CN104062617A - 合并单元计量特性现场检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合并单元计量特性现场检测系统及其方法，属于智能电网中的计量检测领域。本系统包括被测合并单元（100）、TV二次回路（200）、TA二次回路（300）、同步时钟（400）和光纤数字电能表（500）；设置有合并单元现场检测装置（600）；被测合并单元（100）、TV二次回路（200）、TA二次回路（300）、同步时钟（400）和光纤数字电能表（500）分别与合并单元现场检测装置（600）连接。本发明可以在间隔不停电动情况下，对合并单元的采样的比差和角差进行检测，从而对合并单元的误差进行有效控制，确保智能变电站中计量体系的准确有效。

Description

合并单元计量特性现场检测系统及其方法

技术领域

本发明属于智能电网中的计量检测领域，尤其涉及一种合并单元计量特性现场检测系统及其方法；具体地说，本发明是兼容传统互感器交流采样的合并单元的计量(稳态)特性的现场检测方法，主要用于判别兼容传统互感器交流采样的合并单元的比差、角差特性检测。

背景技术

随着智能电网技术的发展，在第一代数字化变电站中，光电互感器(ETV/ETA)产品的可靠性不高，运行不稳定的缺点逐渐凸显。因此，第二代智能变电站要求110kV及以上的间隔采用传统互感器加合并单元交流采样的模式，且计量用合并单元与保护用合并单元从设备上分开的发展趋势逐渐明显。

智能变电站中电能计量体系包含传统互感器、合并单元、光纤通信回路以及光纤智能电表。其中，传统互感器的制造工艺、准确度特性及溯源方法已经非常成熟，而合并单元后级的光纤网络和光纤智能电表不涉及到模拟信号采样环节，不会产生采样误差，因此，合并单元的计量特性，成为智能变电站中的整个计量环节中的瓶颈。

目前，国内适用于计量用合并单元计量性能的校准体系目前尚未建立，特别是对于已安装在现场，运行中合并单元的检测方法尚未明确，导致无法对计量用合并单元进行周期检测，无法有效控制合并单元引入的误差，无法确保最终电能计量结果的准确性和有效性。

发明内容

本发明的目的在于针对智能变电站中合并单元运行的特点，提供一种合并单元计量特性现场检测系统及其方法。

本发明采用的技术方案如下：

一、系统

本系统包括工作环境——被测合并单元、TV二次回路、TA二次回路、同步时钟和数据报文；

设置有合并单元现场检测装置；

被测合并单元、TV二次回路、TA二次回路、同步时钟和数据报文分别与合并单元现场检测装置连接；

所述的合并单元现场检测装置包括模拟信号采集单元、数据处理控制单元、人机界面、同步信号单元和报文处理单元，模拟信号采集单元、数据处理控制单元和人机界面依次连接，同步信号单元和模拟信号采集单元连接，报文处理单元和数据处理控制单元连接。

二、方法

首先，通过将合并单元现场检测系统的比差和角差性能溯源到更高的标准，确保其测量不确定度不大于被测合并单元标定等级的1/5，至少不大于该标定等级的1/3。再将输入被测合并单元的三相电压和三相电流分别通过并联和串联的方式接入合并单元现场检测装置；并将时钟同步信号通过并联方式输入到合并单元现场检测装置；将被测合并单元的输出信号复制或通过交换机筛选输入到合并单元现场检测装置。

合并单元现场检测装置中通过解码，将被测合并单元的数据还原。对于每一个电压和电流通道，合并单元现场检测装置通过分别对合并单元现场检测装置的采样数据序列和被测合并单元的采样数据序列进行频谱分析，得到特定频率点的矢量差，即可得到被测合并单元在该通道的比差和角差。

