CN110940855A - 适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，包括：按二分之三接线方式划分的采样间隔，高速采集母线电压、中开关电流、边开关电流，并由间隔内合并单元直接点对点传输至数字化电能表；通过光纤发送端口的物理层转发；判断合并单元的同步状态，选取合适的同步方法同步采样；然后计算线路电流采样和值，联合母线电压采样，获取二分之三接线的电量；最后通过MMS报文输出电量信息。本发明还公开了一种适用于智能变电站二分之三接线的电能计量装置。本发明避免采样值组网传输的稳定性影响二分之三接线电量计量精度，降低多间隔计量对全站时钟同步体系的依赖，增加数字化电能表的同步容错能力，提升整体电能计量的可靠性。

Description

适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统智能变电站计量技术领域，尤其是一种适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法及装置。

背景技术

智能变电站采用数字化方式传输电气采样信息，有效遏制了采集设备的重复配置，提高了变电站信息传输的灵活性，增强了变电站的数据交互与处理能力，但同时也让变电站的信息关系及功能认定复杂化，一定程度上增加了变电站现场工作的实施难度。

二分之三接线由母线间串联的三个断路器及两条出线组成，具有较高的供电可靠性和运行灵活性，是高电压等级电网中广泛采用的一种电气接线方式。正常情况下每条出线由两台断路器供电，线路电流由两台断路器的分支电流共同决定。传统变电站的二分之三接线电量计量时，线路电流通过物理合并方式实现，即将线路关联的两台断路器的采样二次电流端子物理并接，产生线路和电流；对于智能变电站，合并单元输出的采样值是数字信号，无法直接物理合并，需要通过其它手段实现电流求和及电量计算。

现阶段，智能变电站二分之三接线的电能计量方式如图1所示。所有合并单元由站内时钟源同步，每组采样间隔内的合并单元采集互感器输出信号后，同步至相同的一次采样时刻，并为数字化采样值标记统一的采样计数器；同步处理后的电压、中开关电流及边开关电流采样值数据发送至网络交换机，经数据交换后再输出至数字化电能表。数字化电能表接入所有采样间隔的数据后，按采样计数器合并计算线路电流采样值，并与电压采样值同步后计算电量信息。这种电能计量模式依赖于变电站内采样值的组网同步性，一旦变电站内采样值网络或时钟同步系统异常，均会影响其计量可靠性。现行模式的主要不足之处在于：

(1)采样值组网传输方式增加了计量系统的异常风险。采样值组网基于网络交换机实现，交换机工作异常时会产生数据丢点或传输延迟过大，均会影响电能计量的可靠性。特别的，采样值组网传输后会引入网络压力问题，在网络设计不合理、传输负荷较重或者网络设备异常时，可能会在采样值网络内产生大量无效的以太网干扰报文，影响交换机的数据处理能力，甚至导致采样值网络瘫痪，电能无法计量。

(2)严重依赖于全站时钟同步系统。组网模式下，智能设备通过全站同步的合并单元与采样计数器保证不同采样间隔数据的同步性，变电站时钟同步系统对二分之三接线的电能计量有直接影响。时钟同步源的可靠性、同步光纤的通信稳定性以及合并单元内部的同步算法精度，都可能影响采样数据的同步性。当站内同步系统故障时，电能表无法可靠获取所需的采样值，在实现原理上存在一定的缺陷。

(3)没有充分发挥智能变电站数字化计量的技术优势。现阶段的数字化电能计量系统中，电能表与变电站的站控层间主要采用传统RS485接线的DL/T 645规约实现，这种通信模式实现简单，但数据传输较慢；通过二次值传输电气采样，数据折算会损失精度；缺乏针对智能变电站过程层设备特征的信息优化，无法准确反映数字化采样值传输的异常状态。

发明内容

针对采样值组网传输引入的异常风险、计量系统对全站时钟同步系统的过度依懒以及未发挥数字化电量计量的技术优势等问题，本发明的首要目的在于提供一种满足电力系统用户对智能变电站数字化计量的可靠性要求的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)按二分之三接线方式划分的采样间隔，高速采集母线电压、中开关电流、边开关电流，并由间隔内合并单元直接点对点传输至数字化电能表；

