CN105911498B - 一种合并单元采样与测试系统及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种合并单元采样与测试系统及其应用方法，系统包括合并单元包括CPU模件、IO模件、固有AC模件和可拆卸移植的标准AC模件；固有AC模件和标准AC模件的采样输出端连接CPU模件；CPU模件通过IO模件控制三相交流模拟信号源输出模拟信号源，三相交流模拟信号源的输出端分别连接标准AC模件和固有AC模件；上位机包括人机接口，人机接口上设有可供用户操作的合并单元工作模式选择按键；上位机从人机接口获取用户选择的合并单元工作模式数据，进而向合并单元的CPU模件发送控制指令；CPU模件根据接收到的控制指令控制IO模件、固有AC模件和标准AC模件的工作。利用本发明可实现合并单元采样、精度校准和暂态测试等多种功能，效率提高的同时降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统保护与控制技术领域，特别是一种具有合并单元采样与测试系统。
背景技术
合并单元作为智能变电站的重要组成部分，是过程层的关键设备，其对来自二次转换器的电流或电压数据进行时间相关组合的物理单元。在进行电流、电压等数据的采样时，合并单元采样的准确性与保护、测控等环节密切相关，直接影响电力系统的安全可靠运行。
目前，一般通过合并单元校验仪等设备对合并单元采样功能进行测试与校准，需要耗费大量的时间和精力，不便于工程调试与产品维护。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：对现有的合并单元进行改进，增加标准AC模件用于合并单元采样数据的校准，同时系统能够实现合并单元的暂态测试，以满足工程实践的需求。
本发明采取的技术方案具体为：一种合并单元采样与测试系统，包括合并单元、三相交流模拟信号源和上位机；
合并单元包括CPU模件、IO模件、固有AC模件和可拆卸移植的标准AC模件；固有AC模件和标准AC模件的采样输出端连接CPU模件；CPU模件通过IO模件控制三相交流模拟信号源输出模拟信号源，三相交流模拟信号源的输出端分别连接标准AC模件和固有AC模件；
上位机包括人机接口，人机接口上设有可供用户操作的合并单元工作模式选择按键；上位机从人机接口获取用户选择的合并单元工作模式数据，进而向合并单元的CPU模件发送控制指令；CPU模件根据接收到的控制指令控制IO模件、固有AC模件和标准AC模件的工作。
本发明中，固有AC模件和标准AC模件皆采用现有的互感器，用于采集交流电压电流信号，其中固有AC模件采用普通的互感器，为现有技术中合并单元普遍使用的、精度要求不高的AC模件，适合合并单元的大规模使用，成本较低。标准AC模件采用高精度的标准互感器，其为现有产品，性能精度较高，成本也高，本发明将标准AC模件设置为可移植的模块，使得标准AC模件能够通用于多个合并单元的精度校准中，自然成本得到了控制。且综合来讲，大规模的固有AC模件和少量的用于精度校准AC模件，是能够大大降低总体成本的。
优选的，本发明合并单元中，IO模件包括控制器和继电器，控制器连接CPU模件，继电器触点串接在三相交流模拟信号源的触发电路上；控制器控制继电器的工作从而控制继电器触点的闭合，使得触发电路导通，进而三相交流模拟信号源输出模拟信号源。所述三相交流模拟信号源的触发电路可为其供电电路，或其它开关电路，可决定三相交流模拟信号源是否能够正常输出的相关电路。
进一步的，IO模件还包括光耦，IO模件中的控制器采用CPLD，控制器通过光耦控制继电器线圈的得电和失电，从而控制继电器触点的闭合或断开。通过光耦与继电器的组合可更好实现利用小电流驱动大电流的三相交流模拟信号源。
本发明还公开基于上述合并单元采样与测试系统的应用方法，具体为：
人机接口上的合并单元工作模式选择按键包括采样模式按键、精度测试按键、精度校准按键和暂态测试按键，分别对应使得上位机向合并单元的CPU模件发送采样指令、精度测试指令、精度校准指令和暂态测试指令；CPU根据接收到的上位机控制指令，工作在相应模式下：
采样模式下，合并单元通过固有AC模件获取采样数据；
精度测试模式下，固有AC模件和标准AC模件的输入端连接相同的信号源进行采样，并将采样到的数据传输至CPU模件；CPU模件将固有AC模件的采样数据与标准AC模件的采样数据进行对比，计算采样数据幅值及相角的精度偏差，传输至上位机；
精度校准模式下，CPU模件根据上述精度偏差对固有AC模件输出的幅值和相角进行调节校准，并获取校准后的精度偏差，传输至上位机；