具体地说，本方法包括下列步骤：

①在运行状态下，将TV、TA回路通过并联、串联的方式接入合并单元现场检测装置，将同步时钟信号接入合并单元现场检测装置；

②初始化合并单元现场检测装置；

③进行各通道检测，包括比差和角差；

④判断检测结果是否合格，是则跳转到步骤⑥，否则进入步骤⑤；

⑤判断检测周期是否为最大检测周期，是则进入步骤⑥，否则加大检测周期后跳转到步骤③；

⑥输出结果。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、利用电压并联接入及电流串连接入的方法，解决了在间隔不停电的情况下，现场对合并单元的电压信号、电流信号的采样值的比差、角差的校准的问题，从而实现对合并单元的采样值误差性能的周期检定，确保计量性能稳定可靠；

2、通过将被测合并单元与合并单元现场检测装置进行比较的方法，将被测合并单元逐级溯源到电压、电流及时间等国家最高标准，使得电能计量的结果具有合法性、有效性。

总之，本发明可以在间隔不停电动情况下，对合并单元的采样的比差和角差进行检测，从而对合并单元的误差进行有效控制，确保智能变电站中计量体系的准确有效。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是本方法的工作流程图；

图3是通道检测的工作流程图。

图中：

100—被测合并单元；

200—TV二次回路；

300—TA二次回路；

400—同步时钟；

500—光纤数字电能表；

600—合并单元现场检测装置，

610—模拟信号采集单元，

611—三相电压互感器，

612—三相电流互感器，

613—信号处理器，

614—AD转换器；

620—数据处理控制单元，

621—数据处理器，

622—控制器；

630—人机界面；

640—同步信号单元；

641—第1光电转换器，

642—脉冲调理器；

650—报文处理单元

651—第2光电转换器，

652—报文解析器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、系统总体

如图1，本系统包括工作环境——被测合并单元100、TV二次回路200、TA二次回路300、同步时钟400和光纤数字电能表500；

设置有合并单元现场检测装置600；

被测合并单元100、TV二次回路200、TA二次回路300、同步时钟400和光纤数字电能表500分别与合并单元现场检测装置600连接；

所述的合并单元现场检测装置600包括模拟信号采集单元610、数据处理控制单元620、人机界面630、同步信号单元640和报文处理单元650，模拟信号采集单元610、数据处理控制单元620和人机界面630依次连接，同步信号单元640和模拟信号采集单元610连接，报文处理单元650和数据处理控制单元620连接。

2、系统功能块

1、被测合并单元100

被测合并单元100为本发明的工作环境，通常为安装在现场并接入互感器二次回路，且将TV和TA信号转换为IEC61850报文供后级设备使用。

2、TV二次回路200

TV二次回路200为本发明的工作环境，通常为Y型或D型接法，额定电压为57.7V或100V。

3、TA二次回路300

TV二次回路300为本发明的工作环境，额定电流为1A或5A。

4、同步时钟400

同步时钟400为本发明的工作环境，是来自变电站时钟源的时钟同步信号，为光纤传输，通常为IRIG-B格式或IEC61588格式。

5、光纤数字电能表500

光纤数字电能表500是接收来自被测合并单元100的数据，计算统计电能量的设备，数据从光纤传输，符合IEC61850-9格式。

6、合并单元现场检测装置600

1)装置总体

合并单元现场检测装置600包括模拟信号采集单元610、数据处理控制单元620、人机界面630、同步信号处理单元640和报文处理单元650。

2)装置的功能部件

(1)模拟信号采集单元610

模拟信号采集单元610包括三相电压互感器611、三相电流互感器612、信号处理器613以及AD转换器614；

三相电压互感器611和三相电流互感器612分别通过信号处理器613和AD转换器614连接。

其工作原理是：

三相电压互感器611和三相电流互感器612分别将来自TV二次回路200和TA二次回路300的电压、电流信号转换成可供信号处理器613处理的小电压、小电流信号，经信号处理器613将小电压和小电流信号进行信号调理，将其线性转换为适合AD转换器614的小电压信号，再通过AD转换器614转换成数字信号。

三相电压互感器611、三相电流互感器612和信号处理器613均为常用功能元器件。

AD转换器614可选用ADI公司生产的AD76XX系列芯片；AD76XX系列芯片是16bit—18bit的AD转换芯片，最高转换速率可达250kSPS，具有准确度高、性能稳定、转换速率快和功耗低等特点，可实现高准确度的采样。

