CN108010301A - 一种数字化变电站电能质量监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字化变电站电能质量监测系统，包括依次连接的电子式互感器、合并单元、电能质量监测装置、电能质量管理平台、及与电子式互感器、合并单元连接的同步功能单元。所述电子式互感器主要完成数据的采集及模数转换功能；所述电子式互感器主要完成数据处理及数据发送；所述电能质量监测装置主要完成基于IEC 61000‑4‑30的电能质量数据处理并将数据按IEC 61850‑7进行建模；所述同步功能单元主要完成数据采样率的设置和同步功能；所述电能质量管理平台主要完成电能信息发布。该系统能够覆盖数字化变电站的各层装置并且提供一种能够满足数字化变电站高采样率和可设置同源采样率的解决方案。

Description

一种数字化变电站电能质量监测系统及方法

技术领域

本发明涉及智能电网中数字化变电站内电能质量监测技术领域，具体是一种数字化变电站电能质量监测系统及方法。

背景技术

随着智能电网的快速发展，电子式装置的应用日益成熟和普及，导致现有变电站内装置数字化程度不一致，使电网公司的发展受到一定的限制。

随着电网公司对电能质量的重视程度的提高，数字化变电站作为智能电网未来发展趋势，必须纳入到电能质量技术监督的范畴。而目前数字化变电站内主流的电能质量监测装置采样率已提高为512点/周波，导致互感器及合并单元的信号采样率变低，存在各个层次装置之间采样率不一致的问题。为解决此问题，许多院校及研究单位通过改变采样算法来达到装置采样率的一致问题，但由此也带来了计算量的增大和算法的带来的数据不一致性。

因此现有技术缺乏一个覆盖数字化变电站各层的数字化变电站电能质量监测的高采样率的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种数字化变电站电能质量监测系统及方法，彻底解决数字化变电站由于采样率问题而导致的电能质量监测难题，并实现各种电能质量稳态指标与暂态指标的监测与分析，并满足高次谐波的监测分析要求，监测与分析数据通过基于WEB的方式进行发布。

本发明所采用的技术方案是：

一种数字化变电站电能质量监测系统，包括依次连接的电子式互感器、合并单元、电能质量监测装置、电能质量管理平台、及与电子式互感器、合并单元连接的同步功能单元，

所述电子式互感器运行于数字化变电站过程层，用于将电力系统一次侧的高电压、大电流信号转换成二次侧低电压和小电流模拟信号，所述电子式互感器包括低功率采样线圈和采样信号发送模块，采样信号发送模块的采样频率适应同步功能单元所设置的频率，即按照同步功能单元设置的频率接入合并单元；

所述合并单元，用于按照同步功能单元给定的同步转换信号将电子式互感器采集的二次侧低电压和小电流模拟信号转换为数字信号，然后经过同步、解码、组帧处理后封装成IEC 61850-9-2标准以太网格式发送给电能质量监测装置；

所述电能质量监测装置安装于间隔层，用于以IEC 61850-9-2标准接收来自一个或多个合并单元的高采样率信号并完成基于IEC 61000-4-30进行电能质量数据处理，计算得到各种电能质量指标的实时值和统计值，并将各种电能质量数据按IEC 61850-7进行建模；

所述电能质量管理平台安装于变电站层，用于以IEC 61850-8标准接收来自一个或多个电子式电能质量监测装置的电能质量实时数据和统计数据，进行数据分析统计、数据存储和电能质量信息发布。

进一步的，所述合并单元包括多路数据采集器、数据处理模块、串口发送模块、同步模块，

多路数据采集器与电子式互感器进行接口，用于按照同步功能单元给定的同步转换信号接收通道的输出数据并校验数据的有效性，将电子式互感器采集的二次侧低电压和小电流信号转换为高采样率的原始采样值数字信号；

所述数据处理模块用于以IEC 60044格式接收来自多路数据采集器采集的多个电子式互感器的高采样率的原始采样值数字信号，完成数据的同步、解码、组帧等处理，将原始采样值数字信号封装成IEC 61850-9-2标准以太网格式；