暂态测试模式下，CPU模件通过IO模件控制测试触发接点导通，从而使得三相交流模拟信号源分别向标准AC模件和固有AC模件输出暂态波形形式的模拟信号源；标准AC模件和固有AC模件分别对模拟信号源进行采样，并传输至CPU模件；CPU模件以标准AC模件的采样数据为基准，计算固有AC模件的暂态特性，并将结果传输至上位机。暂态特性的计算为现有技术，本发明暂态测试功能可参考《Q/GDW 11015-2013模拟量输入式合并单元检测规范》中定义的最大峰值瞬时误差、非周期分量衰减时间常数等暂态性能指标。
进一步的，本发明方法中，合并单元采样与测试系统工作在精度校准模式下时，CPU模件接收上位机的精度校准指令后，首先计算采样数据幅值精度偏差α幅值及相角精度偏差α角差：
α角差＝θ标准-θ普通 (1)
其中，θ标准、A标准为标准模件采样波形的相角及幅值，θ普通、A普通为普通模件采样波形的相角及幅值；
然后将α角差作为角差调节系数，α幅值作为幅值调节系数，调整固有AC模件的波形输出：对于幅值，采样数据直接乘以幅值调节系数α幅值，以调整输出波形缩小或增大；对于相角，利用插值法，根据角差调节系数α角差，调整波形前移或滞后。
优选的，上述根据角差调节系数α角差，利用插值法调整波形前移或滞后，具体为：
根据α角差计算出待调整的时间差Δt，若α角差的单位为分，Δt的单位为秒，计算公式如下：
若采样周期为T，t1时刻的值为y1，t2时刻的值为y2，则t2时刻的采样值在经插值调整后的结果为：
插值可以达到波形移动的效果。比如相位偏差折算的调节时间为0.001s，那么调整后的波形3s时刻的值应该对应调整前的波形2.999s时刻的值。我们根据调整前的波形，获取2.999s的值放到3s输出就可以实现波形移动了。如何获取2.999s的值呢？只能通过插值。因为它可能是未知的，只有采样节拍上的值是已知的。比如采样周期如果为0.002s的话，2.998s和3s的值是已知的，而2.999s是未知的，因此要根据已知值插值求出需要时刻的值。
优选的，本发明中上位机将从CPU模件获取的采样数据、精度偏差以及固有AC模件的暂态特性，传输至人机接口进行显示，方便工作人员的查看。上位机可采用现有触摸屏，用于模式选择的按键可采用触摸按键或者实体按键形式。
本发明的有益效果为：通过对现有合并单元进行改进，增加可移植的标准AC模件，作为精度校准和暂态测试过程中的基准，并辅以上位机、人机接口、CPU模件和三相交流模拟信号源，使得合并单元的测试与校准效率得到提高，且无需额外用到合并单元校验仪，成本降低。本发明系统能够适用于大规模合并单元的采样、精度校准和暂态测试，工程调试与产品维护更加方便快捷。
附图说明
图1所示为本发明系统结构示意图；
图2所示为IO模件结构示意图；
图3所示为本发明根据角差利用插值算法调整波形的算法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
请参考图1，本发明的合并单元采样与测试系统，包括合并单元、三相交流模拟信号源和上位机；
合并单元包括CPU模件、IO模件、固有AC模件和可拆卸移植的标准AC模件；固有AC模件和标准AC模件的采样输出端连接CPU模件；CPU模件通过IO模件控制三相交流模拟信号源输出模拟信号源，三相交流模拟信号源的输出端分别连接标准AC模件和固有AC模件；
上位机包括人机接口，人机接口上设有可供用户操作的合并单元工作模式选择按键；上位机从人机接口获取用户选择的合并单元工作模式数据，进而向合并单元的CPU模件发送控制指令；CPU模件根据接收到的控制指令控制IO模件、固有AC模件和标准AC模件的工作。
基于上述合并单元采样与测试系统的应用方法为：人机接口上的合并单元工作模式选择按键包括采样模式按键、精度测试按键、精度校准按键和暂态测试按键，分别对应使得上位机向合并单元的CPU模件发送采样指令、精度测试指令、精度校准指令和暂态测试指令；CPU根据接收到的上位机控制指令，工作在相应模式下：
采样模式下，合并单元通过固有AC模件获取采样数据；
精度测试模式下，固有AC模件和标准AC模件的输入端连接相同的信号源进行采样，并将采样到的数据传输至CPU模件；CPU模件将固有AC模件的采样数据与标准AC模件的采样数据进行对比，计算采样数据幅值及相角的精度偏差；
精度校准模式下，CPU模件根据上述精度偏差对固有AC模件输出的幅值和相角进行调节校准，并获取校准后的精度偏差；
暂态测试模式下，CPU模件通过IO模件控制测试触发接点导通，从而使得三相交流模拟信号源分别向标准AC模件和固有AC模件输出暂态波形形式的模拟信号源；标准AC模件和固有AC模件分别对模拟信号源进行采样，并传输至CPU模件；CPU模件以标准AC模件的采样数据为基准，计算固有AC模件的暂态特性，并将结果传输至上位机。