(2)接收到合并单元的采样值报文后，通过光纤发送端口的物理层转发；

(3)当数字化电能表接收到所有间隔的采样值报文后，判断合并单元的同步状态，选取同步方法同步采样；

(4)计算线路电流采样和值，联合母线电压采样，获取二分之三接线的电量；

(5)通过MMS报文输出电量信息。

所述步骤(1)中的采样间隔包括母线电压间隔、中开关电流间隔和边开关电流间隔，由二分之三接线方式下的各采样间隔内合并单元独立采集互感器输出的电气量，进行AD转换，并同步提高合并单元的采样值输出频率，所有间隔的合并单元通过光纤点对点方式将采样数据直接传输至数字化电能表；合并单元通过并发控制，通过合并单元内处理器的时钟管理模块产生高频时钟，控制AD转换与AD数据访问；每次采样周期开始后，启动AD转换信号，同时监测合并单元内AD转换模块的BUSY信号，当BUSY信号复位后，通过高频SPI协议逐位读取AD采样数据。

所述步骤(2)具体是指：数字化电能表持续监测所有接收端口的采样值报文，当检测到有效数据后，控制光纤以太网传输的物理层芯片，将接收到的报文数据完全转发出去；同时执行常规的编码解析与用户数据存储的采样接收工作，实现采样值数据接收与转发的同步并行处理。

所述步骤(3)具体是指：当合并单元输出的采样报文同步标志正常时，数字化电能表采用各间隔采样的同步计数器实现采样值同步；当合并单元输出的采样报文同步标志异常时，采用高精度的软件插值算法实现采样值同步。

所述步骤(4)具体是指：在接收母线电压、中开关电流和边开关电流采样值并同步后，首先计算线路和电流，然后计算线路电流有效值、电压有效值，最后计算有功功率、无功功率、功率因素、有功电量和无功电量，实现二分之三接线的电量计算。

所述步骤(5)具体是指：基于IEC61850要求对数字化电能表建模，按照计量需求剪裁逻辑节点数据集，并通过IEC61850通信服务与智能变电站站控层设备交互信息；站控层设备首先导入数字化电能表的ICD模型文件，然后与数字化电能表建立通信连接，根据数字化电能表模型数据及支持的服务类型，定制其电量上送信息，最后周期性接收数字化电能表上送的电量数据。

所述AD转换采用400点/周波以上的频率进行，AD转换公式如下：

D_o＝V_in/10×2¹⁵

其中：D_o为AD转换后输出数字量，V_in为AD转换的输入电压模拟量；

所述高频时钟的频率为100MHz。

所述软件插值算法采用连续四点的分段Spline插值算法，由连续采样值S0、S1、S2和S3构建多个曲线区间，每段曲线由三次函数Fm描述，通过三次函数特征及边界条件，拟合连续的采样值曲线函数F1，获取区间内任意采样时刻对应的数字量采样值S11、S12、S13，实现不同采样时刻的采样数据同步计算；

每段采样值曲线函数应满足如下条件：

其中：F_m为三次函数表达式，0<m<2；t_n为数字量采样时刻，0<n<3，s_n为数字量采样值；F_m′为F_m的一阶倒数；F_m″为F_m的二阶倒数，s_n为t_n时刻的采样值。