所述串口发送模块用于将数据处理模块处理得到IEC 61850-9-2标准以太网格式的原始采样值数字信号，按照标准完成以太网接口转换，发送给后端的电能质量监测装置；

所述同步模块用于接收同步功能单元给定的同步转换信号，将同步转换信号发送给多路数据采集器、数据处理模块、串口发送模块。

进一步的，所述同步功能单元包括总线模块、FPGA配置模块、扇出模块、时钟合成模块，所述FPGA配置模块用于通过总线模块接收上位机的配置指令，按照配置指令配置FPGA程序，所述时钟合成模块用于按照FPGA配置模块配置的FPGA程序，通过时钟合成芯片的功能引脚配置实现所配置时钟；所述扇出模块用于通过扇出芯片实现信号由一路到多路的输出；所述FPGA配置模块还同时接收采样反馈信号，解读出采样反馈信号传输回的信号值，并与上位机设置信号和输出采样同步信号进行对比，反馈给上位机进行显示以实现频率跟踪的功能。

进一步的，所述电子式互感器包括电子式电压互感器和电流互感器。

一种数字化变电站电能质量监测方法，其特征在于采用上述监测系统进行，包括如下步骤：

1)在数字化变电站内过程层，利用电子式互感器将电力系统一次侧的高电压、大电流信号转换成二次侧低电压和小电流模拟信号，按照同步功能单元设置的频率接入合并单元；

2)在数字化变电站内过程层，利用合并单元按照同步功能单元3给定的同步转换信号将电子式互感器采集的二次侧低电压和小电流模拟信号转换为数字信号，然后经过同步、解码、组帧处理后封装成IEC 61850-9-2标准以太网格式发送给电能质量监测装置，期间维持同步功能单元设置的采样率不变；

3)在数字化变电站内间隔层，利用电能质量监测装置以IEC 61850-9-2标准接收来自一个或多个合并单元的高采样率信号，基于IEC 61000-4-30进行电能质量数据处理，计算得到各种电能质量指标的实时值和统计值，并将各种电能质量数据按IEC 61850-7进行建模；

4)在数字化变电站内变电站层，利用电能质量管理平台以IEC 61850-8标准接收来自一个或多个电子式电能质量监测装置的电能质量实时数据和统计数据，进行数据分析统计、数据存储和电能质量信息发布。

进一步的，所述同步功能单元的FPGA配置模块通过总线模块接收上位机的配置指令，按照配置指令配置FPGA程序，所述时钟合成模块按照FPGA配置模块配置的FPGA程序，通过时钟合成芯片的功能引脚配置实现所配置时钟，所述扇出模块通过扇出芯片实现信号由一路到多路的输出，所述FPGA配置模块还同时接收采样反馈信号，解读出采样反馈信号传输回的信号值，并与上位机设置信号和输出采样同步信号进行对比，反馈给上位机进行显示以实现频率跟踪的功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明从完善电能质量管理角度出发，提出了一套完整的、覆盖间隔层、过程层和变电站层的数字化变电站电能质量监测的方法与系统，从过程层电子式互感器源头出发改变系统采样率，并统一系统采样率，从而解决了为满足电能质量装置采样率要求而导致计算量的增大和算法的带来的数据不一致性问题，可满足数字化变电站电能质量监测的各种要求，从而将数字化变电站纳入电能质量管理范畴。

附图说明

图1是本发明数字化变电站电能质量监测系统的结构示意图；

图2是本发明中同步功能单元的结构示意图；

图3是本发明数字化变电站电能质量监测方法的流程示意图。

图中：1—电子式互感器，2—合并单元，3—同步功能单元，4—电能质量监测装置，5—电能质量管理平台，21—多路数据采集器，22—数据处理模块，23—串口发送模块，24—同步模块，31—总线模块，32—FPGA配置模块，33—扇出模块，34—时钟合成模块。

具体实施方式

本发明实例提供了一种采样率一致化和适用于简便算法的数字化变电站电能质量监测系统及方法，下面通过具体实施方式结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，显然，所述的实施例仅是本发明一部分，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种数字化变电站电能质量监测系统，包括依次连接的电子式互感器1、合并单元2、电能质量监测装置4、电能质量管理平台5、及与电子式互感器1、合并单元2连接的同步功能单元3，各设备之间采用以太网连接方式，完成数据在各设备层之间的数据传输。所述的电子式互感器1、合并单元2、电能质量监测装置4、电能质量管理平台5之间采样时钟频率具有同源性。

