CN106226591A - 配电网同步相量与电能质量一体化监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统及方法，包括：同步相量与电能质量监测一体机和主站服务器；所述同步相量与电能质量监测一体机与主站服务器通信；同步相量与电能质量监测一体机在终端电网对主要电气量进行同步测量，包括电压相量、电流相量和频率；同时完成对电网谐波和三相不平衡量的监测与分析。本发明有益效果：可以实时监测配网低压侧的电网动态行为和电能质量信息，综合了同步相量测量装置和电能质量监测装置的功能，体积小，便于安设。与高压主网的常规同步相量测量装置及电能质量监测装置相配合，为电网运行提供了更为细致、全景式的稳态和动态行为监测。

Description

配电网同步相量与电能质量一体化监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统数据测量与分析技术领域，尤其涉及一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统及方法。

背景技术

常规的同步相量测量装置(PMU)和电能质量监测装置一般装设在高电压等级变电站和主力发电厂，分别用于监测高压主网的动态行为和电能质量问题。对于一个专用电能质量监测系统或者广域测量系统，它包含了大量的测量装置、子站分析系统、主站分析系统、应用服务器与数据库、网络设备等软硬件系统，通常需要单独建设，系统的投资与运行维护成本都较大。

近年来，配网侧电源和负荷都发生了巨大变化。一方面，随着风电、光伏等分布式可再生电源的快速发展，低压电网中性能各异的小机组快速增加，低压电网不再仅含负荷，而且含有更多电源点，电能质量问题及电网动态行为愈加复杂。另一方面，随着电力系统中负荷结构的变化，大量非线性、非周期性、冲击性和波动性负荷的急剧增加，造成了电网供电质量降低，尤其是谐波污染问题突出，严重地影响着用户设备的安全运行。

在电源方面，可再生能源发电接入泛在化体现为：1)大型可再生能源发电基地集中发电并网，通过特高压电网将电能输送到负荷中心；2)分布式可再生能源发电通过微网就地消耗或/和送入大电网；3)以光伏发电为代表的家庭可再生能源发电并网。

在负荷方面，电力驱动技术和信息技术产业迅猛发展，推动以智能住宅、建筑和电气化交通为基础的智慧城市发展，电动舰船、电力机车、电动汽车、超级云计算和大数据中心、半导体照明等高技术、多样性、强非线性负荷比例增加，极大改变了传统负荷特性。还有，以需求侧响应管理为代表的源荷互动技术是实现负荷可控化的基础，也在一定程度上改变了负荷特性。特别需要强调的是，以电动汽车为代表的可充放电负荷，既可以作为可控负荷又可作为紧急电源，是源荷互动控制的理想对象，它同时改变了发电和负荷特性。

上述电力系统形态的变化使主网和配网的复杂性越来越高，极大改变了主网和配网暂稳特性，对电力系统的安全稳定运行提出了更多要求。配网内可再生能源发电波动性和负荷不确定性极大降低了配网源荷可观性，增大了配网乃至主网调度的难度。由此引发的配网动态过程增多，对电网安全稳定运行的影响越来越大。例如，由风电、光伏发电波动性引起的局部动态可能会导致周围传统火电机组和其他可再生电源跳闸，在配网侧激起连锁反应，进而引起主网大扰动，危及电网稳定。另外，泛在的并网用和负荷用电力电子装置成为配网谐波源头，影响供电电能质量，还可能导致损坏设备、甚至引起可再生电源跳闸。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统及方法，该系统及方法既能实时监测低压侧电力系统动态行为，又能分析谐波污染等电能质量问题，与高压主网侧相互配合，为电网运行提供了更为细致、全景式的稳态和动态行为监测。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统，包括：同步相量与电能质量监测一体机、主站服务器；所述同步相量与电能质量监测一体机与主站服务器通信；

所述同步相量与电能质量监测一体机在终端电网对主要电气量进行同步测量，包括电压相量、电流相量和频率；同时完成对电网谐波和三相不平衡量的监测与分析；

所述主站服务器调取同步相量与电能质量监测一体机的同步相量和电能质量信息数据进行数据综合分析。

进一步地，所述同步相量与电能质量监测一体机包括：电网单相/三相电输入端口、信号调理转换单元、可编程门阵列、数字信号处理器、微处理器、GPS/北斗导航系统、数据发送单元和显示控制模块；