所述计算线路和电流是指通过中开关电流与边开关电流计算线路和电流：

I_l＝I_c+I_s

其中：I_l为线路电流，I_c为中开关电流，I_s为边开关电流；

所述计算线路电流有效值、电压有效值的公式如下：

其中：U_r为电压有效值，I_r为电流有效值，T为周期，u为电压采样值，i为电流采样值；

所述计算有功功率、无功功率和功率因素的公式如下：

其中：P为有功功率，Q为无功功率，

为功率因素角；U为电压有效值，I为电流有效值；

所述计算电量的公式如下：

其中：E_P为有功电量，E_Q为无功电量。

本发明的另一目的在于提供一种适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法的装置，包括：

采样传输模块，实现模拟量高速采样，并将采样值直接传输至电量计算模块；

采样转发模块，将接收到的采样信号实时转发至外部；

同步模块，根据所接收采样值的同步标志状态，选择采样值同步方法，实现采样值的同步；

电量计算模块，由同步后的间隔采样值，计算二分之三接线的电量信息；

信息上送模块，将获取的电量信息传输至上级设备。

由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，所有间隔的采样值由合并单元点对点直接传输至数字化电能表，不使用网络交换机，合并单元输出采样直接接入数字化电能表，避免采样值组网传输的稳定性影响二分之三接线电量计量精度。第二，配备双重化的采样值同步策略，根据合并单元同步状态切换采样值同步方法，降低多间隔计量对全站时钟同步体系的依赖，增加数字化电能表的同步容错能力，提升整体电能计量的可靠性。第三，采用IEC61850 MMS协议与站控层交互电量信息。由数字化电能表接收的采样一次值直接计算电量一次值并通过MMS协议上送，避免了二次值转换导致的计量精度损失；利用MMS传输机制的先进性，还可上送丰富的互感器、合并单元状态等采样传输链路特征信息，有利于今后变电站智能诊断调节工作的开展。第四，高频信号采样及采样值传输，提高合并单元输入的采样频率及合并单元输出采样的传输速率，有效降低部分数字化异常，如报文误码、采样丢点等，对采样值传输的影响，同时可提高软件插值算法的同步精度，降低电量计量误差。第五，实时无缝转发数字化电能表接收的所有间隔采样值，通过极低的延迟将数字化电能表输入的合并单元采样值无修改的转发至外部，当计量装置在线运行时，可不改动接线的实时监测相关间隔的采样数据，有利于现场调试工作或故障在线诊断；转发的采样值也可接入网络交换机，兼容现有的多间隔电能计量体系。

附图说明

图1为目前常规的智能变电站二分之三接线电能计量装置示意图；

图2为本发明的装置示意图；

图3为本发明的方法流程图；

图4为本发明的无缝转发实现机制示意图；

图5为本发明的分段Spline插值拟合同步示意图。

具体实施方式

如图2、3所示，一种适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)按二分之三接线方式划分的采样间隔，高速采集母线电压、中开关电流、边开关电流，并由间隔内合并单元直接点对点传输至数字化电能表；

(2)接收到合并单元的采样值报文后，通过光纤发送端口的物理层转发；

(3)当数字化电能表接收到所有间隔的采样值报文后，判断合并单元的同步状态，选取同步方法同步采样；

(4)计算线路电流采样和值，联合母线电压采样，获取二分之三接线的电量；

(5)通过MMS报文输出电量信息。

如图2所示，系统内各采样间隔合并单元采集电气信号后，直接将采样值报文传输至数字化电能表。数字化电能表同步电压采样、中开关电流采样及边开关电流采样，并计算线路和电流，获取二分之三接线方式的电量。数字化电能表支持采样计数器及软件插值双同步模式；具备SMV采样值报文转发能力，可实现计量采样值信息复用及调试监测；具备MMS报文通信能力，可传输丰富的数字化计量信息。

如图3所示，所述步骤(1)中的采样间隔包括母线电压间隔、中开关电流间隔和边开关电流间隔，由二分之三接线方式下的各采样间隔内合并单元独立采集互感器输出的电气量，为提高采样插值精度与电量计量精度，采用400点/周波以上的频率进行AD转换，并同步提高合并单元的采样值输出频率，所有间隔的合并单元通过光纤点对点方式将采样数据直接传输至数字化电能表；合并单元通过并发控制，实现多路AD通道的同步模数转换，通过合并单元内处理器的时钟管理模块产生100MHz的高频时钟，控制AD转换与AD数据访问；每次采样周期开始后，启动AD转换信号，同时监测合并单元内AD转换模块的BUSY信号，当BUSY信号复位后，通过高频SPI协议逐位读取AD采样数据。所述AD转换的公式如下：

D_o＝V_in/10×2¹⁵

其中：D_o为AD转换后输出数字量，V_in为AD转换的输入电压模拟量。

如图3所示，所述步骤(2)具体是指：数字化电能表持续监测所有接收端口的采样值报文，当检测到有效数据后，立即控制光纤以太网传输的物理层芯片，将接收到的报文数据完全转发出去；同时执行常规的编码解析与用户数据存储的采样接收工作，实现采样值数据接收与转发的同步并行处理。

如图4所示，快速无缝转发功能由数字化电能表的处理芯片直接控制以太网PHY芯片实现。常规模式下，以太网光纤头接收数据后，由PHY芯片物理解码后传输至MAC控制器，然后经过地址过滤、数据校验和报文缓存等操作后由处理器完成后续应用；启用无缝转发功能后，处理器实时监测PHY芯片的接收数据，当有效报文输入时，通过转发控制信号切换PHY的输出接口，将缓存后的PHY接收信号直接通过PHY输出端口输出，同时由MAC处理器并行处理原始的PHY接收信号，实现快速的以太网接收数据转发。