所述电子式互感器1主要为电子式电压和电流互感器，运行于数字化变电站过程层，用于将电力系统一次侧的高电压、大电流信号转换成二次侧低电压(通常是100V)和小电流(1A或5A)模拟信号，供二次设备进行测量。如图2所示，电子式互感器主要由低功率采样线圈和采样信号发送模块组成，采样信号发送模块的采样频率适应同步功能单元3所设置的频率，即按照同步功能单元3设置的频率接入合并单元2。由于同步功能单元3的同步时钟信号可自行设置，因此所述电子式互感器1的采样率可提高至512点/周波(满足电网高采样率要求)甚至更高，只要后续数据处理环节能维持该采样率不变，即可完全满足高次谐波分析、电压暂态分析等电能质量分析要求，以及利用FFT算法进行数据处理的要求。

所述合并单元2主要完成数据处理及数据发送，其信号输入端与所述电子式互感器1信号输出端连接，用于按照同步功能单元3给定的同步转换信号将电子式互感器1采集的二次侧低电压和小电流模拟信号转换为数字信号，然后经过同步、解码、组帧处理后封装成IEC61850-9-2标准以太网格式发送给电能质量监测装置4。合并单元2的采样率由同步功能单元3提供，与电子式电压和电流互感器采样频率一致。

具体的，所述合并单元2包括多路数据采集器21、数据处理模块22、串口发送模块23、同步模块24，其中多路数据采集器21与电子式互感器1进行接口，主要按照同步功能单元3给定的同步转换信号接收通道的输出数据并校验数据的有效性，按照同步功能单元3给定的同步转换信号将电子式互感器1采集的二次侧低电压和小电流信号转换为高采样率的原始采样值数字信号。数据处理模块22以IEC 60044格式接收来自多路数据采集器21采集的多个电子式互感器1的高采样率的原始采样值数字信号，主要完成数据的同步、解码、组帧等处理，将原始采样值数字信号封装成IEC 61850-9-2标准以太网格式。串口发送模块23主要将数据处理模块22处理得到的IEC61850-9-2标准以太网格式的原始采样值数字信号，按照标准完成以太网接口转换，最终发送给后端的电能质量监测装置4。同步模块24与各模块连接，主要完成外部时钟接收及本地时钟信号反馈的功能，即接收同步功能单元3给定的同步转换信号，将同步转换信号发送给多路数据采集器21、数据处理模块22、串口发送模块23。

其中多路数据采集器21的采样频率由同步功能单元3进行控制，采样频率可以设置为512点/周波或者更高，以满足电能质量监测设备数据采集要求。

电能质量监测装置4主要安装于间隔层，以IEC 61850-9-2标准接收来自一个或多个合并单元2的高采样率信号并完成基于IEC61000-4-30进行电能质量数据处理，计算得到各种电能质量指标的实时值和统计值，并将各种电能质量数据按IEC 61850-7进行建模。

电能质量管理平台5主要安装于变电站层，由计算机及以太网组成，以IEC 61850-8标准接收来自一个或多个电子式电能质量监测装置4的电能质量实时数据和统计数据，进行数据分析统计、数据存储和电能质量信息发布。其中数据存储可采用Oracle、SQL Server等数据库系统，信息发布采用基于WEB的发布方式。

请参阅图2，所述同步功能单元3是本发明的核心部分，用以完成系统同步时钟输出功能，包括总线模块31、FPGA配置模块32、扇出模块33、时钟合成模块34。所述FPGA配置模块32主要是通过总线模块31接收上位机6的配置指令，按照配置指令配置FPGA程序，来满足时钟可配的功能。所述时钟合成模块34的功能主要是按照FPGA配置模块32配置的FPGA程序，通过时钟合成芯片的功能引脚配置实现所配置时钟。所述扇出模块33主要是通过扇出芯片实现信号由一路到多路的输出。总线模块31主要实现电路的读写功能。因其作为外部时钟，属于高速时钟电路范畴，所以具有高频率时钟输出要求，应在设计时应严格控制抖动、占空比和抗干扰能力等指标。

