CN103675522A - 一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置及采样平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置及采样平台，分析了变电站中稳态遥测测量、同步相量测量、电能量计算的需求，对三种测量的共性技术进行提炼，实现了单装置对三种测量功能的集成，装置包括AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件，并在此基础上提出一种采用PCIe高速总线技术、LVDS背板交换技术解决采样大容量及实时数据交换问题的高性能数字化采样平台，构建了实现了相关功能的程序元件，满足三种测量算法融合的要求。

Description

一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置及采样平台

技术领域

本发明属于电力自动化技术领域，具体地说是一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置及采样平台。

背景技术

智能变电站作为智能电网重要的枢纽节点，是统一坚强智能电网的重要支撑和保障。随着IEC61850标准在智能变电站中的推广应用，电子式电流互感器、电压互感器和合并单元等过程层设备取代了传统间隔层装置中的模拟量采集部件，开关设备状态信号和控制信号先接入智能终端，然后通过GOOSE网络接入间隔层装置，一次侧采样值和状态信号不再是由电缆传送的模拟量，而是由通信网络传送的数字量。因此，在智能变电站的测控应用中，传统的继电保护装置、测控装置等间隔层装置的结构发生了很大的变化，其采集和控制操作功能不再集中在测控单元中完成，一般由合并单元、SV采集网络、数字化测控单元的组合来完成数据的采集，由智能终端、GOOSE网络、数字化测控单元来完成分合闸控制操作等，测控技术的发展为变电站信息共享、数据综合提供了良好的基础。

在智能变电站中，采集的数据可分为稳态数据（测控、防误闭锁、电能质量等装置完成）、动态数据（PMU、数据集中器等装置完成）、暂态数据（由故障录波器完成）、计量数据（电度表、用电管理终端）。每一类数据采用独立装置并分别构成各种应用子系统，如：监控子系统、五防子系统、PMU子系统、故障录波子系统、电能质量监测子系统、电能量采集子系统等。

智能变电站大量新设备的增加使得变电站的建设成本增加，在当前提倡节能环保的大环境下，如何能够在满足新的发展需求的前提下尽量减少设备的数量、提高设备运行的安全可靠性成为当前面临的一大难题，为此，考虑到测控同源技术的通用性，以变电站间隔为对象，将同一间隔内的测控功能进行有效整合形成一个综合测控装置。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明在分析了智能变电站中的应用子系统的需求及技术指标后，比较了稳态遥测量、同步相量、电能量三种量测数据采集的不同需求，比较了三种电参量测量在采样、运算等方面的特点，提出了三种测量的算法融合方法，实现了单处理器完成三种测量算法的集成，并基于此实现了涵盖三种功能的一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，并且为了满足装置的需求，构建了一种高性能的数字化采样平台。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，包括AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件，所述AD接口元件分别与跟频重采样元件和频率计算元件相连接，所述跟频重采样元件分别与稳态计算元件和相量计算元件相连接，电能量计算元件和稳态计算元件相连接，

所述AD接口元件在250μs中断中执行，用于读取合并单元的SV报文采样值数据，每个中断读取一个采样值数据点，并将采样值数据分别存入不同的应用数据缓冲区；

所述频率计算元件在10ms中断中执行，用于系统频率跟踪的快速计算，计算出相量数据及线路频率，计算出的频率用于后续的跟频重采样元件；

所述跟频重采样元件在10ms中断中执行，用于调整重采样率，将80点/周波数据抽取成64点/周波数据，同时当系统频率出现波动时，根据当前测得的系统频率实时调整插值间隔，保证数据的整周期采样；并且跟频重采样元件通过FFT算法将SV报文采样值数据时域信号变换为频域信号，将64点/周波跟频后的采样值数据提供给稳态计算元件和相量计算元件；

所述稳态计算元件采用跟频重采样元件输出的频域信号数据计算电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量，并在每次遥测计算后判断遥测量是否发生变化，记录下变化时刻所对应的时标；

所述相量计算元件在10ms中断中执行，相量计算元件读取该10ms时间段跟频重采样元件输出的频域信号数据进行幅值与相角的运算，输出相量数据，并根据采样序号记录下该10ms起始时刻的时标；

所述电能量计算元件采用频域计算法对稳态计算元件计算的瞬时功率进行累加，得到电能量。

前述的SV报文采样值数据为80点/周波的电压、电流采样值数据，每个SV报文采样值数据包括采样值数据、品质、指针、采样序号和数据时标。

前述的频率计算元件选取AD接口元件数据缓冲区某一电压通道的采样值数据进行基于相量测量快速的DFT计算，每次中断后到AD采样模块缓冲区往前找到1个半周波的采样数据计算一次频率，在计算频率的同时，计算断路器两侧的实时相位差，相位差采用频率计算元件的DFT算法计算出来的电压基波的实部和虚部计算。