所述电网单相/三相电输入端口、信号调理转换单元、可编程门阵列、数字信号处理器和微处理器依次连接；所述数字信号处理器还与GPS/北斗导航系统连接；所述微处理器还与数据发送单元和显示控制模块分别连接。

进一步地，所述信号调理转换单元包括：依次连接的电压/电流互感器、滤波电路和AD转换芯片；所述AD转换芯片将模拟交流电压信号/电流信号转换成数字信号，进入可编程门阵列，完成数据采样。

进一步地，所述数字信号处理器完成同步相量和电能质量的采集与计算，包括：主程序、秒中断和采样中断；主程序负责计算电压、频率相量和电压偏差、频率偏差以及谐波电能质量，并将计算数据发送给微处理器；秒中断负责处理GPS/北斗时间信号，计算时间；采样中断负责更新采样序列，并触发同步相量和电能质量计算。

进一步地，所述主站服务器基于云计算的大数据处理平台，能够同时实现应用程序管理、数据存储以及Web服务功能；

所述主站服务器拥有公网固定IP，为与其连接的每台同步相量与电能质量监测一体机启用固定端口；每一台同步相量与电能质量监测一体机拥有唯一的身份信息，连接主站服务器为其固定打的端口号；主站服务器监视与其连接的每个端口号的数据，对数据进行接收、分析和存储。

一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统的实现方法，包括：

(1)电网电压信号和电流信号数据采样；

(2)同步相量和电能质量数据计算；

所述同步相量包括：电压相量、电流相量和频率；所述电能质量包括电压偏差、频率偏差、谐波和三相不平衡量；

(3)对计算得到的同步相量和电能质量数据进行存储并显示，并将数据传输至主站服务器；

(4)主站服务器调取计算得到的同步相量和电能质量数据进行综合数据分析，具体包括：

应用数据存储：将实时上传的数据和历史数据分别存储至实时数据库和历史数据库；

应用程序管理：根据调取的数据实现实时波形显示、越限抓图、扰动源定位以及谐波源定位；

Web服务：实现数据显示、监视和数据后处理功能,同时授权用户通过互联网在任意地方访问服务器Web服务。

进一步地，所述步骤(2)中的方法具体为：

1)进行可编程门阵列初始化，设置采样频率；

2)根据可编程门阵列的初始化参数产生A/D转换控制时序，实现对同步相量和电能质量信号的高精度采集；

3)初始化GPS/北斗导航系统；启动A/D转换，将数字信号存入可编程门阵列中；

4)读取可编程门阵列中的数据进行同步相量和电能质量数据的计算：根据设置的采样频率，从每个周波内选取设定个采样点来进行同步相量的计算，然后利用每个周波内剩余的采样点进行电能质量的计算。

进一步地，所述步骤(4)中，主站服务器将调取的数据进行分类存储，并进行实时曲线显示，实现应用数据存储并显示；

当主站服务器监测到同步相量与电能质量数据变化超出正常变化范围时,系统高级应用程序开始工作,将事件发生时刻的所有数据进行保存，包括事件的时间和地点，即实现了扰动源定位；

同时，系统进行越限抓图，将事件发生时刻的曲线图进行存储，保存事件发生时刻的动态特征。

进一步地，采用GPS/北斗导航系统进行授时定位，对谐波的电压相量以及谐波的电流相量进行同步测量。

进一步地，主站服务器设计基于云计算的同步监测大数据处理平台，实现大数据存储、查询以及在线知识发现；

通过互联网与更多的异构型计算资源连接，将一台服务器完成的任务动态分配到更多的计算设备上，提高数据分析效率及存储能力。

本发明的有益效果：

本发明是在配电网侧实现对电力系统同步相量和电能质量的监测与分析。系统内的同步相量与电能质量监测一体机可以实时监测配网低压侧的电网动态行为和电能质量信息，综合了同步相量测量装置和电能质量监测装置的功能，体积小，便于安设。与高压主网的常规同步相量测量装置及电能质量监测装置相配合，为电网运行提供了更为细致、全景式的稳态和动态行为监测。

系统内的主站服务器引入了电力系统云计算技术，设计了基于云计算的同步监测大数据处理平台。相对于传统集中式服务器，本发明主站系统可将异构型计算资源整合到一起，协同工作，提高了数据计算效率，扩展了存储空间。

