CN101893662A - 数字变电站的核相方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字变电站的核相方法，其包括：1)在以点对点方式实现的数字化变电站中，核相装置接入来自不同间隔合并单元的高速串行通信数据，核相装置将接收的通信数据送至PC机，PC机任选某一相电压为基准，分别直观检查同一电压等级或不同一电压等级的各相电压的幅值和相位关系的正确性，从而完成数字变电站启动时的二次核相；2)在以组网方式实现的数字化变电站中，核相装置通过IEC61850交换网络设备接入来自不同间隔合并单元的以太网通信数据，然后核相装置将该通信数据送至PC机，进行电压核相时，任选某一相电压为基准，通过PC机分别检查同一电压等级或不同一电压等级电压的幅值、相位关系的正确性。

Description

数字变电站的核相方法

技术领域

本发明涉及数字变电站的技术领域，具体是一种数字变电站的核相方法。

背景技术

传统变电站由于各种功能采用的通信标准和信息模型不尽相同，二次设备和一次设备间用电缆传输模拟信号和电平信号，各种功能需建设各自的信息采集、传输和执行系统，增加厂变电站的复杂性和成本。

数字化变电站是指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站基本特征为设备智能化、通信网络化、运行管理自动化等。

数字化变电站特点：1)、一次设备智能化采用数字输出的电子式互感器、智能开关(或配智能终端的传统开关)等智次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样状态量、控制命令等信息。

2)、二次设备网络化次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电缆。

3)、统一信息模型和通信协议所有信息按统一标准建模，并按统一的通信协议标准传输，实现不同设备和不同功能的信息共享。变电站的设备间信息交换均按照统一的IEC 61850标准通过通信网络完成，变电站在扩充功能和扩展规模时，只需在通信网络上接入新增符合国际标准的设备，无需改造或更换原有设备，保护用户投资，降低变电站全生命周期成本。

另外，变电站站内信息数字化、标准化，在IEC 61850到主站的标准确立以后，调度端将可完全访问变电站的所有信息。除了传统的实时数据外，调度端还可以直接导入变电站模型乃至主接线图，并能获得在线监测、设备台帐等运行管理信息。

4)、运行管理自动化整合监控、远动、五防、在线监测等功能，新增自动故障分析系统和程序化控制系统等高级应用功能，提升自动化水平，减少运行维护的难度和工作量。

5)、简化二次接线数字化变电站的一次设备和二次设备间、二次设备之间均采用计算机通信技术，一条信道可传输多个每相电压的信息。同时采用网络通信技术，通信线的数量约等于设备数量。因此数字化变电站的二次接线将大幅度简化。

变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层：变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议网际协议(TCPIP)以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备(IED，测控单元和继电保护)均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。

采用传统电压电流互感器的变电站是用电压表和相位表来完成二次核相和带负荷试验的。数字化变电站中，由于多数采用数字式的电流电压互感器，传统的数字式核相设备无法正常获取相关的检测信息，已不适应变电站发展的需求，伴随着电子技术及通信技术的发展，高速点对点串行通信及网络通信成为数字化变电站的发展方向，因此支持以上各种通信规约的全新型数字化二次核相装置显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种的数字变电站的核相方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的数字变电站的核相方法，其包括：1)、在以点对点方式实现的数字化变电站中，核相装置接入来自不同间隔合并单元的高速串行通信数据，核相装置将接收的通信数据送至PC机，PC机将同一电压等级和/或不同电压等级的三相电压信号以图形的形式显示在屏幕上，并任选某一相电压为基准，分别直观检查同一电压等级或不同一电压等级的各相电压的幅值和相位关系的正确性，从而完成数字变电站启动时的二次核相；2)、在以组网方式实现的数字化变电站中，核相装置通过变电站通信体系IEC61850中的交换网络设备接入来自不同间隔合并单元的以太网通信数据，然后核相装置将该通信数据送至PC机，进行电压核相时，任选某一相电压为基准，通过PC机分别检查同一电压等级或不同一电压等级电压的幅值、相位关系的正确性。