(2)数据处理控制单元620

数据处理控制单元620包括集成并封装在一起的数据处理器621和控制器622。

①数据处理器621

数据处理器621选用Xilinx公司生产的Spartan系列的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片，将AD采样得到的数据序列和报文处理得到的数据序列进行处理和运算，得到各通道的比差和角差数据，并与控制器进行数据交换。

Spartan系列FPGA芯片具有集成度高、资源丰富、运行主频高、程序模块资源丰富、接口丰富和编程方便等特点。

②控制器622

控制器622选用Intel公司生产的ATOM系列工业计算机系统，其内嵌入自行设计的应用软件，具体见后。

控制器622将数据处理器621计算得到的结果及相关数据和参数等对系统的工作进行控制。

ATOM系列工业计算机系统具有功耗低、占用空间小、接口丰富、可扩展性好、图形性能好和可安装操作系统等特点。

(3)人机界面630

人机界面630选用触摸显示屏，可采用市场成熟产品。

(4)同步信号处理单元640

同步信号处理单元640包括前后连接的第1光电转换器641和脉冲调理器642。

第1光电转换器641将光信号转换成电信号，可采用市场成熟产品。

脉冲调理器642将输入的同步脉冲信号调理成可供AD转换时间基准的脉冲信号，可使用Spartan系列FPGA芯片实现。

(5)报文处理单元650

报文处理单元650包括前后连接的第2光电转换器651和报文解析器652。

第2光电转换器651将光信号转换成电信号，可采用市场成熟产品。

报文解析器652根据IEC61850-9协议，从输入的报文中解析出数据序列，可使用Spartan系列FPGA芯片实现。

3、系统的详细连接关系

TV二次回路200、三相电压互感器611、信号处理器613和AD转换器614依次连接，实现电压信号的处理及模数转换得到三相电压信号的标准数字量序列；

TA二次回路300、三相电流互感器612、信号处理器613和AD转换器614依次连接，实现电流信号的处理及模数转换得到三相电流信号的标准数字量序列；

同步时钟400、第1光电转换器641和脉冲调制器642依次连接，得到同步触发信号；脉冲调制器642和AD转换器614连接，用同步触发信号控制AD转换器614进行模数转换；

TV二次回路200、TA二次回路300、同步时钟400分别和被测合并单元100连接，得到数据报文；

被测合并单元100、第2光电转换器651和报文解析器652依次连接，得到的三相电压及三相电流被测数字量序列；

AD转换器614、报文解析器652分别与数据处理器621连接，数据处理器621、控制器622和人机界面630依次连接，得到标准数字量序列和被测数字量序列的比较结果并显示。

4、系统的检测原理：

系统正常工作的情况下，TV二次回路200和TA二次回路300输出的模拟信号接入被测合并单元100，全站同步时钟400输出的时钟同步信号接入被测合并单元100，被测合并单元100通过采样和同步处理，输出符合IEC61850-9协议的数据报文，并将这些报文输出到光纤数字电能表500，从而在光纤数字电能表500上计量该关口发生的电能。

进行现场检验时，在设备运行状态下，分别将TV二次回路200输出的模拟电压信号和TA二次回路300输出的模拟电流信号通过并联方式和串联方式接入合并单元现场检测装置600中的三相电压互感器611和三相电流互感器612，使输入被测合并单元100和合并单元现场检测装置600的三相电压U_A、U_B、U_C和三相电流I_A、I_B、I_C相同。将全站同步时钟400输出的时钟同步信号接入合并单元现场检测装置600中的同步信号处理单元640，使输入被测合并单元100和合并单元现场检测装置600的同步时钟相同。在上电初始化合并单元现场检测装置600后，即可开始检测。

