CN107255758B - 一种宽带多频电气量统一测量分析系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带多频电气量统一测量分析系统及实现方法，包括至少一个的电气量测量装置以及数据存储和分析主机，所述电气量测量装置用于高频采集电网数据，数据存储和分析主机接收电气量测量装置传输的电网数据进行存储，同时对所接收的电网数据进行分析、展示和数据转发，并对数据分析结果进行传输；数据存储和分析主机包括组网模块，用于对变电站多个电气量测量装置进行数据存储和信息交互；电气量测量装置设置于变电站间隔层，数据存储和分析主机设置于变电站站控层。本发明解决了目前针对高压直流输电技术、FACTS技术、新能源大规模接入对传统电网带来日益频繁的谐波干扰、次同步振荡等新特点，现有测量技术无法对其进行全面准确测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带多频测量的分析系统，具体涉及一种宽带多频电气量统一测量分析系统及实现方法。
背景技术
随着智能电网发展建设的深入，变电站内部按照不同的应用需求设置了不同的采集测量装置，如针对电网稳态测量的测控装置，其测量数据传输给SCADA监控系统，实现对电网的稳态监测；随着广域测量技术的发展，PMU被广泛应用于220kV及以上电压等级的变电站，虽然和测控装置接入同一采集回路，但PMU装置测量的确是电网的动态数据，并将其传输给调度中心的WAMS系统，实现对电网的动态监测；除此以外，变电站内部还设有故障录波装置，虽然也是接入的变电站同一采集回路，但是却是记录的电网暂态数据，即在变电站或者电网发生故障时所产生的暂态数据，实现对电网的暂态监测；针对同一采集测量回路，变电站内还设置有电能质量测量装置，实现对电能质量的监测和评估。这些按照不同应用需求所设置的测量装置都需要采集相同的数据，需要配置多路采样通道，如此冗余繁复配置的设备不仅增加了变电站设计的复杂程度、增加了设备的数量，同时也增加了变电站的建设成本，有必要对其进行整合和简化。
另外，智能变电站现有测量装置所采集的信号往往是以50Hz的工频信号为主，因此13次谐波在内的数据分析足以满足当前电网稳态测量的要求。但随着高压直流输电、柔性交流输电技术(FACTS)和大规模光伏风电等新能源接入，给电网带来了大量快速瞬变的扰动信号，这些信号既有更加复杂的低频振动信号、次同步振荡信号；同时也有大量宽频域、高频次特性的谐波信号，这些谐波具有快速瞬变的特性，智能变电站现有测量装置的采样频率难以满足其需要，迫切需要针对现有宽频带的特性制定新的采样测量策略。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种宽带多频电气量统一测量分析系统及实现方法，解决了在高压直流输电技术、FACTS技术、新能源大规模接入带来的对传统电网带来日益频繁的谐波干扰、次同步振荡等特点下的缺陷。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种宽带多频电气量统一测量分析系统，其改进之处在于，包括至少一个的电气量测量装置以及数据存储和分析主机，所述电气量测量装置用于高频采集电网数据，所述数据存储和分析主机接收电气量测量装置传输的电网数据进行存储，同时对所接收的电网数据进行分析、展示和数据转发，并对数据分析结果进行传输；所述数据存储和分析主机包括组网模块，用于对变电站多个电气量测量装置进行数据存储和信息交互；所述电气量测量装置设置于变电站间隔层，所述数据存储和分析主机设置于变电站站控层。
进一步地，所述电气量测量装置用于对高频采集到的电网数据进行分类处理和实时计算，包括：
第一计算模块，用于当发现电网出现低频振荡、次同步振荡、超同步振荡时启动动态数据录波功能，记录电网的电压、电流及开关量信号，并以COMTRADE格式存储，直到异常信号消失；
第二计算模块，用于当发现电网出现电能质量的指标越限、电压暂升、电压暂降、电压短时中断以及其它瞬变事件时则启动录波功能，并选择PQDIF格式或COMTRADE格式存储电压、电流信号，直到相关事件消失。
进一步地，还包括录波模块，用于发现异常时启动录波，包括对电网低频振荡、次同步振荡、超同步振荡扰动或异常情况进行录波，分析电网电压和电流的幅值与相角、电网的频率、频率变化率，对电网的动态特性进行记录和分析；和
用于对电网电能质量的录波数据进行录波，分析所有通道的电压幅值、三相不平衡度、频率偏差和短时闪变，用来监测供电质量。