应用上述数字变电站的核相方法的核相系统包括：用于接收来自不同间隔合并单元的高速串行通信数据或网络交换设备的数字信号的核相装置、通过以太网与核相装置相连的用于显示同一电压等级和/或不同电压等级的三相电压信号波形的PC机。所述核相装置包括：用于数据和通信处理的主处理器、用于接收高速串行通信数据的辅处理器和用于监视主处理器的工作状态的监控处理器。所述主处理器连接有以太网通信接口、HDLC通信接口、UART通信接口、SPI通信接口和I²C通信接口。

应用上述数字变电站的核相方法的核相系统包括：用于接收来自不同间隔合并单元的高速串行通信数据或网络交换设备的数字信号的核相装置、通过以太网与核相装置相连的用于显示同一电压等级和/或不同电压等级的三相电压信号波形的PC机。所述核相装置包括：用于数据和通信处理的主处理器、用于接收高速串行通信数据的辅处理器和用于监视主处理器的工作状态的监控处理器。所述主处理器连接有以太网通信接口、HDLC通信接口、UART通信接口、SPI通信接口和I²C通信接口。

本发明的积极效果：(1)本发明的数字变电站核相装置是数字化二次核相装置，可接入包括IEC60044-8、IEC61850-9-1和IEC61850-9-2等规约的多路光纤数字信号，适用于智能化变电站和数字化发电厂。在以点对点方式或组网方式实现的智能变电站中，数字化二次核相装置接入来自不同间隔合并单元或网络交换设备的高速串行或以太网通信数据，进行电压核相时，可以任意选取UA、UB、UC其中一路电压为基准，分别检查不同电压等级或同一电压等级电压UA、UB、UC各相电压及相电压幅值、相序正确性；数字化二次核相装置主要由核相装置机箱和专用PC机组成，核相装置机箱主要用于接收来自于合并单元或网络交换设备的数字信号，对这些信号合并、处理后将相关数据送至PC机，PC机通过上层软件以图形化方式显示各路数字信号对应模拟量的测量电压、电流、相位、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相位角以及相位图、向量图等。最后，以指示灯显示测试结果及相关状态。(3)本发明涉及数字化变电站PT二次核相和带负荷试验方案，其中包括适用于点对点不同间隔核相：实现数据源直接来自不同间隔的合并单元的核相；适用于网络拓扑不同间隔核相：实现数据源来自IEC61850交换网络的核相。其中包括同一电压等级之间核相，不同电压等级之间电压的幅值与相位关系，同一电压等级的电流幅值相位关系，不同电压等级的电流幅值相位关系。由此完成整个变电所启动时的核相和带负荷试验。本发明满足数字化变电站PT二次核相和带负荷试验的相关技术要求，是具有智能化、信息化的多功能检测装置。

(4)数字化二次核相装置特征：1)、适用于点对点不同间隔的核相：数据源来源于不同间隔的合并单元，将来源于不同合并单元的数据引至核相装置。选取某一相电压为基准，分别检查不同电压等级或同一电压等级电压和电流幅值、相位的正确性；2)、适用于网络拓扑不同间隔的核相：数据源来源于IEC61850交换网络设备，将来源于不同网络设备的数据引至核相装置，选取某一相电压为基准，分别检查不同电压等级或同一电压等级电压和电流幅值、相位的正确性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为实施例1中的数字变电站核相系统的结构示意图。

图2为实施例1中的数字变电站核相系统的工作方法的程序流程。

图3为实施例1中的PC机的图形化显示的流程图。

具体实施方式

见图1-3，本实施例的数字变电站的核相方法包括：1)、在以点对点方式实现的数字化变电站中，核相装置接入来自不同间隔合并单元的高速串行通信数据，核相装置将接收的通信数据送至PC机，PC机将同一电压等级和/或不同电压等级的三相电压信号以图形的形式显示在屏幕上，任选某一相电压为基准，分别直观检查同一电压等级或不同一电压等级的各相电压的幅值和相位关系的正确性，从而完成数字变电站启动时的二次核相；2)、在以组网方式实现的数字化变电站中，核相装置通过IEC61850交换网络设备接入来自不同间隔合并单元的以太网通信数据，然后核相装置将该通信数据送至PC机，进行电压核相时，任选某一相电压为基准，通过PC机分别检查同一电压等级或不同一电压等级电压的幅值、相位关系的正确性。

