CN101635455B - 利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，它包括以下步骤：①对电力网的电压电流波形进行采样，获取离散的电压电流采样值；在采样的同时，接收卫星信号，生成标准时间信息，对时间信息进行维护和处理，并记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳；②对离散的电压电流采样值进行傅里叶变换，得到基波及高次谐波的幅值和相位；③将得到的基波及高次谐波的幅值和相位，添加上采样时刻的高精度时钟戳，构成一个数据包，将数据包发送给电力网的其它站点。本发明利用卫星进行时间同步，在广大地域提供了统一的稳定的高精度的信号源，消除了广域网时间同步精度不高，数据比对困难，数据传输量大等不利条件。

Description

利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种对电压电流波形进行标定的方法，具体地说是涉及一种应用在电力系统领域，利用标准的时钟戳对电压电流波形进行标定的方法，并涉及为实施该方法所采用的系统。

背景技术

传统上，电力系统继电保护的基石就是系统各个元件，主要是指线路、母线、变压器等，它们构成线性时不变系统，知道了一个元件的冲击响应函数，就可以知道在任意时刻下的冲击响应函数，也就知道了这个元件的所有行为特征；系统各个元件的联系不影响某个元件的任何行为特征；所以，知道了所有元件的冲击响应函数，就应该可以得到整个系统的所有行为特征。

但是，随着电网电压等级的提升和静态或动态无功补偿、可控串补和可控并补的普及使用、电力负荷的随机波动，实际上，整个电网并不是线性时不变系统。电网实时运行监控、统计考核、事故分析及运营科学管理必然要求在统一的时刻上进行全网监控分析。

在现代电网调度自动化系统中，全网时钟统一是非常重要的，就象全国统一采用北京时间一样。从实用情况看，对时钟最为敏感的有：事件顺序记录SOE，事故追忆PTR，定时负荷记录，定时电能记录，历史数据库等，对电网安全最重要的莫过于事件顺序记录SOE和事故追忆PTR了，一旦时钟混乱，对电网异常及事故将无从分析，这两项功能就毫无意义。对电网调度自动化时钟系统提出要求的原因在于：以高电压、大机组、远距离输电为主要特征的现代电网，为保证安全、经济、优质运行，电网调度自动化系统已成为电网实时运行监控、统计考核、事故分析及运营科学管理等不可缺少的技术设施。为实现上述功能，在全电力系统内如没有统一的标准时间，或各子系统的时钟误差很大，必将产生不合理的结论或造成误解。

华北电网总调在1988年安装投运的WESDAC-32EMS能量管理系统，采用了一套飞利浦时钟系统，其标称精度为1ns，但由于没有外部标准时钟的校准，加上误差的日积月累，系统实际运行的时钟误差是相当可观的，运行维护人员只好参考某一标准时钟定期手工校准，因此只能满足该主站系统内的时间精度要求，在华北电网全系统内不能起到标准时间的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以记录、保存、复制、传递电力网中任意站点、任意时间、各类电压波形和电流波形的标定方法，并提供为实施该方法所采用的系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，它接收卫星信号，生成标准时间信息；在对电力网的电压电流波形进行采样的同时，记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳，利用所述的时钟戳对电力网特征波进行标定，其包括以下步骤：

①对电力网的电压电流波形进行采样，获取离散的电压电流采样值；在采样的同时，接收卫星信号，生成标准时间信息，对所述的时间信息进行维护和处理，并记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳；

②对离散的电压电流采样值进行傅里叶变换，得到基波及高次谐波的幅值和相位；

③将得到的基波及高次谐波的幅值和相位，添加上采样时刻的高精度时钟戳，构成一个数据包，将所述的数据包发送给电力网的其它站点。

在将数据包发送给电力网的其它站点后，该站点利用逆向转化对数据包进行拆包，然后进行傅里叶反变换，得到带有时钟戳标记得电压电流波形数据。

在步骤①中，所述的对时间信息进行维护和处理包括时间控制、时间格式转换、时区转换和闰秒计算。

在步骤②中，先对离散的电压电流采样值进行滤波处理，再进行傅里叶变换。

上述的卫星信号为北斗/GPS卫星信号。

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的系统，它包括：

卫星信号接收模块，其输入端利用天线接收北斗/GPS卫星信号；

时间维护模块，其与卫星信号接收模块相连，对在卫星信号接收模块中生成的标准时间信息进行维护，并记录在采样模块中采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳；