进一步地，所述电气量测量装置包括模拟量信号采集的A/D转换芯片和用于数字量信号采集的数据接收端口；所述模拟量或数字量信号频谱覆盖范围包括0.1Hz-9kHz；
优选的，所述电气量测量装置还包括对时模块，用于在进行所述模拟量数据采样时通过IRIG-B或IEEE1588方式接收外部同步对时信号；
优选的，所述数据接收端口的数量为2，其中一个数据接收端口用于接收外部SV采样报文，实现电网电压、电流数据的接收；另一个数据接收端口用于接收GOOSE报文，包括电网状态信息、直流电压数据的接收。
进一步地，所述电气量测量装置还包括Nand-flash存储器；所述Nand-flash存储器用于对电网低频振荡、次同步振荡、超同步振荡或者其它扰动、异常信号录波文件以及电网电能质量的录波数据进行存储。
进一步地，所述电气量测量装置还包括数据传输端口；
所述数据传输端口包括MMS通信端口、PMU通信端口和专用的通信端口；
所述MMS通信端口用于按照基于IEC61850标准向站控层SCADA监控系统传输实时测量的电压和电流信号；
所述PMU通信端口用于向数据存储和分析主机按照IEEE C37.118标准进行PMU数据传输，包括向数据存储和分析主机传输三相基波电压相量、三相基波电流相量、基波电压正序相量、基波电流正序相量、频率、频率变化率；
所述专用的通信端口用于向数据存储和分析主机传输计算数据和录波文件，包括用于向数据存储和分析主机采用自动触发传输和等待召唤传输方式传输电网异常或者扰动计算数据以及电网暂态录波文件、电能质量异常录波文件。
进一步地，所述测量数据存储和分析主机
包括以太网通信网口，用于接收基于IEEE C37.118的PMU通信信息、基于IEC61850的通信的MMS信息、基于电气量测量装置传输的电网暂态录波文件、电网电能质量异常录波文件以及其它配置文件，按照接收数据上送的频率进行顺序存储；
优选的，所述测量数据存储和分析主机还包括数据计算分析模块、数字化滤波模块、频率分析模块、展示模块和录波文件分析模块；
所述数据计算分析模块用于将记录存储的数据以较长的时间窗口进行系统性计算和分析；
所述数字化滤波模块用于对记录的存储数据进行针对性频率过滤计算，采用FIR滤波器或IIR滤波器；
所述频率分析模块用于对采样数据的频谱进行时域、频域的分析；
所述展示模块用于对所有频率信号进行系统全面展示；
所述录波文件分析模块用于对电网电能质量异常录波文件进行计算分析，获取各类谐波幅值和含量；
优选的，所述测量数据存储和分析主机还包括USB接口、对外传输端口和对外调试通信端口；所述USB接口用于连接显示器、鼠标和键盘对所接收的数据、存储的数据以及计算分析的结果数据进行可视化展示；
所述对外传输端口用于将接收的采样数据传输或者计算分析结果给广域测量主站WAMS系统；能够与变电站内SCADA系统进行信息交互；
所述对外调试通信端口用于对主机相关功能的调试和监视。
进一步地，所述组网模块进一步包括：
第一组网子模块，用于对电气量测量装置的IEEE C37.118通信和录波文件分别进入通信端口进行传输，所述第一组网子模块的构建包括通过两个物理独立的网络或接入同一个网络，通过VLAN的方式将其从逻辑上划分成两个独立的网络；即可构建两个物理独立的网络，或接入同一个网络，但通过VLAN的方式将其从逻辑上划分成两个独立的网络；
第二组网子模块，用于对IEEE C37.118通信和录波文件共通信端口进行传输，所述第二组网子模块的构建包括通过电气量测量直接接入构建网络，网络中的交换机通过级联的方式扩展网络端口数量。
本发明还提供一种应用宽带多频电气量统一测量分析系统的实现方法，其改进之处在于：
所述电气量测量装置高频采集电网数据；
所述数据存储和分析主机接收电气量测量装置传输的电网数据并进行存储，同时对所接收的电网数据进行分析、展示和数据转发，并对数据分析结果进行传输。
进一步地：所述电网数据进行存储，包括：当有一个电气量测量装置时，所述数据存储和分析主机按照不同端口和不同类型进行存储；当有两个及以上的电气量测量装置时，通过组网模块对变电站多个电气量测量装置进行数据存储和信息交互；
优选的，对所接收的电网数据进行分析、展示和数据转发，包括：所述数据存储和分析主机对电网数据进行分类滤波并计算，按照时域、频域及时域频域混合的方式对电网数据进行分析及展示；
优选的，对数据分析结果进行传输，包括：将电网数据的分析结果传输给变电站的SCADA监控系统以及调度主站。
进一步地：所述电气量测量装置高频采集电网数据，包括：
采集模拟量或数字量信号；
对模拟量或数字量信号进行分类处理和实时计算；