前述的跟频重采样元件根据频率计算元件计算的频率对AD接口元件数据缓冲区中的采样值数据进行重采样，复制出序号连续的80个采样值数据点，通过二阶Lagrange插值算法将80点/周波数据抽取成64点/周波数据。

前述的跟频重采样元件中插值运算要考虑采样缓冲区丢点情况的容错处理，可通过采样序号的连续性判断是否丢点，对于只出现丢失1个数据点的情况，二阶Lagrange插值算法仍能拟合出插值点；当出现连续多个数据点丢失，则复位数据缓冲区，丢弃已缓存采样值数据；若累计连续出现丢点超过5个周波，则产生采样值数据丢点的异常告警。

前述的跟频重采样元件对来自AD接口元件接收的多个合并单元采样值数据进行同步对齐处理，通过对采样值数据进行缓存，根据采样序号和时标进行不同合并单元采样值数据的对齐，实现采样值数据同步。

前述的稳态计算元件计算电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量，计算方法如下：

电力系统周期的电流、电压信号的傅立叶级数形式可表示为:

即

也可以写成：

$x\left(t\right)=c_0+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_k\cos k{\mathrm{\ω}}_{1}t+b_k\sin k{\mathrm{\ω}}_{1}t]---\left(18\right)$

式中x(t)表示电力系统周期的电流或者电压信号，T为电力系统周期，ω₁为周期函数的角频率,

为k次谐波的电压和电流之间的夹角，k为谐波次数，c₀是电流或者电压信号中的直流分量,c_km为k次谐波的电流或者电压幅值，

比较式（17）和式（18），对k次谐波可得下列关系：

利用三角函数的正交性，可得

$\left.\begin{array}{c}{c}_0=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)\mathrm{dt}\\ a_k=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)\cos k{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{tdt}\\ b_k=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)\sin k{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{tdt}\end{array}\right\}---\left(20\right)$

从上面分析可知，傅立叶级数展开结果是离散的傅氏系数组合，把一个周期函数展开或分解为具有一系列谐波的傅立叶级数称为谐波分析，

为了计算傅立叶级数，需要用到数值积分，即用x(t)的采样值来计算这个积分,设一个周波等间隔采样N点，将式（20）积分离散化后得

$\left.\begin{array}{c}{a}_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}\right)\\ b_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}\right)\end{array}\right\}---\left(21\right)$

由此可以计算出信号第k次谐波幅值、相角、有效值：

幅值 $c_{\mathrm{km}}=\sqrt{a_k^2+b_k^2}$

相角

有效值 $c_k=\sqrt{\frac{1}{2}{c}_{\mathrm{km}}}=\sqrt{\frac{1}{2}(a_k^2+b_k^2)}---\left(22\right)$

利用式（22），计算电压、电流信号k次谐波的有效值，不考虑直流分量的影响，交流周期函数的有效值等于信号中基波和各次谐波的有效值的平方和的算术平方根，因此电压U、电流I的有效值分别为：

$U=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{U_k}^2},I=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I_k}^2}$

其中U_k，I_k分别为k次谐波的电压有效值和电流有效值，M为需要计及的最高次谐波，要求 $M<\frac{1}{2}N$

第k次谐波的有功功率：

分别为k次谐波的电压相角，电流相角，U_km，I_km分别为k次谐波的电压幅值，电流幅值，

将式（19）代入上式，得第k次谐波的有功功率

$P_k=\frac{1}{2}(a_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}}+b_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}})$

同理，第k次谐波的无功功率：

由于各次谐波互相正交，即不同谐波的电压、电流互相不做功，单相电路的有功功率、无功功率即为各次谐波有功、无功功率的代数和，即

$\left.\begin{array}{c}P=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}}+b_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}})\\ Q=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}}-b_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}})\end{array}\right\}$

一种数字化采样平台，包括管理板和若干片数字化采样板，所述管理板上构建面向间隔的智能变电站多功能二次装置的AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件；所述管理板和数字化采样板均由CPU模块和FPGA模块组成，CPU模块通过PCIe串行总线访问FPGA模块；所述管理板和数字化采样板的FPGA模块通过LVDS管理总线和LVDS数据总线进行信息交换。

前述的LVDS管理总线负责从管理板传送配置信息和注册信息给数字化采样板，同时实时检测是否有新数字化采样板加入或移除，以备数据库更新管理；所述LVDS数据总线负责将数字化采样板的输出信息实时传送给管理板，信息包括采样值数据、电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量、同步相量数据和电能量数据。

前述的管理板上构建的元件，每个元件必须含一个构造函数用于分配元件对象内存，初始化元件的基本变量，并调用底层接口函数注册该元件的输入变量、输出变量和参数变量；每个元件必须含一个初始化函数用于元件运行前的初始化；每个元件含一个或多个定期执行任务函数。

