY7C68001内部4Kbyte的RAM通过编程，分配给EP2、EP4、EP6和EP8直接作为FIFO；②命令接口，用于设置CY7C68001读状态、加载描述符和访问端点。

数字信号处理器与CY7C68001之间的通信主要包括：

■数字信号处理器自身初始化；

■数字信号处理器对CY7C68001初始化，C6713通过命令口访问SX2的寄存器，完成USB的相关设置；

■数字信号处理器协助HOST计算机枚举CY7C68001；

■中断处理；

■对CY7C68001的各状态监控。

以上通信模块不仅可以实现分析仪与工作站之间的数据通信，而且在必要的时候可以利用它们同时数据上传至PC机进行数据分析记录。如计算间谐波时，需要相应增加分析窗的宽度，如果在嵌入式系统上实现将会占用大量的存储空间和CPU执行时间。数字信号处理器通过SX2对PC通信最快可以达到480Mbps，实时地将采样数据上传至PC机，利用PC机的强大功能和海量存储，可以轻松实现。

主控模件1由数字信号处理器11和复杂可编程逻辑器件12以及一些外扩存储器如并行闪存13、同步动态随机存取存储器14构成；并且在数字信号处理器11与外扩器件之间连接了一复杂可编程逻辑器件12帮助数字信号处理器实现IO扩展、地址译码、接口及时序匹配、输入输出信号缓冲；数字信号处理器11的管脚“32”与缓冲器SN74LVC125A的管脚“2”相连、复杂可编程逻辑器件12的管脚“82”与缓冲器SN74LVC125A的管脚“5”相连完成主控模件1与人机接口模件5的通信；复杂可编程逻辑器件12的管脚“87”与以太网控制器LAN91C111的管脚“32”、复杂可编程逻辑器件12的管脚“88”与以太网控制器LAN91C111的管“31”、复杂可编程逻辑器件12的管脚89与以太网控制器LAN91C111的管脚29、复杂可编程逻辑器件12的管脚90与以太网控制器LAN91C111的管脚38、复杂可编程逻辑器件12的管脚91与以太网控制器LAN91C111的管脚30、复杂可编程逻辑器件12的管脚92与以太网控制器LAN91C111的管脚41和95分别相连完成主控模件1与以太网接口6的通信。复杂可编程逻辑器件12的管脚30与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚36、复杂可编程逻辑器件12的管脚29与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚37、复杂可编程逻辑器件12的管脚134与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚41、复杂可编程逻辑器件12的管脚117与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚49、复杂可编程逻辑器件12的管脚132与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚51、复杂可编程逻辑器件12的管脚32与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚47、复杂可编程逻辑器件12的管脚142与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚8和42、复杂可编程逻辑器件12的管脚34与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚9、复杂可编程逻辑器件12的管脚36与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚40分别相连完成主控模件1和通用串行总线2.08的通信。

交流变换模件2由PT/CT采集模块2 1、有源滤波器22、模数转换芯片AD766523组成。其中PT/CT采集模块21包含四个CT、四个PT，其输出分别与有源滤波器22的管脚8相连。有源滤波器的输出与多路开关MAX355的管脚4、5、6、7、10、11、12、13相连，多路开关MAX355的管脚8、9分别与运放器AD8022的管脚3、5相连，运放器AD8022的管脚1、7分别与模数转换芯片AD7665的管脚42、43相连。

电源模件4采用模拟电源41和数字电源42两大块。模拟电源41由第一电源芯片MAX1856和第二电源芯片TPS767D301组成，数字电源42由第三电源芯片MAX1644和第四电源芯片TPS70345组成。

人机接口模件5包括显示设备和指点输入设备两部分。液晶屏由单片机WINBOND77E58、液晶屏DMF50081、液晶控制器SED1335组成。

数字信号处理器11通过复杂可编程逻辑器件12的IO口与相应的继电器模件3、模数转换芯片AD766523、人机接口模件5、以太网接口6、通用分组无线业务模块7以及通用串行总线2.0相连，所需的不同电压输入标准由电源模件4供给。

