CN103995193B - 数字化变电站全站电能质量在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字化变电站全站电能质量在线监测装置，包括信号接入模块、通用报文解析模块、电能质量分析处理模块、信号输出模块，其中，所述信号接入模块，用于接收数字化变电站的电能质量信号，并对所述电能质量信号打上时标后发送给所述通用报文解析模块；所述通用报文解析模块，用于对所述信号接入模块发送的电能质量信号进行解析，然后发送给所述电能质量分析处理模块；所述电能质量分析处理模块，用于接收并分析所述通用报文解析模块发送的解析后的电能质量信号，得到分析结果；所述信号输出模块，用于将所述电能质量分析处理模块得到的分析结果进行输出。本发明装置能够实时监测和预警数字化变电站中电能质量的运行工况，从而完成全站电能质量监测、告警以及综合评估分析。

Description

数字化变电站全站电能质量在线监测装置

技术领域

本发明涉及电力系统数字化变电站电能质量技术领域，具体涉及到一种基于数字化变电站的全站电能质量在线监测装置。

背景技术

智能电网是电力系统未来的发展方向，数字化变电站是智能电网的关键节点。相对于传统变电站，数字化变电站有着很大的优势。数字化变电站采用电子式或光电式互感器实现信号测量，并在二次侧直接输出数字信号通过光纤传输至合并单元，数据按照IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8协议打包后，再经光纤实现批量数据传输。数字化变电站采用智能开关或智能终端，采用GOOSE报文和光纤以太网传输开关量信号。大大提高了信号的可用性和信号的抗干扰能力，更便于数据共享和高级应用功能的开发实现。

目前，在国外已经建成和投运的数字化变电站中还没有出现电能质量监测装置的应用报道；国内部分数字化变电站中已经逐步开始使用数字化电能质量监测装置，但其解决思想仍如同常规变电站那样按照间隔回路进行监测装置配置，不能顺应数字化变电站网络化的二次设备建设需要；同时，这部分装置普遍存在以下几个问题：

(1)接入能力不够，这主要体现在两个方面：

硬件平台性能不足，计算能力不能满足多监测点接入时的计算需求，而且考虑到后续MU输出采样率的提升，对平台的处理性能要求进一步提高，现有公开装置无法满足计算性能的需求。

(2)接入端口不足。目前运行的很多数字化变电站采用点对点接入方式(MU信号不通过交换机直接接入装置)，或者组网接入时MU较多导致组网复杂，在这些地区，至少需要具备24个光以太网接入口才能满足全站电能质量信号接入需求。现有公开电能质量监测装置均无法满足此接入需求。

(3)无法给出相应的报文错误分析。在报文错误的情况下依旧分析电能质量指标，这给运行人员造成很大的困扰。运行人员常常需要花费很长时间和精力，从网络报文分析装置上分析造成电能质量数据不对的原因，通过人工方式来整合才能进行综合分析，这不仅给运行、维护、调试和事故检修带来不便，还会延长故障排除时间，降低供电质量。

(4)不满足IEEE1588精密时钟信号的接入，后续扩展能力不足。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种数字化变电站全站电能质量在线监测装置，能够实时监测和预警数字化变电站中电能质量的运行工况，从而完成全站电能质量监测、告警以及综合评估分析。

本发明提供的一种数字化变电站全站电能质量在线监测装置，包括：信号接入模块、通用报文解析模块、电能质量分析处理模块、信号输出模块，其中，

所述信号接入模块，用于接收数字化变电站的电能质量信号，并对所述电能质量信号打上时标后发送给所述通用报文解析模块；

所述通用报文解析模块，用于对所述信号接入模块发送的电能质量信号进行解析，然后发送给所述电能质量分析处理模块

所述电能质量分析处理模块，用于接收并分析所述通用报文解析模块发送的解析后的电能质量信号，得到分析结果；

所述信号输出模块，用于将所述电能质量分析处理模块得到的分析结果进行输出。

所述信号接入模块包括光以太网接入子模块、IEC60044-8报文数据接入子模块以及支持电信号和光信号的对时信号接入子模块；其中，

所述光以太网接入子模块，用于接收包括二次报文信号的IEC61850-9-1规约采样值报文、IEC61850-9-2规约采样值报文、GOOSE开关量报文和IEEE1588高精度时钟报文的电能质量信号；