电气量测量装置的录波模块对模拟量或数字量信号发现异常时启动录波；
电气量测量装置的Nand-flash存储器对录波文件进行存储；
优选的，对模拟量或数字量进行分类处理和实时计算，包括：
当发现电网出现低频振荡、次同步振荡、超同步振荡时就启动动态数据录波功能，记录电网的电压、电流及开关量信号，并以COMTRADE格式存储，直到异常信号消失；
当发现电网出现电能质量的指标越限、电压暂升、电压暂降、电压短时中断以及其它瞬变事件时则启动录波功能，并选择PQDIF格式或COMTRADE格式存储电压、电流信号，直到相关事件消失。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的有益效果是：
本发明针对智能电网发展背景下变电站内部测量设备繁多、采集回路冗余繁复的问题，针对高压直流输电技术、FACTS技术、新能源大规模接入对传统电网带来日益频繁的谐波干扰、次同步振荡等新特点，现有测量技术无法对其进行全面、准确测量的现状所提出的实现电网宽带多频电气量统一测量分析系统及其实现方法，不仅能够实现智能变电站内部所有测量设备功能的集成和整合，进一步简化全站设计、减少设备数量、降低变电站建设和调试成本，同时也能够应对电网电力电子化后对电网高频特性的测量需求，能够为新能源的大规模应用、直流电网的发展建设、柔性交流电网的发展提供新的测量手段，推动和加快清洁能源的发展和应用。
附图说明
图1是本发明提供的宽带多频电气量统一测量分析系统单装置连接的结构图；
图2是本发明提供的宽带多频电气量统一测量分析系统多装置连接的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
实施例一、
宽频多频电气量统一测量分析系统包括设置于变电站间隔层的至少一个的前端电气量测量装置，以及设置于站间协调控制层的数据存储和分析主机，所述前端电气量测量装置通过级联的交换机与数据存储和分析主机进行数据传输。前端的电气量测量装置能够高频采集电网稳态、动态、暂态中的各类低频、工频和高频信号并进行计算、分析和传输；后端的测量数据存储和分析主机能够接收前端测量装置传输的数据进行存储，同时能够对所接收的数据进行分析和展示；能够实现接收数据的上送、数据分析结果的传输及与其它系统之间的信息交互。下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述宽频多频电气量统一测量分析系统有如下功能：
1、前端测量装置宽带多频电气量的统一采集：
支持模拟量数据采集，采用具有高频采样特性的A/D转换芯片，采样频率可达到256kHz，采样精度达到24bit，支持8通道数据的采集，满足4路测量电压、4路测量电流的采集及其采集回路的自由组合；装置自身采用的采样频率可根据需求灵活设置；装置采样时可通过IRIG-B或者IEEE1588方式接收外部同步对时信号。
考虑到当前采集信号的频带较宽，因此需要这对其典型的高频信号来设置采样频率，为此，选择的A/D采样芯片其转换频率可达到256kHz，采样精度达到24bit，支持8通道数据的采集。目前按照4路测量电压、4路测量电流来进行设计，4路电压分别是A、B、C三相的电压以及用于同期接入的系统电压或者外部接入电压；4路电流分别是A、B、C三相电流和零序电流，其中零序电流主要是为电能质量预备。当然，具体的电压、电流数量可以根据需求进行灵活调整，如3路电压+5路电流等；后续若同时采集的回路数大于8路，则可通过增加A/D采样芯片的方式来实现，即当采用2块A/D采样芯片时可实现16路数据的采集。
能够采集电网低频、工频和高频信号，信号频谱范围涵盖电网0.1Hz-9kHz。至于前端测量装置的采样频率，目前可以按照0-256kHz考虑，但考虑到电网电力电子化之后所引入的高频信号往往集中在2kHz-9kHz之间，因此采样频率只要高于18kHz即可，本装置目前按照25.6kHz来设置，即每周波512点。当然，具体的采样频率也可根据实际的需求进行灵活设置，只要不超过256kHz即可。如此，可实现0.1Hz-2.5Hz范围内的低频振荡信号、2.5Hz-45Hz次同步振荡信号及间谐波信号、45Hz-55Hz的工频信号、55Hz-100Hz范围内的超同步振荡信号及间谐波信号、以及100Hz-9kHz范围内的谐波、间谐波宽频带信号的统一采集。当然，若电网的高频信号超过9kHz，如果在9kHz-12.8kHz范围内，本装置目前设置的采样频率可以不用调整，如超出12.8kHz，则可按照其频率的2倍及其以上来设置新的采样频率，即如信号频率达到15kHz，则采样频率需要设置成30kHz及其以上。
