CN101692104A - 一种电力系统电能质量监测与同步相量监测装置 - Google Patents

一种电力系统电能质量监测与同步相量监测装置 Download PDF

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CN101692104A CN 200910190645 CN200910190645A CN101692104A CN 101692104 A CN101692104 A CN 101692104A CN 200910190645 CN200910190645 CN 200910190645 CN 200910190645 A CN200910190645 A CN 200910190645A CN 101692104 A CN101692104 A CN 101692104A
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赵忠
薛伟
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Abstract

一种电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型,设有具有相同硬件平台的电能质量逻辑单元及PMU逻辑单元,按照IEC 61850-6实现系统配置,并形成独立使用的配置工具。本发明根据IEC 61850标准将电能质量监测与同步相量监测分别建模为不同的逻辑设备,既连续测量与记录电力系统变电站和用电用户的电能质量,也连续测量与记录电力系统变电站和发电厂的同步相量,进而构建电力系统实时动态监测系统,以加强对电力系统动态安全稳定的监控,提高调度机构准确把握系统运行状态的能力。本发明装置可以广泛用于各种电能质量监测和同步相量测量场合。

Description

一种电力系统电能质量监测与同步相量监测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及电能质量监测与同步相量监测,尤其是涉及一种电力系统电能质量
监测与同步相量监测装置。背景技术
[0002] 2007年中国正式采用IEC 61850为电力行业标准,着手改变二次设备数据重复采集,缺乏数据集成和处理,缺乏信息交换和共享的现状。现有变电站内电能质量监测装置,可以实时监测系统电能质量状态,防止电能污染,提高供电质量,保护电网及设备的安全稳定运行。与其硬件平台相同的同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit,简称PMU),可以实时监测系统运行状态、动态监控、状态估计、暂态稳定的预测及控制、继电保护,以及自适应失步保护。但是,目前尚未见有将上述两种装置按照IEC 61850标准统一建模对电网进行电能质量监测和同步相量监测二合一的装置。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷,提出一种基于IEC61850的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,将电能质量监测与同步相量监测在IEC 61850框架下集成在同一装置,以方便实现电力系统电能质量监测与同步相量监测。[0004] 本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
[0005] 这种电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,采用客户-服务器架构,管理机为客户端。
[0006] 这种电力系统电能质量监测与同步相量监测的特点是:
[0007] 在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型,设有具有相同硬件平台的电能质量逻辑单元及PMU逻辑单元;
[0008] 所述电能质量逻辑单元实现电压、三相不平衡度、频率、谐波、和电压的波动、闪变、暂降、暂升、短时中断等在线测量,并对测量结果标记GPS时钟;[0009] 所述PMU逻辑单元实现系统电压、电流相量相角和频率、功率在线测量以及同步相量测量,并对测量结果标记GPS时钟,既连续测量与记录电力系统变电站和用电用户的电能质量,也连续测量与记录电力系统变电站和发电厂的同步相量,符合电力系统电能质量监测与同步相量监测在IEC 61850框架下的一体化要求;
[0010] 所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯,采集部分接收模拟信号或数字信号,进行实时运算;
[0011] 所述客户端对与客户请求有关的模型进行映射;
[0012] 所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连接,通讯协议符合正C61850-8,映射为MMS服务,按照正C61850-6实现系统配置,并形成独立使用的配置工具。