本发明主站服务器用于对测量终端传送来的同步相量和电能质量数据进行分析，特别对于由分布式电源的接入和电力系统中负荷的巨大变化而造成的扰动以及谐波污染问题进行综合分析，从而进行扰动源定位、谐波源定位。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的系统结构图；

图2是信号调理转换单元的功能框图；

图3是数据采样及计算的功能框图；

图4是数据发送、显示、控制的功能框图；

图5是云计算平台的系统架构图；

图6是数字信号处理器模块的程序流程图；

图7是微处理器模块的程序流程图；

图8是主站服务器的工作流程图；

图9为谐波源定位方法的简单模型图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种配电网侧同步相量与电能质量一体化监测系统，如图1所示，包括：同步相量与电能质量监测一体机和主站服务器；同步相量与电能质量监测一体机与主站服务器通信；

同步相量与电能质量监测一体机是系统的测量终端，是对常规同步相量测量装置PMU和电能质量监测装置的简化，在同步相量监测方面，摒弃对机组状态(发电机功角、有功功率、无功功率等)、开关量的监测，仅在终端电网对主要电气量进行同步测量，包括电压相量(幅值、相角)、电流相量(幅值、相角)和频率；在电能质量监测方面，主要完成对稳态电能质量问题的监测与分析，包括电网谐波、三相不平衡量等。

服务器是整个系统的数据接收终端，用于对监测终端送达的计算结果进行分析并存储历史数据，其特点是，包括高可靠性的CPU、大容量存储硬盘以及配置高级应用软件，其功能主要分为三个部分：服务器应用管理,数据存储,Web服务。另外，将服务器引入电力系统云计算技术，设计同步监测大数据处理平台。

同步相量与电能质量监测一体机是系统的测量终端，主要完成同步相量与电能质量信息的采集与计算，包括：电网单相/三相电输入端口、电压互感器、电流互感器、滤波电路、AD转换芯片、可编程门阵列、数字信号处理器、微处理器、GPS/北斗信号接收器、数据发送单元、显示控制模块。

电网单相/三相电输入端口、电压互感器/电流互感器、滤波电路、AD转换芯片、可编程门阵列、数字信号处理器和微处理器依次连接。数字信号处理器与GPS/北斗信号接收器连接。微处理器与鼠标键盘单元、显示器单元、数据发送单元和高级应用接口等相连。

电网单相/三相电输入端口，用于将电网交流电压信号或电流信号引入监测系统。

电压/电流互感器，用于将电网交流信号变换为弱信号。

滤波电路由滤波电容和滤波电阻构成，用于滤除电网中的高次谐波信号。

AD转换芯片用于将模拟电压/电流信号转换为数字信号。

可编程门阵列完成对同步相量和电能质量信号的采集与缓存。主要包括两个部分：数据缓存模块和数据采集状态机模块。数字信号处理器通过初始化数据采集状态机模块的工作参数，设置采样频率等，使得数据采集状态机模块根据数字信号处理器的初始化参数，自动产生模数转换器的控制时序，实现对同步相量和电能质量信号的高精度采集。

数字信号处理器主要完成同步相量和电能质量的计算，硬件结构包括：高频率CPU内核、片内存储器、中断、定时器以及I/O接口等片上外设。

微处理器完成数据发送、显示、控制等功能，其构成主要包含存储器、LCD显示器接口以及通信单元。运行Linux嵌入式操作系统，实现实时曲线显示、越限抓图、预警等高级应用。

如图2所示，电压互感器、电流互感器、滤波电路和AD转换芯片构成信号调理单元，电网交流信号经电压/电流互感器变换为弱信号，电压/电流互感器后面的调理电路为电阻、电容组成的低通滤波电路，信号经滤波电路后接入AD转换器。

AD转换器是数据采样的关键部件，AD转换芯片将电压互感器输出的电压信号转换成数字信号并将数字信号存储在芯片内，完成对电压的采样。市场上大部分信息采样所使用AD转换芯片精度速度较差，而且无集成保护电路，且使用条件受到严格限制。