设定检测开始时刻为t0，采样序列长度为N＝2ⁿ，则被测合并单元100输出的U_A通道的采样值序列为UA1，定义如公式(1)，其中UA1_i定义为采样序列中的第i个采样值。采样序列长度N＝2ⁿ中，n的取值为正整数，取值越大检测结果的误差越小，但所需检测时间越长，可根据检测时间要求设定最大采样序列长度，以控制单次检测所需的时间。

UA1＝[UA1₀,UA1₁,UA1₂…UA1_N-1] (1)

同理，可定义UB1，UC1以及IA1，IB1，IC1，分别为被测合并单元100输出的U_B，U_C和I_A，I_B，I_C相的采样值序列，将这6个采样值序列构成被测合并单元100的采样值二维序列X1，定义如公式(2)。

X1＝[UA1；UB1；UC1；IA1；IB1；IC1；] (2)

同样的，可定义合并单元现场检测装置600的在相同开始时刻t0和采样序列长度N的情况下的采样值二维序列X0，定义如公式(3)

X0＝[UA0；UB0；UC0；IA0；IB0；IC0；] (3)

分别求取各X0和X1中分量的频谱，取得信号基频(50Hz或60Hz)频点上分量的幅值和相位，以U_A为例，分别求得UA1和UA0基频频点上的分量，可得出该通道比差和角差的结果如公式(4)所示，其中a_UA1和a_UA0为基频频点分量的幅值信息，θ_UA1和θ_UA0为基频频点分量的相位信息，f和σ分别为U_A通道的比差和角差。

$X_{\mathrm{UA}1}\left(f_0\right)=a_{\mathrm{UA}1}\·e^{i\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{UA}1}}$

$X_{\mathrm{UA}0}\left(f_0\right)=a_{\mathrm{UA}0}\·e^{i\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{UA}0}}$

(4)

$f_{\mathrm{UA}}=\frac{a_{\mathrm{UA}1}-a_{\mathrm{UA}0}}{a_{\mathrm{UA}0}}$

δ_UA＝θ_UA1-θ_UA0

其他各通道的比差和角差计算与U_A通道的计算方法相同。

如果检测结果不符合准确度要求，可根据需要增大n值，使得采样序列长度N增加，通过增大数据量的方法来减小误差。如果采样序列长度N已为最大允许值，且检测结果仍不负荷准确度要求，则输出检测结果。

二、方法

如图2，本方法包括下列步骤：

①在运行状态下，将TV、TA回路通过并联、串联的方式接入合并单元现场检测装置，将同步时钟信号接入合并单元现场检测装置-21；

②初始化合并单元现场检测装置-22；

③进行各通道检测，包括比差和角差-23；

④判断检测结果是否合格-24，是则跳转到步骤⑥，否则进入步骤⑤；

⑤判断检测周期是否为最大检测周期-25，是则进入步骤⑥，否则加大检测周期-27后跳转到步骤③；

⑥输出结果-26。

如图3，步骤③包括下列子步骤：

A、从检测周期起始时刻t0开始，将U_A，U_B，U_C和I_A，I_B，I_C共6个模拟通道采样得到的数据形成标准的相应6通道的二维数据序列X0-31；

B、同时从检测周期起始时刻t0开始，将被测合并单元的输出数据进行报文解码和数据还原，形成被测合并单元U_A，U_B，U_C和I_A，I_B，I_C共的6通道的二维数据序列X1-32；

C、将X1和X0的数据序列进行数字信号处理，包括直流分量修正和奇异数据处理-33；

D、分别求取X1和X0的频谱，并求得50Hz频率点的分量f1和f0，计算f1和f0的幅值和相位-34；

E、计算U_A，U_B，U_C和I_A，I_B，I_C共6个通道的比差和角差-35。

Claims (8)

1.一种合并单元计量特性现场检测系统，包括工作环境——被测合并单元（100）、TV二次回路（200）、TA二次回路（300）、同步时钟（400）和光纤数字电能表（500）；

