CN107884612A - 一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，所述装置包括微控制器模块、综合电能监测模块、GPS授时模块、过零检测模块、故障录波模块、人机接口模块及上位机通信模块。综合电能监测模块与电压、电流传感器相连，收集三相电压、电流信号并将其传给微控制器模块，过零检测模块配合GPS授时模块实现对电压向量的精确计算，存储器负责存储故障数据及波形，人机接口模块用于显示实时数据，上位机通信模块实现微控制器与上位机的连接。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置。
背景技术
20世纪60年代 SCADA 被广泛应用到能量管理系统（EMS）中来进行状态估计，但其实时性较差，表征的只是稳态或准稳态过程。全球定位系统（GPS）的普及使得同步相量的实时测量成为可能，广域测量系统（WAMS）就是以相量测量单元（PMU）为基础构建而成的，该技术以其在电力系统监视、保护和控制上的重大影响成为 21 世纪电力系统的先进技术之一。
同步相量的测量需要有高精度的全球同步卫星精确授时。美国GPS导航系统、俄罗斯 GLONASS导航系统以及中国的北斗导航系统在同步卫星授时领域占据主导，其中以GPS最为先进，其终端不需要发送信号，且授时精度最高。相量测量算法中比较经典的有过零检测法、离散傅里叶变换法、最小二乘法、牛顿法、卡尔曼滤波法、瞬时值法、小波变换法等。
国内外部分先进PMU整合了故障录波功能。现代电力系统中常用的故障录波启动判据大致采用如下判据信息：发电机角速度、瞬时有功功率和电压的变化、电流瞬时值、电流斜率等。 目前广泛应用的故障录波装置普遍采用单一判据信息来识别故障，有些注重故障识别的快速性，有些则偏重于故障识别的准确度，往往不能兼顾二者。目前，PMU在输电网和发电厂中得到了广泛的应用，其技术较成熟。然而随着分布式电源大规模接入电网，配电网的双向潮流、多源故障等诸多问题日益凸显，如何提高配电网的观测性成为配电网首先需要解决的问题。
配电网中高渗透率的分布式电源和有源负载会导致传统电网从缓慢变化的辐射网变为更加动态化的多源网络。尽管这在原则上可以改善整个系统的可靠性和电能质量，但是新的控制保护的挑战可能会更加严峻，传统的处理办法并不能完全适应这样的电网。配电网传统控制和管理中只测量电压幅值并上传控制中心进行处理，这不仅可能破坏这些新动态，还有可能潜在地导致电网操作中更加严重的隐患。因此，系统范围的配电网动态分析和控制可能需要新的相量数据，这些数据来自PMU，并合并到配电管理系统（DMS）的功能中去。在未来的配电网的监视、保护和控制中，PMU极有可能扮演不可或缺的角色。配电网PMU在不同系统状态下可以直接测量和提供同步的电压、电流相量的测量结果，这种能力为探知动态配电网状态和健康的信息提供了巨大可能。
输电网PMU成本过高，安装条件苛刻，需要专用通信线路等问题使其难以大范围应用于配电网，同时，普通故障录波启动判据无法兼顾故障识别的速度和准确性。针对以上问题，本文开发出一种集同步相量测量、电气量综合数据采集和故障录波功能于一体的微型同步相量测量单元。
发明内容
为了解决输电网PMU成本过高，安装条件苛刻，需要专用通信线路以及普通故障录波启动判据无法兼顾故障识别的速度和准确性等一系列问题，本发明目的是提供一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，以达到集同步相量测量、电气量综合数据采集和故障录波功能于一体的目的。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，所述装置包括微控制器模块、综合电能监测模块、GPS授时模块、过零检测模块、故障录波模块、人机接口模块及上位机通信模块。综合电能监测模块与电压、电流传感器相连，收集三相电压、电流信号并将其传给微控制器模块，过零检测模块配合GPS授时模块实现对电压向量的精确计算，存储器负责存储故障数据及波形，人机接口模块用于显示实时数据，上位机通信模块实现微控制器与上位机的连接。
所述微控制器模块以AVR单片机中性能优越的ATmega64芯片作为微控制器。
所述综合电能监测模块选用功能强大、成本低廉的电能计量芯片ATT7022B。ATT7022B是高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线系统。
所述GPS授时模块选用NEO-7m模块进行授时。NEO-7m为美国GPS和俄罗斯GLONASS互备系统，自带高增益有源天线，可自带可充电后备电池。
所述过零检测模块采用互感器前取信号、光耦隔离的过零检测电路。该电路配合GPS授时模块和综合电能测量模块，在MCU中进行处理和计算，可得到精确的电压相量。