所述IEC60044-8报文数据接入子模块，用于接收包括IEC60044-8以太网报文的电能质量信号；

所述对时信号接入子模块，用于接收GPS的IRIG-B码对时信号。

所述通用报文解析模块，接收用户的配置文件，基于IEC61850及IEC60044报文编码规则，对电能质量信号进行报文解析，得到所述配置文件中各个MU控制块中所选通道的采集量，同时判断报文是否异常，并将得到的采集量以及判断出的异常信号传送给所述电能质量信号处理分析单元，其中，

所述配置文件，用于描述接入的MU通道配置信息、GOOSE通道配置信息、一次元件配置信息、定值配置信息、装置基本配置信息等。配置文件是装置正常运转、解析报文、分析电能质量指标的前提。

所述通用报文解析模块采用FPGA哈希表处理机制，在MAC层拦截非协议报文，大大减少CPU分析平台的计算负荷，提高装置整体性能，可作为通用部件适用于其他数字化变电站二次设备装置。

当报文出现丢帧、错序、品质位错误、计数无效或采样值无效时，判断报文为异常。

所述电能质量信号处理分析模块，包括中央处理子模块和本地存储子模块，其中，

所述中央处理子模块包括分析计算子模块、告警子模块、通信处理子模块，其中，

所述分析计算子模块，用于接收所述通用报文解析模块发送的采集量信号、异常信号，并进行分析：当接收到报文信号时，首先分析报文信息是否正常，当报文异常时，则计算任务闭锁，同时发送报文错误告警消息至通信子模块；当报文正常时，则进行电能质量计算，根据10周波数据窗，选用经典傅里叶算法计算所有通道的包括有效值数据、谐波数据、功率数据、不平衡数据在内的电能质量指标数据；在每个计算周期完毕后，发送计算结果至告警子模块；

所述告警子模块，用于接收所述分析计算子模块发送的计算结果，根据装置定值配置信息，判断是否有计算结果告警越限，如果有告警越限产生，则产生告警信息；在每个计算周期完毕后，把包括计算结果和/或告警信息在内的综合信息分析结果发送至通信处理子模块；

所述通信处理子模块，用于与监控主站系统进行数据交互，实时更新并发送综合信息分析结果至所述监控主站系统；

所述本地存储子模块，包括FLASH存储单元、内存单元、EEPROM存储单元、SATA存储单元，其中，

所述FLASH存储单元，用于存储装置应用程序代码、装置启动代码、FPGA代码；

所述内存单元，用于对程序及处理数据进行临时存储；

所述EEPROM存储单元，用于备份装置配线，以防硬盘故障时配线丢失导致客户重新配置参数；

所述SATA存储单元，用于存储稳态电能质量统计数据，暂态电能质量波形数据、日志数据、事件数据，装置配线参数。

所述SATA存储单元，应用原始块文件系统线性均衡循环存储。

所述信息输出模块，包括以太网控制器子模块、信号开出子模块、LED子模块、就地显示子模块；其中，

所述以太网控制器子模块，用于对电能质量信号处理分析模块的综合信号分析结果采用以太网方式进行输出；

所述信号开出子模块，用于采用硬接点的方式发出告警信号；

所述LED子模块，用于通过LED指示灯显示所述装置自身的运行状态及数字化变电站全站的电能质量状态；

所述就地显示子模块，用于就地显示电能质量综合分析数据，包括实时波形、稳态电能质量数据、历史事件记录、历史波形记录、配置文件信息等。

由上述技术方案可知，本发明装置可以在线运行于数字化变电站的现场中，可实时监测全站电能质量接入信号，必要时预警电能质量指标越限，引导用户合理、正确的使用电能；同时，本发明能够把稳态电能质量数据、暂态电能质量数据通过以太网上送至电能质量监测主站，为电能质量分析、评估、治理提供数据支撑和监测手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例给出的数字化变电站全站电能质量在线监测装置的硬件组成示意图；