[0013] 本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。[0014] 设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号复用电路。 [0015] 还设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。
[0016] 所述电能质量逻辑模块,其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻 辑节点:
[0017] 1) —个LPHD物理装置信息逻辑节点,用于描述本装置的物理信息; [0018] 2) —个LLNO逻辑节点,用于访问电能质量逻辑设备的公用信息; [0019] 3)至少一个MMXU测量逻辑节点,用于测量电压、电流和频率值; [0020] 4)至少一个MSQI相序和不平衡逻辑节点,用于测量序分量和不平衡度; [0021] 5)至少一个MSTA计量统计逻辑节点,用于分析统计设定期问内的平均值、最 大值和最小值;
[0022] 6)至少一个MHAI谐波和间谐波逻辑节点,用于测量谐波和间谐波。
[0023] 所述PMU逻辑模块,其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节
点:
[0024] 1) —个LPHD物理装置信息逻辑节点,用于描述本装置的物理信息;
[0025] 2) —个LLNO逻辑节点,用于访问故障录波逻辑设备的公用信息;
[0026] 3)—个MMXU测量逻辑节点,用于记录PMU的电压、电流、频率,功角等状
态量;
[0027] 4) —个MSQI相序和不平衡逻辑节点,用于记录序分量和不平衡度;
[0028] 5) —个MSTA计量统计逻辑节点,用于记录PMU标记事件。
[0029] 所述服务器的外部输入信号为GPS时钟和电压、电流信号,信号输入方式包
括:
[0030] l)模拟信号:经互感器传变过来的传统采样电压、电流模拟信号,及由并行电 缆以空接点的形式接入的开关量信号;
[0031] 2)IEC 61850-9-1数字信号和通用面向对象的变电站事件(Generic object oriented substation event,简称GOOSE)信号:符合IEC 61850-9-1串行单向多路点对点的数字信号 禾口 GOOSE信息网的GOOSE信号;
[0032] 3)IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号:符合正C 61850-9-2的数字信号和 GOOSE报文,由过程总线综合传输。
[0033] 本发明的技术问题通过以下更进一步的技术方案予以解决。
[0034] 所述采集板,包括带有SDRAM、 FLASH的DSP模块、FPGA-1采集控制模块和 FPGA-2时间控制模块。其中FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array) 的英文縮写。FPGA-1采集控制模块对所有模拟量及开关量进行同步采样,并将采集数据 加上时标,然后传输给DSP。 FPGA-2时间控制模块对接收到的时间信号进行解码,将处 理后的时间通过8位数据总线发给FPGA-1采集控制模块。
[0035] 所述模拟信号输入板,包括级联的模拟量检测模块、AD采样模块、FPGA-3, 以及提供电源的电源检测模块。
[0036] 所述数字信号输入板,包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网卡、FPGA-4、 FLASH BOOT ROM、 DDRRAM和RS232驱动器。
[0037] 所述GPS对时板包括FPGA-5、 CPU禾POCXO,提供系统统一的同步时钟。用于接收1PPS、 IRIG-B、串行时间报文,利用输入时间信号驯服本地时钟,生成高精度的 1PPS、 IRIG-B(DC)、 10kHz基准时钟信号、lMHz基准时钟信号。 [0038] 所述管理机为任何PC机或工业计算机。 [0039] 本发明与现有技术对比的有益效果是:
[0040] 本发明装置根据IEC 61850标准将电能质量与PMU分别建模为不同的逻辑设 备,既实现了对电力系统重要的变电站和用电用户进行电能质量监测,也实现了对电力 系统重要的变电站和发电厂进行同步相量测量,进而构建电力系统实时动态监测系统, 以加强对电力系统动态安全稳定的监控,提高调度机构准确把握系统运行状态的能力。 本发明装置可以广泛用于线路录波、主变录波,机组录波,及重要厂站电能质量监测和 同步相量测量等各种应用场合。在工程应用时只需根据需要对软件进行简单的配置即 可,无需任何复杂的操作,工程应用非常方便灵活。
附图说明
[0041] 图1是本发明具体实施方式的系统结构图; [0042] 图2是图1中的采集板的原理框图; [0043] 图3是图1中的模拟信号输入板的原理框图; [0044] 图4是图1中的数字信号输入板的原理框图; [0045] 图5是图1中的GPS对时板的原理框图; [0046] 图6是图1中的监控板原理框图;
[0047] 图7是本发明具体实施方式输入信号是模拟信号或是光纤数字信号的工作过程 示意图;
[0048] 图8是本发明具体实施方式输入信号是数字信号或是GOOSE信号的工作过程示 意图。
