CN109342866B - 同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的装置和方法,上述装置包括外壳和安装在外壳内的电路结构,所述外壳上设置有用于显示处理结果的人机接口触控液晶屏;所述电路结构包括DSP数字信号处理器、模数转换芯片、测量采集变换模块和供电模块,所述测量采集变换模块的输出端通过模数转换芯片连接至DSP数字信号处理器的输入端,所述测量采集变换模块与所述DSP数字信号处理器之间还连接有电压比较频率测量模块。本发明克服了电力系统保护装置工况测量分析工作中无法对其全部电气量时行同步测量的问题,可在测量工作开始前将所有电气量采集进入本发明装置并进行数据分析。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统数据采集技术领域,具体涉及同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的装置和方法。
背景技术
电力系统继电保护专业工作中,常常需要测量、分析电气量之间的相量关系,以判断保护装置工作状况及外部回路接线是否正确。受装备技术水平限制,目前国内外专业人员使用的方法是将待测的电气量逐一测量或分批次进行测量参见图1、图2,最后将测量到的数据进行整合进行分析得出结论,这种方法对于相对恒定的负荷来说是可以完成测试任务的。但我们知道电力系统的负荷永远是在变化当中的。由于是逐一或分批测量,从测量第一个电气量开始到最后一个电气量测量完毕往往超过10分钟,当测到最后一个电气量时系统潮流可能以已发生了较大改变,导致无法准确分析设备运行情况,如负荷变化较大影响了测量结果就只能重测,甚至发生为了完成测量任务电网被迫改变运行方式等复杂情况。在极端情况下只能依靠专业人员凭经验得出结论,这就可能给电力系统的安全稳定运行带来人为风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的装置和方法,解决现有对电力系统保护装置电气量的测量均是逐一或分批测量,无法将全部电气量进行同步测量,导致测量及分析困难,无法得出正确结论的问题。
为解决上述的技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的装置,包括外壳和安装在外壳内的电路结构,上述外壳上设置有用于显示处理结果的人机接口触控液晶屏;上述电路结构包括DSP数字信号处理器、模数转换芯片、测量采集变换模块和供电模块,上述测量采集变换模块的输出端通过模数转换芯片连接至DSP数字信号处理器的输入端,上述测量采集变换模块与上述DSP数字信号处理器之间还连接有电压比较频率测量模块,上述人机接口触控液晶屏信号连接DSP数字信号处理器,上述DSP数字信号处理器、模数转换芯片和电压比较频率测量模块均与供电模块连接。
作为优选,上述模数转换芯片还与提供模数变换基准电压的电压基准芯片连接,上述电压基准芯片连接供电模块。
作为优选,上述供电模块包括高精度电源模块、锂离子电池管理专用芯片、大容量锂离子电池和充电适配器,上述高精度电源模块、充电适配器和大容量锂离子电池均连接锂离子电池管理专用芯片,上述DSP数字信号处理器、模数转换芯片、电压比较频率测量模块和电压基准芯片均与上述高精度电源模块相连接。
作为优选,上述人机接口触控液晶屏与上述锂离子电池管理专用芯片连接用于供电。
作为优选,上述模数转换芯片与DSP数字信号处理器之间还连接有片选芯片和复位芯片,上述片选芯片采用大规模逻辑门芯片CPLD XC9536。
作为优选,上述DSP数字信号处理器上还连接有用于仿真的仿真接口、用于调试的调试接口以及USB接口。
一种同步采集保护装置全部相量判断接线正确性的方法,包括以下步骤:
S1:装置上电由主程序入口开始运行并进行初始化;
S2:初始化完成后,顺序进入定时采样中断服务子程序、通讯中断子程序、智能分析判断子程序并循环往复。
作为优选,上述定时采样中断服务子程序中包括以下步骤:
S21:启动同步采集保护装置全部相量判断接线正确性的装置中的电路结构并进行模拟量采样,并将采样的数据有通过模数变换芯片变换为数字量后输入到DSP数字信号处理器;
S22:DSP数字信号处理器采用低通滤波算法、全周傅立叶变换算法、抗干扰滤波算法,计算出实部、虚部、相角、频率并判断各相量的正序、负序、零序分量;
S23:输出采样数据。
作为优选,上述智能分析判断子程序包括以下步骤:
S31:当专业人员选择进行智能分析时,智能分析判断模块执行智能分析,并将结果显示在人机交互液晶显示屏上;
S32:专业人员判断是否需要再次智能分析,若需要继续执行步骤S31,否则将分析结果进行内部存贮并输出测试数据及结果。
作为优选,上述通讯中断服务子程序用于响应测试人员对装置的操作任务、人机对话任务。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明中采用的同步采集保护装置全部相量的电路结构能够克服电力系统保护装置工况测量分析工作中无法对其全部电气量进行同步测量的问题,本发明采用的电路结构,无论系统负荷、潮流方向如何变化、接入何类电源,所有电气量的测试工作可在同步、连续、实时的情况下瞬间完成,给后续的分析工作提供准确的数据,避免了反复测试无法得出结论的情况、降低了需要改变系统运行方式才能完成测试的机率。
附图说明
图1为本发明中现有的单卡单卡钳逐一测量示意图。
图2为本发明中现有的多卡钳分批测量示意图。
图3为本发明中的电路结构的测量结构示意图。
图4为本发明中的电路结构的结构示意图。
图5为本发明中的软件分析主程序流程图。
图6为本发明中的软件分析初始化程序的流程图。
图7为本发明中的定时采样中断服务子程序的流程图。
图8为本发明中的通讯中断服务子程序的流程图。
图9为本发明中的智能分析判断子程序的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
参见图4,针对本发明的装置的一个实施例,一种同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的装置,包括外壳和安装在外壳内的电路结构,上述外壳上设置有用于显示处理结果的人机接口触控液晶屏;上述电路结构包括DSP数字信号处理器、模数转换芯片、测量采集变换模块和供电模块,上述测量采集变换模块的输出端通过模数转换芯片连接至DSP数字信号处理器的输入端,上述测量采集变换模块与上述DSP数字信号处理器之间还连接有电压比较频率测量模块,上述人机接口触控液晶屏信号连接DSP数字信号处理器,上述DSP数字信号处理器、模数转换芯片和电压比较频率测量模块均与供电模块连接。本实施例中,采用TMS320F28335主频150MHz(6.67ns周期时间),哈佛总线架构,32位浮点运算DSP数字信号处理器作为信号处理核心芯片,模数转换芯片采用AD7606芯片,测量采集变换模块为多个开口钳形交流电流传感器,本实施例中如图3所示采用28个开口钳形交流电流传感器,并且电压引线和28 个开口钳形交流电流传感器将保护装置使用的电压量、电流量采集进入装置,并且在装置内再通过电压变换器、采样电阻分别将100V的交流电压量、0-10A 的交流电流量转换为5V以内的交流电压信号,然后将该交流电压信号输送给模数变换芯片AD7606,通过该芯片模数变换为数字量后输入到DSP数字信号处理器中对实现32路交流量的同步测量,同时通过电压比较频率测量模块(采用高速电压比较芯片MAX961ESA)对电网实时频率进行跟踪测量,同步采样测量32 路的电气量,采用全周快速傅里叶算法及抗干扰滤波算法,加入卡尔曼滤波算法对信号的噪声估计,优化信号计算,精确测量电流电压的实部、虚部、幅值、相角、谐波、功率、频率等电网参数,根据要求实时计算变压器、母线等保护装置差流,判断电力系统保护装置接线正确性,为电力系统分析提供保障。
本实施例中要将32路的电气量数据进行转换,每片模数转换芯片AD7606 可以转换8路数据,因此23路电气量数据的转换需要采用4片高精度16位的模数转换芯片AD7606,该芯片的采样率为200k,并且该芯片内集成二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、数字滤波器、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口,并支持真正±10V或±5V的双极性信号输入;本实施例中测量采集变换模块与上述DSP数字信号处理器之间还连接有电压比较频率测量模块,该电压比较频率测量模块采用高速电压比较芯片MAX961ESA,用于对电网实时频率进行跟踪测量。
本实施例中采用同步采集保护装置全部相量的电路结构能够克服电力系统保护装置工况测量分析工作中无法对其全部电气量进行同步测量的问题,本 发明的电路结构,无论系统负荷、潮流方向如何变化、接入何类电源,所有电气量的测试工作可在同步、连续、实时的情况下瞬间完成,给后续的分析工作提供准确的数据,避免了反复测试无法得出结论的情况、降低了需要改变系统运行方式才能完成测试的机率。
进一步地,针对本发明的装置的另一个实施例,上述模数转换芯片还与提供模数变换基准电压的电压基准芯片连接,上述电压基准芯片连接供电模块。使用电压基准芯片能够使其稳定提供模数变换基准电压,该电压基准芯片采用高精度电压基准芯片ADR421,电压基准芯片的输入为5V,输出为2.5V。
进一步地,针对本发明的装置的另一个实施例,上述供电模块包括高精度电源模块、锂离子电池管理专用芯片、大容量锂离子电池和充电适配器,上述高精度电源模块、充电适配器和大容量锂离子电池均连接锂离子电池管理专用芯片,上述DSP数字信号处理器、模数转换芯片、电压比较频率测量模块和电压基准芯片均与上述高精度电源模块相连接。本实施例中,需要为整个装置进行供电,因此需要供电模块的参与;在该供电模块中采用大容量的锂离子电池,通过锂离子电池管理专用芯片对锂离子电池进行管理,并通过高精度电源模块转换电压后为DSP数字信号处理器、模数转换芯片、电压比较频率测量模块和电压基准芯片进行供电。
进一步地,针对本发明的装置的另一个实施例,上述人机接口触控液晶屏与上述锂离子电池管理专用芯片连接用于供电。本实施例中,为了方便对DSP 数字信号处理器的处理结果进行显示,因此在DSP数字信号处理器上连接人机接口触控液晶屏,方便人机交互。
进一步地,针对本发明的装置的另一个实施例,上述模数转换芯片与DSP 数字信号处理器之间还连接有片选芯片和复位芯片,上述片选芯片采用大规模逻辑门芯片CPLDXC9536。本实施例中,大规模逻辑门芯片CPLD XC9536主要完成全系统片选、时序匹配;复位芯片主要用于对装置的初始化和复位。
进一步地,针对本发明的装置的另一个实施例,上述DSP数字信号处理器上还连接有用于仿真的仿真接口、用于调试的调试接口以及USB接口。
针对本发明的方法的一个实施例,一种同步采集保护装置全部相量判断接线正确性的方法,包括以下步骤:
S1:装置上电由主程序入口开始运行并进行初始化;
S2:初始化完成后,顺序进入定时采样中断服务子程序、通讯中断子程序、智能分析判断子程序并循环往复。
参见流程图5、6、7、8、9,装置上电后由主程序入口开始运行,首先初始化、然后进入主程序顺序运行“定时采样中断服务”“通讯中断”“智能分析判断”“电源管理等其它任务”子程序并循环往复。其中“定时采样中断服务”子程序较为特殊,它是中断级别最高的子程序,无论主程序运行到那里,只要定时达到,装置立即按设定程序要求,保存好装置“现场”开始模拟量的采集并将其转换为数字量,然后将数字量发送给各模块供计算、分析使用,完成后再恢复“现场”、返回主程序运行;通讯中断子程序用于响应测试人员对装置的操作任务、人机对话任务,当专业人员需要设置参数或完成特定功能选择时,它会及时响应并将专业人员设置的参数、选择的菜单功能需求,传送给相应的模块执行;智能分析模块主要用于辅助专业人员分析,当专业人员在人机对话触控屏上选择此功能后,装置立即响应并进入此子程序,对采样中断服务程序发送来的实时数据进行采集、计算、并根据预先设定好程序开展智能分析、判断服务,并得出结论供专业人员参考,然后根据专业人员的需求,选择重新测量或返回主程序。
进一步地,针对本发明的方法的另一个实施例,上述定时采样中断服务子程序中包括以下步骤:
S21:启动同步采集保护装置全部相量判断接线正确性的装置中的电路结构并进行模拟量采样,并将采样的数据有通过模数变换芯片变换为数字量后输入到DSP数字信号处理器;
S22:DSP数字信号处理器采用低通滤波算法、全周傅立叶变换算法、抗干扰滤波算法,计算出实部、虚部、相角、频率并判断各相量的正序、负序、零序分量;
S23:输出采样数据。
本实施例中,基于被测元件的一次系统接线方式,变比、电压等级参数,综合折算并计算出差电流,最终通过预先编制的智能分析程序,对电流互感器极性及接线正确性做出判断,并输出结果显示在10.4寸彩色串口屏上。如外部接线正确,则装置则会给出接线正确的判断结果,测量人员可根据需要,保存测量记录。如通过装置分析外部接线存在问题,则装置会提示问题原因,所在地点、以供专业人员参考、分析快速排除故障,并进行下一个测量直到所有问题得到处理。
本实施例中采用模数变换芯片AD7606,低通滤波特性的-3dB频率点为15kHz,同时经过硬件前置RC低通滤波电路,采用电网频率实时跟踪的同步采样方式,通过全周傅里叶变换,其原理是信号采样点与旋转矢量因子乘、积分,将信号正交分解至直流、工频及倍频频率成分的实部、虚部,根据实部虚部折算出相角。结合极大极小值剔除、平均值滤波、卡尔曼信号噪声估计等修正傅里叶结果,采用高精度低温漂金属薄膜采样电阻、抗干扰布线等方式极大提高了计算精度。通过正序负序零序计算公式I1=(1/3)(IA+αIB+α*α IC),I2=(1/3)(IA+α*αIB+α*IC),I0=(1/3)(IA+IB+IC),实时计算各序分量,根据各序分量结合变比、差流等其他参数综合分析,给出分析结果。
进一步地,针对本发明的方法的另一个实施例,上述智能分析判断子程序包括以下步骤:
S31:当专业人员选择进行智能分析时,智能分析判断模块执行智能分析,并将结果显示在人机交互液晶显示屏上;
S32:专业人员判断是否需要再次智能分析,若需要继续执行步骤S31,否则将分析结果进行内部存贮并输出测试数据及结果。
本实施例中,智能分析模块主要用于辅助专业人员分析,当专业人员在人机对话触控屏上选择此功能后,装置立即响应并进入此子程序,对采样中断服务程序发送来的实时数据进行采集、计算、并根据预先设定好程序开展智能分析、判断服务,并得出结论供专业人员参考,然后根据专业人员的需求,选择重新测量或返回主程序。
智能分析方法总体流程,首先根据选择的变压器、母线等设备类型,电压等级、变比、接线方式等进入相应的智能分析模块,再通过采集的各绕组电流的正负序分量、差流、相角、基准电压以及节点电流、功率的平衡关系,分析各侧向量关系,再结合变压器各侧向量,综合分析设备运行结果和可能存在的故障缺陷。
智能分析方法产生于专业人员长期工作中集累的经验,按照专业人的思路结合装置硬件特点完成编制程序,交由仪器完成计算分析并得出结论。
在测量前通过人机对话接口及界面首先告知装置被测设备类型、接线方式、规模,装置则根据预设智能程序对电气量进行测量采集,并等待专业人员的命令以确定是否同步锁定并进行分析,当检测到专业人员的锁定、分析命令时则立即锁存被测电气元件的同步相量并开始分析计算,与专业人员分析方法相同,首先进行幅值比较以判断电流互感器的变比是否选择错误:
如计算值超过10%则告知专业人员处理,如不超过10%则继续测试,判断相序是否正确性,考虑负荷特性按以下公式计算、判断:
将各电气量折算到高压侧并进行计算处理。
首先是相位补偿
然后是变比折算
其中,U1eH为第一侧额定电流、U1eM为第二侧额定电流、I2eH为第一侧额定电流、I2eM为第二侧额定电流;
进一步地,针对本发明的方法的另一个实施例,上述通讯中断服务子程序用于响应测试人员对装置的操作任务、人机对话任务。通讯中断子程序用于响应测试人员对装置的操作任务、人机对话任务,当专业人员需要设置参数或完成特定功能选择时,它会及时响应并将专业人员设置的参数、选择的菜单功能需求,传送给相应的模块执行。
本发明装置通过电压引线、开口钳形交流电流传感器将保护装置使用的电压量、电流量采集进装置,在装置内通过电压变换器、采样电阻分别将100V的交流电压量、0—10A的交流电流量转换为5V以内的交流电压信号,并输送给模数变换芯片AD7606,通过该芯片模数变换为数字量后输入到DSP芯片,首先低通滤波、全周傅立叶变换、抗干扰滤波、计算出实部、虚部、相角、频率、判断各相量的正序、负序、零序分量,基于被测元件的一次系统接线方式,变比、电压等级参数,综合折算并计算出差电流,最终通过预先编制的智能分析程序,对电流互感器极性及接线正确性做出判断,并输出结果显示在10.4寸彩色串口屏上。如外部接线正确,则装置则会给出接线正确的判断结果,测量人员可根据需要,保存测量记录。如通过装置分析外部接线存在问题,则装置会提示问题原因,所在地点、以供专业人员参考、分析快速排除故障,并进行下一个测量直到所有问题得到处理。
使用方法详见附图3,首先打开本机电源,选择相应的测试菜单,然后将外部电压量通过试验引线分别接入装置电压信号端口,此过程应注意电压信号是否正常,最后将开口钳形电流互感器按极性要求分别卡在“待测保护装置”的外部电流回路上,如附图3,当以上准备工作完毕后,无须专业人员逐一抄录数据(此时数据会随负荷改变而变化),可使用装置“一键记录”功能,即可获取装置感受到的同步、实时数据,并自动按预先设定好的程序进行智能分析并得出正确与否结论,专业人员可根据装置提示结论,完成测试工作或排处相应故障后再次测量,直到测试装置给出正确结论后,结束测试工作。测试数据存贮在装置内部存贮器上,可通过装置USB接口取出供专业人员使用。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、“优选实施例”等,指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说,结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时,所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述,但是,应该理解,本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说,在本申请公开、附图和权利要求的范围内,可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外,对于本领域技术人员来说,其他的用途也将是明显的。
Claims (1)
1.一种同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:装置上电由主程序入口开始运行并进行初始化;
S2:初始化完成后,顺序进入定时采样中断服务子程序、通讯中断子程序、智能分析判断子程序并循环往复;
所述定时采样中断服务子程序中包括以下步骤:
S21:启动同步采集保护装置全部相量来判断保护装置接线正确性的装置中的电路结构井进行模拟量采样,井将采样的数据有通过模数转换芯片变换为数字量后输入到DSP数字信号处理器;
S22:DSP数字信号处理器采用低通滤波算法、全周傅立叶变换算法、抗干扰滤波算法,计算出实部、虚部、相角、频率井判断各相量的正序、负序、零序分量;
S23:输出采样数据;
通过电压引线、开口钳形交流电流传感器将保护装置使用的电压量、电流量采集进装置,在装置内通过电压变换器、采样电阻分别将100V的交流电压量、0-10A的交流电流量转换为5V以内的交流电压信号,并输送给模数转换芯片AD7606,通过该芯片模数变换为数字量后输入到DSP芯片,首先低通滤波、全周傅立叶变换、抗干扰滤波、计算出实部、虚部、相角、频率、判断各相量的正序、负序、零序分量,基于被测元件的一次系统接线方式,变比、电压级参数,综合折算并计算出差电流,最终通过预先编制的智能分析程序,对电流互感器极性及接线正确性做出判断,并输出结果显示在10.4寸人机交互液晶显示屏上;如外部接线正确,则装置则会给出接线正确的判断结果,测量人员根据需要,保存测量记录;如通过装置分析外部接线存在问题,则装置会提示问题原因,所在地点、以供专业人员参考、分析快速排除故障,并进行下一个测量直到所有问题得到处理;
所述智能分析判断子程序包括以下步骤:
S31:当专业人员选择进行智能分析时,智能分析判断模块执行智能分析,并将结果显示在人机交互液晶显示屏上;
S32:专业人员判断是否需要再次智能分析,若需要继续执行步骤S31,否则将分析结果进行内部存贮并输出测试数据及结果;
智能分析方法总体流程,首先根据选择的变压器、母线设备类型,电压级、变比、接线方式进入相应的智能分析模块,再通过采集的各绕组电流的正负序分量、差流、相角、基准电压以及节点电流、功率的平衡关系,分析各侧向量关系,再结合变压器各侧向量,综合分析设备运行结果和可能存在的故障缺陷;
在测量前通过人机对话接口及界面首先告知装置被测设备类型、接线方式、规模,装置则根据预设智能程序对电气量进行测量采集,并等待专业人员的命令以确定是否同步;锁定并进行分析,当检测到专业人员的锁定、分析命令时则立即锁存被测电气元件的同步相量并开始分析计算,与专业人员分析方法相同,首先进行幅值比较以判断电流互感器的变比是否选择错误:
如计算值超过10%则告知专业人员处理,如不超过10%则继续测试,判断相序是否正确性,考虑负荷特性按以下公式计算、判断:
将各电气量折算到高压侧并进行计算处理;
首先是相位补偿:
然后是变比折算
其中,U1eH为第一侧额定电压、U1eM为第二侧额定电压、I2eH为第一侧额定电流、I2eM为第二侧额定电流;
最后矢量合成计算并得出结论如满足下式:
所述方法所用装置包括外壳和安装在外壳内的电路结构,所述外壳上设置有用于显示处理结果的人机交互液晶显示屏:
所述电路结构包括DSP数字信号处理器、模数转换芯片、测量采集变换模块和供电模块,所述测量采集变换模块的输出端通过模数转换芯片连接至DSP数字信号处理器的输入端,所述测量采集变换模块与所述DSP数字信号处理器之间还连接有电压比较频率测量模块,所述人机交互液晶显示屏信号连接DSP数字信号处理器,所述DSP数字信号处理器、模数转换芯片和电压比较频率测量模块均与供电模块连接;
所述模数转换芯片还与提供模数变换基准电压的电压基准芯片连接,所述电压基准芯片连接供电模块;
所述供电模块包括高精度电源模块、锂离子电池管理专用芯片、大容量锂离子电池和充电适配器,所述高精度电源模块、充电适配器和大容量锂离子电池均连接锂离子电池管理专用芯片,所述DSP数字信号处理器、模数转换芯片、电压比较频率测量模块和电压基准芯片均与所述高精度电源模块相连接;
所述人机交互液晶显示屏与所述锂离子电池管理专用芯片连接用于供电;
所述模数转换芯片与DSP数字信号处理器之间还连接有片选芯片和复位芯片,所述片选芯片采用大规模逻辑门芯片CPLDXC9536;
所述DSP数字信号处理器上还连接有用于仿真的仿真接口、用于调试的调试接口以及USB接口;
所述通讯中断子程序用于响应测试人员对装置的操作任务、人机对话任务。
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- 2018-11-29 CN CN201811447557.4A patent/CN109342866B/zh active Active
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