CN110398648A - 一种变电站综合监测装置 - Google Patents

Abstract

变电站综合监测装置，包括：FPGA模块、CPU模块,二者通过高速差分总线连接;所述FPGA模块包括FPGA器件及与其连接的信号接入模块；所述CPU模块包括CPU器件及与其连接的存储设备、接口电路组成；所述CPU模块通过两条高速差分总线与FPGA模块连接；所述存储设备包括内存，闪存和SSD硬盘。变电站综合监测装置硬件平台统一，软件功能涵盖电能质量、故障录波、变压器在线监测功能，适用场合多用途广，为变电站运维人员提供判断事故、检修维护的依据和数据支撑，对提高电力系统安全稳定运行有着非常重要的作用和意义。适用任何电压等级的变配电站、发电厂、风电厂、电铁、枢纽变电站、数字化变电站、智能化变电站。

Description

一种变电站综合监测装置

技术领域

本发明属于电力系统二次监测领域，涉及变电站、配电站及发电厂技术，具体涉及一种变电站综合监测装置。

背景技术

电力是关系国计民生的基础产业，电力工业面临供应宽松常态化、电源结构清洁化、电力系统智能化等一系列挑战。

随着国家GDP的快速发展，用电量的剧增，变配电站的大量建设、电力系统运维人员对电力设备用电质量、监测方法及检修手段提出了更高的要求，电能质量监测装置只能用于110KV以下变配电站，用于线路单相、三相电力负荷及变电站三相电能质量、基波、谐波、间谐波含有率、电压/电流各序分量及不平衡度、电压短时闪变、电压长时闪变等各指标可进行最大值、最小值、平均值和95%概率值统计；故障录波装置能够完成线路、变压器、发电机变压器各侧断路器、隔离开关及继电保护开关量和电气量的采集、记录和分析。无法对变压器的状态检修、评估、预警和风险分析提供有力的数据支撑，以上2种装置在数据采集、处理和存储计算等许多方面存在重叠和相似，不仅占用了屏柜面积，而且造成资金的重复投入。因此在变配电站各项功能整合的大环境下，电力运维人员明确提出硬件平台统一、软件功能涵盖电能质量、故障录波、变压器在线监测功能，研发符合变配电站、风电厂、电铁、枢纽变电站、数字化变电站、智能化变电站使用的综合监测装置成为必然。

目前，110KV以下变配电站主要用电能质量监测装置来监测电能质量：大部分电能质量监测装置采用ARM9作为主处理器，DSP完成实时数据采集、同步信号处理；其中，ARM9与DSP之间通过双口RAM实现数据通讯；ARM9主要完成人机接口（按键及LCD显示），B码对时，实时数据分析、处理存储，与其它外设实现通信或数据共享（Ethernet、标准的RS-232等）。装置为插箱式结构，安装于专用的电能质量监测柜上。可配置为单回路的电能质量监测，也可以配置为最大4条线路(每条线路包括三相电压和三相电流)的多回路电能质量监测。

上述装置存在以下缺点：

1．ARM9与DSP之间采用地址/数据总线通信，由于总线仲裁时分复用的原因，数据传输数率低。

2．接入容量有限，最多可接入4条线路(每条线路包括三相电压和三相电流)，当牵引变电站多余4条线路时，需要增加装置才能完成。

3．只能接入线路，不能接入变压器设备，无法完成变配电站母线、线路、变压器等一次设备的动态监测和实时记录。

4.无故障判相和故障测距功能，只能记录有限的一段时间的实时波形（1秒），无常态记录功能，存储容量小，无谐波、序分量、矢量、阻抗分析、无故障简报，不能全貌还原母线、线路或变压器发生事故原因和过程，不利于运维人员判断事故检修维护。

5．所有插件（包括互感器插件）都在一个机箱中，无法完成强弱电的隔离，抗电磁干扰性能差。

6. 液晶显示屏尺寸小（5吋以下），分辨率低，显示像素粗糙，人机接口设置复杂。

发明内容

为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种变电站综合监测装置。

本发明所述变电站综合监测装置，包括：

FPGA模块和CPU模块,二者通过高速差分总线连接;

所述FPGA模块包括FPGA器件及与其连接的信号接入模块,所述信号接入模块包括：

由模拟量信号调理单元和AD转换器组成的电压电流信号采集回路；还包括用于输入开关量信号到FPGA器件的光电隔离电路，用于输入光电B码到FPGA器件的电平转换隔离电路；用于PTP对时信号的网络接口电路；用于采集GOOSE和SV信号到FPGA器件的PHY接口电路；