在图形化显示同一电压等级和/或不同一电压等级电压的幅值和相位关系的正确性之前，PC机对所述通信数据进行处理以得出的各相电压的幅值和相位关系的步骤如下：a)、获取采样起始点：每秒显示的周波数可由用户设置，每秒采样点数由核相装置确定，因此待显示采样点需要计算：待显示采样点＝显示周波数×采样点数，数据存储采用堆栈方式，最新数据点位于栈尾。因此采样起始点计算如下：采样起始点＝最新数据点-待显示采样点。

b)、设置每相电压的傅立叶级数：核相装置将接收的通信数据包括测得的正弦波电压信号通过A/D转换后成为一组离散点组成的时间序列；对该时间序列进行n次采样，采样率为f_s，采样信号的时域表示为x(n)，其中0≤n≤N-1，x(n)代表电压信号的瞬时值；则相邻采样间隔为Δt＝I/f_s，对这N个采样点进行离散傅立叶变换，极坐标形式表达式为： $X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-f\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)(\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}-j\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk})$ 其中k＝0，1，2，…，N-1，输出的结果X(k)就是x(n)的频域显示，k为谐波次数；找出最大的X(k)，即为基波50Hz的电压有效值，从而可以得到各相电压的幅值；傅立叶参数实部＝(cos((k+1)×PI×J×2/f)/sqrt(2)；傅立叶参数虚部＝(-sin((k+1)×PI×J×2/f)/sqrt(2)；其中PI是圆周率，K指几次谐波，J表示当前点数，f为采样频率，sqrt是开平方函数。

c)、每相电压的实部、虚部值计算：计算每相电压实部、虚部值，用于每相电压角度、幅值、核相分析：

d)、每相电压的相角计算：由于每相电压实部值a和虚部值b已求出，因此根据公式

即可获得各相电压的相角值；然后设定第一相电压的相角为0，其他各相电压以与第一相电压的相角差作为显示的相角值。

在三相电力系统中，用A，B，C标记区别三相的相序。当它们分别达到最大值的次序为A、B、C时，称为正相序，如次序是A、C、B，则称为负相序。设第一路电压Ua，Ub，Uc，第二路电压Ux，Uy，Uz，核相计算具体过程如下：同一电压等级的核相：自检：判别两路电压是否正序，校验Uab的相角是否为120度，Ubc的相角是否为-240度，Uca的相角是否为120度。校验Uxy的相角是否为120度，Uyz的相角是否为-240度，Uzx的相角是否为120度。

互检：a.判别两路电压相序是否一致，Uax、Uby、Ucz间的相角是否是0度。b.判别两路同相电压幅值是否一致。

不同电压等级的核相：归算：根据不同的电压等级、变压器的类型，对幅值和相角进行归算。

幅值：将两路电压归算到高压侧，归算公式：U_归算后＝U_{归算前某侧电压}×(电压等级高压侧/某侧电压等级)。

相角：根据变压器的类型，计算中压侧与高压侧，高压侧与低压侧，中压侧与低压侧电压的相角。例如常见的Y/Y/-11接线方式，变压器中压侧与高压侧的同相电压相角相差0度。中压侧与低压侧，高压侧与低压侧的同相电压相角相差30度。

然后自检两路电压是否正序、互检归算后的两路电压相序和幅值是否满足核相要求。同时显示高压侧与中压侧、高压侧与低压侧之间的相角差与幅值差。在获取通道角度之后我们就可以根据周波数、周波点数、原始值画出所需要的波形。

对于常规的图形显示，通常采用从视图获取显示设备，继而在上面画图显示的方式实现，但确定是如果数据刷新较快的话会出现不断的闪屏，影响查看效果。这里我们采用的是内存画图的方式，将所要画的图首先画在内存当中，然后作为一张图片显示在显示设备上，这种方式可以有效的避免闪屏的发生。实现流程如图3所示。

其中，通过MoveTo、LineTo函数，循环绘制出N-1数据与N点数据的连线，从而函数曲线的绘制。

作为图形化的显示，以上已经完成了一次绘画，但对于不断更新的数据而言，我们需要看到一个波形不断变化的过程。所以需要不断的调用录波显示函数进行更新。这里我们设定了一个时钟，每隔一定范围就调用显示录波一次，并且时钟的间隔可调，这样就可以根据不同环境设置适合查看的时间间隔。