采样模块，其输入端分别与时间维护模块和电力网中的电压电流变换器相连，利用已生成的时钟戳对电力网电压电流波形进行采样；

傅里叶函数处理模块，其输入端与采样模块的输出端相连接，对离散后的电压电流值进行傅里叶变换；

编码模块，其与傅里叶函数处理模块相连接，对在傅里叶函数处理模块中得到的信息进行编码，生成数据包；

以及通信模块，其与编码模块相连，将在编码模块中生成的数据包发送出去。

优选的，它还包括解码模块，解码模块与傅里叶反变换函数处理模块相连接，傅里叶反变换函数处理模块与数据对比分析模块相连，数据分析模块与PC机相连接。

采用上述技术方案的本发明，利用卫星进行时间同步，在广大地域提供了统一的稳定的高精度的信号源，消除了广域网时间同步精度不高，数据比对困难，数据传输量大等不利条件，采用高精度表达的时间戳，可以准确的对所有波形数据按照时间发生顺序进行对准、排列，可以极大地消除电力系统全网范围由于计时误差引发的计算、分析、监控、统计等误差和错误，有利于在远程条件下进行波形对比。另外，采用快速傅里叶变换，极大地提高了运算效率，并且变换后所得的基波幅值、相位和相应的整数倍的高次谐波幅值、相位数据，可以有效地降低数据传输量。

附图说明

图1为本发明的整体结构原理框图。

具体实施方式

实施例1

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，它接收北斗/GPS卫星信号，生成标准时间信息；在对电力网的电压电流波形进行采样的同时，记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳，利用该时钟戳对电力网特征波进行标定，其具体包括以下步骤：

①对电力网的电压电流波形进行采样，获取离散的电压电流采样值；在采样的同时，接收来自于北斗/GPS卫星信号，生成标准时间信息，对上述的时间信息进行维护和处理，并记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳。上述的对时间信息进行维护和处理包括调用时间控制算法、时间格式转换算法、时区转换算法和闰秒算法对时间信息加以处理，以纳秒等级精度记录采样时刻，保证准确记录采样时刻的时间正确性和高精度时间的准确性。上述的时间控制算法、时间格式转换算法、时区转换算法和闰秒算法均为本领域普通技术人员所熟知的技术。

②先对离散的电压电流采样值进行滤波处理，消除不适用于快速傅里叶变换的直流分量和衰减分量，将滤波后保留下来的分量经过快速傅里叶变换DIT-FFT，这样就能够得到在50HZ附近的基波和基波整数倍的高次谐波的幅值和相位。本实施例采用快速傅里叶变换可极大地提高运算效率，上述的快速傅里叶变化为本领域普通技术人员所熟知的技术。

③将得到的基波及高次谐波的幅值和相位，添加上采样时刻的高精度时钟戳，构成一个数据包，此数据包按照采样时刻的顺序排列，另外在数据的头部添加上电力站点和线路等物理实现信息，构成一个完整可用的数据包。上述完整可用的数据包构成如下：

{采样时刻，采样类别，基波幅值，基波相位，2次谐波幅值，2次谐波相位，3次谐波幅值，3次谐波相位，4次谐波幅值，4次谐波相位，5次谐波幅值，5次谐波相位......，CRC校验码}

在数据包中，采样时刻即指时钟戳所在的时刻；采样类别是指采样的是电压波形还是电流波形。

数据包构成之后，将数据包通过以太网数据链路发送给电力网的其它站点。当有某个站点接收到该数据包时，可以按照需要决定是否采用这个数据包。如果需要，这提取某电力站点的某条线路上的数据包。取出时，按照采样时刻排列顺序，取出数据包重的各种数据，并经过傅里叶反变换，得到一系列带有高精度时钟戳标记得描述电压波形或电流波形的数据。

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的系统，它包括：卫星信号接收模块，其与时间维护模块相连，时间维护模块与采样模块相连，采样模块与快速傅里叶函数处理模块相连，快速傅里叶函数处理模块经过编码模块和通信模块I相连接。当数据包发送到某个电力站点时，相应地，该电力站点应包括：与通信模块I相连的通信模块II、解码模块、快速傅里叶反变换函数处理模块、数据对比分析模块和PC机。

本发明的工作原理是：

卫星信号接收模块：接收北斗/GPS卫星提供的时间信号，提供高精度秒脉冲时间基准和时间信息，卫星信号接收模块的工作原理及工作过程为本领域普通技术人员所熟知的技术。

时间维护模块：其与卫星信号接收模块相连，获取高精度的时间信息和稳定的时间间隔，此时间间隔与使用高精度、高稳定度的频率源进行对比、计数，构成本地的高精度、高稳定度的时钟，其精度在1ns或者10ns级别，同时对在卫星信号接收模块中生成的标准时间信息进行维护。上述的高精度、高稳定度的频率源是指原子钟，也可以为晶振、温补钟等等。由于内部频率源的存在，在失去卫星条件的情况下，在一段时间内仍可以输出高精度的时间信息。采样模块在采样完成时，采样模块中的模/数转换器ADC会发出采样中断信号，时间维护模块记录此采样中断信号发生的时刻，即：年月日时分秒毫秒微秒纳秒，生成时钟戳；由于计时间隔远远小于采样间隔，记录的时间具有唯一性，也就是说时钟戳也具有唯一性。