其特征在于：

设置有合并单元现场检测装置（600）；

被测合并单元（100）、TV二次回路（200）、TA二次回路（300）、同步时钟（400）和光纤数字电能表（500）分别与合并单元现场检测装置（600）连接；

所述的合并单元现场检测装置（600）包括模拟信号采集单元（610）、数据处理控制单元（620）、人机界面（630）、同步信号单元（640）和报文处理单元（650），模拟信号采集单元（610）、数据处理控制单元（620）和人机界面（630）依次连接，同步信号单元（640）和模拟信号采集单元（610）连接，报文处理单元（650）和数据处理控制单元（620）连接。

2.按权利要求1所述的合并单元计量特性现场检测系统，其特征在于：

所述的模拟信号采集单元（610）包括三相电压互感器（611）、三相电流互感器（612）、信号处理器（613）以及AD转换器（614）；

三相电压互感器（611）和三相电流互感器（612）分别通过信号处理器613和AD转换器（614）连接。

3.按权利要求1所述的合并单元计量特性现场检测系统，其特征在于：

所述的数据处理控制单元（620）包括集成并封装在一起的数据处理器（621）和控制器（622）。

4.按权利要求1所述的合并单元计量特性现场检测系统，其特征在于：

所述的同步信号处理单元（640）包括前后连接的第1光电转换器（641）和脉冲调理器（642）。

5.按权利要求1所述的合并单元计量特性现场检测系统，其特征在于：

所述的报文处理单元（650）包括前后连接的第2光电转换器（651）和报文解析器（652）。

6.按权利要求1、2、3、4、5所述的合并单元计量特性现场检测系统，其特征在于：

TV二次回路（200）、三相电压互感器（611）、信号处理器（613）和AD转换器（614）依次连接，实现电压信号的处理及模数转换得到三相电压信号的标准数字量序列；

TA二次回路（300）、三相电流互感器（612）、信号处理器（613）和AD转换器（614）依次连接，实现电流信号的处理及模数转换得到三相电流信号的标准数字量序列；

同步时钟（400）、第1光电转换器（641）和脉冲调制器（642）依次连接，得到同步触发信号；脉冲调制器（642）和AD转换器（614）连接，用同步触发信号控制AD转换器（614）进行模数转换；

TV二次回路（200）、TA二次回路（300）、同步时钟（400）分别和被测合并单元（100连接），得到数据报文；

被测合并单元（100）、第2光电转换器（651）和报文解析器（652）依次连接，得到的三相电压及三相电流被测数字量序列；

AD转换器（614）、报文解析器（652）分别与数据处理器（621）连接，数据处理器（621）、控制器（622）和人机界面（630）依次连接，得到标准数字量序列和被测数字量序列的比较结果并显示。

7.基于权利要求1所述的合并单元计量特性现场检测系统的检测方法，其特征在于：

①在运行状态下，将TV、TA回路通过并联、串联的方式接入合并单元现场检测装置，将同步时钟信号接入合并单元现场检测装置（21）；

②初始化合并单元现场检测装置（22）；

③进行各通道检测，包括比差和角差（23）；

④判断检测结果是否合格（24），是则跳转到步骤⑥，否则进入步骤 ；

⑤判断检测周期是否为最大检测周期（25），是则进入步骤，否则加大检测周期（27）后跳转到步骤；

⑥输出结果（26）。

8.按权利要求7所述的检测方法，其特征在于：

所述步骤③包括下列子步骤：

A、从检测周期起始时刻t0开始，将U_A，U_B，U_C和I_A，I_B，I_C共6个模拟通道采样得到的数据形成标准的相应6通道的二维数据序列X0（31）；

B、同时从检测周期起始时刻t0开始，将被测合并单元的输出数据进行报文解码和数据还原，形成被测合并单元U_A，U_B，U_C和I_A，I_B，I_C共的6通道的二维数据序列X1（32）；

C、将X1和X0的数据序列进行数字信号处理，包括直流分量修正和奇异数据处理（33）；

D、分别求取X1和X0的频谱，并求得50Hz频率点的分量f1和f0，计算f1和f0的幅值和相位（34）；

E、计算U_A，U_B，U_C和I_A，I_B，I_C共6个通道的比差和角差（35）。