对于核相结果的显示，通过加载核相方案，如相同电压等级，双母线间核相或不同电压等级间核相等，指定核相通道，如双侧同相，根据每一种类型预期的核相结果，比较采样数据，分析出核相的结论，动态显示到界面上。

见图1，应用上述数字变电站的核相方法的核相系统包括：核相装置和PC机。核相装置包括的数据处理模件有三个处理器：主处理器、辅处理器和监控处理器。

主处理器核采用Freescale公司的PowerQuicc II系列的MPC8247，CPU频率最高达400MHz，低功耗(0.8W at 266MHz)。MPC8247采用双核结构：一个PowerPC 603e核和一个单独的通信处理机模块(CPM)。内核(1.5V)和I/O(3.3V)分开供电。64位数据线和32位地址线的60x BUS支持64、32、16和8位的器件。有数据和指令高速缓存、内存管理单元(MMU)，可以提供100M/10M以太网、HDLC、UART、SPI、I²C等通信接口。

辅处理器为FPGA，辅处理器主要用于实现高速串行数据的接收处理，以替代CPU的部分功能。

监控处理器用来监视主处理器的工作状态，当主处理器工作异常时，监控处理器可以通过电源模件发出告警信号。

在以点对点方式或组网方式实现的智能变电站中，数字化二次核相装置接入来自不同间隔合并单元或网络交换设备的高速串行或以太网通信数据，进行电压核相时，可以任意选取UA、UB、UC其中一路电压为基准，分别检查不同电压等级或同一电压等级电压UA、UB、UC各相电压及相电压幅值、相序正确性。

如图1，数字化二次核相装置由核相装置和PC机组成，核相装置主要用于接收来自于合并单元或网络交换设备的数字信号，对这些信号合并、处理后将相关数据送至PC机，数据流程如图2所示，PC机通过上层软件以图形化方式显示各路数字信号对应模拟量的测量电压、电流、相位、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相位角以及相位图、向量图等。主要提供以下功能：接收并处理来自于合并单元或网络交换设备的数字信号；将需要图形化显示的信息发送至PC机，通过图形界面显示模拟量的电压、电流、相位、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相位角以及相位图、向量图等；以指示灯显示测试结果及相关状态。

采用核相装置处理采样值，首先需要进行采样值配置。配置采用XML格式的文件形式，由PC机通过以太网口下载到装置上并支持实时刷新配置。配置文件首先区分采样值接入采用点对点或者组网形式，之后配置文件还提供了本装置所需要的采样率。装置在上电之后会读取程序根目录下的配置文件并采用公司开发的XML解析库来分析配置文件，将配置信息存储在全局配置结构体中。程序还提供开放的接口可以在TELNET中检查配置信息，供使用人员检查配置文件是否是正确的。程序会定时扫描配置文件的校验信息，当发现配置文件被在线修改，会重新解析配置文件。第一次解析配置文件之后，装置初始化，首先按配置文件载入FPGA程序。当装置接收点对点IEC60044-8数据时，需要载入相应的FPGA处理程序。装置接收组网IEC61850-9-2数据不需要载入FPGA程序。之后装置会按照配置的接收每相电压数分配合理的内存缓冲区存放接收到的数据。分配完存储空间后，装置按照配置文件建立以太网报文过滤表，发送给底层的以太网芯片，保证合理高效的收入以太网报文。

装置随后会确立采样值接收和发送的节拍。对于点对点IEC60044-8数据，接收和发送节拍都基于底层FPGA提供的中断。点对点不同间隔的数据一般采用来自不同合并器的IEC60044-8数据，分别接入到核相装置PSHT600的CPU板的S1-S3口。配置文件中体现不同接口接入的数据每相电压的含义，以便于发送时抽取每相电压。PSHT600采用FPGA处理IEC60044-8，FPGA将不同间隔的数据解析后插值同步并以中断的式提供给PowerPC处理器。PowerPC处理器在FPGA中断内获取到多间隔的已经同步过的数据后，按照内部约定的规约再将数据从以太网口发送出去。发送数据采用任务方式，数据接收完成之后采用带有一定缓冲机制的发送方式，在任务中发送出数据并完成统计信息工作。发送任务的节拍一般低于接收中断。核相装置上送的采样率低于原始的采样率，既可以满足核相精度又减少装置和PC机的计算负荷。PC机收到PSHT600发出的以太网报文后，解析出多间隔数据并进行核相分析处理，分别检查电压UA、UB、UC各相电压及相电压幅值、相序正确性。

