CN102944778B - 一种便携式电力系统低频振荡检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式电力系统低频振荡检测装置包括基于FPGA的前端系统、基于DSP的数据分析算法模块以及基于ARM处理器的中央管理系统，由基于FPGA的前端系统对接收数据进行接收和分拣，得到检测低频振荡的有效数据，并进行预处理，使之达到低频振荡信号分析算法的要求；基于DSP的数据分析算法模块对低频振荡数据进行分析处理，得到表征结果的低频振荡模态特性参数信息；基于ARM处理器的中央管理系统对结果进行输出、显示并输出给其他设备。这样充分利用了FPGA的数据处理能力、DSP的运算处理能力以及ARM处理器丰富的片上系统资源，实现电力系统低频振荡的实时快速检测、分析和处理。

Description

一种便携式电力系统低频振荡检测装置

技术领域

本发明属于电力系统运行监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种便携式电力系统低频振荡检测装置。

背景技术

现代电力系统发展迅速，主要以大机组、超高压、长距离、重负荷为特点，是一个典型的强非线性、高维、动态大系统。同时随着大型电力系统的互联以及各种新设备的使用，使得发电、输电更经济、高效的同时也增加了电力系统的规模和复杂性，再加上快速励磁系统的普遍使用和电力市场竟争机制的引入，电网运行在稳定极限边缘的可能性也大为增加，随之产生的低频振荡问题日益突出，严重威胁着互联电网的运行安全。

为能及时分析事件的缘由，并有效控制电网不利事件的发展，要求电力行业更加重视对包括低频振荡在内的事件记录和分析能力，为实现坚强智能电网做好基础工作。

近年来，随着信号分析领域技术水平的不断提高，各种有高速录波功能的测量记录仪器在电力系统中大量应用，尤其是电力系统广域测量系统（WAMS）在世界各国电网得到广泛应用的背景，使得电力系统运行过程中的各状态量能够都得到实时监测。在这种趋势下，关于这些数据的分析和处理装置亟待发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种便携式电力系统低频振荡检测装置，实现电力系统低频振荡的实时快速检测、分析和处理。

为实现上述发明目的，本发明便携式电力系统低频振荡检测装置，其特征在于，包括基于FPGA的前端系统、基于DSP的数据分析算法模块以及基于ARM处理器的中央管理系统；

基于FPGA的前端系统在一片FPGA芯片开发，包括：

一数据接口部件用于接收来自电力系统实时相位测量装置（PhasorMeasurement Unit，简称PMU）的采样测试数据，并送入数据分析模块；

一数据解析模块用于对采样测试数据进行解析，分拣出功角或有功功率数据作为低频振荡数据，低频振荡数据送入数据预处理模块中；

一数据预处理模块用于对低频振荡数据的去直流、去噪和对称化处理，使之达到低频振荡信号分析算法的要求；同时，数据预处理模块接收一个低频振荡数据输出一个同步时钟触发信号；

一计数器，用于对数据预处理模块输出同步时钟触发信号进行计数，根据一组分析算法数据存储大小要求，设定计数器的比较值，当有效计数的数值在达到设定的比较值时，计数器使RAM存储器处于写使能状态；

一RAM储存器，在其处于写使能状态时，将数据预处理模块中一组处理完毕的低频振荡数据存入RAM存储器中；

基于DSP的数据分析算法模块从基于FPGA的前端系统的RAM存储器中读取一组低频振荡数据，依据内置的低频振荡分析算法，得到低频振荡模态特性参数信息，并存入基于ARM处理器的中央管理系统的Flash存储器中；

基于ARM处理器的中央管理系统又包括：

一FLASH存储器，用于存储低频振荡模态特性参数信息；

一ARM处理器，配制有操作系统，主要用于管理网络控制器、网络驱动器以及RS485接口和检测结果即低频振荡模态特性参数信息的输出与图形化显示；

网络控制器、网络驱动器，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器的控制下输出给远程设备；

RS485接口，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器的控制下输出给距离较近的设备；

显示输出及人机交互界面接口，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器的控制下输出到显示设备进行显示，以及进行人机交互；

