CN103529327A - 一种适于智能化变电站的全站电能质量监测装置和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于智能化变电站的全站电能质量监测装置和监测方法，属于供电管理技术领域。该装置主要由以多核处理器为核心的主系统、过程层以太网通讯卡、站控层以太网通讯卡、数据存储模块、MMI模块、设备调试模块、电源模块组成；所述多核处理器通过PCIE总线的扩展槽与过程层以太网通讯卡、站控层以太网通讯卡以及数据存储模块通讯连接，且分别通过USB接口和网络接口与MMI模块和设备调试模块通讯连接。本发明以太网通讯卡提供的都是千兆网口，可以通过以太网交换机接收全站的采样值报文，最多可实现同时监测60路监测点。

Description

一种适于智能化变电站的全站电能质量监测装置和监测方法

技术领域

本发明涉及一种电能质量监测装置和方法，尤其是一种适于智能化变电站的全站电能质量监测装置和监测方法，属于供电管理技术领域。 

背景技术

随着自动控制技术以及智能化电气的发展，智能化变电站的应用越来越广泛，因此如何在智能变电站中开展电能质量监测成为迫切需要解决的问题。 

智能化变电站的一个重要技术特征是数据共享。各类数据从源头实现数字化,真正实现信息集成、网络通信、数据共享。在电流、电压的采集环节采用智能化电气测量系统（如光电/电子式互感器）,实现了电气量数据采集的智能化应用,并为实现常规变电站装置冗余向信息冗余的转变以及信息集成化应用奠定了基础，也为在智能变电站中，由一个设备实现全站的电能质量监测创造了实现的条件。然而，目前应用于智能变电站的电能质量在线监测装置仍采用常规变电站以间隔为单元的配置方案，性能比不高，未充分体现智能化变电站的信息共享的优点，而基于冗余、共享的全站电能质量监测装置仍是空白。高速的网络处理能力和强大的计算能力是实现智能化变电站全站电能质量监测的关键和难点。 

检索发现，申请号为201210000881.8的中国专利申请公开了一种智能变电站电能质量监测终端，其技术特点是：包括变送模块、数据采集模块、管理模块、数据处理及分析模块和GPS时间基准模块，变送模块的输入端与过程层合并单元相连接，变送模块、数据采集模块、管理模块、数据处理及分析模块依次相连接，GPS时间基 准模块连接到内部总线上，数据处理及分析模块通过通信接口与站控层相连接。该专利申请存在的问题是：1）只能实现一个监测点的监测，变送模块输入端直接与合并单元相连接，只适用于点对点的过程层采样报文接收处理；2）整个构架的网络处理能力和计算能力有限，DSP插件和EXT插件间都采用双端口RAM来传递数据会带来数据流的处理瓶颈，无法扩展实现智能化变电站多监测点的电能质量监测。 

此外，申请号为201220335628.3的中国专利公开了一种智能变电站电能质量在线检测装置，包括带隔离的开关电源、光纤转以太网模块、以太网通讯电路、1个以上的DSP处理器、显示装置及Internet通讯模块。本发明提供一种能够接收数字化变电站统一信息平台的光纤数字信号，并通过光电转化和协议解析转化，获得电能质量分析需要的电压电流瞬时采样数据，再通过高性能的硬件平台和软件算法实现最多8路X3相电压和8路X3相电流的电能质量监测，并且路数可通过软件灵活配置。该专利申请存在的问题是：1）虽然能够接收智能化变电站统一信息平台的光纤数字信号，并通过光电转化和协议解析转化，获得电能质量分析需要的电压电流瞬时采样数据，但存在网络处理能力的瓶颈，不能处理全站合并单元输出的采样值报文，无法满足全站电能质量监测的要求；2)虽然采用了扩展DSP处理模块，理论上可以满足全站计算能力的要求，但要考虑全站所有监测点的情况则需要很多块DSP处理插件，因而存在硬件过于复杂，功耗难以控制，运行可靠性较差等问题。 

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种监测点数量足以满足变电站需求、并且扩展灵活、可以无缝切换、运行可靠的适于智能化变电站的全站电能质量监测装置，同时给出监 测方法。 