本发明实施例选用8通道差分DAS，内置18位、双极性、同步采样ADC，型号可以为AD7609。AD7609内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、18位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。采用5V单电源供电，可以处理±10V和±5V真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可以耐受最高达±16.5V的电压。无论以何种采样频率工作，AD7609的模拟输入阻抗均为1MΩ。它采用单电源工作方式，具有片内滤波和高输入阻抗，因此无需驱动运算放大器和外部双极性电源。

如图3所示，数据采样及计算单元，数据采样由可编程门阵列完成，数字信号处理器进行同步相量计算和电能质量计算。由AD芯片传送而来的数字信号首先进入可编程门阵列进行高速缓存，数字信号处理器根据同步时钟信号读取可编程门阵列中的数据，进而进行高速计算。

所述图3中的可编程门阵列，具体选择FPGA(现场可编程门阵列)，用于数字信号采集及高速缓存，协助DSP进行工作。本发明实施例选用Xilinx公司生产的Virtex系列中Virtex-5系列FPGA产品，是基于业界最先进的65nm技术的FPGA产品。具体选择型号为：XC5VSX95T-1FF1136C，XC5VSX95T具最大RAM模块1.120KB，DSP48E 64个，CMT时钟管理6个，RocketIO GTP 16个，总IO bank 20个，最大使用IO数680个。

图3中的数字信号处理器，主要完成对同步相量和电能质量的计算。传统的单片机以及ARM等微处理器已经不能满足高速高精度的数据计算的要求，本发明实施例采用德州仪器生产的最新数字信号处理器DSP，具体型号为TMS320C6748。该DSP是高性能低功耗的32位定点/浮点DSP，业界功耗最低的浮点数字信号处理器，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、高实时性的需求。不仅具备通用并行端口(UPP)，同时也是TI首批集成串行高级技术附件(SATA)的器件。该DSP能够以高达456MHz的频率运行，功耗不超过1W,内核供电电压为1.2v，外围电路为3.3v。内存方面，采用二级缓存内存架构，包括：32KB的L1P程序RAM，32KB的L1D数据RAM，256KB的L2统一映射RAM，以上都可作为高速缓存。集成外设方面，该DSP集成了DMA(直接内存方问)控制器、外部存储器接口(EMIF)、定时器、中断、EMAC接口、串行接口以及HPI(主机接口)等高级应用单元。

如图4所示，为数据传输、显示、控制模块。该模块功能由微处理器控制完成，微处理器与信息通讯模块、LCD显示器、鼠标键盘单元等相连接，可运行Linux等嵌入式操作系统，实现在测量终端进行在线分析、实时曲线显示、在线辨识、越限抓图、预警等高级应用。不仅可以通过嵌入式操作系统实现更为灵活的控制，还节省了DSP的功能空间，使DSP能够更为高效的进行数据的采集与计算。

图4中的微处理器，本实施例选择ATMEL公司的ARM9类型芯片AT91SAM9260。AT91SAM9260具有丰富的外设资源和总线接口,可以大大简化外围电路。

图4中的数据传输模块，用于实现监测终端与主站服务器的通信功能,主要分为三种传输模式:Internet有线传输、GPRS/3G无线传输、串行端口传输。传统的PMU与电能质量监测装置装设在高压变电站、电厂等重要节点,均釆用专网有线传方式,铺设复杂,成本较高,不利于大面积安装。

本发明同步相量与电能质量监测一体机在低压用户侧装设,可选网络传输方式灵活方便,随着无线通信技术的发展,技术提升巨大,GPRS/SG无线通信技术的应用为相量信息的传输提供的极大的方便，装置采用多模式的信息传输,可以根据不同的环境选择最适宜的信号传输方式。

图4中的控制模块，包括数据信号处理器和微处理器的带电硬件复位以及鼠标键盘等外设,控制装置的启动、复位、联网方式的选择、接收软件的调试运行等。

图4中的显示模块，本实施例选择7寸12864型液晶显示屏显示，7寸液晶显示器采用成熟的液晶显示模块,12V电源启动,通过VGA接口与微处理器ARM连接,实时显示频率、电压、相角值及服务器IP、装置IP,且各变量形成实时曲线直观显示,亦可显示故障报警信息。

如图5所示，该图为主站服务器的系统架构图，主站服务器终端是工作站机群,服务器协调内部各个内部程序,实现相量信息的获取、处理、显示功能。本发明所用主站服务器拥有公网固定IP,为每台装置启固定端口；每一台装置拥有唯一的身份信息,连接服务器为其固定打的端口号；服务器监视每个端口号的数据,对数据进行接收、分析存储。

