CN102175907A - 灵活的广域电网相量测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统监测技术领域中的一种灵活的广域电网相量测量系统。包括顺序相连的可移动相量测量单元、通信网络和中心平台；可移动相量测量单元包括信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、同步采样模块、数据管理模块和通信接口模块；其中，信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、数据管理模块和通信接口模块顺序连接；同步采样模块分别与模数转换模块和数据管理模块连接；通信网络用于将附加时间信息的数字信号发送到中心平台；中心平台用于接收附加时间信息的数字信号，并对接收的数据进行存储和分析。本发明通过可移动相量测量单元灵活组网，既节约了组网成本，又避免了信息量过大导致的有效信息提取困难的问题。

Description

灵活的广域电网相量测量系统

技术领域

本发明属于电力系统监测技术领域，尤其设计一种灵活的广域电网相量测量系统。

背景技术

电力系统的广域电网是地理上的概念，它由发电机、变电站及重要节点组成，其最小单位是省网，再上一级为区域网(如华东、华北、华中)，再上一级为全国互联电网。广域电网测量系统(WAMS)主要由位于厂站端同步相量测量装置(PMU)、通信系统和位于调度中心的数据采集中心组成，其简化结构示意图如图1所示。

借助于全球定位系统GPS的精确对时功能，由各个PMU采集到的带时标的相角、电压等信息通过以太网接入现场局域网，再通过光纤连接到调度中心，以太网和光纤的快速传输能力保证了实时性的要求，使得调度中心能够实时得到各个被测量点电压、相角的准确值。其工作模式为各个PMU固定安装于现场，长期在线监测。

广域电网测量系统(WAMS)主要实现如下功能：

(1)测量发电机功角和母线相角，实时进行电力系统的安全稳定分析与控制。

(2)全网动态过程事故记录及事故分析。安装在各地的PMU可以在全网同一时间参考下记录电网的动态过程。

(3)稳态分析：PMU可以和现有的SCADA系统相结合提高系统状态估计的精度。

广域电网测量系统(WAMS)的主要特点和关键技术在于：

(1)WAMS具有固定组网的模式。目前，WAMS中的PMU装设不再移动，永久地只在线监测该节点的相量，现场需要安装PMU屏柜。

(2)网络拓扑及节点信息不易改变。因为WAMS的监测对象不变，所以其对应的网络拓扑及节点信息不用改变，该信息一般由厂家在监测系统的软件中预先装入，用户的人员不能进行修改或重设。

(3)高速数据通道及海量信息存储技术。为了满足大量实时数据的测量、存贮和对外发送，必须具有高速信息通道及海量信息存储技术。一般不注意考虑所用通信方式的灵活性与方便性。

(4)广域测量的同步技术。所有PMU均以精确的同步时钟信号(如GPS)作为采样过程的基准，采样脉冲的同步误差一般在±1μs左右。

广域电网测量系统(WAMS)测得的是电力系统的相量，它们对分析电力系统的故障或异常具有很高的价值。电力系统在任何时候、任何地方都有可能发生故障或异常，因此按照现有的WAMS固定组网方式，系统的大部分节点都安装PMU才能监测到整个系统出现的故障或异常。所以，按照目前WAMS的方式发展下去，就必须使监测点覆盖整个电网，监测点的数量非常多，成本太高，电力系统是无法承担如此高额费用的，而且庞大的WAMS系统的信息量太大，会造成“海量信息”效应，反而使有效信息提取困难，不利于问题的分析与决策。

由于上述问题的存在，使得具有很好理念的WAMS实际上只获得很少的应用。WAMS目前只是应用在电力系统的输电网中，而且装设PMU节点的比例极低，主要用作对于电力系统安全稳定控制的辅助手段，事实上对于输电系统的大部分节点都还没有装设PMU。与输电系统相比，在电力系统中配电系统的结构更为庞大和复杂，更容易出现异常和故障，WAMS技术在配电系统中具有更广阔的应用价值，而现在的事实是WAMS在配电系统中基本还没有获得应用。

因此如何克服现有WAMS的缺点，使得相量测量技术在整个电力系统获得普遍应用，具有极大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种灵活的广域电网相量测量系统，用以解决广域电网测量系统(WAMS)存在的问题。

技术方案是，一种灵活的广域电网相量测量系统，其特征是所述系统包括顺序相连的可移动相量测量单元、通信网络和中心平台；

可移动相量测量单元包括信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、同步采样模块、数据管理模块和通信接口模块；其中，信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、数据管理模块和通信接口模块顺序连接；同步采样模块分别与模数转换模块和数据管理模块连接；

