CN102103199B - 基于三相电力系统模型的数字信号发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三相电力系统模型的数字信号发生装置，所述的装置包括：信号参数设置单元，用于对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置；信号模型生成单元，用于根据存储的三相电力数学模型和设置好的信号参数生成数字信号模型；采样参数设置单元，用于对输出数据的采样率进行设置；采样数据生成单元，用于根据设置好的采样率对数字信号模型进行采样，生成采样数据；帧格式设置单元，用于对输出数据帧格式进行设置；数字信号输出单元，用于将采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出。利用本发明为数字化电能表提供测试信号，用于数字化电能表的校验。

Description

基于三相电力系统模型的数字信号发生装置及方法

技术领域

本发明关于电力系统中数字化多功能电能表的测量技术，尤其关于数字电能表的测试信号生成技术，具体的将是一种基于三相电力系统模型的数字信号发生装置及方法。

背景技术

目前，数字化电能表已经在数字化变电站挂网运行，该数字化电能表是遵循IEC61850-9-1数字化变电站通信规约，具有数字信号输入接口，应用于数字化变电站的新型电能表。

由于数字化电能表的输入端口为数字接口，而传统的模拟校验装置不能提供数字校验信号，因此无法用于数字化电能表的校验。

发明内容

本发明实施例提供一种基于三相电力系统模型的数字信号发生装置及方法，可以输出符合IEC61850-9-1协议标准的数据帧。

本发明实施例的目的之一是，提供一种基于三相电力系统模型的数字信号发生装置，该装置包括：信号参数设置单元，用于对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置；信号模型生成单元，用于根据存储的三相电力数学模型和设置好的信号参数生成数字信号模型；采样参数设置单元，用于对输出数据的采样率进行设置；采样数据生成单元，用于根据设置好的采样率对所述的数字信号模型进行采样，生成采样数据；帧格式设置单元，用于对输出数据帧格式进行设置；数字信号输出单元，用于将所述的采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出；其中，所述的信号参数设置单元包括：电压分相调节模块，用于对所述数字信号的三相电压幅值分别进行调节；电流分相调节模块，用于对所述数字信号的三相电流幅值分别进行调节；功率分相调节模块，用于对所述数字信号的三相功率因数分别进行调节；频率调节模块，用于对所述数字信号的频率进行调节；参数显示调节模块，用于对所述信号参数的显示形式进行调节；所述的采样参数设置单元包括：采样点数设置模块，用于对应用服务ASDU数和采样点数进行设置；所述的帧格式设置单元包括：数据帧类型选择模块，用于对电压数据和电流数据是否同包进行选择；协议包类型设置模块，用于根据IEC61850标准设置协议包类型；目的地址设置模块，用于对数据包的目的MAC地址进行设置。

本发明实施例的目的之一是，提供一种基于三相电力系统模型的数字信号发生方法，该方法包括以下步骤：对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置；根据三相电力数学模型和设置好的信号参数生成数字信号模型；对输出数据的采样率进行设置；根据设置好的采样率对所述的数字信号模型进行采样，生成采样数据；对输出数据帧格式进行设置；将所述的采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出；其中，所述的对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置包括：对所述数字信号的三相电压幅值分别进行调节；对所述数字信号的三相电流幅值分别进行调节；对所述数字信号的三相功率因数分别进行调节；对所述数字信号的频率进行调节；对所述信号参数的显示形式进行调节；所述的对输出数据的采样率进行设置包括：对应用服务ASDU数和采样点数进行设置；所述的对输出数据帧格式进行设置包括：对电压数据和电流数据是否同包进行选择；根据IEC61850标准设置协议包类型；对数据包的目的MAC地址进行设置。

本发明实施例的效果在于，通过构建能够输出符合IEC61850-9-1协议标准数据帧的数字信号发生装置，为数字化电能表提供测试信号，用于数字化电能表的校验。该数字信号发生装置所采用信号的幅值和相位可通过参数设置，输出数据的采样率也可设置，输出数据帧的格式可通过参数设置，从而可构造输出各种参数条件下的采样数据帧，适应不同的测试需求。

附图说明

图1为本发明基于三相电力系统模型的数字信号发生装置的结构框图；

图2为信号参数设置单元的结构框图；

图3为帧格式设置单元的结构框图；

图4为本发明基于三相电力系统模型的数字信号发生方法流程图；

图5为本发明实施例中对信号参数进行设置的具体操作示意图；

图6为本发明实施例中对输出数据帧格式进行设置的具体操作示意图；

图7为本发明一实施例数字式信号发生装置的结构框图；

图8为本发明一实施例中主控计算机参数的帧格式图；

图9为本发明一实施例中管理平台下发的数据帧格式图；

图10为输出的符合IEC61850-9-1协议标准的数据帧格式图；

图11为本发明又一实施例的数字式信号发生装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合说明书附图对本发明实施例进行进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示为本发明基于三相电力系统模型的数字信号发生装置的结构示意图，该装置包括：信号参数设置单元101、信号模型生成单元102、采样参数设置单元103、采样数据生成单元104、帧格式设置单元105以及数字信号输出单元106。

通过信号参数设置单元101对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置，通过采样参数设置单元103对采样率进行设置；信号模型生成单元102根据存储的三相电力数学模型和由信号参数设置单元101设置好的信号参数生成数字信号模型，输出建立的数字信号模型的数据；采样数据生成单元104根据设置的采样率对数字信号模型进行采样，生成采样数据；通过帧格式设置单元105对输出的数据的帧格式进行设置；数字信号输出单元106将采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出。

其中三相电力模型公式如下式（1）、（2）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_a=A_{\mathrm{ua}}\cos (2*\mathrm{\π}*f*t+\mathrm{\α})\\ U_b=A_{\mathrm{ub}}\cos (2*\mathrm{\π}*f*t+\mathrm{\α}-\frac{2*\mathrm{\π}}{3})\\ U_c=A_{\mathrm{uc}}\cos (2*\mathrm{\π}*f*t+\mathrm{\α}+\frac{2*\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_a=A_{\mathrm{ia}}\cos (2*\mathrm{\π}*f*t+\mathrm{\β\α})\\ I_b=A_{\mathrm{ib}}\cos (2*\mathrm{\π}*f*t+\mathrm{\β}-\frac{2*\mathrm{\π}}{3})\\ I_c=A_{\mathrm{ic}}\cos (2*\mathrm{\π}*f*t+\mathrm{\β}+\frac{2*\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(2\right)$

如图2所示，其中，信号参数设置单元101包括电压分相调节模块1011、电流分相调节模块1012、功率分相调节模块1013、频率调节模块1014以及参数显示模块1015。

通过电压分相调节模块1011对数字信号的各相电压幅值进行调节，并可根据实际需要对其中的各相电压幅值分别进行调节；通过电流分相调节模块1012对数字信号的电流幅值进行设置调节，亦可根据实际需要对其中的各相电压幅值分别进行设置调节；通过功率分相调节模块1013对数字信号的各相功率因数分别进行设置调节；通过频率调节模块1014对数字信号的频率进行设置调节；通过参数显示调节模块1015，对信号参数的显示形式进行调节。

可预设该装置的三相电力模型的各相电压的初始值均为Un、变化步长为均Un%，各相电流的初始值为In，变化步长均为In%，根据实际需要，可通过变化步长对各相电压的初始值Un和电流的初始值In进行增加或减小调节，从而设定模型的各相电压幅值、电流幅值，即设定电力系统模型中的各相电压幅值A_ua、A_ub、A_uc，电流幅值A_ia、A_ib、A_ic；同样可设置该装置三相电力模型的频率初始值为f_n，变化步长为f_n%，以f_n%的频率步长变化调节频率初始值，从而设定上述公式中的f；设三相模型中的各相的相角差为θ＝α-β，模型中各相cosθ＝+1.0，通过调节θ设置装置的三相电力模型的功率因数。

完成模型中各参数的设置后，信号模型生成单元102生成数字信号模型。通过采样设置单元103对采样率进行设置，并通过采用设置单元103的采样点数设置模块设置应用服务ASDU数和采样点数，采样数据生成单元104根据设置的采样率和采样点数对生成的数字信号模型进行采样，生成采样数据。

如图3所示，帧格式设置单元105包括：数据帧类型选择模块1051，协议包类型设置模块1052以及目的地址设置模块1053。

采样数据生成单元104生成采样数据后，数据帧类型选择模块1051对采集的电压数据和电流数据是否同包进行选择，确定对电压/电流数据进行打包后，协议包类型设置模块1052根据IEC61850标准设置协议包类型，目的地址设置模块1053设置接收数据包的设备的MAC地址。数字信号输出单元106将采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出，生成符合IEC61850标准的三相电力系统模型的数字信号。

本发明实施例通过基于三相电力系统数学模型的数字信号发生装置，生成符合IEC61850标准的数字信号，通过该装置生成的数字信号中的各参数可灵活设置，能模拟电网不同的运行状况，可为数字化电能表校验提供全范围的测试信号。

实施例2

如图4所示，本发明实施例为基于三相电力系统模型的数字信号发生方法流程图，包括如下步骤：步骤S401，对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置；步骤S402，根据三相电力数学模型和设置好的信号参数生成数字信号模型；步骤S403，对输出数据的采样率进行设置；步骤S404，根据设置好的采样率对数字信号模型进行采样，生成采样数据；步骤S405，对输出数据帧格式进行设置；步骤S406，将采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出。

其中，步骤S401对三相电力模型的数字信号进行设置进一步包括：步骤S4011对三相电压幅值进行调节，可分别对三相电压的各相电压幅值进行设置；步骤S4012对三相电路幅值进行调节，分别对三相电流的各相电流幅值进行设置；步骤S4013对三相功率因数进行调节；步骤S4014对数字信号频率进行调节；步骤S4015对信号参数显示形式进行调节，根据实际需要，对信号参数的显示形式进行调节。

三相电力系统模型参数设置完毕后，根据设置的采样率对该模型进行采用，生成采用数据。根据设置的数据帧格式，将采样数据按照设置的输出数据帧格式组帧输出。其中，对输出数据帧格式进行设置，即步骤S405，如图6所示，包括：步骤S4051对电压数据和电流数据是否同包进行选择，即设置生成的数据信号中为电流数据或电压数据或者两者均包括；步骤S4052，设置协议包类型，即根据IEC61850标准设置生成的数字信号的协议包类型；步骤S4053设定目的地址，对接收数据包的MAC地址进行设定。

通过利用本发明实施例基于三相电力系统模型的数字信号发生方法，设置三相电力系统中的信号参数，并对生成的数据包的格式、协议类型以及接收数据的设备的MAC地址进行设置，生成符合IEC61850标准的数字信号。

实施例3

下面以对三相电力系统模型进行采样获得符合IEC61850-9-1标准的数据帧的数字式信号发生装置为例，对本发明进行进一步详细的说明。

本实施例的数字信号发生装置包括：管理平台70和数字信号处理平台71

管理平台70包括，输入端口701，在本实施例中输入端口为RS485接口，微处理器702和存储器703，存储器703可用于存储设备最后一次操作设置的电力系统模型参数信息。

用户可通过主控计算机输入设置构造三相电力模型所需要的参数以及配置参数，主控计算机可通过RS485接口连接到数字式信号发生装置的管理平台70，微处理器702根据用户输入的参数信息对模型参数进行设置（相当于信号参数设置单元、采样参数设置单元意见帧格式设置单元）；三相电力系统模型参数包括：电压幅值、电流幅值以及相位幅值；如图8所示为，主控计算机参数数据帧格式图，其中配置参数包括：对建立的三相电力系统模型信号进行采样的采样率以及组成符合IEC61850标准的数据帧的报文参数主控计算机参数帧格式如下：其中控制码：1字节用以标示配置参数或运行参数配置参数包括：2字节的进行离散化的采样率；2字节的输出数据报文中包含的应用服务数据单元ASDU数；6个字节的MAC地址，运行参数包括：三相电压幅值；三相电流幅值；三相相角值。

管理平台30得到上述参数后，将上述参数经UART II端口送至数字信号处理平台71，数据具体格式如图9所示，其中分别代表设置的电力系统模型的各相电压、电流、功率值及采样点数和ASDU数。