为了达到上述目的，本发明适用于智能变电站的全站电能质量监测装置基本技术方案为：主要由以下部分组成： 

以多核处理器为核心的主系统（1），用以将接收的采样值报文按预定规则计算处理得出电能质量数据信息； 

用以外接过程层交换机并接收所述交换机汇集的采样值报文后传送给多核处理器的过程层以太网通讯卡（2）； 

用以将多核处理器计算处理得出的电能质量数据信息（包括监测指标数据、事件记录信息、装置设置/配置信息）传输至外部管理系统的站控层以太网通讯卡（3）； 

用以存储多核处理器计算得出的全站电能质量监测数据、电能质量稳态、暂态事件及相应波形数据的数据存储模块（4）； 

用以实现人机交互的MMI模块（5）； 

用以下载程序代码并据以进行设备调试的设备调试模块（6）； 

电源模块（7）； 

所述多核处理器通过PCIE总线的扩展槽与过程层以太网通讯卡（2）、站控层以太网通讯卡（3）以及数据存储模块（4）通讯连接，且分别通过USB接口和网络接口与MMI模块（5）和设备调试模块（6）通讯连接。 

此外，所述电源模块为双路电源模块，所述双路电源模块用以将两路外部电源进行电压转换后通过双路自适应切换电路择一接入，所述双路自适应切换电路用以在两路外部电源之一电压异常时自动切换为另一外部电源供电。 

与现有技术只适用于点对点的过程层采样报文接收处理相比，本发明以太网通讯卡提供的都是千兆网口，可以通过以太网交换机接收全站的采样值报文，最多可实现同时监测60路监测点。 

多核处理器含有以下装置： 

标幺化装置，用于以前一时间间隔（通常为1分钟）内接收到的采样值均方根为平均值，以当前时间间隔接收的采样值除以所述平均值作为该采样值的标幺值； 

第一平方装置，用于将输入的标幺值平方后输出标幺平方值； 

第一滤波装置，至少含有1阶高通滤波器（通常还含有6阶巴特沃兹滤波器以及加权滤波器），用于对标幺平方值滤波后输出滤波中间值； 

第二平方装置，用于将输入的滤波中间值平方后输出滤波平方值； 

第二滤波装置，至少含有1阶高通滤波器，用于对滤波平方值再次滤波后输出无量纲的瞬时闪变值P(t)（主要是电压闪变值，也可以是其它参数的闪变值）； 

统计处理装置，设有预定数量的统计区间（通常将0.01---10000分为1024个区间），用于判断瞬时闪变值P(t)落在哪个区间，并在该区间的统计值上+1，得到该区间的更新概率统计值； 

计时装置，用于累计获取采样值时间，并判断是否达到预定时长（通常为10分钟），如是则启动闪变计算装置，否则启动上述装置，继续采样、处理、更新概率统计值； 

闪变计算装置，用于按预定权重公式计算得到所需的电能质量监测值P_st并输出。 

所述预定权重公式通常为 

$P_{\mathrm{st}}=\sqrt{0.0314P_{0.1}+0.0525P_1+0.0657P_3+0.28P_{10}+0.08P_{50}}$

式中P_0.1、P₁、P₃、P₁₀、P₅₀分别为在预定时长（10分钟）中时间 

占比分别超过0.1%、1%、3%、10%、50%的瞬时闪变值P(t)。 

按照传统方法得出电能质量监测值首先需要将预定时长的采样值存储，再分别取出进行标幺化、滤波等处理，因此占用内存多、 响应速度慢，而本发明采用多核处理器后，在其中合理设置各装置，不仅使CPU负荷均分，而且可以实时流水处理采样值，节省大量内存空间，响应速度显著提高。 

附图说明

图1为本发明一个实施例的硬件结构框图。 

图2为图1实施例的为双路自动切换电源模块框图。 

图3为图1实施例多核处理器的DDRII内存部分电路原理图。 

图4为图1实施例多核处理器的DIMM内存插槽电路原理图。 

图5为图1实施例的PCIE总线扩展高速SSD硬盘的电路原理图。 

图6为图1实施例的多核处理器的PCIE总线部分电路原理图。 

图7为图1实施例的高速网络接口插槽电路原理图。 

图8为图1实施例中多核处理器实时流水采样值处理流程图。 

具体实施方式

实施例一 

本实施例适于智能化变电站的全站电能质量监测装置基本构成如图1所示，主系统1以多核处理器为核心，用以将接收的采样值报文按预定规则计算处理得出电能质量数据信息，其中6个核负责电能质量基础数据计算，数据包括电流/电压有效值、有功功率、无功功率、频率、功率因数、电流/电压谐波、电压间谐波、电压偏差、三相不平衡度等数据；另有3个核负责闪变数据计算，计算得出的结果会存入实时数据库相应表项。过程层以太网通讯卡2用以外接过程层交换机并接收所述交换机汇集的采样值报文后传送给多核处理器。站控层以太网通讯卡3用以将多核处理器计算处理得出的包括监测指标数据、事件记录信息、装置设置/配置信息在内的电能质量数据信息传输至外部管理系统——管理系统通常指位于变电站内的SCADA系统；远方管理系统指位于省、市公司的电能质量数据中 心。数据存储模块4用以存储多核处理器计算得出的全站电能质量监测数据、电能质量稳态、暂态事件及相应波形数据。MMI模块5（MultiMediaInterface“奥迪多媒体交互系统”的英文缩写）用以实现人机交互，可通过模块提供的触摸式LCD实现对装置运行信息的浏览、事件信息的查询、装置运行参数的设置等功能。设备调试模块6用以下载程序代码并据以进行设备调试，其提供了一个RJ45网络接口和一个RS2323接口与调试计算机连接，RJ45网口接口可传输程序代码，实现装置的软件升级；RS232接口则可以在调试计算机上打印出软件的调试信息，方便程序员查找问题。电源模块7供电。各部分的连接关系为：多核处理器通过PCIE总线的扩展槽与过程层以太网通讯卡2、站控层以太网通讯卡3以及数据存储模块3通讯连接，且分别通过USB接口和网络接口与MMI模块5和设备调试模块6通讯连接。PCIE总线的通讯速率可达5G/S，解决了高速数据交换的瓶颈。多核处理器具有强大的数据处理能力，可以满足智能化变电站全站电能质量监测的计算要求（最大60个监测点）。通过USB2.0接口与MMI模块5连接，实现就地的人机交互功能。通过RJ45网络接口与设备调试模块6通讯连接。 

参见图2，双路电源自动切换模块7为模块1—6提供工作所需的电源。采取双路交直流宽压输入，自动切换和热插拔技术，可以实现单路电源、双路电源供电的混合供电方式。任何一路电源的故障不会影响装置的正常运行，且支持电源的热插拔，不需断电即可对损坏的电源模块进行更换。具体而言，该电源模块，可以实现从外部AC/DC220V到内部5V电源的电压转换；为提高设备运行的可靠性，电源设计为双路输入，经整流，变压，调制滤波后，输出两路5V电压进入电源切换模块，电源切换模块对输入的两路电压分别进行判别，判断电压是否正常(高于4.5V)，如A路电压不满足要求则 切换回路切换至B路5V输出给设备；电源还内嵌EMC滤波回路充分防止外部EMC干扰。 

图3和图4分别为CN56XX多核网络处理器的DDRII内存接口和DIMM插槽电路原理图。CN56XX多核网络处理器具有强大的接口扩展能力，可外扩4路SGMII接口，USB2.0PHY，两路8通道PCIE1.1接口。 

图5为扩展高速SSD硬盘的原理图，采用LSI公司的LSISAS1064E芯片，将PCIE接口扩展出4个3Gbit/S的SAS/SATA控制器，用以连接数据存储模块，数据存储模块采用高速大容量SSD硬盘，两个高速SSD硬盘其存储容量可以达到1T，用于存储电能质量分钟数据和电能质量越限事件波形，可以满足1年的存储需求。多核主处理器系统的操作系统采用支持多核处理器的LINUX，操作系统存放于硬件系统的一块工业级的2G容量CF卡(4)中，而系统的引导程序BOOT存放在一块512K的FLASH(5)当中。多核处理器主系统引出一路USB2.0接口(6)跟MMI模块进行通讯交互，采用私有协议满足MMI模块的数据需求。多核处理器主系统自带看门狗电路(7)，可时刻监视硬件以及系统软件运行是否异常并处理。 

图6为CN56XX多核处理器的PCIE接口电路原理图。CN56XX多核网络处理器的高速PCIE接口可以外扩为多种应用，本发明将其设定为高速网络接口扩展以及高速SSD硬盘扩展，通过PCIE扩展出2个过程层以太网通讯卡，1个站控层以太网通讯卡，每个过程层以太网通讯卡都具备4路千兆以太网接口，接口根据工程需求可以配置为各种光纤接口(如多、单模；ST/LC接口等)，也可以配置为RJ45的电口。 

图7为高速网络接口的插槽电路原理图，该回路设计采用高速 信号连接器，确保PCIE高速信号的完整性和准确性。图7中可见连接器的信号包括了从PCIE0-PCIE3共4组PCIE信号，本实施例共配置4个这种插槽用于扩展图例6的PEIC接口。此外，该连接器的电源和信号设计为长短针方式，信号针脚比电源针脚长。在扩展卡插入的时候，信号针脚先可靠接触，然后电源针脚才可靠连接供电；而在拔出时候，电源针脚先断开，然后再断开信号针脚。这样可以保证在热插拔时候不会因为电弧烧坏相对脆弱的信号接口，可以满足热插拔的需求。 

由于变电站规模的差异较大（20-60个监测点），要同步完成最多60路监测点的指标计算，对装置的计算处理能力要求很高，因此本实施例采用多个CPU核进行并行计算以满足要求。本实施例的多核处理器为核心模块，该模块按最大可满足60个监测点计算的要求设计，采取了根据变电站监测点规模动态分配若干个核完成计算并具备负荷均衡功能。多核处理器模块根据装置IEC61850模型配置的电能质量监测点信息以及系统的实际处理能力和计算负荷需求动态配置3-8个CPU核负责电能质量基础数据计算，并进行负荷的动态分配，以保证每个CPU核的运算负荷不超过80%。每个参与计算的CPU核可以提取采样值数据库中相应的采样值数据进行电能质量基础数据计算包括电流/电压有效值、有功功率、无功功率、频率、功率因数、电流/电压谐波、电压间谐波、电压偏差、三相不平衡度等常规数据。尤其是，由于电压闪变数据的监测计算量非常巨大，剩余的、未分配的CPU核会用于负责闪变数据计算。基础数据和闪变数据计算得出的结果会存入电能质量数据库供其他模块使用。此外，多核处理器还会依据预设的阈值对计算得出的电能质量数据进行判别，以判断是否存在电能质量越限事件。如有越限事件发生，则会 启动事件记录（录波）功能，将对应的采样数据库里的原始采样值窗口数据一起存入电能质量数据库。 

具体而言，本实施例的多核处理器可以实时流水处理采样值，得到所需的电能质量监测值，其实现全站电能质量闪变监测方法的步骤如下（参见图8）： 

A.标幺化步骤——以前一时间间隔1分钟内接收到的采样值均方根为平均值，以当前时间间隔接收的采样值除以所述平均值作为该采样值的标幺值； 

B.第一平方步骤，将输入的标幺值平方后输出标幺平方值； 

C.第一滤波步骤，通过1阶高通滤波器、6阶巴特沃兹滤波器以及加权滤波器将标幺平方值滤波后输出滤波中间值； 

D.第二平方步骤，将输入的滤波中间值平方后输出滤波平方值； 

E.第二滤波步骤，通过1阶高通滤波器将滤波平方值再次滤波后输出无量纲的瞬时闪变值P(t)； 

F.统计处理步骤，判断瞬时闪变值P(t)落在0.01---10000均分的1024统计区间中的哪个区间，并在该区间的统计值上+1，得到该区间的更新概率统计值； 

G.计时步骤，累计获取采样值时间，并判断是否达到预定的10分钟时长，如是则进入闪变计算步骤，否则返回标幺化步骤，继续采样、处理、更新概率统计值； 

H.闪变计算步骤，用于按如下预定权重公式计算得到所需的电能质量监测值Pst并输出 

$P_{\mathrm{st}}=\sqrt{0.0314P_{0.1}+0.0525P_1+0.0657P_3+0.28P_{10}+0.08P_{50}}$

式中P_0.1、P₁、P₃、P₁₀、P₅₀分别为在预定时长（10分钟）中时间 

占比分别超过0.1%、1%、3%、10%、50%的瞬时闪变值P(t)。 

与先将预定时长的采样值逐一存储，再分别取出进行标幺化、滤波等处理的传统方法相比，本实施例的方法占用内存明显减少、响应速度显著提高，CPU的负荷均分，可以实时流水处理采样值，及时得监测数据。 

归纳起来，本实施例还具有如下有益效果： 

1）足够的网络带宽和网络端口，以满足全站过程层数据传输的需求。由于变电站规模的差异和电能质量监测所需要的采样率的高要求（256点/周波），对网络带宽一般要求达到2G以上，如果采用100M以太网端口接收数据，满负荷处理也需要20个以太网端口进行接收，因此必须采用千兆以太网端口；理论上采用2个了千兆网络端口就可以处理全站2G的采样值报文，但是由于目前智能变电站应用模式多样，电能质量监测装置与过程层合并单元连接既有基于共享的采样值报文传输，还有点对点的采样值报文传输，这就需要考虑多个千兆以太网口，而现有技术方案均无法满足以上两点要求。 

2）数据吞吐(数据传递)和预处理能力(采样值报文处理)。有了足够的网络带宽，可以保证过程层数据的接收，但与之配套的需要整个系统具有足够的数据吞吐和预处理能力，能够在最短的时间里对接收数据进行预处理（采样值报文的数据解析、纠错和冗余处理），同时能够将数据吞吐给计算模块(如申请号为201210000881.8的中国专利申请采用双端口RAM进行数据传递就会是个瓶颈)。现有公开的技术方案均无法满足这一要求。 

3）强大的计算（数据处理）能力。现有技术方案虽然可以通过扩展计算模块的方案来提高计算能力，但该方案存在硬件复杂不可靠，软件设计不灵活，数据流向不清晰，数据处理的同步性控制复杂，以及整个装置的功耗难以控制的问题。因此，为提高计算能力，应在不增加硬件复杂度，力求降低硬件功耗和提高软件设计灵活性的 原则基础上，采用多核处理器的方案最为合理。 

4）高速大容量的历史数据存储能力。电能质量监测装置每分钟都需要将计算得出的电能质量数据进行分钟数据存储，每个监测点每天固定数据存储的容量即需要50MBYTE左右，如按60个监测点计算，则每天存储量达到3G，这对装置的存储介质的存储速度和存储容量有很高的要求，现有公开的技术方案无法满足这一要求。 

Claims (5)

1.一种适于智能化变电站的全站电能质量监测装置，其特征在于主要由以下部分组成：

以多核处理器为核心的主系统（1），用以将接收的采样值报文按预定规则计算处理得出电能质量数据信息；

用以外接过程层交换机并接收所述交换机汇集的采样值报文后传送给多核处理器的过程层以太网通讯卡（2）；

用以将多核处理器计算处理得出的电能质量数据信息（包括监测指标数据、事件记录信息、装置设置/配置信息）传输至外部管理系统的站控层以太网通讯卡（3）；

用以存储多核处理器计算得出的全站电能质量监测数据、电能质量稳态、暂态事件及相应波形数据的数据存储模块（4）；

用以实现人机交互的MMI模块（5）；

用以下载程序代码并据以进行设备调试的设备调试模块（6）；

电源模块（7）；

所述多核处理器通过PCIE总线的扩展槽与过程层以太网通讯卡（2）、站控层以太网通讯卡（3）以及数据存储模块（4）通讯连接，且分别通过USB接口和网络接口与MMI模块（5）和设备调试模块（6）通讯连接。