一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)电网电压信号和电流信号数据采样；

采集电网电压信号和电流信号，将220v电网交流电压信号和电流信号变换为数字信号处理器可进行处理的信号，该部分由信号调理电路、AD芯片以及可编程门阵列完成。电压互感器、电流互感器、滤波电路等构成信号调理单元，电压互感器将高电压信号变换为低电压信号，电流互感器将大电流信号变换为小电流信号，滤波电路用于滤掉信号中的高次谐波。模拟电压信号和电流信号经信号调理电路后进入AD芯片，进行模数转换。AD转换芯片将模拟交流电压信号和电流信号转换成数字信号，进入可编程门阵列，完成数据采样。

常规数据采集计算模块将从AD转换芯片变换而来的数字信号直接送到数字信号处理器进行计算。本发明在AD转换芯片与数字信号处理器之间添加FPGA，可确保所设计的系统实时、高效地对同步相量和电能质量不间断的监测。采用FPGA与数字信号处理器协同并行工作的设计方案，FPGA作为中间桥梁，完成数据的采集与缓存工作，极大的增强了系统的灵活性，极大地分担了数字信号处理器的工作压力。数字信号处理器通过初始化数据采集状态机模块的工作参数，设置采样频率等，使得数据采集状态机模块根据数字信号处理器的初始化参数，自动产生模数转换器的控制时序，实现对数字信号的高精度采集。

(2)同步相量和电能质量数据计算；

同步相量包括：电压相量、电流相量和频率；所述电能质量包括电压偏差、频率偏差、谐波和三相不平衡量；

如图6所示，通过对DSP设定算法程序来实现该部分功能，包括主程序、秒中断和采样中断。主程序负责计算电压、频率等同步相量和电压偏差、频率偏差以及谐波等电能质量；秒中断负责处理GPS/北斗时间信号，计算时间；采样中断负责更新采样序列，并触发同步相量和电能质量计算。

首先，对DSP进行各模块的初始化，包括：初始化FPGA中的数据采集状态机模块的工作参数，设置采样频率等，使得数据采集状态机模块根据DSP的初始化参数，自动产生AD7609的控制时序，实现对同步相量和电能质量信号的高精度采集；初始化各端口、寄存器；初始化GPS/北斗导航系统。之后，启动AD转换，数字信号存入FPGA中。DSP读取FPGA中的数据进行同步相量和电能质量的计算。具体计算算法如下：

设计采样频率为10Khz,即每个周波采集200个点。首先从每个周波内选取50个点来进行同步相量的计算，并设计同步相量的计算频率为10Hz，即每5个周波进行一次同步相量的计算，因此每次同步相量计算需要250个采样点。其次，利用每个周波剩余的150个采样点进行电能质量的计算。每1秒钟计算一次，因此每次需要7500个采样点进行电能质量的计算分析。本发明中由于采用了可编程门阵列模块FPGA，每个周波内用于电能质量计算的采样点，可高速缓存于FPGA中。

同步相量计算

设电网电压信号如下式

X(t):电压的连续时域信号；X:电压有效值；ω:角速度；t:时间；相角。

${\stackrel{\‾}{X}}_1=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{X}_k{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{X}_k\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}k-j\frac{N}{2}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{X}_k\frac{2\mathrm{\π}}{N}k=X_c-{\mathrm{jX}}_s$

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{1}{\sqrt{2}}j{\stackrel{\‾}{X}}_1=\frac{1}{\sqrt{2}}(X_S+{\mathrm{jX}}_c)---\left(1\right)$

当前电压相量形式；由FFT计算的到的基波相量；X_cX_s:定义的实部虚部；j:虚数单位；N:每一个窗口的采样点数,此发明取N＝50；k:系数1,2,3…N；X_k:采样点值。

对上述计算窗口内的N个点,去掉第1个,在最后增加1个,得到下一个数据窗口数据序列,由式(2)、(3)递归得到当前相量,由式(1)得到当前相量的幅值、相角,得到第二个相量值。依次类推,计算5个窗口即5N＝250个数据点。