本发明所达到的有益效果为：

1）本发明的面向间隔的智能变电站多功能二次装置，融合了稳态遥测量、同步相量、电能量三种功能，与传统采用三套独立装置分别实现三种量测数据采集的方法相比，在保证原有测量精度等各项技术指标的前提下，提高了设备的集成度，简化了变电站自动化系统的装置配置。同时，该装置在站控层、过程层全面支持IEC61850标准，同时还支持IEEE1344规约，可满足智能变电站发展建设的各项需求，可降低智能变电站的建设与维护成本，具有广阔的市场空间；

2）为发明本所述多功能二次装置而构建的高性能的数字化采样平台，管理板和数字化采样板同样的硬件设计，提高了CPU的利用率，减少了数据传输延时，增强了平台的集成化；该平台的软件架构主要采用注册机制，通过管理板统一管理数字化采样板，可在线实现更改间隔数量，满足智能变电站测控、保护、合并单元、智能终端、故障录波等各种二次装置的应用需求，可大大提高智能变电站二次装置的开发效率和开发质量。

附图说明

图1为智能变电站二次系统局部结构图；

图2为本发明多功能二次装置算法实现框图；

图3为本发明数字化采样平台总体框图；

图4为本发明的二次装置功能模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。

目前智能变电站二次系统局部结构如图1所示，过程层合并单元采集合并电子式互感器或常规互感器输出的交流量，根据IEC61850-9-2采样值传输协议进行编码，通过过程层SV网传输给间隔层测控、PMU、电能表等装置。间隔层装置计算后的量测数据，在站控层汇集后转发至各主站系统。

如图4所示，本发明的面向间隔的智能变电站多功能二次装置包括AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件，其中，AD接口元件分别与跟频重采样元件和频率计算元件相连接，跟频重采样元件分别与稳态计算元件和相量计算元件相连接，电能量计算元件和稳态计算元件相连接。

如图2所示，本发明的二次装置是通过如下方式实现其功能的：

在智能变电站中，电子式电压互感器、电子式电流互感器通过合并单元（MU）转换为IEC61850-9-2格式的SV报文采样值数据发送给面向间隔的的多功能二次装置。

AD接口元件分配在250us中断中执行，读取合并单元的SV报文采样值数据，每个中断读取一个采样值数据点，并将采样值数据分别存入不同的应用数据缓冲区。SV报文采样值数据为80点/周波的电压、电流采样值数据，每个采样值数据点包含：采样值数据值、品质、指针、采样序号和数据时标。AD接口元件考虑模拟与数字化型号兼容，采样值数据和品质分别采用16位表示，采样序号为0-3999编号，数据时标为32位世纪秒，后续应用的时标均取自原始采样点的时标，且格式保持一致，采样通道统一按照每条线13个数据通道预留，每条线6PT+7CT的标准配置，通道定义保持数字化与模拟统一，数字化型号每条线预留3个测量电流通道，用于满足二分之三接线时合电流计算的需要。

频率计算元件在10ms中断中执行，按照同步相量数据测量的精度要求，实现系统频率跟踪的快速计算，频率计算元件选取AD接口元件数据缓冲区某一电压通道的采样值数据进行基于相量测量快速的DFT计算，计算出相量数据及线路频率。该算法测量频率准确、跟频速度块，完全满足测量及同步相量数据对频率指标的要求，但是该算法无法完全消除DFT算法的频率泄漏对同步相量数据精度影响，因此本装置输出的同步相量数据是采用将采样值数据进行跟频重采样重新计算得到的。

频率计算元件具体计算方法为，每次中断后到AD采样模块缓冲区往前找到1个半周波的采样值数据计算一次频率，其计算方法和过程如下描述。

设第r个数据窗的采样时刻为t=t_r,t_r+T_i,…,t_r+kT_i,…,其中，采样间隔T_i=1/(Nf₀),f₀为系统工频，N为每周期的采样点数。与第r个数据窗对应的同步相量

表示为：

表示相量的相位角，X为相量幅值，

电力系统中，频率在1个周期时间内的变化很小，因此，将数据窗时间范围内的频差Δf(t)表示为固定值Δf，第r个数据窗的第s个采样值可表示为：

相对额定频率旋转坐标系的旋转相量

为：

${\hat{x}}_r=\left(\frac{\sqrt{2}}{N}{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}{\tilde{x}}_r\left(k\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}r}\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}r}---\left(3\right)$

将式（2）表示为指数形式并代入式（3），化简得：

又因为

${\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N-1}{e}^{\mathrm{j\&theta;s}}=\frac{\sin \mathrm{\&theta;N}/2}{\sin (\mathrm{\&theta;}/2)}{e}^{\mathrm{j\&theta;}(N-1)/2}---\left(5\right)$

令

$\mathrm{\&theta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;\&Delta;f}}{f_{0}N}---\left(6\right)$