如图3所示，所述步骤(3)具体是指：采用采样计数器同步及软件插值同步的冗余双重化同步机制，当合并单元输出的采样报文同步标志正常时，数字化电能表采用各间隔采样的同步计数器实现采样值同步；当合并单元输出的采样报文同步标志异常时，采用高精度的软件插值算法实现采样值同步，在保证多间隔计量整体精度的前提下，提高了对同步系统的容错能力，增加了数字化计量的可靠性。当电能表检测到任意间隔合并单元输出采样值的同步状态异常时，自动切换至软件插值同步模式。电能表根据连续采样值序列及其接收时刻，通过软件算法将不同间隔的采样数据插值计算至统一的离散时间体系下，实现多间隔电气量的软件同步采样。

如图5所示，所述软件插值算法采用连续四点的分段Spline插值算法，由连续采样值S0、S1、S2和S3构建多个曲线区间，每段曲线由三次函数Fm描述，通过三次函数特征及边界条件，拟合连续的采样值曲线函数F1，获取区间内任意采样时刻对应的数字量采样值S11、S12、S13，实现不同采样时刻的采样数据同步计算；

每段采样值曲线函数应满足如下条件：

其中：F_m为三次函数表达式，0<m<2；t_n为数字量采样时刻，0<n<3，s_n为数字量采样值；F_m′为F_m的一阶倒数；F_m″为F_m的二阶倒数。F₀″(t₀)＝0是指图5中曲线的第一段函数F₀在t₀时刻的第一个采样点，即曲线F₀的最左端点，其二阶导数为0；同理，F₂″(t₃)是指图5中曲线第三段函数F₂在t₃时刻的采样，即曲线F₂的最右端点。s_n为t_n时刻的采样值。

所述步骤(4)具体是指：在接收母线电压、中开关电流和边开关电流采样值并同步后，首先计算线路和电流，然后计算线路电流有效值、电压有效值，最后计算有功功率、无功功率、功率因素、有功电量和无功电量，实现二分之三接线的电量计算；

首先，通过中开关电流与边开关电流计算线路和电流：

I_l＝I_c+I_s

其中：I_l为线路电流，I_c为中开关电流，I_s为边开关电流；

然后计算线路电流有效值与线路电压有效值：

其中：U_r为电压有效值，I_r为电流有效值，T为周期，u为电压采样值，i为电流采样值；

然后计算有功功率、无功功率和功率因素：

其中：P为有功功率，Q为无功功率，

为功率因素角；U为电压有效值，I为电流有效值；

最后计算电量：

其中：E_P为有功电量，E_Q为无功电量。

所述步骤(5)具体是指：基于IEC61850要求对数字化电能表建模，按照计量需求剪裁逻辑节点数据集，并通过IEC61850通信服务与智能变电站站控层设备交互信息；站控层设备首先导入数字化电能表的ICD模型文件，然后与数字化电能表建立通信连接，根据数字化电能表模型数据及支持的服务类型，定制其电量上送信息，最后周期性接收数字化电能表上送的电量数据。

本装置包括：

采样传输模块，主要实现模拟量高速采样，并将采样值直接传输至电量计算模块；

采样转发模块，将接收到的采样信号实时无修改的转发至外部；

同步模块，根据所接收采样值的同步标志状态，选择合适的采样值同步方法，实现采样值的同步；

电量计算模块，由同步后的所有相关间隔采样值，计算二分之三接线的电量信息；

信息上送模块，将获取的电量信息传输至上级设备。

综上所述，本发明所有间隔的采样值由合并单元点对点直接传输至数字化电能表，不使用网络交换机，合并单元输出采样直接接入数字化电能表，避免采样值组网传输的稳定性影响二分之三接线电量计量精度；配备双重化的采样值同步策略，根据合并单元同步状态切换采样值同步方法，降低多间隔计量对全站时钟同步体系的依赖，增加数字化电能表的同步容错能力，提升整体电能计量的可靠性；采用IEC61850 MMS协议与站控层交互电量信息。由数字化电能表接收的采样一次值直接计算电量一次值并通过MMS协议上送，避免了二次值转换导致的计量精度损失；利用MMS传输机制的先进性，还可上送丰富的互感器、合并单元状态等采样传输链路特征信息，有利于今后变电站智能诊断调节工作的开展。高频信号采样及采样值传输，提高合并单元输入的采样频率及合并单元输出采样的传输速率，有效降低部分数字化异常，如报文误码、采样丢点等，对采样值传输的影响，同时可提高软件插值算法的同步精度，降低电量计量误差。实时无缝转发数字化电能表接收的所有间隔采样值，通过极低的延迟将数字化电能表输入的合并单元采样值无修改的转发至外部，当计量装置在线运行时，可不改动接线的实时监测相关间隔的采样数据，有利于现场调试工作或故障在线诊断；转发的采样值也可接入网络交换机，兼容现有的多间隔电能计量体系。