所述信号接入模块还包括多路开关量输入接口电路

所述信号接入模块还包括4路空节点输入接口和4路继电器输出接口；所述CPU模块包括CPU及与其连接的存储设备；

所述CPU模块通过两条高速总线与FPGA模块连接；

所述CPU模块连接有网络模块，显示设备和多个USB接口；

所述CPU模块连接有按键、指示灯模块；

所述存储设备包括内存，闪存和硬盘。

具体的，所述FPGA器件为Altera公司的Cyclone IV EP4GX50DF27I7N。

具体的，所述CPU为Intel公司的 Celeron N2630。

具体的，所述网络接口为千兆网MAC+PHY芯片和带网络变压器的RJ45组成。

具体的，所述存储设备包括DDR3L内存，闪存和两个SSD硬盘。

采用本发明所述变电站综合监测装置，解决了目前电能质量监测装置接入设备单一、接入回路有限，数据传输速率低、启动判据少、无故障判相、故障测距和常态记录功能、录波时间短、存储容量小，不能全貌还原母线、线路或变压器发生故障原因和过程，不利于运维人员判断事故检修维护的缺陷。

采用本发明所述变电站综合监测装置，可以实现故障录波装置无电能（包括全波的有功电能、无功电能、基波的有功电能、无功电能）、基波（包括电压/电流有效值、相位、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相移功率因数）、谐波（电压/电流总谐波畸变率、电压/电流总寄次谐波畸变率、电压/电流总偶次谐波畸变率等）、间谐波含有率、电压/电流各序分量及不平衡度、电压短时闪变、电压长时闪变等各指标可进行最大值、最小值、平均值和95%概率值的统计，统计周期可设置，支持指标越限统计以及合格率统计，并支持报表输出。

采用本发明所述变电站综合监测装置，解决了目前变压器检修无依据的突出问题，通过实时在线捕捉电压、电流、瞬时电流变化，并分析判断预警，根据判据条件准确区分变压器故障、冲击和空投，可以预测变压器的健康状态，克服定期检修的盲目性，给运行人员提供准确的直接的检修依据，对变压器的状态检修、评估、预警和风险分析提供有力的数据支撑，是保证变压器安全运行的有力工具，对提高电力系统安全稳定运行有着非常重要的作用和意义。

本发明硬件平台统一，软件功能涵盖电能质量、故障录波、变压器在线监测功能，适用场合多用途广，能够完成线路、变压器、发电机变压器各侧断路器、隔离开关及继电保护开关量和电气量的采集和记录，具有采样数率高，启动判据丰富的特点，不仅能触发记录，而且可以连续记录变配电站线路、母线及变压器设备电气参数和扰动过程，融合了电能质量监测和统计功能，增加了变压器在线监测功能，为变电站运维人员提供判断事故、检修维护的依据和数据支撑。

附图说明

图1为本发明所述变电站综合监测装置的一种具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述变电站综合监测装置，包括：

FPGA模块和CPU模块,二者信号通过高速差分总线连接;

所述FPGA模块包括FPGA器件及与其连接的信号接入模块,所述信号接入模块包括：

由模拟量信号调理单元和AD转换器组成的电压电流信号采集回路；还包括用于输入开关量信号到FPGA器件的光电隔离电路，用于输入光电B码到FPGA器件的电平转换隔离电路；用于PTP对时信号的网络接口电路；用于采集GOOSE和SV信号到FPGA器件的PHY接口电路；

模拟量信号调理单元将电压互感器PT和电流互感器CT输入的高电压、大电流的模拟信号通过互感器隔离变换，统一转换成±5V（Vp-p）的模拟电压信号输出到AD转换器，FPGA控制A/D转换器将模拟量转化为数字信号后，读取转换后的AD值来检测电压和电流。模拟量信号调理单元属于本领域现有技术，在此不再赘述。

开关量信号是变电站断路器、刀闸及继电保护输出的开关状态信号，通过光耦隔离变换后，统一转换成逻辑高低电平信号输出给FPGA模块。

图1中FPGA器件的主要作用是完成模拟量信号、开关量信号采集、SV、GOOSE数字信号的采集、对时处理、开出告警、、并将采集的数据打上精确为微秒的时间戳，数据组帧后通过高速串行总线传送至CPU模块。

FPGA模块可以通过如图1所示的4个百兆或4个千兆SFP（Small Form-factorPluggables，小型可插拔收发光模块）PHY（端口物理层）网络端口完成SV、GOOSE信号的采集；GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event)是一种面向通用对象的变电站事件。主要用于实现在多个智能电子设备（IED)之间的信息传递，包括传输跳合闸、联闭锁等多种信号（命令），具有高传输成功概率。SV (Sampled Value)即采样值，它基于发布/订阅机制，交换采样数据集中的采样值的相关模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到ISO/IEC 8802-3帧之间的映射。