式（4）可变换为：

将式（1）代入式（7），得

$\hat{x}\left(r\right)=\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(r\right)\frac{\sin \frac{\mathrm{\&theta;N}}{2}}{N\sin \left(\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\right)}{e}^{\frac{\mathrm{j\&theta;}(N-1)}{2}}+c\left(r\right)---\left(8\right)$

式中：

$c\left(r\right)=\stackrel{\&OverBar;}{x}{\left(r\right)}^{*}\frac{\sin \mathrm{\&theta;N}/2}{N\sin [(\mathrm{\&theta;}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{N})/2]}\&CenterDot;e^{-j\left\{\frac{4\mathrm{\&pi;}}{N}\right[r+\frac{N-1}{2}]+\frac{\mathrm{\&theta;}(N-1)}{2}\}}---\left(9\right)$

是DFT计算所得的存在频率泄漏的原始相量；

是

的共轭；c(r)是DFT在定间隔采样情况下与数据窗对应的初相角相关的呈振荡形式的频率泄漏项；f₀为系统工频，sin(θN/2)/[Nsin(θ/2)]是因频率泄漏导致的相量幅值衰减系数；

是频率偏差产生的比例相移。

要修正频率泄漏的影像，只要解算出c(r)和θ，即可由

得到精确的同步相量

因此，可利用连续3点

的表达式联立方程组求解。

设每m次采样计算一次同步相量

采用3个等间隔相量

联立方程组，可解得：

$e^{-\mathrm{j\&theta;m}}=f(r-2m)+\sqrt{{\left(f(r-2m)\right)}^2-e^{-j\frac{4\mathrm{\&pi;}}{N}m}}---\left(10\right)$

$c\left(r\right)=-\frac{\hat{x}(r-m)-\hat{x}\left(r\right)e^{-\mathrm{j\&theta;m}}}{e^{-\mathrm{j\&theta;m}}-e^{-j(\mathrm{\&theta;}+\frac{4\mathrm{\&pi;}}{N})m}}---\left(11\right)$

式中：

$f(r-2m)=\frac{1}{2}[\frac{\hat{x}(r-2m)}{\hat{x}(r-m)}+\frac{e^{j\frac{4\mathrm{\&pi;}}{N}m}\hat{x}\left(r\right)}{\hat{x}(r-m)}]---\left(12\right)$

同步相量

可按下式校正得到：

$\stackrel{\&OverBar;}{x}\left(r\right)=[\hat{x}\left(r\right)-c\left(r\right)]\frac{N\sin \mathrm{\&theta;}/2}{\sin (\mathrm{\&theta;N}/2)}{e}^{-\mathrm{j\&theta;}(N-1)/2}---\left(13\right)$

在计算频率的同时，计算断路器两侧的实时相位差，相位差采用频率计算元件的DFT算法计算出来的电压基波的实部和虚部计算。

电压基波的实部U_a1r和虚部U_a1i的表达式为：

U_a1m为电压u_a的幅值，

由此得电压u_a的基波相位角

为：

假定断路器另一侧为同期电压u_x，其基波频率为f_x。如果忽略两侧电压的频率差，认为f_x≈f_a，电压u_x的基波相位角为：

U_x1i为电压u_x的虚部，U_x1r为电压u_x的实部，

将两侧电压相位角相减得相位差δ为：

为了避免采样频率与信号频率不同步而产生的误差，需要实时跟踪被测信号频率并调整重采样率，以确保每个被测信号的采样值数据窗都能反映一个完整周期。目前PMU要求的最高上送频率为100Hz，频率计算的分辨率要高于10ms才能够满足同步相量的数据同步要求。本发明的跟频重采样元件用于调整重采样率，跟频重采样元件分配在10ms中断中执行，根据频率计算元件计算的频率对AD接口元件数据缓冲区中的采样值数据进行重采样，复制出序号连续的80个采样值数据点，通过二阶Lagrange插值算法将80点/周波数据抽取成64点/周波数据；同时当系统频率出现波动时，能根据当前测得的系统频率迅速调整数据抽取的间隔，既保证了整周期采样，又减小了频谱泄露和栅栏效应引起的测量误差。重采样应满足PMU计算数据打时标的要求，跟频重采样元件提供统一的64点/周波跟频后的采样值数据给稳态计算元件，相量计算元件。

跟频重采样元件中插值运算要考虑采样缓冲区丢点情况的容错处理，可通过采样序号的连续性判断是否丢点，对于只出现丢失1个数据点的情况，二阶Lagrange插值算法仍能拟合出插值点；当出现连续多个数据点丢失，则复位数据缓冲区，丢弃已缓存采样值数据；若累计连续出现丢点超过5个周波，则产生采样值数据丢点的异常告警。同时还应判断采样值自身带过来的品质位的判断和处理，将品质位统一处理后输出给稳态计算元件，相量计算元件判断，最终的测量量品质及告警由上述两种元件产生并上送。

跟频重采样元件还需考虑来自AD接口元件接收的多个合并单元采样值数据的同步对齐处理。合并单元的额定延时不同会造成采样序号的不同步，系统时钟抖动也有可能引起多个合并单元上送数据的不同步，跟频重采样元件通过对采样值数据进行缓存，根据采样序号和时标进行不同合并单元采样值数据的对齐。

稳态计算元件用于计算遥测和标记遥测量变化时标；稳态计算元件采用跟频重采样元件输出的频域信号数据计算电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量，其计算方法如下所述。

电力系统周期的电流、电压信号的傅立叶级数形式可表示为:

即

也可以写成：

$x\left(t\right)=c_0+\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}[a_k\cos k{\mathrm{\&omega;}}_{1}t+b_k\sin k{\mathrm{\&omega;}}_{1}t]---\left(18\right)$

式中x(t)表示电力系统周期的电流或者电压信号，T为周期，ω₁为周期函数的角频率,

为k次谐波的电压和电流之间的夹角，k为谐波次数，c₀是电流或者电压信号中的直流分量,c_km为k次谐波的电流或者电压幅值。

比较式（17）和式（18），对k次谐波可得下列关系：

利用三角函数的正交性，可得

$\left.\begin{array}{c}{c}_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)\mathrm{dt}\\ a_k=\frac{2}{T}{\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)\cos k{\mathrm{\&omega;}}_1\mathrm{tdt}\\ b_k=\frac{2}{T}{\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)\sin k{\mathrm{\&omega;}}_1\mathrm{tdt}\end{array}\right\}---\left(20\right)$

从上面分析可知，傅立叶级数展开结果是离散的傅氏系数组合。把一个周期函数展开或分解为具有一系列谐波的傅立叶级数称为谐波分析。

为了计算傅立叶级数，需要用到数值积分，即用x(t)的采样值来计算这个积分,设一个周波等间隔采样N点。将式（20）积分离散化后得

$\left.\begin{array}{c}{a}_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}\right)\\ b_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}\right)\end{array}\right\}---\left(21\right)$

由此可以计算出信号第k次谐波幅值、相角、有效值:

幅值 $c_{\mathrm{km}}=\sqrt{a_k^2+b_k^2}$

相角

有效值 $c_k=\sqrt{\frac{1}{2}{c}_{\mathrm{km}}}=\sqrt{\frac{1}{2}(a_k^2+b_k^2)}---\left(22\right)$

利用式（22），可以计算电压、电流信号k次谐波的有效值。不考虑直流分量的影响，交流周期函数的有效值等于信号中基波和各次谐波的有效值的平方和的算术平方根，因此电压、电流的有效值分别为：

$U=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U_k}^2},I=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_k}^2}$

其中U_k，I_k分别为k次谐波的电压有效值和电流有效值，M为需要计及的最高次谐波，要求 $M<\frac{1}{2}N$

第k次谐波的有功功率：

分别为电压相角，电流相角，U_km，I_km分别为k次谐波的电压幅值，电流幅值，

将式（19）代入上式，得第k次谐波的有功功率

$P_k=\frac{1}{2}(a_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}}+b_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}})$

同理，第k次谐波的无功功率：

由于各次谐波互相正交，即不同谐波的电压、电流互相不做功，单相电路的有功功率、无功功率即为各次谐波有功、无功功率的代数和，即

$\left.\begin{array}{c}P=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}}+b_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}})\\ Q=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}}-b_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}})\end{array}\right\}$

在每次遥测计算后判该元件断遥测量是否发生变化，记录下变化时刻所对应的时标；单条线路稳态计算元件的输出包含标准线路的相电压、线电压、同期电压、零序电压和电流、总功率和分相功率，同时考虑合电流运算的需要，预留边开关电流、合电流、总功率，以及各测量通道对应的遥测品质和电压电流谐波计算量。

相量计算元件在10ms中断中执行，该计算元件读取该10ms时间段跟频重采样元件输出的采样值进行幅值与相角的运算，输出时标为该10ms起始时刻的相量数据，相量数据的计算方法与稳态计算元件描述的一致，只是由于相量数据只反映基波及3次谐波的幅值与相角，因此在进行前述式（21）计算时，只需要计算k=1和k=3两种情况，并根据采样序号记录下该10ms起始时刻的时标。动态相量计算对于采样值数据品质的处理方法为，根据重采样元件输出的品质信息判断，单个周波的丢点则送上一周波的数据，若累计连续出现多个周波的丢点则产生动态数据异常的告警虚遥信上送。