ARM处理器通过人机交互获得的控制信息用于控制基于FPGA的前端系统低频振荡数据的接收、数据分析、预处理和存储，控制基于DSP的数据分析算法模块的参数设置。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明便携式电力系统低频振荡检测装置包括基于FPGA的前端系统、基于DSP的数据分析算法模块以及基于ARM处理器的中央管理系统，由基于FPGA的前端系统对接收数据进行接收、分析和分拣，得到低频振荡数据，并进行预处理，使之达到低频振荡信号分析算法的要求；基于DSP的数据分析算法模块对低频振荡数据进行分析处理，得到表征结果的低频振荡模态特性参数信息；基于ARM处理器的中央管理系统对结果进行输出、显示并输出给其他设备。这样充分利用了FPGA的数据处理能力、DSP的运算处理能力以及ARM处理器丰富的片上系统资源，实现电力系统低频振荡的实时快速检测、分析和处理。同时具有多种输入输出接口，便于随时接入电力系统中进行实时低频振荡检测。

附图说明

图1是本发明便携式电力系统低频振荡检测装置一种具体实施方式原理图；

图2是图1所示便携式电力系统低频振荡检测装置的数据流即各个模块的作用域；

图3是图2所示分拣出的低频振荡数据即有功功率信号图；

图4是图3所示预处理后低频振荡数据即有功功率信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明便携式电力系统低频振荡检测装置一种具体实施方式原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明便携式电力系统低频振荡检测装置包括基于FPGA的前端系统1、基于DSP的数据分析算法模块2以及基于ARM处理器的中央管理系统3。

基于FPGA的前端系统1在一片FPGA芯片开发，包括数据接口部件101。在本实施例中，数据接口部件101有三种接口，分别是RS485接口、LC（光纤）接口以及RJ45（网络）接口，用于接收来自不同通信接入方式即RS485总线接入、光纤接入以及网络接入的采样测试信号，在具体使用时，通过显示输出及人机交互界面接口306将选择的接口发送给ARM处理器，由ARM处理器302控制基于FPGA的前端系统1选择相应的接口输入采样测试数据。

数据接口部件101接收来自电力系统实时相位测量装置PMU的采样测试数据，并送入数据解析模块102对采样测试数据进行解析，然后分拣出功角或有功功率数据作为低频振荡数据送入数据预处理模块103中。分拣数据的选择也是通过ARM处理器302控制基于FPGA的前端系统1进行的。

数据预处理模块103对选出的低频振荡数据的去直流、去噪和对称化处理，使之达到低频振荡信号分析算法的要求。数据预处理模块103接收一个低频振荡数据输出一个同步时钟触发信号。

计数器104对数据预处理模块103输出同步时钟触发信号进行计数，根据一组分析算法数据存储大小要求，设定计数器的比较值，当有效计数的数值在达到设定的比较值时，计数器104使RAM存储器105处于写使能状态。

RAM储存器105在其处于写使能状态时，将数据预处理模块103中一组处理完毕的低频振荡数据存入RAM存储器105中。

基于DSP的数据分析算法模块2从基于FPGA的前端系统1的RAM存储器105中读取一组低频振荡数据，依据内置的低频振荡分析算法，得到低频振荡模态特性参数信息，并存入基于ARM处理器的中央管理系统3的Flash存储器301中。基于DSP的数据分析算法模块2中分析计算的各种参数通过ARM处理器302控制基于FPGA的前端系统1进行设置。

基于ARM处理器的中央管理系统3又包括：FLASH存储器301用于存储低频振荡模态特性参数信息；

配制有操作系统的ARM处理器302，主要用于管理网络控制器303、网络驱动器即RJ45接口304以及RS485接口305和检测结果即低频振荡模态特性参数信息的输出与图形化显示；

网络控制器303、网络驱动器304，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器302的控制下输出给远程设备。

RS485接口305用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器302的控制下输出给距离较近的设备。

显示输出及人机交互界面接口306，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器302的控制下输出到显示设备进行显示，以及进行人机交互；

ARM处理器302通过人机交互获得的控制信息用于控制基于FPGA的前端系统低频振荡数据的接收、数据分析、预处理和存储，控制基于DSP的数据分析算法模块的参数设置。

本发明提出了一种基于ARM处理器和DSP的双CPU的便携式电力系统低频振荡检测装置设计方案。这一方面发挥DSP的快速信号处理能力，且能进行复杂小数运算，提高运算精度，完成实测信号低频振荡分析任务；另一方面充分利用ARM处理器丰富的片上系统资源，管理该装置的各功能模块与外设，同时实现结果的存储、显示及输出。