$X_c^{\left(new\right)}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{X}_k\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}k+\frac{2}{N}\cos 2\mathrm{\π}(X_N-X_0)---\left(2\right)$

$X_S^{\left(new\right)}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{X}_k\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}k+\frac{2}{N}\sin (X_N-X_0)---\left(3\right)$

X_N:新增加的点；X₀:摒弃的点；新增加点得到的相量实部虚部。

由相角的变化率根据式(8)计算偏差频率,最后一个相量的幅值、相角为当前电网的幅值相角。

f₁＝f₀+Δf

Δf为采样频率偏差；f₀为电网基准额定频率，取50hz；f₁为采样频率

电能质量的计算

电压偏差：

$\mathrm{\Δ}U=\frac{\left(\frac{1}{M}{\Σ}_{j=1}^M{U}_{50}\right(j\left)\right)-U_N}{U_N}$

式中，U₅₀为连续50个周波时间的基波电压幅值的平均值，每一秒钟计算一次电压偏差，M为国标推荐的1min或10min范围内的U₅₀的个数，U_N为系统标称电压幅值。

频率偏差：

Δf＝f_T-50

连续计算每个T时间范围内频率实时数据的平均值作为测量时间窗口内的测点频率f_T,T取1秒。并按上述公式计算频率偏差。电网额定标称频率为50HZ。

三相不平衡度：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{U_2}{U_1}\×100\%$

式中，U₁和U₂分别表示电压正序与负序分量。根据装置实时上送的三相基波电压向量数据，采用对称分量法实时计算出对应的正、负、零序分量数据，然后利用上述公式计算三相不平衡度。

电网谐波的计算

本发明采用时域的分析方法对电网谐波进行测量，由快速傅立叶(FFT)计算各次谐波的幅值及相位等参数，进而计算出各次谐波含有率以及总谐波畸变程度。

h次谐波电压的含有率HRU_h：

${\mathrm{HRU}}_h=\frac{U_h}{U_1}\×100\%$

式中，U_h为第h次谐波电压均方根值，U₁为基波电压均方根值。

h次谐波电流的含有率HRI_h：

${\mathrm{HRI}}_h=\frac{I_h}{I_1}\×100\%$

式中，I_h为第h次谐波电流均方根值，I₁为基波电流均方根值。

电压总谐波畸变率THD_U：

${\mathrm{THD}}_U=\frac{\sqrt{{\Σ}_{h=2}^{\mathrm{\∞}}{U}_h^2}}{U_1}\×100\%$

电流总谐波畸变率THD_I：

${\mathrm{THD}}_I=\frac{\sqrt{{\Σ}_{h=2}^{\mathrm{\∞}}{I}_h^2}}{I_1}\×100\%$

(3)对计算得到的同步相量和电能质量数据进行存储并显示，并将数据传输至主站服务器；

数据传输方法包含以下步骤：

(1)数据从DSP传输到ARM，相对于市场上常见的双口RAM作为DSP和ARM之间的缓存通道，本发明所使用的TMS320C6748型DSP，拥有HPI接口(主机接口)，可替代双口RAM，完成DSP与ARM之间的数据传输，大大简化了系统结构。HPI使用16位的外部接口，可以为DSP提供32位的数据传输。其传输过程是：HPI寄存器先将32位的数据分成两个16位的高低字节数据进行传输，当ARM接收到全部数据后，将按顺序将两个16位数据合成32位数据。

(2)数据从监测装置传输到主站系统，该部分功能依托的硬件结构为ARM中的通信模块。如图7所示，首先，对微处理器中的各串口、TCP/IP通信模块进行初始化，然后选择相应的通信方式与主站服务器连接。具体操作如下：

本发明装置用于220V低压用户侧,环境允许的时候首选Internet有线传输方式。此时先将ARM通过串口-串口、串口-USB口、串口转TCP/IP网口任一种方式与通信模块连接。有线通信模块提供TCP和UDP两种协议通信，本发明考虑到光纤传输的误码率很低,为了提高传输速度,釆用面向无连接的UDP协议进行通信。若用户有线网络不需要客户端登陆即可联网,可以用ARM的串口转TCP/IP千兆网口直接将实时相量信息传达主站服务器。在Internet有线传输不便之时,无线通信成为大数据实时传输的不二选择，本装置通过ARM的串口连接无线通信模块,与终端服务器建立无线信息发送通道。