具体实施方式
[0049] 下面对照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
[0050] 图l是本发明具体实施方式的系统结构图,图中给出两种信号输入方式:合并 单元+GOOSE网,或是传统PT/CT传变的信号+开关量硬节点。
[0051] 本具体实施方式在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型, 设有具有相同硬件平台的电能质量逻辑单元及PMU逻辑单元,电能质量逻辑单元实现电 压、三相不平衡度、频率、谐波、和电压的波动、闪变、暂降、暂升、短时中断等在线 测量,并对测量结果标记GPS时钟;PMU逻辑单元实现系统电压、电流相量相角和频 率、功率在线测量以及同步相量测量,并对测量结果标记GPS时钟。既连续测量与记录 电力系统变电站和用电用户的电能质量,也连续测量与记录电力系统变电站和发电厂的 同步相量,符合电力系统电能质量监测与同步相量监测在IEC 61850框架下的一体化要 求。
[0052] 服务器通过以太网和多个客户端同时通讯,采集部分接收模拟信号或数字信 号,进行实时运算。客户端对与客户请求有关的模型进行映射。服务器端和客户端都能 与保护信息子站连接,通讯协议符合IEC 61850-8,映射为MMS服务,按照IEC61850-6实现系统配置,并形成独立使用的配置工具。
[0053] 设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号复用电路。 [0054] 还设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。
[0055] 如图2所示的采集板,包括带有SDRAM、 FLASH的DSP模块、FPGA-1采集 控制模块和FPGA-2时间控制模块。FPGA-1采集控制模块对所有模拟量及开关量进行同 步采样,并将采集数据加上时标,然后传输给DSP。 FPGA-2时间控制模块对接收到的时 间信号进行解码,将处理后的时间通过8位数据总线发给FPGA-1采集控制模块。 [0056] 如图3所示的模拟信号输入板,包括级联的模拟量检测模块、AD采样模块、 FPGA-3,以及提供电源的电源检测模块。模拟量检测模块接收到32路的模拟信号以后, 通过采样开关采取当前模拟信号,由采样保持器对信号进行保持,FPGA-3控制AD采样 模块将每一路模拟信号转换为16位的数字信号,并将采集数据汇总后,通过16位数据总 线上传给的FPGA-3进行处理。
[0057] 如图4所示的数字信号输入板,包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网卡、 FPGA-4、 FLASH BOOT ROM、 DDRRAM和RS232驱动器。采集板通过背板并行总线 将符合IEC 61850-9-1、 IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号的配置数据写入FPGA-4 内部的双口RAM中,数字信号输入板检测到配置数据有效后,根据配置信息指示由网 络处理器集成的两个网络接口和PCI总线扩展的两个网络接口同时接收两路符合IEC 61850-9-1、 IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号-GOOSE报文和合并单元数据,再根 据配置数据从报文中提取出系统需要的数据后进行整理,将数据放入双口 RAM缓冲区, 等待采集板读取。采集板读取后会设置相应的双口 RAM单元反馈数字信号输入板已取走 数据,由FPGA-4的CPU释放双口 RAM缓冲区。即使有一路信号出错时,由于是同时 接收两路,数据采集依然可以正确运行。
[0058] 如图5所示的GPS对时板包括FPGA-5、 CPU禾POCXO,是系统统一的同步时 钟电路,用于接收1PPS、 IRIG-B、串行时间报文,利用输入时间信号驯服本地时钟,生 成高精度的1PPS、 IRIG-B(DC)、 10kHz基准时钟信号、lMHz基准时钟信号。卫星信号 消失后,能够精确守时;卫星信号恢复后,能够自动切换到GPS对时方式。利用输入时 间信号驯服本地时钟,再通过FPGA-5的逻辑运算输出高精度的时间频率信号。 [0059] FPGA-5采用Altera公司的EP2C8,利用数字锁相环和补偿算法来产生精确的 1PPS、 IRIG-B(DC)、 10kHz基准时钟信号、lMHz基准时钟信号,并且通过SPI总线和 CPU算法模块进行数据交换。