FPGA模块根据自身高精度晶振维护一个本地时间，当接收PTP (Precision TimeProtocol高精度时间同步协议)或IRIG-B(国际通用时间格式码)码对时信号（包括光和电）来修正维护的本地时间，使对时精度达到1uS以内，同时将该时间转换为串口报文和秒脉冲输出，给装置CPU模块提供统一的时间基准。

图1所示的具体实施方式中，FPGA模块设置有4路空节点输入，例如可以设计包括远方启动和远方复归功能，还设置有4路继电器空节点输出，例如可以包括电能质量告警、录波起动、失电告警、装置异常等报警功能。

CPU模块和FPGA模块之间可以采用两条高速串行总线技术并行传输采样数据，；保证信号稳定可靠传输，节省了数据传输时间，满足了系统大容量接入带宽需求。所述CPU模块接收FPGA模块发送的串行报文和秒脉冲PPS（Pulse Per Second）信号对时，串行报文对CPU模块（年、月、日、时、分、秒）大时间，PPS对CPU模块秒以下（毫秒、微秒）的小时间，从而完成CPU模块精确对时。

本装置采用多处理器构架，CPU模块选用Intel 4代低功耗赛扬处理器，CPU处理器为Intel Celeron N2630 四核结构，主频4X1.83GHz，采用Debian Linux操作系统作为开发平台，具有良好的裁剪、可移植性和抗病毒能力。软件采用C++语言编程，保证了系统的实时性和可靠性；FPGA模块选用Altera公司提供Cyclone IV EP4GX50DF27I7N 芯片，该系列FPGA具有低成本、高性能和低功耗，适用于高速数据通信及多种通用逻辑应用的场合。

CPU模块收到FPGA模块传来的数据后，完成数据的分析计算、压缩记录存储、CPU模块还完成人机接口、系统对时和后台设备通信等功能。

本发明可以实现暂态录波功能；根据用户设定启动定值（包括模拟量、开关量、频率、序分量、设备定值、冲击定值、差流），实时计算判断是否满足起动条件，如果满足起动条件，启动录波并根据控制参数，包括采样频率和采样时间、稳态采样频率、稳态采样时间、录波文件大小等参数实现录波数据的记录存储、分析处理，根据故障波形特征和关联保护的开关量判断，能够准确区分故障录波和扰动录波，如有故障形成故障简报，如故障启动时间、故障原因、故障设备、故障相别和故障距离等和故障文件，否则为扰动，形成扰动简报和扰动文件。

本发明也可以实现稳态录波功能；主要完成实时过滤数据，根据处理判据打上数据标签，根据控制参数将数据压缩后存储在硬盘上形成稳态录波文件，便于事后检索、分析处理；并具有强大的综合分析能力：包括向量分析、序分量分析、谐波分析、线路合电流分析、差流分析（变压器）、阻抗分析、功率分析、计算零序分析等；实现变压器差流启动和差流分析功能，为分析变压器故障提供了数据支撑。

本发明可以实现电能（包括全波的有功电能、无功电能、基波的有功电能、无功电能）、基波（包括电压/电流有效值、相位、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相移功率因数）、谐波（电压/电流总谐波畸变率、电压/电流总寄次谐波畸变率、电压/电流总偶次谐波畸变率等）、间谐波含有率、电压/电流各序分量及不平衡度、电压短时闪变、电压长时闪变等各指标可进行最大值、最小值、平均值和95%概率值统计，统计周期可设置，支持指标越限统计以及合格率统计，并支持报表输出。

本发明可预测变压器的健康状态，克服定期检修的盲目性，通过实时在线捕捉电压、电流、瞬时接地电流变化，并分析判断预警，根据判据条件准确区分变压器故障、冲击和空投，给运行人员提供准确的直接的检修依据，对变压器的状态检修、评估、预警和风险分析提供有力的数据支撑，是保证变压器安全运行的有力工具，对提高电力系统安全稳定运行有着非常重要的作用和意义。

存储设备一般包括内存，可以采用板载DDR3L 1333 M/TS，容量8GB的内存；板载32GB 的flash 存储芯片，用于存储操作系统和应用程序。

采用2.5吋256G SSD硬盘作为采集数据存储装置，可存储大于7天的实时数据；采样数据中的暂态数据和稳态数据可以分别存储在硬盘不同的分区里。CPU模块具有2个RS232串行接口，其中1个用于内部对时；还有4个100M/1000Mb/s自适应网络接口，可与外界以103、104、61850等通信协议进行通信；通过100/1000M网口传送装置定值列表、控制参数、暂态录波数据、稳态录波数据、电能质量统计数据和变压器在线监测在线捕捉数据和故障告警信息。