显示控制方法包含以下步骤：

(1)信息显示，该部分功能由微处理器控制完成，如图7所示，首先，对LCD12864显示模块等进行初始化。之后，接收DSP计算后的相量信息，实时显示频率、电压、相角值及服务器IP、装置IP,且各变量形成实时曲线直观显示,亦可显示故障报警信息。

(2)控制操作，包括数据信号处理器和微处理器的带电硬件复位以及鼠标键盘等外设,控制装置的启动、复位、联网方式的选择、接收软件的调试运行等。

(4)主站服务器调取计算得到的同步相量和电能质量数据进行综合数据分析，具体包括：

应用数据存储：将实时上传的数据和历史数据分别存储至实时数据库和历史数据库；

应用程序管理：根据调取的数据实现实时波形显示、越限抓图、扰动源定位以及谐波源定位；

Web服务：实现数据显示、监视和数据后处理功能,同时授权用户通过互联网在任意地方访问服务器Web服务。

本发明引入了电力系统云计算技术，设计基于云计算的同步监测大数据处理平台,用于高速处理海量数据。在此平台下，主要完成应用数据存储、应用程序管理、Web服务三方面功能。

(1)应用程序管理。应用管理程序与远程的监测终端建立通信,接收实时的相量数据,并对其进行处理,以便其用于数据库管理和Web服务。在主站系统内设计高级应用程序，实现实时波形显示、越限抓图、扰动源定位、谐波源定位等高级功能。具体处理过程如下：

如图8所示，该图为主站系统的工作流程图，服务器将监测终端传送来的数据进行分类存储，并进行实时曲线显示。当服务器监测到监测终端的同步相量与电能质量数据变化超出正常变化范围时,系统高级应用程序开始工作,将事件发生时刻的所有数据进行保存，包括事件的时间和地点，即实现了扰动源定位。同时，系统进行越限抓图，将事件发生时刻的曲线图进行存储，以便形象地刻画事件发生时刻的动态特征。

另外，相对于传统的监测系统只能进行谐波量的计算，本发明监测终端采用了GPS模块进行授时定位，可对谐波的电压相量以及谐波的电流相量进行同步测量,并且便于在配网侧任意位置安装，为全网谐波状态估计方法的实行奠定了基础，因此，在主站系统内设计改进的谐波状态估计算法，可对谐波源进行有效的定位。

如图9所示，该图为谐波源定位方法的简单模型图，主站系统通过对监测一体机传来的实测谐波数据进行分析，采用改进的谐波状态估计的方法对谐波源进行有效定位。Eu为系统侧等效电压源，Zu为系统侧等效阻抗，Zc为用户侧等效阻抗，PCC为公共耦合点，Ih为PCC点处的谐波电流，Uh为PCC点处的谐波电压。通过计算，依次求解出各次谐波阻抗值，并与用户侧基波阻抗相对比，线性负荷的谐波阻抗值与基波阻抗值相差很小，非线性负荷的谐波阻抗值与基波阻抗值相差较大，通过此方法可有效确定谐波源，即非线性负荷。通过对系统部分节点的谐波信息进行同步采集，并估计整个系统的谐波状态，利用谐波状态估计结果对谐波源进行定位。

(2)数据存储。在服务器内安装实时数据库和历史数据库，分别用于存储实时上传的数据和历史数据。数据库管理程序负责同步相量和电能质量数据库的管理,如频率数据的存储、读取等操作。同时，对于海量的数据资源，一台服务器的存储空间是有限的，主站服务器可以通过互联网与更多的异构型计算资源连接，将一台服务器完成的任务动态分配到更多的计算设备上，提高了数据分析效率及存储能力，实现云存储。

(3)Web服务。开发基于本发明监测系统的网站，提供显示功能、监视和数据后处理功能,授权用户可以通过互联网在任意地方访问服务器Web服务。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统，其特征是，包括：同步相量与电能质量监测一体机和主站服务器；所述同步相量与电能质量监测一体机与与主站服务器通信；

所述同步相量与电能质量监测一体机在终端电网对主要电气量进行同步测量，包括电压相量、电流相量和频率；同时完成对电网谐波和三相不平衡量的监测与分析；

所述主站服务器调取同步相量与电能质量监测一体机的同步相量和电能质量信息数据进行数据综合分析。

2.如权利要求1所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统，其特征是，所述同步相量与电能质量监测一体机包括：电网单相/三相电输入端口、信号调理单元、可编程门阵列、数字信号处理器、微处理器、GPS/北斗导航系统、数据发送单元和显示控制模块；