所述FPGA配置模块32同时接收采样反馈信号，解读出采样反馈信号传输回的信号值，并与上位机6设置信号和输出采样同步信号进行对比，反馈给上位机6进行显示以实现频率跟踪的功能。因同步功能单元3具备频率跟踪功能，满足电能质量监测功能要求，并实现数字化变电站内多检测同时检测的功能，具有一定的应用价值。

从系统过程层提高采样率并保持系统采样率的一致性虽然解决了系统之间因采样率不一致等带来的算法复杂问题，但随着采样率的提高也会带来高速编码和数据一致性的一些额外问题。电能质量监测系统本身就是大数据系统，其接收合并单元信号时必须考虑对高速数据的处理编解码问题，防止造成数据丢失。故电能质量监测装置的架构可采用多处理器的架构来分解数据流。

请参阅图3，本发明还提供一种数字化变电站电能质量监测方法，其采用所述监测系统进行，包括如下步骤：

1)在数字化变电站内过程层，利用电子式互感器1将电力系统一次侧的高电压、大电流信号转换成二次侧低电压和小电流模拟信号，按照同步功能单元3设置的频率接入合并单元；因为同步功能单元3的数据采样率可以任意设置，并能够达到512点/周波，只要后续数据处理环节能维持该采样率不变，即可完全满足高次谐波分析、电压暂态分析等电能质量分析要求，以及利用FFT算法进行数据处理的要求。

2)在数字化变电站内过程层，利用合并单元2按照同步功能单元3给定的同步转换信号将电子式互感器采集的二次侧低电压和小电流模拟信号转换为数字信号，然后经过同步、解码、组帧处理后封装成IEC 61850-9-2标准以太网格式发送给电能质量监测装置4，期间维持同步功能单元3设置的采样率不变；

3)在数字化变电站内间隔层，利用电能质量监测装置4以IEC 61850-9-2标准接收来自一个或多个合并单元2的高采样率信号，基于IEC 61000-4-30进行电能质量数据处理，计算得到各种电能质量指标的实时值和统计值，并将各种电能质量数据按IEC 61850-7进行建模；电能质量监测装置4运行于数字化变电站间隔层，以IEC 61850-9-2与合并单元2通信，以IEC 61850-8与数字化变电站电能质量管理平台5通信。

4)在数字化变电站内变电站层，利用电能质量管理平台5以IEC 61850-8标准接收来自一个或多个电子式电能质量监测装置4的电能质量实时数据和统计数据，进行数据分析统计、数据存储和电能质量信息发布。其中数据存储可采用Oracle、SQL Server等数据库系统，信息发布采用基于WEB的发布方式

本发明中主要对数字化变电站电能智联监测系统中不同于现有的实施实例之处做了详细说明，对于实施实例而言，由于一些实施方法(电能质量监测系统及电能质量管理平台)与现有实施方法基本类似，所以仅作简要介绍。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种数字化变电站电能质量监测系统，其特征在于：包括依次连接的电子式互感器、合并单元、电能质量监测装置、电能质量管理平台、及与电子式互感器、合并单元连接的同步功能单元，

所述电子式互感器运行于数字化变电站过程层，用于将电力系统一次侧的高电压、大电流信号转换成二次侧低电压和小电流模拟信号，所述电子式互感器包括低功率采样线圈和采样信号发送模块，采样信号发送模块的采样频率适应同步功能单元所设置的频率，即按照同步功能单元设置的频率接入合并单元；

所述合并单元，用于按照同步功能单元给定的同步转换信号将电子式互感器采集的二次侧低电压和小电流模拟信号转换为数字信号，然后经过同步、解码、组帧处理后封装成IEC 61850-9-2标准以太网格式发送给电能质量监测装置；

所述电能质量监测装置安装于间隔层，用于以IEC 61850-9-2标准接收来自一个或多个合并单元的高采样率信号并完成基于IEC61000-4-30进行电能质量数据处理，计算得到各种电能质量指标的实时值和统计值，并将各种电能质量数据按IEC 61850-7进行建模；