另外，由于电网动态数据测量需要接收外部准确的对时信号，因此前端测量装置支持IRIG-B和IEEE1588两种对时方式，可将同步对时误差控制在1us以内。
支持数字量数据采集，装置具有数据外部数据的接收端口，一个端口用于接收外部SV采样报文，实现电网电压、电流数据的接收；一个端口用于接收GOOSE报文，实现电网状态信息、直流电压数据的接收，具体为：
具有两个对外传输的100M光口，一个用于接收外部基于IEC61850-9-2标准的SV采样报文；一个用于接收和发送开关量状态信息的GOOSE报文，如此可以实现外部电压、电流和开关位置信息的采集。SV报文和GOOSE报文传输的端口都是全双工设置，即可以发送，也可以接收。如此也给装置端口的应用提供了其它用途，即当装置采用模拟量采集时，用于数字化采集的两个端口可以灵活设置成其它用途，也可以保留不用。
2、前端电气量测量装置的计算分析及录波。
装置对高频采集的信号进行分类处理并实时计算，当发现异常时就启动录波。
第一计算模块，用于当发现电网出现低频振荡、次同步振荡、超同步振荡时就启动动态数据录波功能，记录电网的电压、电流及开关量信号，并以COMTRADE格式存储，直到异常信号消失；
第二计算模块，用于当发现电网出现电能质量的指标越限、电压暂升、电压暂降、电压短时中断以及其它瞬变事件时则启动录波功能，并可选择PQDIF格式或者COMTRADE格式存储电压、电流信号，直到相关事件消失。
如此，装置内部会出现两种不同的录波功能，各自独立运行，若同时出现电网扰动或者电能质量异常时，两者按照各自独立的功能启动录波并存储，总体上来看，两者所记录的电压、电流和开关量都是相同的，仅仅是各自启动的时间和结束的时间存在差异。
还包括录波模块，用于对于电网低频振荡、次同步振荡、超同步振荡等扰动或者异常情况所记录的波形，主要用来分析电网电压和电流的幅值与相角、电网的频率、频率变化率，其目的是要能够对电网的动态特性进行记录和分析；对于电网电能质量的录波数据，则主要用来分析所有通道的电压幅值、三相不平衡度、频率偏差和短时闪变，其目的主要是用来监测供电质量。
还包括NandFlash存储器，电气量测量装置内部的录波文件在装置NandFlash中分类存储，电网动态扰动的录波文件以及电能质量异常的录波文件都是滚动存储，每个类型可存储100次录波文件，之后就进行滚动记录，始终保持最新的100次录波。当然，装置内各录波文件可存储的文件数主要是受至于NandFlash存储器空间的大小，装置目前按照2G空间设置，后续可根据需求扩展到8G。当存储空间扩展后，装置内部可用来存储的录波文件数量也可进行提升，如此可缓存更多的录波文件，具体可灵活设置。当然，装置也可不必遵循录波次数而按照存储空间的大小来划分，即当存储空间满了以后，就按照滚动存储的方式来存储录波文件，新的录波文件覆盖最早的录波文件即可。
3、前端电气量测量装置的对外传输。装置对外传输配置了三类通信网口，一种是基于IEC61850标准进行MMS通信的端口，用于向SCADA监控系统传输实时测量的电压、电流信号；第二类是用于向PMU数据集中器或者数据存储和分析主机传输采样数据的PMU通信端口，主要采用IEEE C37.118标准，传输的频率为100次/秒、50次/秒、25次/秒等，具体可人工设置，所传输的为装置计算分析后的三相基波电压相量(幅值和相角)、三相基波电流相量(幅值和相角)、基波电压正序、电压的基波正序相量(幅值和相角)、电流的基波正序相量(幅值和相角)、频率、频率变化率和功率等；第三类是用于向宽带多频测量分析主机传输计算数据和录波文件的通信端口，通信规约可以遵循IEC61850标准、IEC60870-5-103或者其它私有标准。计算数据主要是装置对电网异常或者扰动所做出的初步判断，涉及扰动告警、诊断结果等计算数据；录波文件主要包括电网扰动的录波文件和电能质量异常的录波文件，其传输即可等待数据存储和分析主机的主动召唤，也可自动触发。主动召唤方式下，数据存储和分析主机向所有前端测量装置发送召唤信号，所有前端测量装置将录波文件传输给数据存储和分析主机并清空各自存储的录波文件，但相关的配置文件保留，主机召唤的时间可以人工设置，目前召唤的间隔设置为24小时。自动发送模式下是当装置内部的存储空间达到50％或者达到100次录波时，若外部召唤还没有到达，则主动向数据存储和分析主机发送录波文件的传输请求，一旦主机接收了请求即可将所有录波文件上送并将装置录波文件清空，如此可应对电网异常或者故障频发时大量录波文件产生的场景，而50％存储裕度的选择也是为了应对在录波文件未被清理期间其它故障频发所产生的大量新的录波文件的情况，如此可有效防止录波文件大量快速生成时对原有录波文件的覆盖。当然，第三类录波文件通信端口由于传输的实时性要求不高，且通常情况下数据流量较小，因此可将其与第二类通信网口进行合并传输。