所述信号拾取模块用于拾取电网的电流信号和电压信号；

所述前向通道模块用于对拾取的信号进行相位调节、放大和降噪处理；

所述模数转换模块用于将经过处理的信号从模拟信号转换成数字信号，并在同步采样模块的控制下输出数字信号；

所述同步采样模块用于向模数转换模块输出同步采样波形，控制数字信号的采样输出；同时还用于向数据管理模块发送时间信息；

所述数据管理模块用于接收并存储模数转换模块输出的数字信号，并按照设定规则，将接收的数字信号附加时间信息后发送到通信接口模块；

所述通信接口模块用于将附加时间信息的数字信号发送到通信网络；

所述通信网络用于将附加时间信息的数字信号发送到中心平台；

所述中心平台用于接收附加时间信息的数字信号，并对接收的数据进行存储和分析。

所述信号拾取模块包括钳形电流互感器和带电压接入端子的电压互感器。

所述前向通道模块包括顺序连接的相位调节模块、程控放大模块和有源滤波模块；

所述相位调节模块用于对接收的信号进行相位调节；

所述程控放大模块用于对经过相位调节的信号进行放大处理；

所述有源滤波模块用于对经过相位调节和放大处理的信号进行低通滤波，滤除高频干扰。

所述同步采样模块包括相互连接的GPS接收模块和复杂可编程逻辑器，其中，GPS接收模块与数据管理模块相连，复杂可编程逻辑器与模数转换模块相连；

所述GPS接收模块用于接收GPS卫星信号，并输出秒脉冲；还用于向数据管理模块发送时间信息；

所述复杂可编程逻辑器用于在GPS接收模块输出的秒脉冲触发下，输出与秒脉冲同步的采样波形。

所述数据管理模块包括单片机、双口随机存储器、数字信号处理器、存储模块、显示器和键盘；其中，单片机、双口随机存储器和数字信号处理器顺序相连，显示器和键盘分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器与通信接口模块相连；

所述单片机用于接收模数转换模块输出的数字信号，并将接收的数字信号写入双口随机存储器；同时还通过双口随机存储器，向数字信号处理器发出中断信号；

所述双口随机存储器用于暂存单片机接收的数字信号；

所述数字信号处理器用于接收同步采样模块发出的时间信息，并在收到双口随机存储器发出的中断信号后，从双口随机存储器读取接收的数字信号，并将接收的数字信号附加时间信息后，发送到通信接口模块；

所述单片机和数字信号处理器采用双DSP模式，或者采用DSP加工控机模式，或者采用单片机加工控机的模式。

所述通信接口模块包括JR45接口、RS-232/485接口和USB接口中的至少1种接口。

本发明突破了现有的广域电网测量系统的固定组网方式，按照电网运行状况，通过可移动相量测量单元，灵活进行组网，既节约了组网成本，又避免了信息量过大导致的有效信息提取困难的问题。

附图说明

图1是广域电网相量测量系统结构示意图；

图2是灵活的广域电网相量测量系统结构示意图；

图3是可移动相量测量单元结构示意图；

图4是前向通道模块结构示意图；

图5是同步采样模块结构示意图；

图6是数据管理模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明的设计思路是：由于绝大部分时间里电力系统(电网)处于正常状态，既无异常又无故障，只是在个别时间里在个别地点可能出现异常或故障。电力系统的日常工作，可以通过多种途径发现系统的故障或异常，如通过SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统的数据反映系统的异常现象，巡视人员发现变电站内供电设备出现的异常现象，工作人员发现局部电网频繁出现不明原因异常或故障等。上述各种途径取得的信息有许多只是现象，SCADA系统的信息为异步信息，这些都无法有效、准确的分析问题产生的原因。此时，一旦发现或怀疑电网某处存在故障或异常，那么在大部分情况下问题应该存在于它周边的局部电网内，此时可在该局部电网合理地设置若干临时测量点并接入可移动相量测量单元，根据现场的实际条件选择使用“灵活通信网络”，设置并启动“中心平台”的系统参数和监测任务，便可组成一个适应本次临时监测任务的“灵活的广域电网相量测量系统”。合理设置监测的时间段及同步采样的密度，从而可以捕捉足够的高有效率的同步状态信息，为电力系统出现异常或故障原因的查找提供依据。等该次临时监测任务完成后，可将临时装设的灵活的广域电网相量测量系统收回，完成本次监测任务。待以后电力系统中出现新的故障或异常时，使用相同的设备在局部电网组成新的灵活的广域电网相量测量系统。

图2是灵活的广域电网相量测量系统结构示意图。图2中，本发明提供的灵活的广域电网相量测量系统包括：可移动相量测量单元、通信网络和中心平台，可移动相量测量单元、通信网络和中心平台顺序相连。可移动相量测量单元用于获取电网的信号，并对获取的信号进行处理，之后将处理的信号发送到通信网络。通信网络用于将附加时间信息的数字信号发送到中心平台。中心平台用于接收附加时间信息的数字信号，并对接收的数据进行存储和分析。