二、系统软件设计

一个系统是否能够高效运作，除了取决于硬件的性能外，软件的设计也起着关键的作用。系统的软件设计包括复杂可编程逻辑器件逻辑设计，数字信号处理器程序设计与上位机程序设计三大部分。

1、复杂可编程逻辑器件逻辑设计

本项目中数字信号处理器与外设连接要求高，关系也较为复杂，对数字信号处理器的接口控制经常需要用到种类较多的门电路、译码电路、时序电路等，而且TMS320C6713的I/O管脚和各种特殊功能是复用的，如果将键盘、LCD显示以及各种状态指示灯直接和数字信号处理器相连的话，这将造成它的极大浪费，所以采用了复杂可编程逻辑器件实现数字信号处理器的外围电路控制，这充分地利用复杂可编程逻辑器件中的资源，减少软件编程的复杂度，也提高数字信号处理器的执行速度。

TMS320C6713跟外设进行读写时，相应的/AOE、/AWE、/ARE管脚会发生高低电平的变化，把信号连接到CPLD的IO管脚，再配以高地址位和/CE空间的译码，就能对数字信号处理器的片外设备进行寻址和使能、读写操作。控制12路继电器动作的开出信号，也是由复杂可编程逻辑器件数据经过缓冲，配合完成。

2、数字信号处理器程序设计

数字信号处理器的程序设计是本装置软件设计的核心部分，用户程序编写调试完毕之后，通过数字信号处理器仿真器烧写到并行闪存中。TMS320C6713通过EMIF引导方式(EMIF boot)，从ROM引导加载。

在用户程序中，首先关闭数字信号处理器全部中断，然后对数字信号处理器本身及外围器件进行初始化(见附图8)，共包括以下几个初始化子模块，对数字信号处理器工作主频、内部时钟、GPIO的初始化、等待周期、内部定时器工作方式、多通道缓冲串口、模拟多路开关首通道的切入等进行配置，并对外部器件如：DS1511W、LAN91C111、CY7C68001等进行配置，使其能以合适的方式与TMS320C6713交换数据。这部分软件实际是底层的器件驱动程序，和硬件直接接口。接着进行模件的全面自检，包括电源电压、数字信号处理器内部RAM、Flash、模数转换通道、以太网通信。自检不正常则报警，正常则开放数字信号处理器相应中断之后进入主循环流程。

装置中数字信号处理器主程序设计主要完成以下功能：

(1)TMS320C6713有着强大的浮点运算能力，系统每周波采样128点并对八路信号分别进行128点FFT，进而计算出0～50次谐波的幅值、相位等；

(2)对电能质量进行分析计算，如电压电流有效值、峰值、相位角、频率、波峰因数、功率、功率THD等；

(3)利用计算值判断电能质量是否满足国家标准所要求的电能质量五项指标，即供电电压偏差、电压的波动和闪变、电网谐波、三相电压不平衡度、电力系统频率；

(4)记录电能质量的异常值，如瞬态尖峰、跌落、浪涌大小，时间等。并与PC机配合，完成故障时录波；

(5)通过数字信号处理器强大的GPIO(通用IO口)，完成很多控制功能，如多路开关的转换、设定值越限报警、继电器动作等；

(6)完成数字信号处理器与所有外围模块的通信。

3、上位机程序设计

电能质量监测分析仪上位机软件的主要功能是：通过以太网或串口与电能质量监测分析仪交互信息，获取电能质量监测分析仪采集的各类电量(如电压、电流、频率等)，在PC机上为用户提供可视化(如曲线、表格)的电量查询界面，并进行电能质量的分析计算(如谐波、三相不平衡率的计算)。其中主要包括对电能质量进行稳态和暂态性能方面的指标计算。

在电能质量领域，对稳定变化的信号，最常使用的是傅立叶变换，即把周期性变化的非正弦信号表示成一系列具有不同频率的正弦波的线性叠加。它具有正交、完备等许多优点，而且有FFT这样的快速算法，因此在电能质量分析领域中得到广泛地应用。傅立叶变换虽然能够将信号的时域和频域特征联系起来，但是没有局部化分析信号的功能，而且在运用时必须满足两个前提条件：一、满足采样定理的要求，即采样频率必须大于最高信号频率的两倍；二、被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的，因而它只能在电能质量稳态领域中使用。