4、数据存储和分析主机的数据接收。
如图2所示，数据存储和分析主机具有4个百兆以太网通信网口和2个千兆以太网通信端口。千兆以太网口主要用来接收外部数据，而百兆以太网口主要用来实现数据或者计算结果的对外传输。对于2个千兆以太网口，其中一个千兆以太网口可同时接收所有的录波文件传输以及IEC61850标准的MMS通信，另外一个千兆以太网口用于基于IEEE C37.118的PMU通信。当然，此处分别设置主要是应对前端测量装置各类型报文和文件分不同端口传输的情况，若前端测量装置第二类、第三类端口合并或者说共网口传输，则只需要一个千兆以太网口即可实现IEEE C37.118的PMU通信和各类录波文件的传输，另外一个千兆以太网口可以作为备用，也可用来接收基于IEC61850标准的MMS通信报文，亦或与百兆以太网口一起用做其它对外传输的端口。在此需要说明的是基于IEC61850标准通信数据接收并非是数据存储和分析主机的必需功能，此处仅仅是保留了其接口，使其具有IEC61850标准MMS通信接收功能。4个百兆以太网中其中一个百兆以太网口用于向广域测量主站(WAMS系统)传输电网动态测量数据及计算分析结果信息，另外留一个网口作为备用；另一个百兆以太网口用于变电站SCADA系统之间的信息交互，最后一个百兆以太网口用于设备的检测调试和远程连接。当然，上述的配置方式可以进行灵活调整，以2个千兆以太网口为例，基于MMS通信的应用若不使用可以预留，或者设置成为IEEE C37.118通信的冗余配置网口，亦或设置为其它功能，如数据的对外传输等。4个百兆以太网的端口各自具有的用途可以随意设置，方便主机自身灵活处理。
5、数据存储和分析主机接收前端电气量测量装置传输的信息主要是以测量数据和录波文件为主，包括数据计算分析模块、数字化滤波模块、频率分析模块、展示模块和录波文件分析模块。
数据存储和分析主机接收前端测量装置传输的数据主要是动态测量数据，具体有电压和电流的幅值与相角、电网的频率、频率变化率，按照上送的频率进行顺序存储。对于前端测量装置传输稳态数据，即基于IEC61850标准传输的MMS报文，数据存储和分析主机类似客户端，实现电压、电流和状态信息的接收。但对于本系统，由于同类的动态数据已有接收，因此稳态数据可以无须再重复接收存储，但后台主机仍然保留该功能。
对于录波文件，前端电气量测量装置所传输的有动态录波文件、电能质量录波文件及各自的配置文件等，对于后台主机，则按照动态和电能质量两大类进行分别存储。后台主机具有大容量存储硬盘，目前采用500G硬盘，后续若需要更大的存储空间，可将其扩展到1T或者2T硬盘存储。
6、数据存储和分析主机的数据计算分析。
数据存储和分析主机能够存储动态采集的数据并能够进行较长时间断面的系统计算分析。首先数据存储和分析主机具有数字化滤波器的设计，较为典型的是FIR滤波器和IIR滤波器，可以对所存储的测量数据进行针对性过滤，为后续各类数据的计算分析提供更加干净的信号，与此同时，后台主机还具有自适应滤波算法，可根据信号的特征自动选择合适的滤波方法。其次，后台主机具有各类典型的算法功能，如离散傅立叶算法DFT、快速傅立叶算法FFT等，以及根据各类信号特点自行改进的算法，如改进后的Prony算法、希尔伯特-黄(HHT)算法等，可将信号分析的需求按照低频振荡、次同步振荡、超同步振荡、高次谐波等分别选择不同的滤波算法、数据计算分析算法，获得各频段信号的频率、幅值。同时后台主机还可从系统的角度，对测量信号进行系统全面的时域和频域分析，得到电网信号的频谱分布，便于对信号有更加深入和全面的了解。与此同时，后台主机的高次谐波计算分析功能可以清晰的展示255次谐波，可对电能质量进行更加深入全面的监测。
数据存储和分析主机能够对接收的采样数据进行实时分析并结合长时间窗口的数据进行比对分析，能够对电网的故障状态进行诊断和预警，并将相关分析的结果传输给广域测量主站WAMS系统，同时也可发送相关告警信息给变电站内部的SCADA监控系统。后台主机与SCADA监控系统的信息交互可以通过GOOSE报文的方式实现，该方式基于多播通信原理来实现，无需TCP/IP协议，实现起来方便快捷。
7、数据存储和分析主机的数据和分析展示。