[0060] CPU采用流明诺瑞的LM3S1601,用来接收外部串行报文信号和FPGA-5交换的 数据,CPU别服算法模块根据FPGA-5测量得到的相位偏差,控制OCXO得到一个高精 度的标准10MHz频率,然后FPGA-5中的PLL将10MHz标准频率倍频到100MHz,这样 FPGA-5内部可以产生分辨率为10ns频率基准。FPGA-5利用这个频率基准可以生成高精 度的1PPS、 IRIG-B(DC)、 10kHz基准时钟信号、lMHz基准时钟信号。 [0061] 如图6所示的监控板,包括PC104Plus处理器模块,配置双网口,支持CF卡、 硬盘,使用PCI到HPI的专用桥接芯片完成HPI访问。通过ISA总线通过CPLD译码, 扩展8路继电器输出。PC104plus处理器模块通过PCI总线访问DSP的HPI接口 , PCI总 线与HPI总线之间的桥接芯片选用PCI2040。用于接受采集板传来的数据,完成录波格式转换、数据保存;并与管理机通讯,通讯协议为用户定义的私有协议或IEC 61850-8-1; 实现电能质量数据存储,同时实现记录动态数据、标识PMU事件、查找动态数据及PMU 数据与管理机实时通信功能。
[0062] 管理机采用嵌入式计算机EmCORE-i8524(600M),主要配置如下:Intel型 CPU,主频可达600MHz; 256MB DDR SDRAM ; 3个独立的100M以太网卡;支持 PCI, PC/104, PC/104+等总线;支持6个232串口 。 用于实现ACSI处理、实时监测、 定值设定、运行控制、文件管理、事件检索、电能质量和PMU数据与主站实时通信。 [0063] 本发明具体实施方式输入信号是模拟信号或是光纤数字信号的工作过程见图7, 输入信号是数字信号或是GOOSE信号工作过程见图8。具体步骤如下: [0064] l)输入信号的处理
[0065] 如果输入信号是模拟信号,则用小PT/CT进行信号隔离转换,然后对模拟信号 进行滤波、A/D转换,生成数字量放在16位数据总线上;
[0066] 如果输入信号是光纤数字信号、数字信号或是GOOSE信号,则将网口数据接收 下来,并按照已定义好的数据格式放在16位数据总线上。 [0067] 2)打时标
[0068] 采集板从16位数据总线上读取数据,并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时 标。
[0069] 3)数据计算
[0070] 采样数据每满一个周波,则计算每个通道的有效值、谐波,以及正序、负序、 零序、功率等状态量,将计算结果保存在预定义结构中。 [0071 ] 4)电能质量和PMU事件标识生成
[0072] DSP根据计算结果与定值比较判断有电能质量或PMU事件发生,并填写标识事 件结构。
[0073] 5)数据发送
[0074] 采集板将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构通过DSP的HPI 总线发送给监控板,每周波发送一次。 [0075] 6)监控板处理接收的数据
[0076] 按照是是否产生事件标记生成标记事件文件,同时根据采样数据生成动态录波 文件,并将文件写入硬盘。 [0077] 7)管理机工作
[0078] 如要对动态数据进行分析及下定值等人机对话操作,则需要管理机来完成。管 理机主要完成离线分析、在线配置、运行控制、实时监测、事件检索、对外通信等工 作。
[0079] 本具体实施方式装置的性能指标如下:
[0080] 1)交流电压线性范围:0〜3Un ;交流电流线性范围:0.1〜40In ;
[0081] 2)幅值测量误差:0.2% ;
[0082] 3)零漂:< 0.02 ;
[0083] 4)同步性:< O.lms ;
[0084] 5)频率测量误差:< 0.01Hz ;[0085] 6)供电电压及偏差计算:< 0.5% ;
[0086] 7)三相电压不平衡度及负序量计算:< 0.2% ;
[0087] 8)三相电流不平衡度计算:< 1% ;
[0088] 9)谐波计算;
[0089] 电压:Uh23%UN, 5%Uh; Uh《3%UN, 0.15% UN ;
[0090] 电流:Ih^10%IN, 5%Ih; Ih《10%IN, 0.5% IN;
[0091] 10)电压波动计算:< 5% ;
[0092] 11)闪变计算:< 5% ;
[0093] 12)发电机功角测量误差:在额定频率下不大于1° ;
[0094] 13)有功功率和无功功率的测量误差:< 0.5% ;
[0095] 14)主站间传输速率:25、 50、 100次/秒的可选传输速率;
[0096] 15)绝对时间误差:< ± 10ms/天(无GPS) ; < ± 1 P S(有GPS);
[0097] 16)装置功耗:< 80W ;
[0098] 17)事件标识记录保存时间:30天;
[0099] 18)动态记录容量:200G硬盘,可保存15天以上电能质量和PMU动态记录数 据;
[0100] 19)最大配置为:96路模拟量,192路开关量。
[0101] 20)接入信号类型:
[0102] 模拟信号:三相电压、三相电流、直流电压或电流和高频信号;
[0103] 开关量信号:保护跳闸信息和断路器状态信息。
[0104] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认 定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来 说,在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相 同,则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (10)