组网数据报文来源于交换网络设备，一般采用IEC61850-9-2报文格式。将交换网络设备数据接口接入到核相装置PSHT600的CPU板的ER1口。配置文件中体现了装置需要接收间隔的广播地址，APPID等信息。ER1口做为PowerPC的以太网接口，以查询方式接收组网的报文并按照IEC61850-9-2格式解码。查询的节拍由装置开启的定时中断决定，定时中断的频率略高于IEC6185-9-2规定的采样率。依据乃奎斯特采样定律可以真实还原原始的以太网数据。解析到各个间隔的数据中的采样计数器位，各个间隔报文按照其采样计数器同步存储。核相装置支持接收多间隔组网数据，接收的过程中进行一系列状态标和数据的处理，当多间隔数据不同步或者出现每相电压异常或通信中断的时候，需要按照一定的逻辑将综合的状态标信息上传给PC装置，供上位机进行核相操作。PowerPC在接收组网数据的同时，将同一采样计数器的不同间隔数据发送出去。需要注意的是，当采用组网形式的采样值报文，合并器必须同步，保证站内相同采样计数器的数据对应着同一物理时刻。从PSHT600发送给PC机的数据可以配置，通过配置抽取出PC核相所关心的每相电压数据。

点对点数据接入的时候，状态标由底层接收IEC60044-8的FPGA提供，逻辑相对简单，稳定性较好。当接入采样值组网，装置采用带缓冲机制的收发方式，利用采样计数器对齐的方式可以抗以太网抖动。该处理方式同时也应用于保护装置采样值处理，经过动模试验验证取得良好的效果。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims (2)

1.一种数字变电站的核相方法，其特征在于包括：

1)、在以点对点方式实现的数字化变电站中，核相装置接入来自不同间隔合并单元的高速串行通信数据，核相装置将接收的通信数据送至PC机，PC机将同一电压等级和/或不同电压等级的三相电压信号以图形的形式显示在屏幕上，并任选某一相电压为基准，分别直观检查同一电压等级或不同一电压等级的各相电压的幅值和相位关系的正确性，从而完成数字变电站启动时的二次核相；

2)、在以组网方式实现的数字化变电站中，核相装置通过变电站通信体系IEC61850中的交换网络设备接入来自不同间隔合并单元的以太网通信数据，然后核相装置将该通信数据送至PC机，进行电压核相时，任选某一相电压为基准，通过PC机分别检查同一电压等级或不同一电压等级电压的幅值、相位关系的正确性。

2.根据权利要求1所述的数字变电站的核相方法，其特征在于：在图形化显示同一电压等级和/或不同电压等级电压的幅值和相位关系的正确性之前，PC机对所述通信数据进行处理以得出的各相电压的幅值和相位关系的步骤如下：

a)、获取采样起始点；

b)、设置每相电压的傅立叶级数：

核相装置将接收的通信数据包括测得的正弦波电压信号通过A/D转换后成为一组离散点组成的时间序列；对该时间序列进行n次采样，采样率为f_s，采样信号的时域表示为x(n)，其中0≤n≤N-1，x(n)代表电压信号的瞬时值；则相邻采样间隔为Δt＝I/f_s，对这N个采样点进行离散傅立叶变换，极坐标形式表达式为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{-f\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)(\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk}-j\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{nk})$

其中k＝0，1，2，…，N-1，输出的结果X(k)就是x(n)的频域显示，k为谐波次数；找出最大的X(k)，即为基波50Hz的电压有效值，从而可以得到各相电压的幅值；

傅立叶参数实部＝(cos((k+1)×PI×J×2/f)/sqrt(2)；

傅立叶参数虚部＝(-sin((k+1)×PI×J×2/f)/sqrt(2)；

其中PI是圆周率，K指几次谐波，J表示当前点数，f为采样频率，sqrt是开平方函数；

c)、每相电压的实部、虚部值计算：

计算每相电压实部、虚部值，用于每相电压角度、幅值、核相分析：

d)、每相电压的相角计算：

由于每相电压实部值a和虚部值b已求出，因此根据公式

即可获得各相电压的相角值；然后设定第一相电压的相角为0，其他各相电压以与第一相电压的相角差作为显示的相角值。

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