近年来发展起来的小波变换(Wavelet Transformation)具有良好的时一频局部化特性，对不同的频率成分采用逐渐精细的采样步长，可以聚焦到信号的任意细节，非常适用于处理突变和非平稳信号。小波变换对信号具有自适应性，而且是一种多尺度分析，因而可以很好地分析电能质量领域的暂态问题。

傅里叶变换的前提要求是信号平稳，难以刻画时变非平稳信号。在实际应用中，若无扰动发生，认为信号是稳态过程，依据稳态分析方法计算相应的电能质量指标参数；若有扰动发生，利用时域波形信息与小波变换信息相结合检测方法，可准确地确定暂态现象的持续时间和变化幅度，快速地对电能质量暂态干扰定位，分类。

4、电能质量相关指标及其算法

(1)谐波的相关指标

第h次谐波电压含有率： ${\mathrm{HRU}}_h=\frac{U_h}{U_1}\×100(\%)$

其中，U_h为第h次谐波电压(方均根值)；U₁为基波电压(方均根值)。

电压总谐波畸变率： ${\mathrm{THD}}_u=\frac{U_H}{U_1}\×100(\%)$

其中U_H是谐波电压含有量，即 $U_H=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left(U_h\right)}^2}$

(2)供电电压允许偏差

电压偏差： $\mathrm{\δU}=\frac{U-U_N}{U_N}100\%$

其中U是实测的电压，U_N是额定电压。

(3)电压的波动和闪变

电压波动的计算式为： $d\≈\frac{\mathrm{\Δ}{S}_i}{S_{\mathrm{sc}}}\×100\%$

其中ΔS_i为负荷容量的变化量；S_SC为考察点(一般为PCC)的短路容量；

CPF曲线纵坐标0.1％、1％、3％、10％、50％时间的S(t)值分别为P_0.1、P₁、P₃、P₁₀、P₅₀，则这段时间的短时闪变值P_st可按下式计算：

$P_{\mathrm{st}}=\sqrt{{0.0314P}_{0.1}+{0.0525P}_1+{0.0657P}_3+{0.28P}_{10}+{0.08P}_{50}}$

长时间闪变值P_lt由测量时间段内包含的短时间闪变值计算获得

$P_{\mathrm{lt}}=3\sqrt{\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(P_{\mathrm{stj}}\right)}^3}$

式中，n为长时间闪变值测量时间内所包含的短时间闪变值的个数。

(4)三相电压允许不平衡度

三相电压不平衡的计算采用对称分量法，把不平衡电压分解为正序，负序和零序分量实现，假设三相电压的正序分量方均根值为U₁，负序分量的方均根值为U₂。则相应的电流不平衡度为： ${\mathrm{\ϵ}}_U=\frac{U_2}{U_1}\×100\%$

在没有零序分量的三相系统中，当已知a、b、c时，三相不平衡度的计算如下：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\frac{1-\sqrt{3-6L}}{1+\sqrt{3-6L}}}\×100\%$

式中，L＝(a⁴+b⁴+c⁴)/(a²+b²+c²)²

三、通信可靠性保证

当通过光纤以太网连接电子式互感器时，通信网络成为这种新型电能质量监测仪的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A/D转换、运算、输出控制命令整个流程快速、简捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的，如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出变成了一个复杂的问题，其最基本的条件是通信网络的适应性，关键技术是通信网络的实时性和可靠性。

数据通信的实时性一方面依赖于变电站层、间隔层和过程层之间通信流量的合理分配和组合，保证通信网络的带宽占用在合理范围以内，尽量避免冲突。另一方面采用以太网交换技术，减少网络上冲突概率，使之变成时延确定性网络。相关研究表明：在变电站中使用100Mbps共享以太网或10Mbps交换以太网，能够满足保护对报文传输的实时性要求。该电能质量分析仪采用10/100Mbps自适应交换式光纤以太网集线器进行组网，完全能够满足实时性要求。