电能量计算可以采用时域积分法也可以采用频域计算法，为了抑制直流分量和谐波对计算精度的影响，电能量计算元件采用频域计算法进行电能累加，即通过累加稳态计算元件计算出的瞬时功率得到电能量。在计算间隔能够保证是均匀10ms情况下，可以达到很高的电能计算精度，还需要考虑电度量的掉电保持，装置应设计掉电RAM用于在掉电时保持电度量数据不丢失。电能量数据也通过IEC61850标准模型上送，当连续两个以上的计算间隔出现稳态计算元件计算出的瞬时功率品质异常，电能量计算元件就冻结当前的电能量数据，提示当地监控系统及计量主站。

通过上述5个装置程序元件，可完成多功能二次装置的稳态遥测、同步相量、电能量计量功能。采用该算法的多功能二次装置的静态测试的各项指标均满足规范要求。装置的同步相量的动态性能也进行了验证，阶跃响应时间小于20ms，幅值调制误差小于0.1%，频率调制误差小于0.002Hz，动态试验的结果满足同步相技术规范的要求。

本发明的二次装置的工作流程为：多功能二次装置通过合并单元接收采样值数据，进行数据缓存和异常处理；频率计算元件选取某个电压通道进行频率跟踪计算；跟频重采样元件根据计算的系统频率对采样值数据进行重采样；通过FFT算法将时域信号变换为频域信号，并提供统一的数据接口给稳态计算元件和相量计算元件；量测数据计算元件根据各自的要求分别计算出稳态遥测数据、电能数据和同步相量数据，并打上各自的数据时标。IEC61850-9-2采样值类型为32位整数，电压、电流分别按照10mV和1mA进行数据编码，每个采样通道包含必须的数据品质。由于同步相量测量对于数据处理的动态性能要求最高，因此统一按照同步相量计算的需要进行数据缓存，并根据采样值数据的点序号记录下缓存数据块的时标，满足后续数据处理的需要。

随着新一代智能变电站的大力推进，变电站自动化装置的数字化、集成化的趋势日益明显，对装置类产品性能的要求越来越高。主流的变电站自动化装置平台多采用双CPU架构或多核架构，双CPU架构是指DSP＋ARM。DSP只负责数据采集、计算，ARM负责网络通讯及信息处理。但这种模式在数据共享、设备间隔扩展、时钟同步上存在很多技术壁垒，不利于智能变电站的推进和继电保护的发展。多核架构是指采用多核处理器，模拟双CPU架构，实现实时任务和非实时任务之间的隔离。这种模式适合于中低压保护测控装置，成本低、功耗少，但数据采样的实时性和处理能力有限，无法满足大容量、高速数据采样的需求。

因此为满足本发明的多功能二次装置的需求，本发明提出了一种数字化采样平台，解决高速数据传输、大容量数据采样、测量算法和数据采样同步等问题。

该平台的系统结构图如图3所示，可配置1块管理板和多块数字化采样板，满足不同应用的需求。对于前述的面向间隔的多功能二次装置只需要配置1块管理板和1块数字化采样板。管理板负责对外通讯、人机接口、运行信息、录波文件、日志管理等功能，数字化采样板实现多功能二次装置的AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件的所有功能。

管理板和数字化采样板的系统软件均使用Linux操作系统。随着Linux在嵌入式领域应用的推广，其实时性已得到很大提高，Linux2.4及以前版本的内核是不可抢占的，但Linux2.6中，内核已经可以抢占，高优先级内核空间进程可以像用户空间内那样抢占低优先级进程的资源，因而实时性得到了加强。

管理板和数字化采样板的硬件由CPU模块和FPGA模块组成，CPU模块采用Freescale公司推出的P1011处理芯片，P1011是目前在网络与通信领域应用非常广泛的一款微处理器芯片，高速的PowerPC内核，连同集成的网络与通信外围设备，为用户提供了一个建立高端通信系统的全新系统解决方案，被广泛应用于实际工程中。CPU模块采用PCIe串行总线访问FPGA模块，P1011处理芯片外接链路一个Lane，总线规范1.x，速率2.5Gbps，在网络风暴测试中，性能体现优越。

管理板和数字化采样板共有两条总线进行数据交换，一为管理总线，一为数据总线，管理总线负责从管理板传送配置信息和注册信息给数字化采样板，同时实时检测是否有新数字化采样板加入或移除，以备数据库更新管理；数据总线负责将数字化采样板信息实时传送给管理板，信息包括采样值数据、电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量、同步相量数据和电能量数据。

管理总线和数据总线均采用LVDS总线技术实现，LVDS总线由FPGA模块实现，分为发送总线和接收总线，物理上都由一对差分线构成，实现点对点全双工通信，通信速率为100Mbps。