采样模块：其输入端与电力网中的电压电流变换器相连，使用电压电流变换器对电力系统电压、电流进行模拟量形式变换，通过采样模块进行高速采样，获取离散的电压、电流采样值。利用本地高精度时钟生成的定时采样间隔进行采样，采样完成后生成对电力网电压电流波形采样值和采样中断信号，采样值用于波形计算，采样中断信号用于获取时钟戳并通知其他模块收集这些数据。

采样后的数字量经过滤波算法，消除不适用于傅里叶变换的直流分量和衰减分量，这些保留下来分量在快速傅里叶函数处理模块中经过快速傅里叶变换运算DIT-FFT，能够计算出其中的在50Hz附近的基波和基波的整数倍数的高次谐波的幅值和相位。上述的滤波算法在滤波器中完成，本实施例中，为滤掉直流分量和衰减分量，采用带通滤波器，上述的带通滤波器为本领域普通技术人员所熟知的技术。在编码模块中，计算出基波的幅值和相位以及相应的谐波分量的幅值和相位，添加上采样时刻的时间数据，构成数据包。此数据小包构成是这样的：

{采样时刻，采样类别，基波幅值，基波相位，2次谐波幅值，2次谐波相位，3次谐波幅值，3次谐波相位，4次谐波幅值，4次谐波相位，5次谐波幅值，5次谐波相位……，CRC校验码}

此类数据小包按照采样时刻顺序排列，再数据头部添加上电力站点和线路等物理现实信息，就构成一个完整可用的数据包。数据包通过以太网数据链路发给远方工作站。

当有某个站点接收到这种数据包，可以按照需求决定是否采用这个数据包。提取到某电力站点的某线路的数据包，取出按照采样时刻顺序排列的构成数据小包的数据，经过傅里叶反变换，可以得到一系列有高精度时间戳标记的描述电压波形、电流波形的数据。

实施例2

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，它接收北斗/GPS卫星信号，生成标准时间信息；在对电力网的电压电流波形进行采样的同时，记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳，利用上述的时钟戳对电力网特征波进行标定，其包括以下步骤：

①对电力网的电压电流波形进行采样，获取离散的电压电流采样值；在采样的同时，接收来自于北斗/GPS卫星信号，生成标准时间信息，对上述的时间信息进行维护和处理，并记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳。上述的对时间信息进行维护和处理包括时间控制、时间格式转换、时区转换和闰秒计算。

②先对离散的电压电流采样值进行滤波处理，再进行傅里叶变换，得到基波及高次谐波的幅值和相位。不同于实施例1的是，本实施例采用傅里叶变换即可，另外其滤波算法采用巴特沃斯滤波算法，上述的傅里叶变换和巴特沃斯滤波算法均为本领域普通技术人员所熟知的技术。

③将得到的基波及高次谐波的幅值和相位，添加上采样时刻的高精度时钟戳，构成一个数据包，将上述的数据包发送给电力网的其它站点。

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的系统，它包括：卫星信号接收模块，其输入端利用天线接收北斗/GPS卫星信号；时间维护模块，其与卫星信号接收模块相连，对在卫星信号接收模块中生成的标准时间信息进行维护，并记录在采样模块中采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳；采样模块，其输入端分别与时间维护模块和电力网中的电压电流变换器相连，利用已生成的时钟戳对电力网电压电流波形进行采样；傅里叶函数处理模块，其输入端与采样模块的输出端相连接，对离散后的电压电流值进行傅里叶变换；编码模块，其与傅里叶函数处理模块相连接，对在傅里叶函数处理模块中得到的信息进行编码，生成数据包；以及通信模块，其与编码模块相连，将在编码模块中生成的数据包发送出去。

其他技术特征与实施例1相同。

实施例3

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，它接收北斗/GPS卫星信号，生成标准时间信息；在对电力网的电压电流波形进行采样的同时，记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳，利用上述的时钟戳对电力网特征波进行标定，其包括以下步骤：

①对电力网的电压电流波形进行采样，获取离散的电压电流采样值；在采样的同时，接收来自于北斗/GPS卫星信号，生成标准时间信息，对上述的时间信息进行维护和处理，并记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳。