所述电网单相/三相电输入端口、信号调理单元、可编程门阵列、数字信号处理器和微处理器依次连接；所述数字信号处理器还与GPS/北斗导航系统连接；所述微处理器还与数据发送单元和显示控制模块分别连接。

3.如权利要求2所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统，其特征是，所述信号调理单元包括：依次连接的电压/电流互感器、滤波电路和AD转换芯片；所述AD转换芯片将模拟交流电压信号/电流信号转换成数字信号，进入可编程门阵列，完成数据采样。

4.如权利要求2所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统，其特征是，所述数字信号处理器完成同步相量和电能质量的采集与计算，包括：主程序、秒中断和采样中断；主程序负责计算电压、频率相量和电压偏差、频率偏差以及谐波电能质量，并将计算数据发送给微处理器；秒中断负责处理GPS/北斗时间信号，计算时间；采样中断负责更新采样序列，并触发同步相量和电能质量计算。

5.如权利要求1所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统，其特征是，所述主站服务器基于云计算的大数据处理平台，能够同时实现应用程序管理、数据存储以及Web服务功能；

所述主站服务器拥有公网固定IP，为与其连接的每台同步相量与电能质量监测一体机启用固定端口；每一台同步相量与电能质量监测一体机拥有唯一的身份信息，连接主站服务器为其固定打的端口号；主站服务器监视与其连接的每个端口号的数据，对数据进行接收、分析和存储。

6.一种如权利要求1所述的配电网同步相量与电能质量一体化监测系统的工作方法，其特征是，包括：

(1)电网电压信号和电流信号数据采样；

(2)同步相量和电能质量数据计算；

所述同步相量包括：电压相量、电流相量和频率；所述电能质量包括电压偏差、频率偏差、谐波和三相不平衡量；

(3)对计算得到的同步相量和电能质量数据进行存储并显示，并将数据传输至主站服务器；

(4)主站服务器调取计算得到的同步相量和电能质量数据进行综合数据分析，具体包括：

应用数据存储：将实时上传的数据和历史数据分别存储至实时数据库和历史数据库；

应用程序管理：根据调取的数据实现实时波形显示、越限抓图、扰动源定位以及谐波源定位；

Web服务：实现数据显示、监视和数据后处理功能,同时授权用户通过互联网在任意地方访问服务器Web服务。

7.如权利要求6所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统的工作方法，其特征是，所述步骤(2)中的方法具体为：

1)进行可编程门阵列初始化，设置采样频率；

2)根据可编程门阵列的初始化参数产生A/D转换控制时序，实现对同步相量和电能质量信号的高精度采集；

3)初始化GPS/北斗导航系统；启动A/D转换，将数字信号存入可编程门阵列中；

4)读取可编程门阵列中的数据进行同步相量和电能质量数据的计算：根据设置的采样频率，从每个周波内选取设定个采样点来进行同步相量的计算，然后利用每个周波内剩余的采样点进行电能质量的计算。

8.如权利要求6所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统的工作方法，其特征是，所述步骤(4)中，主站服务器将调取的数据进行分类存储，并进行实时曲线显示，实现应用数据存储并显示；

当主站服务器监测到同步相量与电能质量数据变化超出正常变化范围时,系统高级应用程序开始工作,将事件发生时刻的所有数据进行保存，包括事件的时间和地点，即实现了扰动源定位；

同时，系统进行越限抓图，将事件发生时刻的曲线图进行存储，保存事件发生时刻的动态特征。

9.如权利要求6所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统的工作方法，其特征是，采用GPS/北斗导航系统进行授时定位，对谐波的电压相量以及谐波的电流相量进行同步测量。

10.如权利要求6所述的一种配电网同步相量与电能质量一体化监测系统的工作方法，其特征是，主站服务器设计基于云计算的同步监测大数据处理平台，实现大数据存储、查询以及在线知识发现；

通过互联网与更多的异构型计算资源连接，将一台服务器完成的任务动态分配到更多的计算设备上，提高数据分析效率及存储能力。