实施例
本实施例中，固有AC模件采用普通的互感器加周边电路的形式，为现有技术中合并单元普遍使用的、精度要求不高的AC模件，适合合并单元的大规模使用，成本较低。标准AC模件采用高精度的标准互感器加周边电路的形式，标准AC模件为现有产品，其性能精度较高，成本也高，本发明将标准AC模件设置为可移植的模块，使得标准AC模件能够通用于多个合并单元的精度校准中，自然成本得到了控制。且综合来讲，大规模的固有AC模件和少量的用于精度校准AC模件，是能够大大降低总体成本的。
人机接口可采用触摸显示屏，上位机中运行合并单元采样控制软件，软件界面上设置合并单元工作模式选择按键，合并单元工作模式选择按键包括采样模式按键、精度校测试按键、精度校准按键和暂态测试按键，分别对应使得上位机向合并单元的CPU模件发送采样指令、精度测试指令、精度校准指令和暂态测试指令。
参考图2，IO模件采用CPLD、光耦与继电器的组合形式，IO模件可通过SPI总线与CPU模件进行数据交互；光耦连接继电器线圈，光耦导通后继电器线圈得电，继电器触点动作。在工作模式为暂态测试模式时，CPU模件向IO模件的CPLD控制器发送测试指令，CPLD芯片解析SPI通讯报文，获取CPU模件下达的触发命令后，通过光耦驱动继电器，使得继电器触点导通，进而三相交流模拟信号源输出暂态波形至固有AC模件和标准AC模件，CPU模件获取并分析标准AC模件及固有AC模件的暂态数据，并通过人机接口显示。同理，当CPLD解析到停止命令后，继电器触点关断，暂态测试结束。
本发明系统可进行暂态分析主要有：衰减时间常数、最大峰值瞬时误差、复合误差，也可在人机接口中设置选择按键，供用户选择。基于获取到的暂态数据，进行上述各种暂态分析的算法过程分别为现有技术，本发明暂态测试功能可参考《Q/GDW 11015-2013模拟量输入式合并单元检测规范》中定义的最大峰值瞬时误差、非周期分量衰减时间常数等暂态性能指标，如：
标准中，非周期分量衰减时间常数的计算方法如下式所示，
τ＝0.09/Ln(Ip/(I5-Ip))
其中，Ip为稳态电流峰值，I5为第5波峰的峰值；
本发明针对标准AC模件获取的暂态波形数据和固有AC模件获取的暂态波形数据分别进行衰减时间常数的计算，然后得到固有AC模件与标准AC模件对应衰减时间常数的偏差；标准中，一般要求该偏差小于10ms，可作为判断固有AC模件衰减时间常数性能是否符合要求的依据。
标准中，最大峰值瞬时误差的计算方法如下式所示：
其中，Iδ为最大瞬时误差电流，在本发明中即标准AC模件与固有AC模件之间的最大瞬时误差电流，Ipsc为额定一次短路电流；然后计算得到最大峰值瞬时误差δ。标准中，一般要求该值小于10％，可作为判断固有AC模件最大峰值瞬时误差性能是否符合要求的依据。
上位机将从CPU模件获取的采样数据、精度偏差以及固有AC模件的暂态特性，传输至人机接口进行显示，方便工作人员的查看。其中精度偏差包括校准后的精度偏差。
在精度校准模式下，CPU模件接收上位机的精度校准指令后，首先计算采样数据幅值精度偏差α幅值及相角精度偏差α角差：
α角差＝θ标准-θ普通 (1)
其中，θ标准、A标准为标准模件采样波形的相角及幅值，θ普通、A普通为普通模件采样波形的相角及幅值；
然后将α角差作为角差调节系数，α幅值作为幅值调节系数，调整固有AC模件的波形输出：对于幅值，采样数据直接乘以幅值调节系数α幅值，以调整输出波形缩小或增大；对于相角，利用插值法，根据角差调节系数α角差，调整波形前移或滞后：
根据α角差计算出待调整的时间差Δt，若α角差的单位为分，Δt的单位为秒，计算公式如下：
参考图3，若采样周期为T，t1时刻的值为y1，t2时刻的值为y2，则t2时刻的采样值在经插值调整后的结果为：
本发明系统在应用时，可采用以下步骤：
(1)插入标准AC模件，从上位机端的人机接口配置采样通道信息；本发明的标准AC模件是可移植的，能够重复用于不同合并单元中固有AC模件的校准和测试；
(2)通过人机接口选择精度测试模式按键启动精度测试功能，使得CPU模件将固有AC模件的采样数据与标准AC模件的采样数据相比较，计算幅值、相角的偏差，并在人机接口界面显示；
(3)通过人机接口选择自动校准模式按键启动自动校准功能，则CPU模件根据精度偏差，自动设置幅值、相角的调节系数，并在人机接口显示校准后的精度偏差；
(4)通过人机接口启动暂态测试功能，则IO模件控制暂态测试触发节点导通，从而触发三相交流模拟信号源产生暂态波形，CPU模件以标准AC模件的采样数据为基准，计算固有AC模件的暂态特性，并通过人机接口显示测试结果；