图3是可移动相量测量单元结构示意图，图3中，可移动相量测量单元包括信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、同步采样模块、数据管理模块和通信接口模块；其中，信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、数据管理模块和通信接口模块顺序连接；同步采样模块分别与模数转换模块和数据管理模块连接。

信号拾取模块用于拾取电网的电流信号和电压信号。信号拾取模块对被测系统的电流信号拾取采用宽量程线性钳形电流互感器，使得测量时无需打开被测的电流回路。对被测系统(电网)的电压信号采用夹、卡、片等各种电压信号拾取接入端子，无需松动原有电压端子即可接入。然后，经过小型PT(电压互感器)进行电压信号的隔离转换。这种灵活的信号拾取方式能够实现对被测系统的无干扰(或低干扰)接入方式。

前向通道模块用于对拾取的信号进行相位调节、放大和降噪处理。图4是前向通道模块结构示意图，图4中，前向通道模块包括顺序连接的相位调节模块、程控放大模块和有源滤波模块。相位调节模块用于对接收的信号的相位进行调节，从而提高不同相量测量单元之间所测相量的相角同步精度。程控放大模块用于对经过相位调节的信号进行放大处理，可根据被测信号实际大小对其进行最合适放大倍数的调节，使得被测信号在较宽范围内都有较好的测量精度，具有自适应宽量程的特点。有源滤波模块用于对经过相位调节和放大的信号进行低通滤波，滤除高频干扰，提高测量精度。

模数转换模块用于将经过处理的信号从模拟信号转换成数字信号，并在同步采样模块的控制下输出数字信号。模数转换模块可选用具有16位多通道输入高速A/D转换芯片的A/D转换器，内部具有采样保持电路。A/D转换器将模拟量转换成数字量，并由数据管理模块从其内部寄存器读取后放入双口随机存储器(双口RAM)。

同步采样模块用于向模数转换模块输出同步采样波形，控制数字信号的采样输出；同时还用于向数据管理模块发送时间信息。图5是同步采样模块结构示意图，图5中，同步采样模块包括相互连接的GPS接收模块和复杂可编程逻辑器(CPLD：Complex Programmable Logic Device)。其中，GPS接收模块与数据管理模块相连，复杂可编程逻辑器与模数转换模块相连。GPS接收模块用于接收GPS卫星信号，并输出秒脉冲；还用于向数据管理模块发送时间信息；复杂可编程逻辑器用于在GPS接收模块输出的秒脉冲触发下，输出与秒脉冲同步的采样波形。

数据管理模块包括单片机、双口随机存储器、数字信号处理器、存储模块、显示器和键盘。其中，单片机、双口随机存储器和数字信号处理器顺序相连，显示器和键盘分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器与通信接口模块相连。图6是数据管理模块结构示意图，图6中，单片机用于接收模数转换模块输出的数字信号，并将接收的数字信号写入双口随机存储器；同时还通过双口随机存储器，向数字信号处理器发出中断信号。双口随机存储器(双口RAM)用于暂存单片机接收的数字信号。数字信号处理器(DSP)用于接收同步采样模块发出的时间信息，并在收到双口随机存储器发出的中断信号后，从双口随机存储器读取接收的数字信号，并按照设定规则将接收的数字信号附加时间信息后，发送到通信接口模块或者存储模块。设定规则可以是接收到的数字信号的数量，也可以是设定时间。比如设定接收的数字信号的数量为100，则每接收100个数字信号，将上述接收的数字信号附加时间信息，然后发送到通信接口模块或者存储模块。存储模块用于临时存储附加时间信息的数字信号，供显示器显示。可移动相量测量单元的现场操作人员可以使用键盘，调用存储模块存储的数据。并通过显示器，监控存储模块中存储的数据。单片机和数字信号处理器可采用双DSP模式，或者DSP加工控机模式，或者单片机加工控机的模式。存储模块可以采用FLASH存储卡或者铁电存储器等高速非易失性存储介质。

通信接口模块包括JR45接口、RS-232/485接口和USB接口中的至少1种接口。根据测量点的实际情况，可选择局域网通信或485总线方式通信。若测量点没有预留通信接口，则相量测量单元可通过USB接口扩展无线上网卡，通过GPRS(或CDMA)无线网络实现与中心平台的通信。

通信网络包括：局域网(传输介质为光纤、电话线等)、GPRS/CDMA无线网络、485总线等。根据本系统覆盖的测量点所能提供的通信接口的不同，可以采用几种通信方式的组合灵活组建通信网络。