2.根据权利要求1所述的适于智能化变电站的全站电能质量监测装置，其特征在于：所述电源模块为双路电源模块，所述双路电源模块用以将两路外部电源进行电压转换后通过双路自适应切换电路择一接入，所述双路自适应切换电路用以在两路外部电源之一电压异常时自动切换为另一外部电源供电。

3.根据权利要求1或2所述的适于智能化变电站的全站电能质量监测装置，其特征在于所述多核处理器含有以下装置：

标幺化装置，用于以前一时间间隔内接收到的采样值均方根为平均值，以当前时间间隔接收的采样值除以所述平均值作为该采样值的标幺值；

第一平方装置，用于将输入的标幺值平方后输出标幺平方值；

第一滤波装置，至少含有1阶高通滤波器，用于对标幺平方值滤波后输出滤波中间值；

第二平方装置，用于将输入的滤波中间值平方后输出滤波平方值；

第二滤波装置，至少含有1阶高通滤波器，用于对滤波平方值再次滤波后输出无量纲的瞬时闪变值；

统计处理装置，设有预定数量的统计区间，用于判断瞬时闪变值落在哪个区间，并在该区间的统计值上+1，得到该区间的更新概率统计值；

计时装置，用于累计获取采样值时间，并判断是否达到预定时长，如是则启动闪变计算装置，否则启动上述装置，继续采样、处理、更新概率统计值；

闪变计算装置，用于按预定权重公式计算得到所需的电能质量监测值并输出。

4.一种适于智能化变电站的全站电能质量监测方法，其特征在于含有以下硬件构成的装置

以多核处理器为核心的主系统（1），用以将接收的采样值报文按预定规则计算处理得出电能质量数据信息；

用以外接过程层交换机并接收所述交换机汇集的采样值报文后传送给多核处理器的过程层以太网通讯卡（2）；

用以将多核处理器计算处理得出的电能质量数据信息（包括监测指标数据、事件记录信息、装置设置/配置信息）传输至外部管理系统的站控层以太网通讯卡（3）；

用以存储多核处理器计算得出的全站电能质量监测数据、电能质量稳态、暂态事件及相应波形数据的数据存储模块（4）；

用以实现人机交互的MMI模块（5）；

用以下载程序代码并据以进行设备调试的设备调试模块（6）；

电源模块（7）；

所述多核处理器通过PCIE总线的扩展槽与过程层以太网通讯卡（2）、站控层以太网通讯卡（3）以及数据存储模块（4）通讯连接，且分别通过USB接口和网络接口与MMI模块（5）和设备调试模块（6）通讯连接；

其中所述多核处理器按如下步骤进行监测：

A.标幺化步骤——以前一时间间隔内接收到的采样值均方根为平均值，以当前时间间隔接收的采样值除以所述平均值作为该采样值的标幺值；

B.第一平方步骤，将输入的标幺值平方后输出标幺平方值；

C.第一滤波步骤，通过1阶高通滤波器、6阶巴特沃兹滤波器以及加权滤波器将标幺平方值滤波后输出滤波中间值；

D.第二平方步骤，将输入的滤波中间值平方后输出滤波平方值；

E.第二滤波步骤，通过1阶高通滤波器将滤波平方值再次滤波后输出无量纲的瞬时闪变值；

F.统计处理步骤，判断瞬时闪变值落在预定数量的统计区间中的哪个区间，并在该区间的统计值上+1，得到该区间的更新概率统计值；

G.计时步骤，累计获取采样值时间，并判断是否达到预定的10分钟时长，如是则进入闪变计算步骤，否则返回标幺化步骤，继续采样、处理、更新概率统计值；

H.闪变计算步骤，用于按如下预定权重公式计算得到所需的电能质量监测值并输出。

5.根据权利要求4所述适于智能化变电站的全站电能质量监测方法，其特征在于：所述预定权重公式为

式中

Pst为电能质量监测值

、

、

、

、

分别为在预定时长（10分钟）中时间占比分别超过0.1%、1%、3%、10%、50%的瞬时闪变值。

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