本发明便携式电力系统低频振荡检测装置分为三个功能模块：

1、基于FPGA的前端系统1，由于本发明主要用于处理实测数据，实测数据特点是接入流量大，数据未经分类和处理，为了有效分离出利于低频振荡分析的数据即功角或有功功率，需要由基于FPGA的前端系统1控制采样数据的读入，分拣，预处理，数据缓存等时序要求的功能实现。

基于FPGA的前端系统1需要解决的任务是：（1）、协调不同测量系统的不同采样数据输出接口；（2）、高速接入采样数据流的接收、解析、分拣、存储；（3）、存储器、驱动器等复杂逻辑的控制。

FPGA具有集成度高、稳定性好、设计周期短等优点，易集成到应用系统中，特别适用于复杂逻辑的设计。本发明中，FPGA主要逻辑控制主要用在高速数据解析和存储器高速读写管理，设计中采用Altera公司中档FPGA芯片EP2S60F484作为数据读写和存储操作的核心，另外的部件由RAM存储器105，数据预处理模块103，RS485、RJ_45、LC等数据接口部件101构成。

该前端系统执行逻辑为：首先基于时钟设定控制信号，对于接口器件，存储模块等分别定义控制信号，通过检测控制信号，每一项指令根据相关控制信号的检测情况给予执行。例如，数据读入，检测采样频率信号，根据不同采样频率控制信号，设定不同的读入速度和后续的数据处理相关工作命令。再如，RAM存储器105，利用预处理同步时钟触发信号进行计数，根据一组分析数据存储大小要求，设定计数值，当有效计数的数值在达到设定值，计数器104使RAM存储器105处于写使能状态，把一组用于后续分析的数据存入RAM存储器105。

2、基于DSP的数据分析算法模块2，作为装置的数据分析处理器，内嵌双精度浮点数的低频振荡信号分析算法，专门负责实测信号的低频振荡检测，同时将分析结果以不用输出格式放入缓存，等待ARM处理器302的调用。

本发明装置采用的是ARM加DSP的双CPU结构，基于DSP的数据分析算法模块2主要功能是负责低频振荡数据的分析计算。其工作过程是在RAM存储器105中读取经预处理过的低频振荡数据，通过其内嵌的信号分析算法检测出该段低频振荡数据的低频振荡模态特性参数信息，将结果放入Flash存储器301中。

在本实施例中，处理的低频振荡数据为双精度浮点数，对计算精度要求价高，算法对于数据复杂程度和计算量大小均不做细化统计，要求性能较好的DSP芯片。在本实施例中，采用的基于DSP的数据分析算法模块2的DSP芯片为TM320C6203，该芯片具备高速双精度浮点数计算功能。算法采用数据驱动的非线性非平稳数据处理方法。

3、基于ARM处理器的中央管理系统3，作为整个装置的中心，配置有嵌入式操作系统和相关应用软件，该模块任务是协调和管理整个装置的工作过程，其中包括是管理外设的驱动和各功能模块之间的接口。

在本实施例中，基于ARM处理器的中央管理系统3主要以ARM9微处理器为核心，搭配拓展外设和操作系统。ARM9微处理器可配置WinCE或Linux操作系统，在本实施例中，为了能够图形化输出低频振荡分析结果，选择WinCE操作系统。在外设方面，主要针对低频振荡信号分析结果的数据输出，搭配网络控制器LAN91C111、网络驱动器LXT972A，RS485换口，18位显示输出接口（用于LCD显示屏输出），同时包括人机交互界面接口。

基于ARM处理器的中央管理系统3的主要功能为管理外设和结果输出与显示。执行过程为，低频振荡信号分析结果被DSP放在存储器Flash中，ARM通过地址查询，将分析结果组合为不同输出格式，分别提供给网络、总线或者外接显示设备。这其中，整个装置的协调和管理工作也由ARM处理器负责，不同外设的驱动和运行状态均被其监控。

图2是图1所示便携式电力系统低频振荡检测装置的数据流即各个模块的作用域。

在本实施例中，如图2所示，基于FPGA的前端系统1负责输入采样数据的接收、解析、分拣和存储；基于DSP的数据分析算法模块2负责读取存储的低频振荡数据进行分析计算，得到的结果进行存储；基于ARM处理器的中央管理系统3负责显示和输出，并通过人机界面对FPGA以及DSP进行控制和参数设置。