数据通信的可靠性对这种新型架构的电能质量分析仪同样至关重要，本发明采用双网冗余技术来提高装置的可靠性和抗毁性。

在双冗余网络中，每个节点的以太网控制器、收发器、电平变换芯片、光纤接头都采用独立的两套，交换式HUB也采用互不相关的两块。当某个节点网络接口故障，或网线损坏，或其中一个交换式HUB故障时，网络仍能正常运作。每个节点的两个网卡只能有一个物理地址，一个IP地址，对于高层应用程序呈现单网卡特性。网络切换时只需将协议和控制命令绑定备用的以太网控制器即可。

在软件实现流程中，首先关闭数字信号处理器全部中断，然后对数字信号处理器本身及外围器件进行初始化；其中数字信号处理器本身的初始化包括以下几个初始化子模块：①数字信号处理器工作主频、②内部时钟、③GPIO、④等待周期、⑤内部定时器工作方式、⑥多通道缓冲串口、⑦模拟多路开关首通道的切入；外部器件的初始化包括：实时时钟DS1511W、以太网控制器LAN91C111、通用串行总线控制器CY7C68001；这部分软件是底层的器件驱动程序，和硬件直接接口；接着进行模件的全面自检，包括电源电压、数字信号处理器内部RAM、并行闪存、模数转换通道、以太网通信。自检不正常则报警，正常则开放数字信号处理器相应中断之后进入主循环流程；在主流程循环中有“A/D部分自检”模块，为模拟量通道自检；其方法是两个模数转换器的输入口都接入固定2.5V参考电平，自检时将此路电压通过模数转换器转换为数字量，对其结果进行判断，如果超出了误差允许范围，则认为此部分电路发生了异常，立即进入故障报警流程；主循环流程的运行分主程序流程和中断流程两部分；当没有中断时，系统运行主程序；一旦收到中断，则系统将首先保存当前处理现场，然后进入相应的中断流程；系统中断任务主要包括准同步测频、启动模数转换器转换、GPS校时。

这种新型架构电能质量分析仪，既可满足过渡期间传统变电站的电能质量监测需要，也符合未来数字化变电站的发展趋势，在实际应用中可针对不同的需求采用不同的采集数据方式。同时，该发明的以太网接口分布式管理及GPRS无线通信方式可将电能监测的分析结果高效迅速地反馈给电能质量管理者，为其做出决策提供准确有效的依据，从而维护了整个电网系统的稳定及电力用户的用电安全。

Claims (7)

1.一种面向数字化电力系统的电能质量分析仪，其特征在于该分析仪由主控模件(1)、交流变换模件(2)、继电器模件(3)、电源模件(4)、人机接口模件(5)、以太网接口(6)、通用分组无线业务模块(7)以及通用串行总线(8)八个部分组合而成；各模件采用插件通过母板总线实现电气连接；人机接口模件(5)与主控模件(1)之间采用通用串行总线(8)连接，以太网接口(6)、通用分组无线业务模块(7)通过信号线与主控模件(1)连接，4路CT、4路PT信号(21)与交流变换模件(2)连接，交流变换模件(2)与主控模件(1)之间以及主控模件(1)与继电器模件(3)之间由开入/开出信号线连接，继电器模件(3)的输出端为12路开出信号。

