CN102508030A - 基于工控机同步相量测量装置的数据处理系统及报文方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于工控机同步相量测量装置的数据处理系统及报文方法，使同步相量测量装置符合61850标准。该系统采用嵌入式软硬件平台，在实现现有同步相量测量装置相量计算、故障录波、实时记录分析、实时通信等功能的基础上，实现了符合IEC 61850标准的设备建模、采样值报文接收和解析、与站内监控及其他IED设备数据共享等功能。本发明实现高速稳定的通信网络设计，同时实现了对系统的动态特性进行监测，获得的数据密度大，且实时性高。

Description

基于工控机同步相量测量装置的数据处理系统及报文方法

技术领域：

本发明涉及电力系统领域，具体涉及基于工控机同步相量测量装置的数据处理系统及报文方法。

背景技术：

目前建设智能电网是各国电力行业的热点，我国提出了建设“坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动”内涵的具有中国特色的智能电网。智能变电站是智能电网的重要组成部分，智能变电站指的是应用先进可靠、高度集成的设备，通过网络化通信、标准化信息平台，实现电网运行数据全面采集、自动运行控制、在线分析决策、协同互动等功能，达到提高变电站运行可靠性、减少人工干预、支撑电网实时控制和智能调节、优化资产利用、电源灵活接入等目标的变电站。

在智能变电站中实现测量、控制、保护等功能的智能综合组件是其必不可少的组成部分，但目前这些设备普遍存在着无法提供绝对精确时标的数据、数据精度不足、采集密度低等缺陷。同步相量测量装置(PMU，Phasor Measurement Unit)自上世纪90年代出现后，因其具有测量精度高、具有精确时标、数据上送速率快等优点，已经得到了广泛的应用，并有逐步取代传统量测设备的趋势，但是目前因对采样速率、对时精度等有较高的要求仅在常规变电站使用，因此研制一种适用于智能变电站的同步相量测量装置成为了一项紧迫的工作。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于工控机的同步相量测量装置及其报文方法。采用嵌入式软硬件平台，在实现传统同步相量测量装置相量计算、故障录波、实时记录分析、实时通信等功能的基础上，实现了符合IEC 61850标准的设备建模、采样值报文接收和解析、与站内监控及其他IED设备数据共享等功能。

本发明提供的一种基于工控机的同步相量测量装置数据处理系统，其改进之处在于，所述系统包括设备逻辑节点模块、逻辑节点0模块、采样值逻辑节点模块、相量逻辑节点模块和扰动记录逻辑节点模块；

所述设备逻辑节点模块，用于描述设备的整体信息；

所述逻辑节点0模块，包括多路采样控制块和GOOSE控制块：

所述多路采样控制块为对应一种模拟量采样方式，存储与模拟量采样相关的属性信息的模块；

GOOSE控制块为对应开关量采样而设置的模块；

所述采样值逻辑节点模块包括：电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块；

所述电流互感器逻辑节点模块、所述电压互感器逻辑节点模块和所述通用采样逻辑节点模块为分别对应电流采样通道、电压采样通道和开关量采样通道的节点模块；

所述相量逻辑节点模块包括：三相系统测量逻辑节点模块和相序/不平衡逻辑节点模块；

所述三相系统测量逻辑节点模块为存放系统由原始采样值计算得到的三相电压相量、三相电流相量、线路总有功、线路总无功、线路频率和线路频率变化率的节点模块；

所述相序/不平衡逻辑节点模块中存放系统由原始采样值计算得到的正序、负序、零序电压和电流；

所述扰动记录逻辑节点模块：定义了扰动记录功能对应的启动方式、记录时间以及连续启动记录时间间隔信息。

本发明提供的第一优选方案的系统，其改进之处在于，所述电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块中存储的配置信息均包括：通道ID、通道名称和通道采样值单位；

实时采样数据的数值、时标和品质信息保存在基于所述电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块的实时采样值数据结构设计的实时数据共享区中。

本发明提供的第二优选方案的系统，其改进之处在于，所述线路频率变化率为每秒线路频率的变化量。

本发明提供的第三优选方案的系统，其改进之处在于，所述三相系统测量逻辑节点模块的数据存储的配置信息包括：数据序号、数据名称、数据转换因子和基于该项计算量设定的扰动记录启动门限值；所述扰动记录启动门限值存放在rangeC数据属性中，并根据系统支持的其他扰动记录启动判据对rangeC数据属性进行扩充。

本发明提供的第四优选方案的系统，其改进之处在于，所述三相电压相量、三相电流相量、线路总有功、线路总无功、线路频率和线路频率变化率、以及正序电压/流、负序电压/流、零序电压/流的数值、时标和品质保存在基于所述电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块的计算量数据结构设计的计算量数据共享区中。

本发明提供的第五优选方案的系统，其改进之处在于，所述工控机为PCM-821。

本发明基于另一目的提供的一种基于上述数据处理系统的报文方法，其改进之处在于，通过所述采样值逻辑节点模块进行报文，所述方法包括如下步骤：

1)采集线程接收报文；

2)是否为采样值报文，是则进行步骤3)，否则返回步骤1)；

3)报文解析线程检查报文是否符合9-1标准的采样值报文，是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_1中，由报文中的LDName判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实施数据缓冲区RTData_9_1的对应位置，并进行步骤6)；如果否则进行步骤4)；

4)报文解析线程检查报文是否符合Pac_Structure_9_2LE标准的采样值报文，是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_2 LE中，由报文中的svID判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实时数据缓冲区RTData_9_2_LE的对应位置，并进行步骤6)；如果否则进行步骤5)；

5)报文解析线程检查报文是否符合9-2标准的采样值报文，是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_2中，由报文中的svID判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实时数据缓冲区RTData_9_2的对应位置并进行步骤6)；

6)将实时数据缓冲区内各被测元件采样数据时标对齐；

7)报文解析线程判断缓冲区已积累半周波时间长度的采样数据，是则进行步骤8)，否则返回步骤1)；

8)是否处理实时数据缓冲区编号，是则进行步骤9)，否则返回步骤1)；

9)通知实时数据处理线程取数。

本发明提供的第一优选方案的数据处理系统的报文方法，其改进之处在于，所述步骤3)、步骤4)、步骤5)的相关信息包括数据品质、刷新时间、采样频率。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明实现高速稳定的通信网络设计。

本发明智能变电站同步相量测量装置提供的网络时钟服务器，通过脉冲对时网和网络，给需要同步采样的非常规互感器和各种二次设备对时，可以实现接收全网统一对时信息。

本发明支持IEC 61850标准。

本发明实现装置的功能集成。

本发明智能变电站同步相量测量装置实现了对系统的动态特性进行监测，获得的数据密度大，且实时性高。

附图说明

图1为本发明提供的同步相量测量装置软件结构示意图。

图2为本发明提供的IEC 61850顶层UML包图。

图3为本发明提供的IEC 61850标准ACSI UML模型。

图4为本发明提供的设备模型结构图。

图5为本发明提供的采样值报文流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

硬件装置

本实施例的相量测量装置的硬件结构是采用一款无风扇高性能工控机PCM-821，其性能指标如下：

1)CPU主频Embedded

M 600MHz～1G(用户可选)；

2)内存：256MB/512MB/1GB DDR SO-DIMM；

3)存储：支持2.5英寸硬盘，DOM，CF卡等多种载体，可以支持SATA硬盘2块；

4)显示：

852GM芯片组，32MB显存(UMA)，VGA标准接口支持1920x 1440x 32bpp at 85Hz；

5)芯片组：852GM或

855GME芯片组+ICH4；

6)键盘&鼠标：标准PS/2键盘/鼠标；

7)VGA：DB-15VGA连接；

8)USB接口：2路，兼容USB2.0；

9)网口：5个

82551ER+1个

8256210/100Base-T、RJ45共6个10M/100M自适应网口，要求支持1588对时

10)RS232：1路；

11)RS485：1路；

12)CAN：1路；

13)DIO：可选8路开入、4路开出模块；

14)电源：交直流两用220V/直流110V。

就数据采样功能而言，现有的相量测量装置通过二次接线和传统互感器，同时采集多个元件的电压、电流信息。在相量测量装置不进行冗余配置的情况下，如果该台装置发生故障，那么将同时丢失多路采集量。另一方面，采用传统互感器采集数据，很难同时满足小量程和故障时大电流的测量精度要求，亦不能避免电信号在传送过程中产生的系统误差。所以本实施例将同步相量测量装置的合并单元与非常规互感器(CT)通过光纤连接。非常规互感器包括保护/测量的电压互感器、母线电压互感器、中性电压互感器、中性电流互感器、测量电流互感器和保护电流互感器，所有互感器均有相同元件作为冗余设备。