实例

本发明便携式电力系统低频振荡检测装置与电力系统实时相量测量装置PMU相连，采样数据接入采用RJ-45网络接口方式，采样频率设置为100Hz。

PMU装置发送的采样数据包括采样测试点的频率、有功功率、电压、电流等10余个测试变量。在本实例中，进入基于DSP的数据分析算法模块2处理的低频振荡数据为有功功率采样信号，一段2000点的采样数据经过基于FPGA的前端系统1分拣的有功功率信号图3所示（在装置中原本是一组采样点数据，为了说明，此处画出图形）。之后经过FPGA数据预处理的信号如图4所示（在装置中原本是一组采样点数据，为了说明，此处画出图形）。

预处理后的低频振荡数据存入RAM存储器105中，DSP的数据分析算法模块2调用RAM存储器105中的低频振荡数据，经过内置低频振荡分析算法，将该有功功率信号分解为两个单一低频振荡模态的组合形式，并且辨识出低频振荡模态特性参数信息，这些信息存入Flash存储器301中。

通过基于ARM处理器的中央管理系统3管理的外设和Flash存储器301，低频振荡检测结果能够以不同的结果组合方式输出给如网络RJ-45接口的远程设备，或者RS485数据总线的距离较近的设备。当然，本发明还可以通过本机扩展连接LCD显示设备，对低频振荡信号的实测结果和三维时频分析结果做图形化显示。

至此，本发明实现了一种便携式电力系统低频振荡检测装置，该装置能够提供与实时测量仪器，当然也可以与录波记录仪器以及事件存储记录的多种数据接口，装置内置数据处理算法能够分析测量数据，检测低频振荡模式，完成实测或录波信号的低频振荡分析任务，其拓展外设能够将分析结果以不同数据组合形式显示或传输给其他系统。该装置适用于多种实测数据源的低频振荡检测，能有效提高了电力系统故障快速检测、分析、预警和应变能力。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种便携式电力系统低频振荡检测装置，其特征在于，包括基于FPGA的前端系统、基于DSP的数据分析算法模块以及基于ARM处理器的中央管理系统；

基于FPGA的前端系统在一片FPGA芯片开发，包括：

一数据接口部件用于接收来自电力系统实时相位测量装置的采样测试数据，并送入数据分析模块；

一数据解析模块用于对采样测试数据进行解析，分拣出功角或有功功率数据作为低频振荡数据，低频振荡数据送入数据预处理模块中；

一数据预处理模块用于对低频振荡数据的去直流、去噪和对称化处理，使之达到低频振荡信号分析算法的要求；同时，数据预处理模块接收一个低频振荡数据，输出一个同步时钟触发信号；

一计数器，用于对数据预处理模块输出同步时钟触发信号进行计数，根据一组分析算法数据存储大小要求，设定计数器的比较值，当有效计数的数值在达到设定的比较值时，计数器使RAM存储器处于写使能状态；

一RAM储存器，在其处于写使能状态时，将数据预处理模块中一组处理完毕的低频振荡数据存入RAM存储器中；

基于DSP的数据分析算法模块从基于FPGA的前端系统的RAM存储器中读取一组低频振荡数据，依据内置的低频振荡分析算法，得到低频振荡模态特性参数信息，并存入基于ARM处理器的中央管理系统的Flash存储器中；

基于ARM处理器的中央管理系统又包括：

一FLASH存储器，用于存储低频振荡模态特性参数信息；

一ARM处理器，配制有操作系统，主要用于管理网络控制器、网络驱动器以及RS485接口和检测结果即低频振荡模态特性参数信息的输出与图形化显示；

网络控制器、网络驱动器，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器的控制下输出给远程设备；

RS485接口，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器的控制下输出给距离较近的设备；

显示输出及人机交互界面接口，用于将存储的低频振荡模态特性参数信息在ARM处理器的控制下输出到显示设备进行显示，以及进行人机交互；

ARM处理器通过人机交互获得的控制信息用于控制基于FPGA的前端系统低频振荡数据的接收、数据分析、预处理和存储，控制基于DSP的数据分析算法模块的参数设置。

2.根据权利要求1所述的低频振荡检测装置，其特征在于，所述的基于DSP的数据分析算法模块从基于FPGA的前端系统的RAM存储器中读取一组低频振荡数据为2000个采样点的低频振荡数据，其采样频率为100Hz。