CPU模块还可以连接多个USB接口从装置面板引出以便连接外置设备如键盘鼠标，按键，指示灯等；所述CPU模块可以通过LVDS显示接口与外置液晶显示器连接。

本发明可以采用交直流通用开关电源模块，电压输入范围为AC/DC：85~265V，输出电压2组：包括12V/5A、24V/1A不共地，输出功率84W。12V装置内部所有模块共用，24V开关量隔离和直流量调理共用，装置支持双电源模块热备供电，也可单电源模块供电。

本发明与现有技术相比，具备如下优越性：

1．采用高速串行差分总线互连技术， 2路相同的高速差分总线传输相同采样数据，便于CPU模块对比分析采样数据，不仅减少了数据传输误码率，提高了装置抗干扰能力、而且高速串行差分总线布线简单，减少了设计PCB难度和印制板面积。

2.支持RAID 1磁盘数据镜像实现数据冗余存储方式，板载Flash芯片存储操作系统和应用程序，提高了系统运行的速率和安全性；2个2.5吋SSD硬盘采用RAID1方式镜像存储暂态数据和稳态数据，当一个磁盘失效时，系统可以自动切换到镜像磁盘上读写，而不需要重组失效的数据，充分保证了故障录波数据的安全性和可靠性。

3.CPU模块采用嵌入式低功耗Intel四核四线程CPU处理器（Celeron N2630 4*1.83GHz），主频高达1.83GHz，功耗7.5W左右；内存容量≥8GB的DDR3L 1333MT/s系列，X86CPU性能高、种类多、选型方便使用范围广，软件开发容易简单，容易找到第三方软件，软件移植容易，接口扩展方便，以适应系统升级和新技术的发展需求。

4.采用软件无损压缩算法代替硬件数据压缩卡，解压后的数据与原始数据完全一致，该压缩算法选用基于GZIP标准无损压缩算法，可实现至少7:1的数据缩减比，减少数据的存储空间、提高了数据处理效率，延长了存储时间，降低了装置硬件成本。

5．装置无风扇、无旋转设备、抗病毒感染，从设计方案上和使用上自始至终贯彻嵌入式低功耗、无旋转设备和抗病毒感染理念，大大提高了使用寿命，降低了设备故障率和使用风险。

6．装置硬件平台统一，软件监测功能丰富，不仅可以监测电能质量，也具有动态记录和变压器在线监测功能，适用场合多用途广，适用任何电压等级的变配电站、发电厂、风电厂、电铁、枢纽变电站、数字化变电站、智能化变电站。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.变电站综合监测装置，其特征在于，包括：

FPGA模块和CPU模块,二者信号通过高速差分总线连接;

所述FPGA模块包括FPGA器件及与其连接的信号接入模块,所述信号接入模块包括：

由模拟量信号调理单元和AD转换器组成的电压电流信号采集回路；还包括用于输入开关量信号到FPGA器件的光电隔离电路，用于输入光电B码到FPGA器件的电平转换隔离电路；用于PTP对时信号的网络接口电路；用于采集GOOSE和SV信号到FPGA器件的PHY接口电路；用于FPGA器件存储程序的配置芯片；

所述信号接入模块还包括多路开关量输入接口电路；

所述信号接入模块还包括4路空节点输入接口和4路继电器输出接口；

所述CPU模块包括CPU及与其连接的存储设备、接口电路组成；

所述CPU模块通过两条高速差分总线与FPGA模块连接；

所述CPU模块连接有网络接口，显示设备和多个USB接口；

所述CPU模块连接有按键、指示灯模块；

所述存储设备包括内存，闪存和SSD硬盘。

2.如权利要求1所述的变电站综合监测装置，其特征在于，所述FPGA器件为Altera公司的Cyclone IV EP4GX50DF27I7N。

3.如权利要求1所述的变电站综合监测装置，其特征在于，所述CPU为Intel公司的Celeron N2630。

4.如权利要求1所述的变电站综合监测装置，其特征在于，所述网络接口为千兆网MAC+PHY芯片和带网络变压器的RJ45组成。

5.如权利要求1所述的变电站综合监测装置，其特征在于，所述按键、指示灯模块为按键和LED指示灯电路组成。

6.如权利要求1所述的变电站综合监测装置，其特征在于，所述存储设备包括DDR3L内存，闪存和两个SSD硬盘。