在智能变电站中非常规互感器将获得的采样值通过IEC标准定义的数据接口——合并单元MU(Merging unit)上送至变电站过程层网络。智能变电站同步相量测量装置直接从过程层网络接收采样值数据报文。

据此，本实施例的装置满足如下要求：

1.设置100Mb/s光纤以太网接口接收过程层采样值报文，通过映射决定网口数和MU的对应关系；

2.解析符合IEC 61850标准的MU配置文件，应用文件中指定的“特定通信服务映射”和“数据集”解析报文内容。

在非常规互感器取代传统互感器，光纤传输取代二次接线传输后，在对元件以每周波80或256点的速率进行采样的情况下，过程层网络中将传送大量的数据采样报文。

软件结构

本实施例的软件结构如图1所示，其流程为：

管理进程启动后，将启动其它进程包括数据处理进程、人机进程、对时进程、通信进程等，并会对这些进程进行守护。

数据处理进程负责采集SV报文、数据解析及处理、算法计算、数据存储等，同时与管理进程进行数据通信和传输。

人机进程通过管理进程维护的数据空间获取各种数据，以表格、图形等方式实时显示各种数据，同时提供一些后台操作命令等。

对时进程将GPS和北斗系统提供的同步时间信息提供给管理进程，保证整个装置的时间精度。

通信进程将本装置采集并处理后的实时数据，按照实时动态规约库的标准不断地通过网络传输到其它IED设备上，以便数据共享。

本实施例涉及的变电站，IEC 61850标准不仅规范了智能变电站内的通信，还规范了变电站内各种数据和功能的模型。它采用UML面向对象建模技术作为系统建模的标准方法。

在IEC 61850标准的UML模型中，抽象通信服务接口包ACSI(Abstract CommunicationInterface)位于结构的最顶层，如图2所示，它依赖于多个其他包。

如图3所示：ACSI中又包含若干类，主要有：服务器(Server)、逻辑设备(Logical Device)、逻辑节点(Logical Node)、数据(Data)、数据属性(Data Attribute)、基本数据类型(DA Type)、数据集(Data Set)等。一般情况下，一个服务器包含多个逻辑设备，一个逻辑设备包含多个逻辑节点，一个逻辑节点包含多个数据，一个数据包含多个数据属性，一个数据属性与多个基本数据类型相关。

智能变电站同步相量测量装置基于IEC 61850标准进行统一建模，就是将实际的数据和功能映射到IEC 61850的模型结构中。

IEC 61850标准的第6部分定义了变电站配置描述语言SCL。该语言基于可扩展标记语言XML1.0，用来描述通信相关的IED配置和参数、通信系统配置、变电站系统结构及它们之间的关系。使用这种配置语言的主要目的是：在不同厂家的IED配置工具和系统配置工具之间提供一种可兼容的方式，实现可共同使用的通信系统配置数据的交换。

本实施例智能变电站同步相量测量装置作为智能变电站的重要组成部分，实现了用该语言对装置进行配置的功能。

软件模型参数配置

依照IEC 61850标准，应基于装置功能进行逻辑设备(Logical Device)和逻辑节点(Logical Node)建模。为简化模型结构，整个物理装置被建模为一个逻辑设备，并根据设备中的各个功能模块确定适宜的逻辑节点模型。

在IEC 61850面向对象建模中，功能和信息模型的建立都在逻辑节点模块中实现如图4所示，模型中使用的逻辑节点模块分为如下四组：

①装置逻辑节点模块及控制块(LPHD、LLN0、MSVCB、GoCB)

设备逻辑节点模块(LPHD，Physical Device Information)和逻辑节点0模块(LLN0，Logical Node Zero)用于描述设备的整体信息。LLN0中的多路采样控制块(MSVCB，MulticastSampled Value Control Block)对应一种模拟量采样方式，存储与模拟量采样相关的属性信息，如采样率等；变电站通用事件控制块(GoCB，Goose Control Block)对应开关量采样。