所述电能质量管理平台安装于变电站层，用于以IEC 61850-8标准接收来自一个或多个电子式电能质量监测装置的电能质量实时数据和统计数据，进行数据分析统计、数据存储和电能质量信息发布。

2.如权利要求1所述的数字化变电站电能质量监测系统，其特征在于：所述合并单元包括多路数据采集器、数据处理模块、串口发送模块、同步模块，

多路数据采集器与电子式互感器进行接口，用于按照同步功能单元给定的同步转换信号接收通道的输出数据并校验数据的有效性，将电子式互感器采集的二次侧低电压和小电流信号转换为高采样率的原始采样值数字信号；

所述数据处理模块用于以IEC 60044格式接收来自多路数据采集器采集的多个电子式互感器的高采样率的原始采样值数字信号，完成数据的同步、解码、组帧等处理，将原始采样值数字信号封装成IEC61850-9-2标准以太网格式；

所述串口发送模块用于将数据处理模块处理得到IEC 61850-9-2标准以太网格式的原始采样值数字信号，按照标准完成以太网接口转换，发送给后端的电能质量监测装置；

所述同步模块用于接收同步功能单元给定的同步转换信号，将同步转换信号发送给多路数据采集器、数据处理模块、串口发送模块。

3.如权利要求1所述的数字化变电站电能质量监测系统，其特征在于：所述同步功能单元包括总线模块、FPGA配置模块、扇出模块、时钟合成模块，所述FPGA配置模块用于通过总线模块接收上位机的配置指令，按照配置指令配置FPGA程序，所述时钟合成模块用于按照FPGA配置模块配置的FPGA程序，通过时钟合成芯片的功能引脚配置实现所配置时钟；所述扇出模块用于通过扇出芯片实现信号由一路到多路的输出；所述FPGA配置模块还同时接收采样反馈信号，解读出采样反馈信号传输回的信号值，并与上位机设置信号和输出采样同步信号进行对比，反馈给上位机进行显示以实现频率跟踪的功能。

4.如权利要求1所述的数字化变电站电能质量监测系统，其特征在于：所述电子式互感器包括电子式电压互感器和电流互感器。

5.一种数字化变电站电能质量监测方法，其特征在于采用权利1-4中任一项所述监测系统进行，包括如下步骤：

1)在数字化变电站内过程层，利用电子式互感器将电力系统一次侧的高电压、大电流信号转换成二次侧低电压和小电流模拟信号，按照同步功能单元设置的频率接入合并单元；

2)在数字化变电站内过程层，利用合并单元按照同步功能单元3给定的同步转换信号将电子式互感器采集的二次侧低电压和小电流模拟信号转换为数字信号，然后经过同步、解码、组帧处理后封装成IEC 61850-9-2标准以太网格式发送给电能质量监测装置，期间维持同步功能单元设置的采样率不变；

3)在数字化变电站内间隔层，利用电能质量监测装置以IEC61850-9-2标准接收来自一个或多个合并单元的高采样率信号，基于IEC 61000-4-30进行电能质量数据处理，计算得到各种电能质量指标的实时值和统计值，并将各种电能质量数据按IEC 61850-7进行建模；

4)在数字化变电站内变电站层，利用电能质量管理平台以IEC61850-8标准接收来自一个或多个电子式电能质量监测装置的电能质量实时数据和统计数据，进行数据分析统计、数据存储和电能质量信息发布。

6.如权利要5所述的数字化变电站电能质量监测方法，其特征在于：所述同步功能单元的FPGA配置模块通过总线模块接收上位机的配置指令，按照配置指令配置FPGA程序，所述时钟合成模块按照FPGA配置模块配置的FPGA程序，通过时钟合成芯片的功能引脚配置实现所配置时钟，所述扇出模块通过扇出芯片实现信号由一路到多路的输出，所述FPGA配置模块还同时接收采样反馈信号，解读出采样反馈信号传输回的信号值，并与上位机设置信号和输出采样同步信号进行对比，反馈给上位机进行显示以实现频率跟踪的功能。