平台的软件架构主要采用注册机制，通过管理板统一管理，其具体实现通过封装元件来实现。根据面向对象的思想，将一组数据及定义在数据上的一组操作封装在一起，称之为元件。元件完成一个特定的功能，有比较明确的输入输出定义和参数定义。以稳态计算元件为例，输入是跟频重采样元件输出的经过跟频插值后的采样值数据，输出是电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量，参数是每周波电流电压的采样率，任务函数就是完成稳态计算的算法。

元件结构的定义还包含有输入变量、输出变量、和参数变量的定义，还可以包含私有变量。以一个稳态计算元件来说明元件的数据结构：

每个元件必须设计一个构造函数。构造函数的作用是分配元件对象内存，初始化元件的基本变量，并调用底层接口函数注册该元件的输入变量、输出变量和参数变量。构造函数形式如下:

每个元件必须设计一个初始化函数。初始化函数完成元件的任务运行前的初始化工作。初始化函数格式定义如下：

每个元件一般有一或多个定期执行任务。这些任务在初始化函数中添加到任务队列中。任务函数格式定义如下：

元件的构造、初始化、任务函数均有系统程序自动调用，其执行顺序为：

1、系统程序在装置初始化第一步时首先调用其构造函数，完成分配元件的内存，输入、输出、参数连接关系定义注册等工作；

2、系统程序在装置初始化第N步时，调用元件的初始化函数，完成元件数据初始化、任务注册；

3、系统程序在装置运行时，周期性的调用任务函数。

管理板上构建了AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件共6个元件，并通过管理总线传送元件注册信息给数字化采样板，数字化采样板周期性的调用这6个元件的任务函数，并通过数据总线把这6个元件的输出变量，即采样值数据、电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量、同步相量数据和电能量数据实时传送给管理板，由管理板实现对外的通信功能，实现了多功能二次装置三种测量算法的融合。

Claims (10)

1.一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，其特征在于，包括AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件，所述AD接口元件分别与跟频重采样元件和频率计算元件相连接，所述跟频重采样元件分别与稳态计算元件和相量计算元件相连接，电能量计算元件和稳态计算元件相连接，

所述AD接口元件在250μs中断中执行，用于读取合并单元的SV报文采样值数据，每个中断读取一个采样值数据点，并将采样值数据分别存入不同的应用数据缓冲区；

所述频率计算元件在10ms中断中执行，用于系统频率跟踪的快速计算，计算出相量数据及线路频率，计算出的频率用于后续的跟频重采样元件；

所述跟频重采样元件在10ms中断中执行，用于调整重采样率，将80点/周波数据抽取成64点/周波数据，同时当系统频率出现波动时，根据当前测得的系统频率实时调整插值间隔，保证数据的整周期采样；并且跟频重采样元件通过FFT算法将SV报文采样值数据时域信号变换为频域信号，将64点/周波跟频后的采样值数据提供给稳态计算元件和相量计算元件；

所述稳态计算元件采用跟频重采样元件输出的频域信号数据计算电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量，并在每次遥测计算后判断遥测量是否发生变化，记录下变化时刻所对应的时标；

所述相量计算元件在10ms中断中执行，相量计算元件读取该10ms时间段跟频重采样元件输出的频域信号数据进行幅值与相角的运算，输出相量数据，并根据采样序号记录下该10ms起始时刻的时标；

所述电能量计算元件采用频域计算法对稳态计算元件计算的瞬时功率进行累加，得到电能量。

2.根据权利要求1所述的一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，其特征在于，所述SV报文采样值数据为80点/周波的电压、电流采样值数据，每个SV报文采样值数据包括采样值数据、品质、指针、采样序号和数据时标。

3.根据权利要求1所述的一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，其特征在于，所述频率计算元件选取AD接口元件数据缓冲区某一电压通道的采样值数据进行基于相量测量快速的DFT计算，每次中断后到AD采样模块缓冲区往前找到1个半周波的采样数据计算一次频率，在计算频率的同时，计算断路器两侧的实时相位差，相位差采用频率计算元件的DFT算法计算出来的电压基波的实部和虚部计算。

4.根据权利要求1所述的一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，其特征在于，所述跟频重采样元件根据频率计算元件计算的频率对AD接口元件数据缓冲区中的采样值数据进行重采样，复制出序号连续的80个采样值数据点，通过二阶Lagrange插值算法将80点/周波数据抽取成64点/周波数据。

5.根据权利要求1或4所述的一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，其特征在于，所述跟频重采样元件中插值运算要考虑采样缓冲区丢点情况的容错处理，可通过采样序号的连续性判断是否丢点，对于只出现丢失1个数据点的情况，二阶Lagrange插值算法仍能拟合出插值点；当出现连续多个数据点丢失，则复位数据缓冲区，丢弃已缓存采样值数据；若累计连续出现丢点超过5个周波，则产生采样值数据丢点的异常告警。

6.根据权利要求1或4所述的一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，其特征在于，所述跟频重采样元件对来自AD接口元件接收的多个合并单元采样值数据进行同步对齐处理，通过对采样值数据进行缓存，根据采样序号和时标进行不同合并单元采样值数据的对齐，实现采样值数据同步。