图2为本发明一实施例给出的数字化变电站全站电能质量在线监测装置的接口布置示意图；

图3为本发明一实施例给出的数字化变电站全站电能质量在线监测装置的系统组成示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一实施例提供的数字化变电站全站电能质量在线监测装置包括信号接入模块1、通用报文解析模块2、电能质量分析处理模块3、信号输出模块4和电源单元5组成，其中，信号接入模块1接收数字化变电站的电能质量综合信号传送给通用报文解析模块2，通用报文解析模块2把解析后的电压电流采集信号及异常告警信号传送给电能质量分析处理模块3；电能质量分析处理模块3对数字化变电站的电能质量信号进行分析；信号输出模块4将经过电能质量分析处理模块3对综合信号分析后的包括告警信号在内的综合信号分析结果进行输出。

信号接入模块1包括带宽为100Mb/s、1000Mb/s的以太网接入子模块11、IEC60044-8报文数据接入子模块12，以及支持电信号和光信号的对时信号接入子模块13；以太网接入子模块11接收二次报文信号的IEC61850-9-1规约采样值报文、IEC61850-9-2规约采样值报文、GOOSE开关量报文和IEEE1588高精度时钟报文；IEC60044-8报文数据接入子模块12接收IEC60044-8以太网报文；对时信号接入子模块13接收GPS的IRIG-B码对时信号；

通用报文解析模块2接收信号接入模块1所传送的信息，依照参数配置信息解析各个MU控制块报文，提取所需要的通道信息，并判断是否有报文帧异常，然后把得到的数据传送给电能质量分析处理模块3。所述配置文件，用于描述接入的MU通道配置信息、GOOSE通道配置信息、一次元件配置信息、定值配置信息、装置基本配置信息等。配置文件是装置正常运转、解析报文、分析电能质量指标的前提。

所述通用报文解析模块，采用FPGA哈希表处理机制，用于智能变电站网络报文过滤。目前，通用报文过滤机制通过CPU应用软件判断协议类型、合并单元的APPID是否正确等机制过滤非协议报文，而这部分逻辑判断必须占用CPU资源，降低CPU使用效率；而本发明采用的FPGA哈希表处理机制，在MAC层拦截非协议报文，完全不占用CPU资源，提高装置整体性能。

所述电能质量信号处理分析模块3，包括中央处理子模块31和本地存储子模块32，其中，

所述中央处理子模块31包括分析计算子模块、告警子模块、通信处理子模块，其中，

所述分析计算子模块，用于接收所述通用报文解析模块发送的采集量信号、异常信号，并进行分析：当接收到报文信号时，首先分析报文信息是否正常，当报文异常时，则计算任务闭锁，同时发送报文错误告警消息至通信处理子模块；当报文正常时，则进行电能质量计算，根据10周波数据窗，选用经典傅里叶算法计算所有通道的包括有效值数据、谐波数据、功率数据、不平衡数据在内的电能质量指标数据；在每个计算周期完毕后，发送计算结果至告警子模块；所述告警子模块，用于接收所述分析计算子模块发送的计算结果，根据装置定值配置信息，判断是否有计算结果告警越限，如果有告警越限产生，则产生告警信息；在每个计算周期完毕后，把包括计算结果和/或告警信息在内的综合信息分析结果发送至通信处理子模块；所述通信处理子模块，用于与监控主站系统进行数据交互，实时更新并发送综合信息分析结果至所述监控主站系统；

所述本地存储子模块，包括FLASH存储单元33、内存单元32、EEPROM存储单元34、SATA存储单元35，其中，

FLASH存储单元33用于存储程序代码，内存单元32用于对程序及处理数据进行临时存储，EEPROM存储单元34用于备份装置配线，以防硬盘故障时配线丢失导致客户重新配置参数，SATA存储单元35用于存储稳态电能质量PQDIF数据，暂态电能质量COMTRADE数据，日志数据、事件数据，装置配线参数等等。电能质量分析处理模块3将中央处理子模块31得到的处理结果发送给信号输出模块4。

信号输出模块4包括以太网控制子模块41、信号开出子模块42、LED子模块43和就地显示子模块44，均与电能质量分析处理模块3电连接；其中，以太网控制子模块41将经过电能质量分析处理模块3对数字化变电站的综合信号分析后的综合信号分析结果采用太网方式对外通信导出数据；信号开出子模块42采用硬接点的方式发出告警信号；LED子模块43通过LED指示灯指示用于数字化变电站的全站电能质量在线装置的工作状态及系统电能质量状况；就地显示子模块44用于显示电能质量监测信息，包括实时波形、分析电压电流有效值、谐波总畸变率，2-39次谐波含有率、含有量，母线线路三相不平衡度，正、负零序值、电压波动，闪变值等完善的监测功能，并提供电压电流通道突变量告警、频率偏差告警、电压电流偏差告警、三相电压不平衡告警、电压闪变告警、电压电流谐波总畸变率告警、各次谐波告警、正负零序告警、电压骤升、骤降、短时中断事件告警、电压瞬变告警等。

电源模块5用于给其他单元提供电源支持，输入提供两种规格支持：

交流电压：220V(频率50Hz，变化范围80％～120％额定电压值)；

直流电压：220V和110V(变化范围80％～115％，纹波系数≤5％)。

信号接入后，本实施例的数字化变电站全站电能质量在线监测装置主要提供以下功能：

(1)电能质量指标监测功能：

可实时监测系统频率值、频率偏差。

可实时监测电压电流基波有效值、三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素.

可实时监测电压电流谐波及间谐波含有率、含有量、谐波总畸变率THD值、各次谐波电压、各次谐波电流、各次谐波电压畸变率、各次电流谐波畸变率、总电压谐波畸变率、总电流谐波畸变率次数2～40次(4K采样率下)，间谐波监测分辨率达5Hz。

可实时监测各次谐波相位、总谐波有功功率、总谐波无功功率、各次谐波有功功率、各次谐波无功功率、谐波功率方向、三相视在功率因素、三相有功功率因素、三相无功功率因素、真功率因素。

可实时监测电压、电流三相不平衡度。

可实时监测电压波动、短时间电压闪变Pst和长时间电压闪变Plt值。

可实时监测电压骤降、骤升、短时中断事件。

(2)告警功能

报文告警功能：可实时监测和预警数字化变电站二次网络系统的异常和故障，包括丢包、错序、重复、延迟、中断、编码无效、采样异常、同步异常、配置无效等。

电能质量指标越限告警功能：本发明的监测装置能够对连续监测的电能质量指标进行判断，能够设置被测装置的指标限值，当实测指标超过限值时，能够提供指标越限记录，记录越限的指标名称、幅值、时间、相别等。指标越限包括：电压有效值越限、电流有效值越上限、频率越限、谐波越限、三相不平衡度越限、电压波动和闪变越限。

(3)稳态数据存储功能

本发明的监测装置能够记录各种基本的电能质量指标和参数；电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波监测的数据能以固定的记录周期(测量的间隔时间)在监测装置中存储，记录周期可以整定。

(4)统计分析功能

图形输出功能。可形成各种参数任意时段的变化趋势图并可局部缩放。

报表输出功能。报表系统具有用户自定制的报表自动生成功能，且满足多地区、多监测点、任意时间间隔、多指标内容(应包括：电压有效值、电流有效值、谐波电压总畸变率、谐波电流总畸变率、各次谐波电压含有率、各次谐波电流有效值、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、频率、电压长时间闪变、电压短时间闪变、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素最大值、最小值、平均值、95％概率值)的选择，并以Word、Excel等格式导出。

谐波分析功能。除常规曲线、报表分析外，提供谐波越限统计报表分析等功能。

(5)支持数字化变电站中IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8电压电流信号的接入；支持GOOSE开关量信号的接入；支持IEEE1588高精度时钟信号(PTP)的接入；

本发明装置的各个组成部分的对应硬件可以设计成7个背插式插件结构，其插件接口图如图2所示，可根据现场需要灵活组合配置，插件功能设计见下表：

如图3所示，本发明的数字化变电站全站电能质量在线监测装置支持MU组网方式接入和点对点方式接入，能够分析电能质量指标，并能够在诊断电网电能质量健康状态后就地显示各个电能质量指标值，并通过IEC61850-8MMS规约与电能质量主站通信，实现装置的数据交互。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种数字化变电站全站电能质量在线监测装置，其特征在于，所述装置包括信号接入模块、通用报文解析模块、电能质量分析处理模块、信号输出模块，其中，