后台主机具有USB接口，可连接显示器、鼠标和键盘对所接收的数据、存储的数据以及计算分析的结果数据进行可视化展示，能够为电网电气量信号的测量与分析提供有效的支撑手段。
当然，上述数据存储和分析主机对前端测量装置数据之间的交互都是针对单个装置来阐述的，在实际的变电站中，不同电压等级、不同线路间隔中存在多个不同的前端测量装置，而站内的数据存储和分析主机只有一台，此时若要接收众多装置的数据和文件就需要进行组网设置，具体有以下两种方式：
1)数据存储和分析主机目前所设置的2个千兆以太网口和4个百兆以太网口分别设置了不同的通信用途，若前端测量装置需要将自身传输的IEEE C37.118规约、录波文件等分别组网传输，则可有两种不同的方式，一种是物理方式，即组建的两个独立的通信网络，数据存储和分析主机的2个千兆网口分别接入两个不同的网络；另外一个是逻辑划分的方式，即将同一网络上的IEEE C37.118通信和录波文件通信进行VLAN划分，但让数据存储和分析主机的千兆网络可以接收两个VLAN的报文，如此即可实现所有测量数据及文件的接收，同时也可有效避免不同通信报文之间的相互干扰。4个百兆以太网一个用来向SCADA监控系统传输计算诊断后的分析数据，实现与SCADA监控系统的信息交互；另外一个口用来检测调试或者远程连接用；剩余的两个网口用来向调度主站上送测量数据和分析结果数据，双网口可以互为备用。
2)如果前端测量装置自身传输的IEEE C37.118规约和录波文件都通过同一网口传输，则可直接构建一个网络即可，若装置数据较多，交换机端口数量不够时可将多个交换机进行级联即可。总体上来看，可以将前端测量装置所有通信端口连接到交换机上，后台主机也连接上交换机，如此可以实现所有前端测量装置数据的采集和接收。此时，基于IEEEC37.118的PMU通信规约以及录波文件传输等都运行于同一网络上，一般情况下，而各类录波文件由于传输的实时性要求较低，因此对于各类组网方式都能满足其应用要求，故此时只需考虑IEEE C37.118通信的带宽即可，由于此种规约通常情况最高的传输频率为100次/秒，且传输的为装置计算分析后的电压电流幅值、频率和频率变化率等数据，因此所占用的带宽较小，100M的带宽足以满足实际的应用需求。因此无论是组建多个网络还是组建一个网络，数据存储和分析主机皆能适应其需求，从总体上看，组建一个网络的方式更加简洁、高效，不仅能够充分发挥网络通信带宽的优势，同时也能够应对前端测量装置分端口传输或者共网口传输IEEE C37.118和录波文件的各种应用场景。而基于IEC61850标准的MMS通信测量的是稳态电压、电流，而且由前端测量装置直接传输给变电站SCADA监控系统，其数据传输有另外独立的网络，无需进入数据存储和分析主机网络，但数据存储和分析主机仍然预留了相关接口，便于其今后数据接入的需求。
实施例二、
本发明还提供一种应用宽带多频电气量统一测量分析系统的实现方法，包括：
所述电气量测量装置高频采集电网数据；
所述数据存储和分析主机接收电气量测量装置传输的电网数据并进行存储，同时对所接收的电网数据进行分析、展示和数据转发，并对数据分析结果进行传输。
进一步地：所述电网数据进行存储，包括：当有一个电气量测量装置时，所述数据存储和分析主机按照不同装置、不同端口和不同类型进行存储；当有两个及以上的电气量测量装置时，通过组网模块对变电站多个电气量测量装置进行数据存储和信息交互；
优选的，对所接收的电网数据进行分析、展示和数据转发，包括：所述数据存储和分析主机对电网数据进行分类滤波并计算，按照时域、频域及时域频域混合的方式对电网数据进行分析及展示；
优选的，对数据分析结果进行传输，包括：将电网数据的分析结果传输给变电站的SCADA监控系统以及调度主站。
进一步地：所述电气量测量装置高频采集电网数据，包括：
采集模拟量或数字量信号；
对模拟量或数字量信号进行分类处理和实时计算；
电气量测量装置的录波模块对模拟量或数字量信号发现异常时启动录波；
电气量测量装置的Nand-flash存储器对录波文件进行存储；
优选的，对模拟量或数字量进行分类处理和实时计算，包括：
当发现电网出现低频振荡、次同步振荡、超同步振荡时就启动动态数据录波功能，记录电网的电压、电流及开关量信号，并以COMTRADE格式存储，直到异常信号消失；