7.根据权利要求1所述的一种面向间隔的智能变电站多功能二次装置，其特征在于，所述稳态计算元件计算电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量，计算方法如下：

电力系统周期的电流、电压信号的傅立叶级数形式可表示为:

即

也可以写成：

$x\left(t\right)=c_0+\underset{k=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}[a_k\cos k{\mathrm{\&omega;}}_{1}t+b_k\sin k{\mathrm{\&omega;}}_{1}t]---\left(18\right)$

式中x(t)表示电力系统周期的电流或者电压信号，T为电力系统周期，ω₁为周期函数的角频率,

为k次谐波的电压和电流之间的夹角，k为谐波次数，c₀是电流或者电压信号中的直流分量,c_km为k次谐波的电流或者电压幅值，

比较式（17）和式（18），对k次谐波可得下列关系：

利用三角函数的正交性，可得

$\left.\begin{array}{c}{c}_0=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)\mathrm{dt}\\ a_k=\frac{2}{T}{\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)\cos k{\mathrm{\&omega;}}_1\mathrm{tdt}\\ b_k=\frac{2}{T}{\&Integral;}_0^{T}x\left(t\right)\sin k{\mathrm{\&omega;}}_1\mathrm{tdt}\end{array}\right\}---\left(20\right)$

从上面分析可知，傅立叶级数展开结果是离散的傅氏系数组合，把一个周期函数展开或分解为具有一系列谐波的傅立叶级数称为谐波分析，

为了计算傅立叶级数，需要用到数值积分，即用x(t)的采样值来计算这个积分,设一个周波等间隔采样N点，将式（20）积分离散化后得

$\left.\begin{array}{c}{a}_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}\right)\\ b_k=\frac{2}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\mathrm{kn}\right)\end{array}\right\}---\left(21\right)$

由此可以计算出信号第k次谐波幅值、相角、有效值：

幅值 $c_{\mathrm{km}}=\sqrt{a_k^2+b_k^2}$

相角

有效值 $c_k=\sqrt{\frac{1}{2}{c}_{\mathrm{km}}}=\sqrt{\frac{1}{2}(a_k^2+b_k^2)}---\left(22\right)$

利用式（22），计算电压、电流信号k次谐波的有效值，不考虑直流分量的影响，交流周期函数的有效值等于信号中基波和各次谐波的有效值的平方和的算术平方根，因此电压U、电流I的有效值分别为：

$U=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U_k}^2},I=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_k}^2}$

其中U_k，I_k分别为k次谐波的电压有效值和电流有效值，M为需要计及的最高次谐波，要求

N

第k次谐波的有功功率P_k：

分别为k次谐波的电压相角，电流相角，U_km，I_km分别为k次谐波的电压幅值，电流幅值，

将式（19）代入上式，得第k次谐波的有功功率P_k

$P_k=\frac{1}{2}(a_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}}+b_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}})$

同理，第k次谐波的无功功率Q_k：

由于各次谐波互相正交，即不同谐波的电压、电流互相不做功，单相电路的有功功率、无功功率即为各次谐波有功、无功功率的代数和，即

$\left.\begin{array}{c}P=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}}+b_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}})\\ Q=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(a_{\mathrm{uk}}{b}_{\mathrm{ik}}-b_{\mathrm{uk}}{a}_{\mathrm{ik}})\end{array}\right\}$

8.一种数字化采样平台，其特征在于，包括管理板和若干片数字化采样板，所述管理板上构建面向间隔的智能变电站多功能二次装置的AD接口元件、跟频重采样元件、稳态计算元件、频率计算元件、相量计算元件和电能量计算元件；所述管理板和数字化采样板均由CPU模块和FPGA模块组成，CPU模块通过PCIe串行总线访问FPGA模块；所述管理板和数字化采样板的FPGA模块通过LVDS管理总线和LVDS数据总线进行信息交换。

9.根据权利要求8所述的一种数字化采样平台，其特征在于，所述LVDS管理总线负责从管理板传送配置信息和注册信息给数字化采样板，同时实时检测是否有新数字化采样板加入或移除，以备数据库更新管理；所述LVDS数据总线负责将数字化采样板的输出信息实时传送给管理板，信息包括采样值数据、电压、电流的有效值和功率、谐波稳态遥测量、同步相量数据和电能量数据。

10.根据权利要求8所述的一种数字化采样平台，其特征在于，所述管理板上构建的元件，每个元件必须含一个构造函数用于分配元件对象内存，初始化元件的基本变量，并调用底层接口函数注册该元件的输入变量、输出变量和参数变量；每个元件必须含一个初始化函数用于元件运行前的初始化；每个元件含一个或多个定期执行任务函数。

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