  1. 一种电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:在服务器端按照IEC?61850标准要求统一建立IEC?61850模型,设有具有相同硬件平台的电能质量逻辑单元及PMU逻辑单元;所述电能质量逻辑单元实现电压、三相不平衡度、频率、谐波、和电压的波动、闪变、暂降、暂升、短时中断等在线测量,并对测量结果标记GPS时钟;所述PMU逻辑单元实现系统电压、电流相量相角和频率、功率在线测量以及同步相量测量,并对测量结果标记GPS时钟,既连续测量与记录电力系统变电站和用电用户的电能质量,也连续测量与记录电力系统变电站和发电厂的同步相量,符合电力系统电能质量监测与同步相量监测在IEC?61850框架下的一体化要求;所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯,采集部分接收模拟信号或数字信号,进行实时运算;所述客户端对与客户请求有关的模型进行映射;所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连接,通讯协议符合IEC?61850-8,映射为MMS服务,按照IEC61850-6实现系统配置,并形成独立使用的配置工具。
  2. 2. 根据权利要求1所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号复用电路。
  3. 3. 根据权利要求1或2所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。
  4. 4. 根据权利要求3所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:所述电能质量逻辑模块,其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点:1) 一个LPHD物理装置信息逻辑节点,用于描述本装置的物理信息;2) —个LLNO逻辑节点,用于访问电能质量逻辑设备的公用信息;3) 至少一个MMXU测量逻辑节点,用于测量电压、电流和频率值;4) 至少一个MSQI相序和不平衡逻辑节点,用于测量序分量和不平衡度;5) 至少一个MSTA计量统计逻辑节点,用于分析统计设定期间内的平均值、最大值 和最小值;6) 至少一个MHAI谐波和间谐波逻辑节点,用于测量谐波和间谐波。
  5. 5. 根据权利要求4所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:所述PMU逻辑模块,其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点:1) 一个LPHD物理装置信息逻辑节点,用于描述本装置的物理信息;2) —个LLNO逻辑节点,用于访问故障录波逻辑设备的公用信息;3) —个MMXU测量逻辑节点,用于记录PMU的电压、电流、频率,功角等状态4) 一个MSQI相序和不平衡逻辑节点,用于记录序分量和不平衡度;5) —个MSTA计量统计逻辑节点,用于记录PMU标记事件。
  6. 6. 根据权利要求5所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:所述服务器的外部输入信号为GPS时钟和电压、电流信号,信号输入方式包括:1) 模拟信号:经互感器传变过来的传统采样电压、电流模拟信号,及由并行电缆以空接点的形式接入的开关量信号;2) 正C 61850-9-1数字信号和GOOSE信号:符合IEC 61850-9-1串行单向多路点对点 的数字信号和GOOSE信息网的GOOSE信号;3) 正C 61850-9-2数字信号和GOOSE信号:符合IEC 61850-9-2的数字信号和GOOSE 报文,由过程总线综合传输。
  7. 7. 根据权利要求6所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:所述采集板,包括带有SDRAM、 FLASH的DSP模块、FPGA-1采集控制模块和 FPGA-2时间控制模块。
  8. 8. 根据权利要求7所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:所述模拟信号输入板,包括级联的模拟量检测模块、AD采样模块、FPGA-3,以及 提供电源的电源检测模块;所述数字信号输入板,包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网卡、FPGA-4、 FLASH BOOT ROM、 DDRRAM和RS232驱动器。
  9. 9. 根据权利要求8所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:所述GPS对时板包括FPGA-5、 CPU和OCXO,提供系统统一的同步时钟。
  10. 10. 根据权利要求9所述的电力系统电能质量监测与同步相量监测装置,其特征在于:所述管理机为任何PC机或工业计算机。
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