(5)拔出标准AC模件，并通过人机接口选择采样模式，则合并单元作为一般合并单元使用。
本发明通过对现有合并单元进行改进，增加可移植的标准AC模件，作为精度校准和暂态测试过程中的基准，并辅以上位机、人机接口、CPU模件和三相交流模拟信号源，使得合并单元的测试与校准效率得到提高，且无需额外用到合并单元校验仪，成本降低。本发明系统能够适用于大规模合并单元的采样、精度校准和暂态测试，工程调试与产品维护更加方便快捷。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种合并单元采样与测试系统，其特征是，包括合并单元、三相交流模拟信号源和上位机；
合并单元包括CPU模件、IO模件、固有AC模件和可拆卸移植的标准AC模件；固有AC模件和标准AC模件的采样输出端连接CPU模件；CPU模件通过IO模件控制三相交流模拟信号源输出模拟信号源，三相交流模拟信号源的输出端分别连接标准AC模件和固有AC模件；
上位机包括人机接口，人机接口上设有可供用户操作的合并单元工作模式选择按键；上位机从人机接口获取用户选择的合并单元工作模式数据，进而向合并单元的CPU模件发送控制指令；CPU模件根据接收到的控制指令控制IO模件、固有AC模件和标准AC模件的工作。
2.根据权利要求1所述的合并单元采样与测试系统，其特征是，IO模件包括控制器和继电器，控制器连接CPU模件，继电器触点串接在三相交流模拟信号源的触发电路上；控制器控制继电器的工作从而控制继电器触点的闭合，使得触发电路导通，进而三相交流模拟信号源输出模拟信号源。
3.根据权利要求2所述的合并单元采样与测试系统，其特征是，IO模件还包括光耦，IO模件中的控制器采用CPLD，控制器通过光耦控制继电器线圈的得电和失电，从而控制继电器触点的闭合或断开。
4.基于权利要求1至3任一项所述的合并单元采样与测试系统的应用方法，其特征是：
人机接口上的合并单元工作模式选择按键包括采样模式按键、精度测试按键、精度校准按键和暂态测试按键，分别对应使得上位机向合并单元的CPU模件发送采样指令、精度测试指令、精度校准指令和暂态测试指令；CPU根据接收到的上位机控制指令，工作在相应模式下：
采样模式下，合并单元通过固有AC模件获取采样数据；
精度测试模式下，固有AC模件和标准AC模件的输入端连接相同的信号源进行采样，并将采样到的数据传输至CPU模件；CPU模件将固有AC模件的采样数据与标准AC模件的采样数据进行对比，计算采样数据幅值及相角的精度偏差，传输至上位机；
精度校准模式下，CPU模件根据上述精度偏差对固有AC模件输出的幅值和相角进行调节校准，并获取校准后的精度偏差，传输至上位机；
暂态测试模式下，CPU模件通过IO模件控制测试触发接点导通，从而使得三相交流模拟信号源分别向标准AC模件和固有AC模件输出暂态波形形式的模拟信号源；标准AC模件和固有AC模件分别对模拟信号源进行采样，并传输至CPU模件；CPU模件以标准AC模件的采样数据为基准，计算固有AC模件的暂态特性，并将结果传输至上位机。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，在精度校准模式下，CPU模件接收上位机的精度校准指令后，首先计算采样数据幅值精度偏差α幅值及相角精度偏差α角差：
α角差＝θ标准-θ普通 (1)
其中，θ标准、A标准为标准模件采样波形的相角及幅值，θ普通、A普通为普通模件采样波形的相角及幅值；
然后将α角差作为角差调节系数，α幅值作为幅值调节系数，调整固有AC模件的波形输出：对于幅值，采样数据直接乘以幅值调节系数α幅值，以调整输出波形缩小或增大；对于相角，利用插值法，根据角差调节系数α角差，调整波形前移或滞后。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是，根据角差调节系数α角差，利用插值法调整波形前移或滞后，具体为：
根据α角差计算出待调整的时间差Δt，若α角差的单位为分，Δt的单位为秒，计算公式如下：
若采样周期为T，t1时刻的值为y1，t2时刻的值为y2，则t2时刻的采样值在经插值调整后的结果为：
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是，上位机将从CPU模件获取的采样数据、精度偏差以及固有AC模件的暂态特性，传输至人机接口进行显示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |