CN109031036A - 一种基于iec61850标准的同步相量线路保护装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，包括数据采集单元，用于采集电压电流中压模拟量并转换为低压信号，并经A/D转换芯片获得获得数字信号；数据预处理单元，用于将A/D转换后的数字信号进行预处理；中央处理单元，用于对数据预处理单元预处理后的数字信号进行相关运算，并根据数据分析机构将处理指令通过以太网发送给执行单元；时钟同步单元，用于输入同步信号，同步各单元的时钟；存储单元，用于分类储存经中央处理单元进行相关运算后的数据。实现了发电机内势与轴端电压间的功角实时监测可有效避免发电机失速而造成设备损坏；实现了区域保护和系统自愈，可准确有效的隔离故障线路快速恢复系统正常运行。

Description

一种基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置及其测量 方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体指一种基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置及其测量方法。

背景技术

目前电力行业已进入大机组、超高压、跨区联网的时代，安全稳定和经济运行是电力系统工作中的首要任务。实现系统安全稳定运行，就必须确保功角稳定、电压稳定和频率稳定。而要实现三者的稳定，精确的同步向量测量是必不可少的。

多年来，电网互联产生电网稳定运行问题日益突出，广大电力系统科技工作者充分认识到相量测量的重要意义。已有专家相继提出广域测量的概念。构建WAMS系统(WideArea Measurement System)。目前已有将其作为除保护/安控装置外的第三道防线趋势。

在自适应保护系统中,采用同期采样的相量测量技术可以构成端线路(如Τ接线和多Τ接线)的新型纵差保护；在联络线中可以根据相量测量得到的两种等值发电机转子角度之差及其变化率实现真正意义上的失步预测保护,从而正确地决定联络线是否需要解列正，正确的采取稳定措施。当预测到失步可能发生时还可以根据各子系统频率的变化,分别采取增减负荷或发电量等有利于系统稳定的措施。

现有的保护测控装置在三遥功能上实现了一般性质的电参数的检测无论是测量精度、控制区域、保护范围都各有侧重。尤其是在广域测量方面略有缺失。要做到电网的稳定运行必须做到功角稳定、频率稳定、电压稳定。要做到这三项稳定，首先要有可靠的高精度的同步相量测量。

在发电厂，功角的精确同步测量给发电机稳定运行带来可靠保障，但目前为止实现实时同步相量测量与报警保护于一体的设备尚不多见。

再者，保护测控装置，在线路故障时是可实时保护，但在保护的同时大都是大面积断电，对一些同母线无故障的用户也实施了断电保护，这给用户带来了不便。

发明内容

本发明根据现有技术的不足，提出一种基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置及其测量方法，实现了不同支路保护装置的数据共享，智能化的故障区域判定，准确的控制隔离故障线路，迅速实施系统自愈，确保系统安全稳定运行。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，包括

数据采集单元，用于采集电压电流中压模拟量并转换为低压信号，并经A/D转换芯片获得获得数字信号；

数据预处理单元，用于将A/D转换后的数字信号进行预处理；

中央处理单元，用于对数据预处理单元预处理后的数字信号进行相关运算，并根据数据分析机构将处理指令通过以太网发送给执行单元；

时钟同步单元，用于输入同步信号，同步各单元的时钟；

存储单元，用于分类储存经中央处理单元进行相关运算后的数据。

作为优选，所述数据采集单元包括电压传感器、电流传感器、滤波电路和A/D转换芯片，所述电压传感器与电流传感器分别于滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端与A/D转换芯片的输入连接，所述滤波电路为明氏滤波电路，所述A/D转换芯片为8回路A/D转换单元。

作为优选，所述数据预处理单元包括超大规模逻辑电路FPGA和存储芯片，所述超大规模逻辑电路FPGA用于A/D转换后的数字信号进行预处理，对每一组转换结果打上时间戳并分类存储至存储芯片。

作为优选，所述中央处理单元为ADSPBF609，所述中央处理单元与数据预处理单元共享存储单元。

作为优选，所述时间同步单元包括GPS模块、北斗模块、守时电路和站控时钟同步系统B码输入电路，所述GPS模块、北斗模块、守时电路和站控时钟同步系统B码输入电路均与中央处理单元相连接，所述GPS模块和北斗模块构成装置双时钟源，所述站控时钟同步系统B码输入电路作为第二时钟源输出时间信息至中央处理单元，所述守时电路为备用时钟源和脉冲输出源输出同步脉冲至8回路A/D转换单元。

作为优选，中央处理单元外接两片物理PHY芯片DP83640构成以太网接口，从而通过以太网分别与下行通讯数据和上行通讯数据相连接；所述中央处理单元外接有RS-232接口。

本发明还提供了一种基于IEC61850标准的同步相量线路测量方法，步骤包括

S1、采集电压/电流数据，采用正交函数组作为样品函数，

S2、通过中央处理单元对采集的数据进行计算；

S3、对所有数据的测量计算后，系统对每一时刻的数据冠以时标，以IEC61850模式上传到以太网，并分类存储。

作为优选，所述步骤S1中将采集的电压/电流数据采用正交函数组作为样品函数。

作为优选，所述步骤S2中计算：

首先，将这个正交样品函数组与待分析的事变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部的系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率的分量的模值和相位；

然后，通过对于离散信号，首先利用工商计算某一电压的实部和虚部的值，然后计算Unl和θ1；

最后，计算两个电压的功角之差既得所要求的功角；

其中步骤S2中公式为

其中：计算后所得数据包括：

A相电压同步相量Ua/Фua、B相电压同步相量Ub/Фub、C相电压同步相量Uc/Фuc；

正序电压同步相量U1/Фu1、A相电流同步相量Ia/Фia、B相电流同步相量Ib/Фib；

C相电流同步相量Ic/Фic、正序电流同步相量I1/Фi1、母线电压间功角δ、开关量；

机端A相电压同步相量Ua/Фua、机端B相电压同步相量Ub/Фub、机端C相电压同步相量Uc/Фuc；

机端正序电压同步相量U1/Фu1、机端A相电流同步相量Ia/Фia、机端B相电流同步相量Ib/Фib；

机端C相电流同步相量Ic/Фic、机端正序电流同步相量I1/Фi1、内电势同步相量ε/Ф(ε)、发电机功角δ、开关量。

本发明具有以下的特点和有益效果：

采用上述技术方案，为电力系统统一数据格式，共享电网信息提供了一个平台；实现了发电机内势与轴端电压间的功角实时监测可有效避免发电机失速而造成设备损坏；实现了包括功角越限、频率越限、电压越限预警功能，预测电网运行趋势，确保电网稳定运行；装置实现了对采集数据的傅氏算法，可按时标段存储所有采集数据；实现了区域保护和系统自愈，可准确有效的隔离故障线路快速恢复系统正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的具体实施原理图；

图3为本发明实现区域自愈的原理图。

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说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，如图1和图2所示，包括

数据采集单元，用于采集电压电流中压模拟量并转换为低压信号，并经A/D转换芯片获得获得数字信号；

数据预处理单元，用于将A/D转换后的数字信号进行预处理；数据预处理单元有超大规模逻辑电路FPGA和存储芯片构成。

中央处理单元，用于对数据预处理单元预处理后的数字信号进行相关运算，并根据数据分析机构将处理指令通过以太网发送给执行单元；其中中央处理单元有双核DSP芯片构成。中央处理单元和数据预处理单元共享存储单元中央处理单元对与处理数据进行相关运算。然后分类存储。并根据数据分析结果将处理指令通过以太网发给执行单元。

时钟同步单元，用于输入同步信号，同步各单元的时钟；

存储单元，用于分类储存经中央处理单元进行相关运算后的数据，存储单元有NORFlash芯片、DDR2芯片、8G iNAND(eMMC4.41I/F)存储盘构成。

上述技术方案中，精确的同步相量测量，在发电厂可以根据相量测量得到的两种等值发电机转子角度之差及其变化率实现真正意义上的失步预测保护,从而有效避免发电设备的故障；在联络线路中通过精确的同步相量测量，获得任意两相间电压的相角(既功角)从而正确地决定联络线是否需要解列正，正确的采取稳定措施。当预测到失步可能发生时还可以根据各子系统频率的变化,分别采取增减负荷或发电量等措施，达到系统稳定运行的目的。

由于装置是基于IEC61850标准设计，因而使得装置除了读取本装置测量回路的遥测数据外，还可读取其它回路的遥测数据和相关事件记录。从而判定本区域内是否发生故障，当区域内出现故障时，可即时判定故障点，隔离故障线路。从而达到区域保护和系统快速自愈之目的。从而避免了那种一处故障，大面积停电的现象。

通过存储单元，装置具备大容量数据存储功能，可实时记录：频率越限；频率变化率越限；幅值越上限，包括正序电压、正序电流、负序电压、负序电流、零序电压、零序电流、相电压、相电流越上限等；幅值越下限，包括正序电压、相电压越下限等；线性组合，包括线路功率振荡等；相角差，即发电机功角越限。当装置监测到继电保护或/和安全自动装置跳闸输出信号(空接点)或接到手动记录命令时建立事件记录，以方便用户获取对应时段的动态数据。当同步时钟信号丢失、异常以及同步时钟信号恢复正常时，装置都会建立事件记录。

装置同时具备故障录波功能，可实现故障前20个周波和故障后20个周波的数据。根据需要也可实现线路稳态录波和暂态录波。

进一步的，数据采集单元包括电压传感器、电流传感器、滤波电路和A/D转换芯片，电压传感器与电流传感器分别于滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与A/D转换芯片的输入连接，滤波电路为明氏滤波电路，A/D转换芯片为8回路A/D转换单元。

具体的，数据采集单元有电压电流传感器、滤波电路、A/D转换芯片构成。数据采集单元电压电流传感器中压模拟量转换为低压信号，经明氏滤波电路滤波送A/D装换芯片获得数字信号。

进一步的，数据预处理单元包括超大规模逻辑电路FPGA和存储芯片，超大规模逻辑电路FPGA用于A/D转换后的数字信号进行预处理，对每一组转换结果打上时间戳并分类存储至存储芯片。

进一步的，中央处理单元为ADSPBF609，中央处理单元与数据预处理单元共享存储单元。

本发明的进一步设置，时间同步单元包括GPS模块、北斗模块、守时电路和站控时钟同步系统B码输入电路，GPS模块、北斗模块、守时电路和站控时钟同步系统B码输入电路均与中央处理单元相连接，GPS模块和北斗模块构成装置双时钟源，站控时钟同步系统B码输入电路作为第二时钟源输出时间信息至中央处理单元，守时电路为备用时钟源和脉冲输出源输出同步脉冲至8回路A/D转换单元。

其中，GPS模块、北斗模块、守时电路和站控时钟同步系统B码输入电路构成装置的时钟同步单元。GPS模块和北斗模块构成装置双时钟源，站控时钟同步系统构成装置第二时钟源。以备当第一时钟源失步或出错时，装置依然有标准时钟源。守时电路是装置的备用时钟源和脉冲输出源。

可以理解的，GPS模块和北斗模块构成装置双时钟源，北斗模块为主时钟源。守时电路是在时钟源消失或无效情况下替补时钟源。时钟电路向系统提供精密的时间信息，同时也向数据采集系统提供同步采集脉冲。

上述技术方案中，由于采用了双时钟源(GPS模块和北斗模块)和精密的守时电路构成的时钟同步系统，使得装置针对电网运行三大稳定因素实施的预测预警，实现了同步相量测量，同时具有对功角、频率、电压的实时监测功能。并且具有统计和运行状态分析及预警功能。

中央处理单元外接两片物理PHY芯片DP83640构成以太网接口，从而通过以太网分别与下行通讯数据和上行通讯数据相连接；中央处理单元外接有RS-232接口。

上述技术方案中，装置具有多种通讯接口可实现基于IEC61850标准的以太网通讯、RS232接口等。

本发明的实现原理：GPS模块或北斗模块的时钟输入信号(同步信号1)用来同步各单元的时钟，同时系统通过串口接收来自站控的时钟同步系统的B码数据。站控时钟同步系统构成装置的第二时钟源。以避免因第一时钟源发生失步或传送中断时导致各合并单元的时钟系统出现误差。在丢失同步时钟信号60min以内，相位测量误差的改变应不大于1°(即时间改变量应不大于55us)。

当系统守时电路的输出脉冲前沿到来时，触发A/D转换芯片开始一轮的模数转换。经滤波处理后的交流信号(共计10个回路，每个回路采集7个模拟量：Ia、Ib、Ic、I0、Ua、Ub、Uc)经由A/D7606转换，获得的数字信号送超大规模FPGA进行预处理。高性能的双核DSP按照递归离散傅立叶变换原理计算出相量。并采用对称分量法计算出正序相量。同时计算各种电参数。

另外，双核DSP芯片ADSP BF609具有两个独立的MAC，外接两片物理PHY芯片DP83640构成以太网接口。两个网口分别负责上行通讯和下行通讯。

可以理解的，上述技术方案还能实现区域保护和自愈功能，其原理：

首先在线路保护的站控层的监控主站系统中实现与IEC61850相关的功能，可实时发布相关指令、远程参数设置、获取远程同步相量测量数据等等；在间隔层IED上实现保护、控制，特别是在间隔层IED的通信模块中实现TCP/IP、面向通用对象的变电站事件的GOOSE报文技术、制造报文规范(MMS)等技术。IED软件设计也是按功能划分进行模块化设计，按照功能的划分主要为：数据采集类、数据处理类、故障监测和判断类、各种继电保护类、事件捕获类、人机接口类及通信模块。IEC61850标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型。每个服务器(Server)包含一个或多个逻辑设备LD(LogicDevice)，每个LD又包含一个或多个逻辑节点LN(Logic Node)，LN包含数据对象(Data Object)，数据对象则是数据对象属性(Data Attributes)的集合。ID软件设计除了要实现保护和控制等功能外，还需要考虑和遵循IEC61850所定义的数据模型、设备模型及描述数据象的方法及面向对象的服务，以实现互操作性与可扩展性。按IEC61850-7-4定义的逻辑节点模型，采用面向对象分层描述方法描述过电压保护逻辑节点(PTOV)。

系统将一个变电站分成若干功能区域，每个区域配置若干个区域集成式具有同步向量测量功能的保护测控装置，由该装置实现区域中1～10个间隔的保护测控功能。

装置从GOOSE发布的即时数据获取相邻间隔同步相量测量数据与保护装置的实时三遥数据，并对数据进行分析作出相应判定，同时也对本保护区域线路结构及故障位置进行分析判断，从而决定本支路是否需要隔离保护。

具体的，如图3所示，当图中F点出现故障时，首先是根据GOOSE发布的监测数据相关装置自动处置本区域故障，断开QF12和QF21。临近的装置都可读到QF12和QF21相关状态标志和动作记录，经过判断做出隔离故障点的处置。

可以理解的，上述技术方案还能实现区域电网稳定运行预警，其原理：

装置根据同步相量测量数据判定电网运行状况，当电压、功角、频率越限时，装置可及时发出预警信息，提请系统调度或根据预设定值减少负荷；或增大发电功率。

本发明还提供了一种基于IEC61850标准的同步相量线路测量方法，

实施例1：装置可同时具有线路测量和发电厂测量。在线路测量中，测量变电站每条线路三相电压、三相电流、开关量。

步骤包括

S1、采集电压/电流数据，采用正交函数组作为样品函数，

S2、通过中央处理单元对采集的数据进行计算；

S3、对所有数据的测量计算后，系统对每一时刻的数据冠以时标，以IEC61850模式上传到以太网，并分类存储。

步骤S1中将采集的电压/电流数据采用正交函数组作为样品函数。

步骤S2中计算：

首先，将这个正交样品函数组与待分析的事变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部的系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率的分量的模值和相位；

然后，通过对于离散信号，首先利用工商计算某一电压的实部和虚部的值，然后计算Unl和θ1；

最后，计算两个电压的功角之差既得所要求的功角；

其中步骤S2中公式为

其中：计算后所得数据包括：

A相电压同步相量Ua/Фua、B相电压同步相量Ub/Фub、C相电压同步相量Uc/Фuc；

正序电压同步相量U1/Фu1、A相电流同步相量Ia/Фia、B相电流同步相量Ib/Фib；

C相电流同步相量Ic/Фic、正序电流同步相量I1/Фi1、母线电压间功角δ、开关量。

实施例2：在发电厂，测量发电机机端三相电压、三相电流、开关量、转轴鉴相信号，

步骤包括

S1、采集电压/电流数据，采用正交函数组作为样品函数，

S2、通过中央处理单元对采集的数据进行计算；

S3、对所有数据的测量计算后，系统对每一时刻的数据冠以时标，以IEC61850模式上传到以太网，并分类存储。

步骤S1中将采集的电压/电流数据采用正交函数组作为样品函数。

步骤S2中计算：

首先，将这个正交样品函数组与待分析的事变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部的系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率的分量的模值和相位；

然后，通过对于离散信号，首先利用工商计算某一电压的实部和虚部的值，然后计算Unl和θ1；

最后，计算两个电压的功角之差既得所要求的功角；

其中步骤S2中公式为

其中：计算后所得数据包括：

机端A相电压同步相量Ua/Фua、机端B相电压同步相量Ub/Фub、机端C相电压同步相量Uc/Фuc；

机端正序电压同步相量U1/Фu1、机端A相电流同步相量Ia/Фia、机端B相电流同步相量Ib/Фib；

机端C相电流同步相量Ic/Фic、机端正序电流同步相量I1/Фi1、内电势同步相量ε/Ф(ε)、发电机功角δ、开关量。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，其特征在于，包括

数据采集单元，用于采集电压电流中压模拟量并转换为低压信号，并经A/D转换芯片获得获得数字信号；

数据预处理单元，用于将A/D转换后的数字信号进行预处理；

中央处理单元，用于对数据预处理单元预处理后的数字信号进行相关运算，并根据数据分析机构将处理指令通过以太网发送给执行单元；

时钟同步单元，用于输入同步信号，同步各单元的时钟；

存储单元，用于分类储存经中央处理单元进行相关运算后的数据。

2.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，其特征在于，所述数据采集单元包括电压传感器、电流传感器、滤波电路和A/D转换芯片，所述电压传感器与电流传感器分别于滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端与A/D转换芯片的输入连接，所述滤波电路为明氏滤波电路，所述A/D转换芯片为8回路A/D转换单元。

3.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，其特征在于，所述数据预处理单元包括超大规模逻辑电路FPGA和存储芯片，所述超大规模逻辑电路FPGA用于A/D转换后的数字信号进行预处理，对每一组转换结果打上时间戳并分类存储至存储芯片。

4.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，其特征在于，所述中央处理单元为ADSPBF609，所述中央处理单元与数据预处理单元共享存储单元。

5.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，其特征在于，所述时间同步单元包括GPS模块、北斗模块、守时电路和站控时钟同步系统B码输入电路，所述GPS模块、北斗模块、守时电路和站控时钟同步系统B码输入电路均与中央处理单元相连接，所述GPS模块和北斗模块构成装置双时钟源，所述站控时钟同步系统B码输入电路作为第二时钟源输出时间信息至中央处理单元，所述守时电路为备用时钟源和脉冲输出源输出同步脉冲至8回路A/D转换单元。

6.根据权利要求4所述的基于IEC61850标准的同步相量线路保护装置，其特征在于，中央处理单元外接两片物理PHY芯片DP83640构成以太网接口，从而通过以太网分别与下行通讯数据和上行通讯数据相连接；所述中央处理单元外接有RS-232接口。

7.一种基于IEC61850标准的同步相量线路测量方法，其特征在于，步骤包括

S1、采集电压/电流数据，采用正交函数组作为样品函数，

S2、通过中央处理单元对采集的数据进行计算；

S3、对所有数据的测量计算后，系统对每一时刻的数据冠以时标，以IEC61850模式上传到以太网，并分类存储。

8.根据权利要求7所述的一种基于IEC61850标准的同步相量线路测量方法，其特征在于，所述步骤S1中将采集的电压/电流数据采用正交函数组作为样品函数。

9.根据权利要求7所述的一种基于IEC61850标准的同步相量线路测量方法，其特征在于，所述步骤S2中计算：

首先，将这个正交样品函数组与待分析的事变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部的系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率的分量的模值和相位；

然后，通过对于离散信号，首先利用工商计算某一电压的实部和虚部的值，然后计算Unl和θ1；

最后，计算两个电压的功角之差既得所要求的功角；

其中步骤S2中公式为

其中：计算后所得数据包括：

A相电压同步相量Ua/Фua、B相电压同步相量Ub/Фub、C相电压同步相量Uc/Фuc；

正序电压同步相量U1/Фu1、A相电流同步相量Ia/Фia、B相电流同步相量Ib/Фib；

C相电流同步相量Ic/Фic、正序电流同步相量I1/Фi1、母线电压间功角δ、开关量。

10.根据权利要求7所述的一种基于IEC61850标准的同步相量线路测量方法，其特征在于，所述步骤S2中计算：

首先，将这个正交样品函数组与待分析的事变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率相同分量的实部和虚部的系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率的分量的模值和相位；

然后，通过对于离散信号，首先利用工商计算某一电压的实部和虚部的值，然后计算Unl和θ1；

最后，计算两个电压的功角之差既得所要求的功角；

其中步骤S2中公式为

其中：计算后所得数据包括：

机端A相电压同步相量Ua/Фua、机端B相电压同步相量Ub/Фub、机端C相电压同步相量Uc/Фuc；

机端正序电压同步相量U1/Фu1、机端A相电流同步相量Ia/Фia、机端B相电流同步相量Ib/Фib；

机端C相电流同步相量Ic/Фic、机端正序电流同步相量I1/Фi1、内电势同步相量ε/Ф(ε)、发电机功角δ、开关量。