2.根据权利要求1所述的面向数字化电力系统的电能质量分析仪，其特征在于主控模件(1)由数字信号处理器(11)和复杂可编程逻辑器件(12)以及一些外扩存储器如并行闪存(13)、同步动态随机存取存储器(14)构成；并且在数字信号处理器(11)与外扩器件之间连接了一复杂可编程逻辑器件(12)帮助数字信号处理器实现IO扩展、地址译码、接口及时序匹配、输入输出信号缓冲；数字信号处理器(11)的管脚“32”与缓冲器SN74LVC125A的管脚“2”相连、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚“82”与缓冲器SN74LVC125A的管脚“5”相连完成主控模件(1)与人机接口模件(5)的通信；复杂可编程逻辑器件(12)的管脚“87”与以太网控制器LAN91C111的管脚“32”、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚“88”与以太网控制器LAN91C111的管“31”、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚89与以太网控制器LAN91C111的管脚29、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚90与以太网控制器LAN91C111的管脚38、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚91与以太网控制器LAN91C111的管脚30、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚92与以太网控制器LAN91C111的管脚41和95分别相连完成主控模件(1)与以太网接口(6)的通信。复杂可编程逻辑器件(12)的管脚30与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚36、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚29与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚37、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚28与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚38、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚134与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚41、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚117与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚49、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚132与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚51、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚32与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚47、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚142与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚8和42、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚34与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚9、复杂可编程逻辑器件(12)的管脚36与通用串行总线控制器CY7C68001的管脚40分别相连完成主控模件(1)和通用串行总线2.0(8)的通信。

3.根据权利要求1所述的面向数字化电力系统的电能质量分析仪，其特征在于交流变换模件(2)由PT/CT采集模块(21)、有源滤波器(22)、模数转换芯片AD7665(23)组成，其中PT/CT采集模块(21)包含四个CT、四个PT，其输出分别与有源滤波器(22)的管脚8相连。有源滤波器的输出与多路开关MAX355的管脚4、5、6、7、10、11、12、13相连，多路开关MAX355的管脚8、9分别与运放器AD8022的管脚3、5相连，运放器AD8022的管脚1、7分别与模数转换芯片AD7665的管脚42、43相连。

4.根据权利要求1所述的面向数字化电力系统的电能质量分析仪，其特征在于电源模件(4)采用模拟电源(41)和数字电源(42)两大块。模拟电源(41)由第一电源芯片MAX1856和第二电源芯片TPS767D301组成，数字电源(42)由第三电源芯片MAX1644和第四电源芯片TPS70345组成。

5.根据权利要求1所述的面向数字化电力系统的电能质量分析仪，，其特征在于人机接口模件(5)包括显示设备和指点输入设备两部分，液晶屏由单片机WINBOND77E58(51)、液晶屏DMF50081(52)、液晶控制器SED1335(53)组成。

6.根据权利要求1所述的面向数字化电力系统的电能质量分析仪，，其特征在于数字信号处理器(11)通过复杂可编程逻辑器件(12)的IO口与相应的继电器模件(3)、模数转换芯片AD7665(23)、人机接口模件(5)、以太网接口(6)、通用分组无线业务模块(7)以及通用串行总线2.0(8)相连，所需的不同电压输入标准由电源模件(4)供给。

7.一种如权利要求1所述的面向数字化电力系统的电能质量分析仪的电能质量分析方法，其特征在于：首先关闭数字信号处理器全部中断，然后对数字信号处理器本身及外围器件进行初始化；其中数字信号处理器本身的初始化包括以下几个初始化子模块：①数字信号处理器工作主频、②内部时钟、③GPIO、④等待周期、⑤内部定时器工作方式、⑥多通道缓冲串口、⑦模拟多路开关首通道的切入；外部器件的初始化包括：实时时钟DS1511W、以太网控制器LAN91C111、通用串行总线控制器CY7C68001；这部分软件是底层的器件驱动程序，和硬件直接接口；接着进行模件的全面自检，包括电源电压、数字信号处理器内部RAM、并行闪存、模数转换通道、以太网通信。自检不正常则报警，正常则开放数字信号处理器相应中断之后进入主循环流程；在主流程循环中有“A/D部分自检”模块，为模拟量通道自检；其方法是两个模数转换器的输入口都接入固定2.5V参考电平，自检时将此路电压通过模数转换器转换为数字量，对其结果进行判断，如果超出了误差允许范围，则认为此部分电路发生了异常，立即进入故障报警流程；主循环流程的运行分主程序流程和中断流程两部分；当没有中断时，系统运行主程序；一旦收到中断，则系统将首先保存当前处理现场，然后进入相应的中断流程；系统中断任务主要包括准同步测频、启动模数转换器转换、GPS校时。

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