数字信号管理平台71其主芯片采用具有网络MAC层设备和异步串行通信接口的数字信号处理器711。数字信号处理器711根据接收到的管理平台发送的参数后，根据预设的三相电力系统模型公式，构造相应的信号模型的模拟电压、电流值（相当于信号模型生成单元），然后，数字信号处理器711按照设定的采样率对该模型进行采样，采样率率为f_s＝N×f，其中f为三相电力系统模型的频率，根据IEC61850-9-1标准，公式中的N>86,在满足此条件时，可根据需要设置采样频率，生成三相电压、电流的采样值，并通过MMI端口送入组帧处理器712。

组帧处理器712接受到采样值后按照设定组成符合IEC61850-9-1协议标准的数据帧，如图10所示，为生成的符合IEC61850-9-1协议标准的数据帧格式，其中，MAC地址为接收设备的物理地址，ASDU包括获得的采样量化后的电力系统模型的电压及电流值。

数字信号处理平台还包括端口100BASE-FX和RJ45PORT，用于根据不同的接收设备，选择不同的端口输出获得的数字信号。由于数字式信号发生装置输出的数据帧格式可以根据参数控制，因此可作为检验符合相关协议标准的各种实现形式的数字化电能表的数据源。

如图11所示，本发明实施例的数字信号发生装置的管理平台除了通过连接主控计算机获得用户设置的参数外，还可通过连接一触摸屏803直接输入设置参数，系统结构如图11所示。在本实施例中管理平台40包括铁电存储器FRAM402和控制器LCD Controller 701。直接通过触摸屏获得用户设置的信号参数。具体操作同上述实施例3，在此不再重复描述。

通过上述实施例，通过连接主控计算机或直接使用触控面板输入设置参数，可提供多样的数字信号，信号的参数可灵活设置，模拟电网不同的运行状况，为数字化电能表提供全范围的测试信号。数字式信号发生装置配置灵活，操作方便，输出的数据帧信号易于扩展。为数字化电能表提供了功能全面的测试信号发生装置。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于三相电力系统模型的数字信号发生装置，其特征在于，所述的装置包括：

信号参数设置单元，用于对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置；

信号模型生成单元，用于根据存储的三相电力数学模型和设置好的信号参数生成数字信号模型；

采样参数设置单元，用于对输出数据的采样率进行设置；

采样数据生成单元，用于根据设置好的采样率对所述的数字信号模型进行采样，生成采样数据；

帧格式设置单元，用于对输出数据帧格式进行设置；

数字信号输出单元，用于将所述的采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出；

其中，所述的信号参数设置单元包括：电压分相调节模块，用于对所述数字信号的三相电压幅值分别进行调节；电流分相调节模块，用于对所述数字信号的三相电流幅值分别进行调节；功率分相调节模块，用于对所述数字信号的三相功率因数分别进行调节；频率调节模块，用于对所述数字信号的频率进行调节；参数显示调节模块，用于对所述信号参数的显示形式进行调节；

所述的采样参数设置单元包括：采样点数设置模块，用于对应用服务ASDU数和采样点数进行设置；

所述的帧格式设置单元包括：数据帧类型选择模块，用于对电压数据和电流数据是否同包进行选择；协议包类型设置模块，用于根据IEC61850标准设置协议包类型；目的地址设置模块，用于对数据包的目的MAC地址进行设置。

2.一种基于三相电力系统模型的数字信号发生方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置；

根据三相电力数学模型和设置好的信号参数生成数字信号模型；

对输出数据的采样率进行设置；

根据设置好的采样率对所述的数字信号模型进行采样，生成采样数据；

对输出数据帧格式进行设置；

将所述的采样数据按照设置好的输出数据帧格式组帧输出；

其中，所述的对数字信号的包括电压、电流、功率和频率在内的信号参数进行设置包括：对所述数字信号的三相电压幅值分别进行调节；对所述数字信号的三相电流幅值分别进行调节；对所述数字信号的三相功率因数分别进行调节；对所述数字信号的频率进行调节；对所述信号参数的显示形式进行调节；

所述的对输出数据的采样率进行设置包括：对应用服务ASDU数和采样点数进行设置；

所述的对输出数据帧格式进行设置包括：对电压数据和电流数据是否同包进行选择；根据IEC61850标准设置协议包类型；对数据包的目的MAC地址进行设置。

Images