中心平台安装了基于图形平台的被测电网自动建模程序，能够自动生成被测电网拓扑结构模型。同时，中心平台具有优化布局功能，以保证使用最少的相量测量单元实现对被测电网的全面测量。另外，中心平台还可以对接收的数据作初步数据分析，对数据作FFT(快速傅里叶变换)得到电网监测数据的频域信息，然后再对数据作对称分量分析，得到被检测节点的电压和各支路电流量的基波和各次谐波的正、负、零序分量，并将分析结果存储到中心平台的数据库中。这些分析结果是进行电力系统运算的基本数据。中心平台还提供了标准的数据接口，供外部应用程序访问原始接收的数据、FFT后的数据以及序分解后的数据，并进行其它高级应用。如被测电网统谐波特性分析、被测电网状态估计等。中心平台还可以把测量数据上载到被测电网拓扑图上显示，分析问题更直观。

本发明灵活选取电网的节点接入可移动相量测量单元，进行电网相量的测量，并通过多种通信网络将测量数据发送到中心平台进行分析，与现有广域电网测量系统固定相量测量单元的组网方式相比，避免大量布设固定相量测量单元造成的成本过高，数据中心处理数据量过大的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种灵活的广域电网相量测量系统，其特征是所述系统包括顺序相连的可移动相量测量单元、通信网络和中心平台；

所述可移动相量测量单元用于获取电网的信号，并对获取的信号进行同步处理，之后将进行同步处理的信号发送到通信网络；可移动相量测量单元包括信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、同步采样模块、数据管理模块和通信接口模块；其中，信号拾取模块、前向通道模块、模数转换模块、数据管理模块和通信接口模块顺序连接；同步采样模块分别与模数转换模块和数据管理模块连接；

所述信号拾取模块用于拾取电网的电流信号和电压信号；

所述前向通道模块用于对拾取的信号进行相位调节、放大和降噪处理；

所述模数转换模块用于将经过处理的信号从模拟信号转换成数字信号，并在同步采样模块的控制下输出数字信号；

所述同步采样模块用于向模数转换模块输出同步采样波形，控制数字信号的采样输出；同时还用于向数据管理模块发送时间信息；

所述数据管理模块用于接收并存储模数转换模块输出的数字信号，并按照设定规则，将接收的数字信号附加时间信息后发送到通信接口模块；

所述通信接口模块用于将附加时间信息的数字信号发送到通信网络；

所述通信网络用于将附加时间信息的数字信号发送到中心平台；

所述中心平台用于接收附加时间信息的数字信号，并对接收的数据进行存储和分析。

2.根据权利要求1所述的一种灵活的广域电网相量测量系统，其特征是所述信号拾取模块包括钳形电流互感器和带电压接入端子的电压互感器。

3.根据权利要求1所述的一种灵活的广域电网相量测量系统，其特征是所述前向通道模块包括顺序连接的相位调节模块、程控放大模块和有源滤波模块；

所述相位调节模块用于对接收的信号进行相位调节；

所述程控放大模块用于对经过相位调节的信号进行放大处理；

所述有源滤波模块用于对经过相位调节和放大处理的信号进行低通滤波，滤除高频干扰。

4.根据权利要求1所述的一种灵活的广域电网相量测量系统，其特征是所述同步采样模块包括相互连接的GPS接收模块和复杂可编程逻辑器，其中，GPS接收模块与数据管理模块相连，复杂可编程逻辑器与模数转换模块相连；

所述GPS接收模块用于接收GPS卫星信号，并输出秒脉冲；还用于向数据管理模块发送时间信息；

所述复杂可编程逻辑器用于在GPS接收模块输出的秒脉冲触发下，输出与秒脉冲同步的采样波形。

5.根据权利要求1所述的一种灵活的广域电网相量测量系统，其特征是所述数据管理模块包括单片机、双口随机存储器、数字信号处理器、存储模块、显示器和键盘；其中，单片机、双口随机存储器和数字信号处理器顺序相连，显示器和键盘分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器与通信接口模块相连；

所述单片机用于接收模数转换模块输出的数字信号，并将接收的数字信号写入双口随机存储器；同时还通过双口随机存储器，向数字信号处理器发出中断信号；

所述双口随机存储器用于暂存单片机接收的数字信号；

所述数字信号处理器用于接收同步采样模块发出的时间信息，并在收到双口随机存储器发出的中断信号后，从双口随机存储器读取接收的数字信号，并将接收的数字信号附加时间信息后，发送到通信接口模块；

所述单片机和数字信号处理器采用双DSP模式，或者采用DSP加工控机模式，或者采用单片机加工控机的模式。

6.根据权利要求1所述的一种灵活的广域电网相量测量系统，其特征是所述通信接口模块包括JR45接口、RS-232/485接口和USB接口中的至少1种接口。

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