所述故障录波模块将待测信号直接接入STM32片内ADC进行数模变换，因数据量庞大，还必须片外扩展存储芯片，本装置采用16G工业SD卡，实现故障波形存储。
所述人机接口模块配有12864LCD液晶显示器，可实时显示所测得的所有数据，为现场工作人员提供就地显示，方便调试。
所述上位机通信模块通过HL-340串口转USB数据线方便地实现与笔记本等上位机的连接，故障数据存于SD卡内，便于读取和事故追忆。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明提供了一种低成本的PMU与故障录波装置，与传统高成本的PMU相比，具有价格优势。
（2）本发明集同步相量测量、电气量综合数据采集和故障录波功能于一体，使得配电网PMU在不同系统状态下可以直接测量和提供同步的电压、电流相量的测量结果，这为研究动态配电网状态和健康信息提供了巨大可能。
附图说明
图1是本发明配电网微型相量测量单元与故障录波装置的示意图。
图2是本发明电压相角的计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明提供一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，所述装置包括微控制器模块、综合电能监测模块、GPS授时模块、过零检测模块、故障录波模块、人机接口模块及上位机通信模块。综合电能监测模块与电压、电流传感器相连，收集三相电压、电流信号并将其传给微控制器模块，过零检测模块配合GPS授时模块实现对电压向量的精确计算，存储器负责存储故障数据及波形，人机接口模块用于显示实时数据，上位机通信模块实现微控制器与上位机的连接。
所述微控制器模块采用ATgema64芯片，ATgema64具有如下特点：64K字节的系统内可编程Flash，2K字节带电可编程可擦除程序存储器，4K字节静态随机存储器，53个通用I/O接口，32个通用工作寄存器，定时计数器，4个具有比较模式的PWM定时器，2个通用同步/异步串行接收/发送器，面向字节的两线串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的模数转换器。
所述综合电能监测模块采用ATT7022B芯片，这是一种高精度的三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线系统。能够测量各相以及合相的功率、电流、电压、相角及频率等参数。
所述GPS授时模块选用NEO-7m模块进行授时。NEO-7m为美国GPS和俄罗斯GLONASS互备系统，接口采用TTL电平，兼容3.5V/5V系统，工作温度-40~85℃，适合在户外工作，功耗低，授时精确，可提供秒脉冲精度误差在100ns内，无累积误差，使装置同步授时成为可能。
所述过零检测模块采用互感器前取信号，电路采用光耦隔离，抗干扰性能好，每次过零点会产生下降沿，触发单片机中断。该电路配合GPS授时模块和综合电能测量模块，在MCU中进行处理和计算，可以得到精确的电压相量。
所述故障录波模块将待测信号直接接入STM32片内ADC进行数模变换，遇到电网故障时，测量数据会被识别出来并打上故障时的时间标签存入存储器内进行事故分析，因数据量庞大，必须片外扩展存储芯片，本装置采用16G工业SD卡，实现故障波形存储。
所述人机接口模块配有12864LCD液晶显示器，可以实时显示测得的所有数据，包括相量、综合电能监测的电量以及当前国际标准时间，设计了5个按键分别控制A、B、C相和合相数据显示，人机界面友好，为现场工作人员提供了就地显示，方便调试。
所述上位机通信模块通过HL-340串口转USB数据线方便地实现与笔记本等上位机的连接，测得所有数据均实时通过串口发送到上位机上，通过建的串口调试工具即可实现与上位机通信。故障数据存于SD卡内，便于读取和事故追忆。
如图2，所述PMU的电压相角的计算流程图。传统PMU将电压信号过零时间记录后，与世纪秒（1970年1月1日午夜）进行比对，即全网设置统一基准过零点，计算所得的电压相量均以此为参考。本发明将GPS秒脉冲（1PPS）信号作为虚拟动态过零点，全网同一时间下所对应的参考过零点始终保持动态一致，计算所得相量在精度相同的情况下应与传统的相量测量算法相同。
本发明选用互感器前取信号、光耦隔离的过零检测电路和GPS所提供的秒脉冲相配合，利用单片机内部定时器的精确计时能力实现相角实时测量，信号源经数字抗混叠滤波和全周傅里叶变换程序处理，能够有效滤除噪声和高次谐波。装置利用GPS秒脉冲构建出一个虚拟的标准50Hz工频信号，即以秒脉冲为虚拟过零点。接收到GPS上精确的秒脉冲信号后立即开启单片机定时器，此时过零检测电路正常工作，当秒脉冲信号过后第一个下降沿来临，立即读出此时定时器的值，计算出此时所对应的相角。