②采样值数据逻辑节点模块(TCTR、TVTR、GGIO)

采样值逻辑节点模块包括三种：电流互感器逻辑节点模块(TCTR，Current Transformer)对应一路电流采样通道；电压互感器逻辑节点模块(TVTR，Voltage Transformer)对应一路电压采样通道；通用采样逻辑节点模块(GGIO，Generic Process I/O)对应一路开关量采样通道。这些逻辑节点模块中存储的配置信息包括：通道ID、通道名称和通道采样值单位。实时采样数据的数值、时标和品质信息保存在基于各逻辑节点模块的时实采样值数据结构设计的时实数据共享区中。

③相量及其他计算量逻辑节点模块(MMXU、MSQI)

相量及其他计算量逻辑节点包括两种：三相系统测量逻辑节点模块(MMXU，Measurement)以及相序和不平衡逻辑节点模块(MSQI，Sequence and Imbalance)。

MMXU逻辑节点模块中存放系统由原始采样值计算得到的三相电压相量、三相电流相量、线路总有功、线路总无功、线路频率和线路频率变化率。其中线路频率变化率并不是IEC 61850标准中MMXU逻辑节点模块的数据(Data)。同时根据IEC 61850标准对MMXU逻辑节点模块进行扩充，按照该逻辑节点模块中“频率”这一数据的数据结构为MMXU逻辑节点模块添加了新数据“频率变化率”。

对于MMXU逻辑节点模块中的每项数据，存储的配置信息包括：数据ID、数据名称、数据转换因子和基于该项计算量设定的扰动记录启动门限值。IEC 61850标准中定义了rangeC数据属性，用于描述MMXU逻辑节点模块中每项数据的数据范围，包括：最大值、高高限、高限、低限、低低限和最小值的具体门限值。装置将部分扰动记录启动门限值存放在rangeC数据属性中，并根据系统支持的其他扰动记录启动判据对rangeC数据属性进行扩充。

MSQI逻辑节点模块中存放系统由原始采样值计算得到的正序电压/流、负序电压/流和零序电压/流。

各种计算量数据的数值、时标和品质保存在基于各逻辑节点模块的计算量数据结构设计的计算量数据共享区中。

④扰动记录逻辑节点(RDRE)

RDRE(Disturbance Recorder Function)逻辑节点模块定义了扰动记录功能对应的启动方式、记录时间以及连续启动记录时间间隔等信息。

同步相量测量数据处理系统(进程)报文方法

本实施例的方法如图5所示，具体包括如下步骤：

1)采集线程接收报文；

2)是否为采样值报文，是则进行步骤3)，否则返回步骤1)；

3)报文解析线程检查报文是否符合9-1标准的采样值报文？是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_1中，由报文中的LDName判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实施数据缓冲区RTData_9_1的对应位置(RTData_9_1是个数据结构，包括各种信息，报文中的各种数据就分别放在这个数据结构中)，并进行步骤6)；如果否则进行步骤4)；RTData_9_1是个数据结构，包括各种信息，报文中的各种数据就分别放在这个数据结构中。

4)报文解析线程检查报文是否符合Pac_Structure_9_2LE标准的采样值报文？是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_2LE中，由报文中的svID判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实时数据缓冲区RTData_9_2_LE的对应位置，并进行步骤6)；如果否则进行步骤5)；

5)报文解析线程检查报文是否符合9-2标准的采样值报文？是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_2中，由报文中的svID判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实时数据缓冲区RTData_9_2的对应位置并进行步骤6)；

6)将实时数据缓冲区内各被测元件采样数据时标对齐；

7)报文解析线程判断缓冲区已积累半周波时间长度的采样数据，是则进行步骤8)，否则返回步骤1)；

8)是否处理实时数据缓冲区编号，是则进行步骤9)，否则返回步骤1)；

9)通知实时数据处理线程取数。

其中步骤3)、步骤4)、步骤5)的相关信息包括数据品质、刷新时间、采样频率。

本实施例软件系统的报文解析模块能够解析基于9-1标准和9-2(LE)标准组织的模拟量和开关量采样值报文。由于基于9-2标准组织的采样值报文格式具有灵活多变的特点，所以本装置支持两种通用格式的9-2标准采样值报文的解析，并基于扩充报文解析库的方式，能够对于新出现的报文格式，有针对性地丰富本系统的采样值报文解析功能。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (8)