所述信号接入模块，用于接收数字化变电站的电能质量信号，并对所述电能质量信号打上时标后发送给所述通用报文解析模块；

所述通用报文解析模块，用于对所述信号接入模块发送的电能质量信号进行解析，然后发送给所述电能质量分析处理模块；所述通用报文解析模块，接收用户的配置文件，基于IEC61850及IEC60044报文编码规则，对电能质量信号进行报文解析，得到所述配置文件中各个MU控制块中所选通道的采集量，同时判断报文是否异常，并将得到的采集量以及判断出的异常信号传送给所述电能质量信号处理分析单元，其中，所述配置文件，用于描述接入的MU通道配置信息、GOOSE通道配置信息、一次元件配置信息、定值配置信息、装置基本配置信息；当报文出现丢帧、错序、品质位错误、计数无效或采样值无效时，判断报文为异常；

所述电能质量分析处理模块，用于接收并分析所述通用报文解析模块发送的解析后的电能质量信号，得到分析结果；所述电能质量信号处理分析模块，包括中央处理子模块和本地存储子模块，其中，所述中央处理子模块包括分析计算子模块、告警子模块、通信处理子模块，其中，所述分析计算子模块，用于接收所述通用报文解析模块发送的采集量信号、异常信号，并进行分析：当接收到报文信号时，首先分析报文信息是否正常，当报文异常时，则计算任务闭锁，同时发送报文错误告警消息至通信处理子模块；当报文正常时，则进行电能质量计算，根据10周波数据窗，选用经典傅里叶算法计算所有通道的包括有效值数据、谐波数据、功率数据、不平衡数据在内的电能质量指标数据；在每个计算周期完毕后，发送计算结果至告警子模块；所述告警子模块，用于接收所述分析计算子模块发送的计算结果，根据装置定值配置信息，判断是否有计算结果告警越限，如果有告警越限产生，则产生告警信息；在每个计算周期完毕后，把包括计算结果和/或告警信息在内的综合信息分析结果发送至通信处理子模块；所述通信处理子模块，用于与监控主站系统进行数据交互，实时更新并发送综合信息分析结果至所述监控主站系统；所述本地存储子模块，包括FLASH存储单元、内存单元、EEPROM存储单元、SATA存储单元，其中，所述FLASH存储单元，用于存储装置应用程序代码、装置启动代码、FPGA代码；所述内存单元，用于对程序及处理数据进行临时存储；所述EEPROM存储单元，用于备份装置配线，以防硬盘故障时配线丢失导致客户重新配置参数；所述SATA存储单元，用于存储稳态电能质量统计数据，暂态电能质量波形数据、日志数据、事件数据，装置配线参数；

所述信号输出模块，用于将所述电能质量分析处理模块得到的分析结果进行输出。

2.根据权利要求1所述的数字化变电站全站电能质量在线监测装置，其特征在于，所述信号接入模块包括光以太网接入子模块、IEC60044-8报文数据接入子模块以及支持电信号和光信号的对时信号接入子模块；其中，

所述光以太网接入子模块，用于接收包括二次报文信号的IEC61850-9-1规约采样值报文、IEC61850-9-2规约采样值报文、GOOSE开关量报文和IEEE1588高精度时钟报文的电能质量信号；

所述IEC60044-8报文数据接入子模块，用于接收包括IEC60044-8以太网报文的电能质量信号；

所述对时信号接入子模块，用于接收GPS的IRIG-B码对时信号。

3.根据权利要求1所述的数字化变电站全站电能质量在线监测装置，其特征在于， 所述通用报文解析模块采用FPGA哈希表处理机制，在MAC层拦截非协议报文。

4.根据权利要求1所述的数字化变电站全站电能质量在线监测装置，其特征在于，所述SATA存储单元，采用原始块文件系统线性均衡循环存储。

5.根据权利要求1所述的数字化变电站全站电能质量在线监测装置，其特征在于，所述信息输出模块，包括以太网控制器子模块、信号开出子模块、LED子模块、就地显示子模块；其中，

所述以太网控制器子模块，用于对电能质量信号处理分析模块的综合信号分析结果采用以太网方式进行输出；

所述信号开出子模块，用于采用硬接点的方式发出告警信号；

所述LED子模块，用于通过LED指示灯显示所述装置自身的运行状态及数字化变电站全站的电能质量状态；

所述就地显示子模块，用于就地显示电能质量综合分析数据，包括实时波形、稳态电能质量数据、历史事件记录、历史波形记录、配置文件信息。