由于计算速度限制，首次过零时间计算时下次过零信号就会到来，如果处理完首次过零时间再继续记录，那么就会丢失后面几个周期的过零时间记录。为解决这个问题，本发明在单片机内部开辟出一个包含55个元素的数组，每次过零时间都存放在里面，存放满之后下一个秒脉冲到来之前，这个数组就会通过串口发送到上位机上。由于发送时可能会丢失下一次秒脉冲，所以本发明开辟了2个相同数组，一个存放满之后开始通过串口传输，同时另一个数组开始存放数据，而第一个数组传输完成之后就会清空并发送就绪信号，如此循环。
所述程序主要为计算电压相角，程序开始后，先对定时器初始化，并在单片机内部开辟出两个数组d1、d2，然后判断GPS秒脉冲是否到来，如果没有接受到秒脉冲则继续等待，直到秒脉冲到来为止；检测到秒脉冲后就开始计时，然后判断采集信号是否过零，如果没有过零则一直等到采集信号过零为止；读取采集信号过零时的计时器的数值，并保持定时器继续计时，判断数组d1是否可写入，若可写入，则把计时器数值写入d1；若d1不可写入，则判断d2是否可写入，如果可以就将计时器数值写入d2；若d2也不可写入，则返回重新判断d1是否可写入，并循环上述步骤，直至计时器数值写入为止，最后根据d1或d2的数值计算电压相角，计算公式：ψ=t*360°/20000。
最后应当说明的是：以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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 (8)
1.一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，所述装置包括微控制器模块、综合电能监测模块、GPS授时模块、过零检测模块、故障录波模块、人机接口模块及上位机通信模块；综合电能监测模块与电压、电流传感器相连，收集三相电压、电流信号并将其传给微控制器模块，过零检测模块配合GPS授时模块实现对电压向量的精确计算，存储器负责存储故障数据及波形，人机接口模块用于显示实时数据，上位机通信模块实现微控制器与上位机的连接。
2.根据权利要求1所述的一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，其特征在于：微控制器模块采用AVR单片机中性能优越的ATmega64芯片。
3.根据权利要求1所述的一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，其特征在于：综合电能监测模块选用功能强大、价格低廉的电能计量芯片ATT7022B。
4.根据权利要求1所述的一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，其特征在于：GPS授时模块选用NEO-7m模块进行授时。
5.根据权利要求1所述的一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，其特征在于：过零检测模块采用互感器前取信号、光耦隔离的过零检测电路。
6.根据权利要求1所述的一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，其特征在于：故障录波模块将待测信号直接接入片内ADC进行数模变换，数据存入SD存储器中实现波形存储。
7.根据权利要求1所述的一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，其特征在于：人机接口模块配有12864LCD液晶显示器，可以实时显示数据。
8.根据权利要求1所述的一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，其特征在于：上位机通信模块通过HL-340串口转USB数据线方便实现与笔记本等上位机的连接。
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| CN112362981A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-02-12 | 国网辽宁省电力有限公司大连供电公司 | 夹持式微型故障录波器 |
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2017
- 2017-10-27 CN CN201711020823.0A patent/CN107884612A/zh active Pending
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| CN112362981B (zh) * | 2020-09-25 | 2024-04-12 | 国网辽宁省电力有限公司大连供电公司 | 夹持式微型故障录波器 |
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