1.基于工控机同步相量测量装置的数据处理系统，其特征在于，所述系统包括设备逻辑节点模块、逻辑节点0模块、采样值逻辑节点模块、相量逻辑节点模块和扰动记录逻辑节点模块；

所述设备逻辑节点模块，用于描述设备的整体信息；

所述逻辑节点0模块，包括多路采样控制块和GOOSE控制块：

所述多路采样控制块为对应一种模拟量采样方式，存储与模拟量采样相关的属性信息的模块；

GOOSE控制块为对应开关量采样而设置的模块；

所述采样值逻辑节点模块包括：电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块；

所述电流互感器逻辑节点模块、所述电压互感器逻辑节点模块和所述通用采样逻辑节点模块为分别对应电流采样通道、电压采样通道和开关量采样通道的节点模块；

所述相量逻辑节点模块包括：三相系统测量逻辑节点模块和相序/不平衡逻辑节点模块；

所述三相系统测量逻辑节点模块为存放系统由原始采样值计算得到的三相电压相量、三相电流相量、线路总有功、线路总无功、线路频率和线路频率变化率的节点模块；

所述相序/不平衡逻辑节点模块中存放系统由原始采样值计算得到的正序、负序、零序电压和电流；

所述扰动记录逻辑节点模块：定义了扰动记录功能对应的启动方式、记录时间以及连续启动记录时间间隔信息。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块中存储的配置信息均包括：通道ID、通道名称和通道采样值单位；

实时采样数据的数值、时标和品质信息保存在基于所述电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块的实时采样值数据结构设计的实时数据共享区中。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述线路频率变化率为每秒线路频率的变化量。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三相系统测量逻辑节点模块的数据存储的配置信息包括：数据序号、数据名称、数据转换因子和基于该项计算量设定的扰动记录启动门限值；所述扰动记录启动门限值存放在rangeC数据属性中，并根据系统支持的其他扰动记录启动判据对rangeC数据属性进行扩充。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三相电压相量、三相电流相量、线路总有功、线路总无功、线路频率和线路频率变化率、以及正序电压/流、负序电压/流、零序电压/流的数值、时标和品质保存在基于所述电流互感器逻辑节点模块、电压互感器逻辑节点模块和通用采样逻辑节点模块的计算量数据结构设计的计算量数据共享区中。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工控机为PCM-821。

7.一种基于权利要求1的所述数据处理系统的报文方法，其特征在于，通过所述采样值逻辑节点模块进行报文，所述方法包括如下步骤：

1)采集线程接收报文；

2)是否为采样值报文，是则进行步骤3)，否则返回步骤1)；

3)报文解析线程检查报文是否符合9-1标准的采样值报文，是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_1中，由报文中的LDName判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实施数据缓冲区RTData_9_1的对应位置，并进行步骤6)；如果否则进行步骤4)；

4)报文解析线程检查报文是否符合Pac_Structure_9_2LE标准的采样值报文，是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_2LE中，由报文中的svID判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实时数据缓冲区RTData_9_2_LE的对应位置，并进行步骤6)；如果否则进行步骤5)；

5)报文解析线程检查报文是否符合9-2标准的采样值报文，是则进行解析报文，将报文内容存贮在结构体Pac_Structure_9_2中，由报文中的svID判断数据对应的被测元件，将采样值及相关信息写入实时数据缓冲区RTData_9_2的对应位置并进行步骤6)；

6)将实时数据缓冲区内各被测元件采样数据时标对齐；

7)报文解析线程判断缓冲区已积累半周波时间长度的采样数据，是则进行步骤8)，否则返回步骤1)；

8)是否处理实时数据缓冲区编号，是则进行步骤9)，否则返回步骤1)；

9)通知实时数据处理线程取数。

8.如权利要求7所述的数据处理系统报文方法，其特征在于，所述步骤3)、步骤4)、步骤5)的相关信息包括数据品质、刷新时间、采样频率。

Images