②先对离散的电压电流采样值进行滤波处理，再进行快速傅里叶变换，得到基波及高次谐波的幅值和相位。不同于实施例1或2的是，本实施例采用快速傅里叶变换，另外其滤波算法采用切比雪夫滤波算法，上述的快速傅里叶变换和切比雪夫滤波算法均为本领域普通技术人员所熟知的技术。

③将得到的基波及高次谐波的幅值和相位，添加上采样时刻的高精度时钟戳，构成一个数据包，将上述的数据包发送给电力网的其它站点。在将数据包发送给电力网的其它站点后，该站点利用逆向转化对数据包进行拆包，然后进行傅里叶反变换，得到带有时钟戳标记得电压电流波形数据。

一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的系统，它包括：卫星信号接收模块，其输入端利用天线接收北斗/GPS卫星信号；时间维护模块，其与卫星信号接收模块相连，对在卫星信号接收模块中生成的标准时间信息进行维护，并记录在采样模块中采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳；采样模块，其输入端分别与时间维护模块和电力网中的电压电流变换器相连，利用已生成的时钟戳对电力网电压电流波形进行采样；傅里叶函数处理模块，其输入端与采样模块的输出端相连接，对离散后的电压电流值进行傅里叶变换；编码模块，其与傅里叶函数处理模块相连接，对在傅里叶函数处理模块中得到的信息进行编码，生成数据包；以及通信模块，其与编码模块相连，将在编码模块中生成的数据包发送出去。相应地，远程的站点还包括解码模块，解码模块与傅里叶反变换函数处理模块相连接，傅里叶反变换函数处理模块与数据对比分析模块相连，数据分析模块与PC机相连接。

其他技术特征与实施例1相同。

另外需要指出的是，本发明的实现程序是在一个使用了北斗/GPS的设备上实现的，但是时间信息的获取不限于此，还可以使用欧洲的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统，另外还可以使用地面时间链路获取高精度的时间信息。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域内普通技术人员均可在所附权利要求书的范围内作出各种变形或修改。

Claims (7)

1.一种利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，其特征在于：它接收卫星信号，生成标准时间信息；在对电力网的电压电流波形进行采样的同时，记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳，利用所述的时钟戳对电力网特征波进行标定，其包括以下步骤：

①对电力网的电压电流波形进行采样，获取离散的电压电流采样值；在采样的同时，接收卫星信号，生成标准时间信息，对所述的时间信息进行维护和处理，并记录采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳；

②对离散的电压电流采样值进行傅里叶变换，得到基波及高次谐波的幅值和相位；

③将得到的基波及高次谐波的幅值和相位，添加上采样时刻的时钟戳，构成一个数据包，将所述的数据包发送给电力网的其它站点。

2.根据权利要求1所述的利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，其特征在于：在将数据包发送给电力网的其它站点后，该站点利用逆向转化对数据包进行拆包，然后进行傅里叶反变换，得到带有时钟戳标记的电压电流波形数据。

3.根据权利要求1或2所述的利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，其特征在于：在步骤①中，所述的对时间信息进行维护和处理包括时间控制、时间格式转换、时区转换和闰秒计算。

4.根据权利要求3所述的利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，其特征在于：在步骤②中，先对离散的电压电流采样值进行滤波处理，再进行傅里叶变换。

5.根据权利要求1所述的利用时钟戳对电力网特征波进行标定的方法，其特征在于：所述的卫星信号为北斗/GPS卫星信号。

6.一种为实施权利要求1所述方法而采用的利用时钟戳对电力网特征波进行标定的系统，其特征在于，它包括：

卫星信号接收模块，其输入端利用天线接收北斗/GPS卫星信号；

时间维护模块，其与卫星信号接收模块相连，对在卫星信号接收模块中生成的标准时间信息进行维护，并记录在采样模块中采样中断信号发生的时刻，生成时钟戳；

采样模块，其输入端分别与时间维护模块和电力网中的电压电流变换器相连，利用已生成的时钟戳对电力网电压电流波形进行采样；

傅里叶函数处理模块，其输入端与采样模块的输出端相连接，对离散后的电压电流值进行傅里叶变换；

编码模块，其与傅里叶函数处理模块相连接，对在傅里叶函数处理模块中得到的信息进行编码，生成数据包；以及

通信模块，其与编码模块相连，将在编码模块中生成的数据包发送出去。

7.根据权利要求6所述的利用时钟戳对电力网特征波进行标定的系统，其特征在于，它还包括解码模块，解码模块与傅里叶反变换函数处理模块相连接，傅里叶反变换函数处理模块与数据对比分析模块相连，数据对比分析模块与PC机相连接。

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