当发现电网出现电能质量的指标越限、电压暂升、电压暂降、电压短时中断以及其它瞬变事件时则启动录波功能，并选择PQDIF格式或COMTRADE格式存储电压、电流信号，直到相关事件消失。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种宽带多频电气量统一测量分析系统，其特征在于，包括至少一个的电气量测量装置以及数据存储和分析主机，所述电气量测量装置用于高频采集电网稳态、动态、暂态中的低频、工频和高频信号，所述数据存储和分析主机接收电气量测量装置传输的电网数据进行存储，同时对所接收的电网数据进行分析、展示和数据转发，并对数据分析结果进行传输；所述数据存储和分析主机包括组网模块，用于对变电站多个电气量测量装置进行数据存储和信息交互；所述电气量测量装置设置于变电站间隔层，所述数据存储和分析主机设置于变电站站控层；
所述电气量测量装置用于对高频采集到的电网数据进行分类处理和实时计算，包括：
第一计算模块，对采集电网稳态、动态、暂态中的低频、工频和高频信号的振荡信号、工频信号、间谐波和谐波信号进行计算分析，当发现电网出现低频振荡、次同步振荡、超同步振荡时启动动态数据录波功能，记录电网的电压、电流及开关量信号，并以COMTRADE格式存储，直到异常信号消失；
第二计算模块，用于当发现电网出现电能质量的指标越限、电压暂升、电压暂降、电压短时中断以及其它瞬变事件时则启动录波功能，并选择PQDIF格式或COMTRADE格式存储电压、电流信号，直到相关事件消失；
所述电气量测量装置还包括模拟量信号采集的A/D转换芯片和用于数字量信号采集的数据接收端口；所述模拟量或数字量信号频谱覆盖范围包括：0.1Hz-2.5Hz范围内的低频振荡信号、2.5Hz-45Hz次同步振荡信号及间谐波信号、45Hz-55Hz的工频信号、55Hz-100Hz范围内的超同步振荡信号及间谐波信号、以及100Hz-9kHz范围内的谐波、间谐波宽频带信号；
所述电气量测量装置还包括对时模块，用于在进行所述模拟量数据采样时通过IRIG-B或IEEE1588方式接收外部同步对时信号；
所述数据接收端口的数量有2类，其中一类端口用于接收外部SV采样报文，实现电网电压、电流数据的接收；另一类数据接收端口用于接收GOOSE报文，包括电网状态信息、直流电压数据的接收。
2.如权利要求1所述的统一测量分析系统，其特征在于，所述电气量测量装置还包括Nand-flash存储器；所述Nand-flash存储器用于对电网低频振荡、次同步振荡、超同步振荡或者其它扰动、异常信号的录波文件、相关配置文件以及电网电能质量的录波文件进行存储。
3.如权利要求2所述的统一测量分析系统，其特征在于，所述电气量测量装置还包括数据传输端口；
所述数据传输端口包括MMS通信端口、PMU通信端口和专用的通信端口；
所述MMS通信端口用于按照基于IEC61850标准向站控层SCADA监控系统传输实时测量的电压和电流信号；
所述PMU通信端口用于向数据存储和分析主机按照IEEE C37.118标准进行PMU数据传输，包括向数据存储和分析主机传输三相基波电压相量、三相基波电流相量、基波电压正序相量、基波电流正序相量、频率、频率变化率；
所述专用的通信端口用于向数据存储和分析主机传输计算数据和录波文件，包括用于向数据存储和分析主机采用自动触发传输和等待召唤传输方式传输电网异常或者扰动计算数据以及电网暂态录波文件、电能质量异常录波文件。
4.如权利要求1所述的统一测量分析系统，其特征在于，所述数据存储和分析主机包括以太网通信网口，用于接收基于IEEE C37.118的PMU通信信息、基于IEC61850的通信的MMS信息、基于电气量测量装置传输的电网暂态录波文件、电网电能质量异常录波文件以及其它配置文件，按照接收数据上送的频率进行顺序存储；
所述数据存储和分析主机还包括数据计算分析模块、数字化滤波模块、频率分析模块、展示模块和录波文件分析模块；
所述数据计算分析模块用于将记录存储的数据以较长的时间窗口进行系统性计算和分析；
所述数字化滤波模块用于对记录的存储数据进行针对性频率过滤计算，采用FIR滤波器或IIR滤波器；
所述频率分析模块用于对采样数据的频谱进行时域、频域的分析；
所述展示模块用于对所有频率信号进行系统全面展示；
所述录波文件分析模块用于对电网低频振荡、次同步振荡、超同步振荡扰动或异常情况的录波文件进行分析，获取电网电压和电流的幅值与相角、电网的频率、频率变化率和各类谐波含量；和用于对电网电能质量的录波文件进行分析，获取电压幅值、三相不平衡度、频率偏差和短时闪变，用来监测供电质量；
所述数据存储和分析主机还包括USB接口、对外传输端口和对外调试通信端口；所述USB接口用于连接显示器、鼠标和键盘对所接收的数据、存储的数据以及计算分析的结果数据进行可视化展示；
所述对外传输端口用于将接收的采样数据或者计算分析结果传输给广域测量主站WAMS系统；能够与变电站内SCADA系统进行信息交互；
所述对外调试通信端口用于对主机相关功能的调试和监视。
5.如权利要求1所述的统一测量分析系统，其特征在于，所述组网模块进一步包括：
第一组网子模块，用于对电气量测量装置的IEEE C37.118通信和录波文件分别进入通信端口进行传输，所述第一组网子模块的构建包括通过两个物理独立的网络或接入同一个网络，通过VLAN的方式将其从逻辑上划分成两个独立的网络；
第二组网子模块，用于对IEEE C37.118通信和录波文件共通信端口进行传输，所述第二组网子模块的构建包括通过电气量测量直接接入构建网络，网络中的交换机通过级联的方式扩展网络端口数量。
6.一种应用如权利要求1～5任一项所述的宽带多频电气量统一测量分析系统的实现方法，其特征在于：
所述电气量测量装置高频采集电网数据，包括0.1Hz-2.5Hz范围内的低频振荡信号、2.5Hz-45Hz次同步振荡信号及间谐波信号、45Hz-55Hz的工频信号、55Hz-100Hz范围内的超同步振荡信号及间谐波信号、以及100Hz-9kHz范围内的谐波、间谐波信号；
所述数据存储和分析主机接收电气量测量装置传输的电网数据并进行存储，同时对所接收的电网数据进行分析、展示，并对计算结果进行传输；
所述电气量测量装置高频采集电网数据，包括：
采集模拟量或数字量信号；
对模拟量或数字量信号进行分类处理和实时计算；
电气量测量装置的录波模块对模拟量或数字量信号发现异常时启动录波；
电气量测量装置的Nand-flash存储器对录波文件进行存储；
对模拟量或数字量进行分类处理和实时计算，包括：
当发现电网出现低频振荡、次同步振荡、超同步振荡时就启动动态数据录波功能，记录电网的电压、电流及开关量信号，并以COMTRADE格式存储，直到异常信号消失；
当发现电网出现电能质量的指标越限、电压暂升、电压暂降、电压短时中断以及其它瞬变事件时则启动录波功能，并选择PQDIF格式或COMTRADE格式存储电压、电流信号，直到相关事件消失；
对测量数据和录波文件的分类传输按照IEC61850 MMS规约传输稳态测量数据、IEEEC37.118 PMU规约传输动态测量数据； IEC60870-5-103或者IEC61850标准传输录波文件的方式向所述数据存储和分析主机进行传输；动态测量数据和录波文件分网口传输或共用网口传输。
7.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于：所述电网数据进行存储，包括：当有一个电气量测量装置时，所述数据存储和分析主机按照不同端口和不同类型进行存储；当有两个及以上的电气量测量装置时，通过组网模块对变电站多个电气量测量装置进行数据存储和信息交互；对于录波文件，则按照电网动态扰动和电能质量两类进行分类存储；
对所接收的电网数据进行分析、展示，包括：所述数据存储和分析主机对电网数据按低频振荡信号、次同步振荡信号、超同步振荡信号、间谐波、高次谐波不同的信号频率的类型进行分类滤波；之后针对分类的滤波信号采用不同的算法进行数据的分类计算和分析；最后按照时域、频域及时域频域混合的方式对电网数据的频谱、谐波含量进行展示；
对计算结果进行传输，包括：将电网数据的分析结果通过GOOSE报文方式传输给变电站的SCADA监控系统；通过IEC60870-5-104传输给调度主站。
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Effective date of registration: 20171017 Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: LINFEN POWER SUPPLY COMPANY OF STATE GRID SHANXI ELECTRIC POWER COMPANY Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: China Electric Power Research Institute Applicant before: State Grid Corporation of China |
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| GR01 | Patent grant | ||
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