Claims (10)

1.一种适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)按二分之三接线方式划分的采样间隔，高速采集母线电压、中开关电流、边开关电流，并由间隔内合并单元直接点对点传输至数字化电能表；

(2)接收到合并单元的采样值报文后，通过光纤发送端口的物理层转发；

(3)当数字化电能表接收到所有间隔的采样值报文后，判断合并单元的同步状态，选取同步方法同步采样；

(4)计算线路电流采样和值，联合母线电压采样，获取二分之三接线的电量；

(5)通过MMS报文输出电量信息。

2.根据权利要求1所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述步骤(1)中的采样间隔包括母线电压间隔、中开关电流间隔和边开关电流间隔，由二分之三接线方式下的各采样间隔内合并单元独立采集互感器输出的电气量，进行AD转换，并同步提高合并单元的采样值输出频率，所有间隔的合并单元通过光纤点对点方式将采样数据直接传输至数字化电能表；合并单元通过并发控制，通过合并单元内处理器的时钟管理模块产生高频时钟，控制AD转换与AD数据访问；每次采样周期开始后，启动AD转换信号，同时监测合并单元内AD转换模块的BUSY信号，当BUSY信号复位后，通过高频SPI协议逐位读取AD采样数据。

3.根据权利要求1所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是指：数字化电能表持续监测所有接收端口的采样值报文，当检测到有效数据后，控制光纤以太网传输的物理层芯片，将接收到的报文数据完全转发出去；同时执行常规的编码解析与用户数据存储的采样接收工作，实现采样值数据接收与转发的同步并行处理。

4.根据权利要求1所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述步骤(3)具体是指：当合并单元输出的采样报文同步标志正常时，数字化电能表采用各间隔采样的同步计数器实现采样值同步；当合并单元输出的采样报文同步标志异常时，采用高精度的软件插值算法实现采样值同步。

5.根据权利要求1所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述步骤(4)具体是指：在接收母线电压、中开关电流和边开关电流采样值并同步后，首先计算线路和电流，然后计算线路电流有效值、电压有效值，最后计算有功功率、无功功率、功率因素、有功电量和无功电量，实现二分之三接线的电量计算。

6.根据权利要求1所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述步骤(5)具体是指：基于IEC61850要求对数字化电能表建模，按照计量需求剪裁逻辑节点数据集，并通过IEC61850通信服务与智能变电站站控层设备交互信息；站控层设备首先导入数字化电能表的ICD模型文件，然后与数字化电能表建立通信连接，根据数字化电能表模型数据及支持的服务类型，定制其电量上送信息，最后周期性接收数字化电能表上送的电量数据。

7.根据权利要求2所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述AD转换采用400点/周波以上的频率进行，AD转换公式如下：

D_o＝V_in/10×2¹⁵

其中：D_o为AD转换后输出数字量，V_in为AD转换的输入电压模拟量；

所述高频时钟的频率为100MHz。

8.根据权利要求4所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述软件插值算法采用连续四点的分段Spline插值算法，由连续采样值S0、S1、S2和S3构建多个曲线区间，每段曲线由三次函数Fm描述，通过三次函数特征及边界条件，拟合连续的采样值曲线函数F1，获取区间内任意采样时刻对应的数字量采样值S11、S12、S13，实现不同采样时刻的采样数据同步计算；

每段采样值曲线函数应满足如下条件：

其中：F_m为三次函数表达式，0<m<2；t_n为数字量采样时刻，0<n<3，s_n为数字量采样值；F_m′为F_m的一阶倒数；F_m″为F_m的二阶倒数，s_n为t_n时刻的采样值。

9.根据权利要求5所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法，其特征在于：所述计算线路和电流是指通过中开关电流与边开关电流计算线路和电流：

I_l＝I_c+I_s

其中：I_l为线路电流，I_c为中开关电流，I_s为边开关电流；

所述计算线路电流有效值、电压有效值的公式如下：

其中：U_r为电压有效值，I_r为电流有效值，T为周期，u为电压采样值，i为电流采样值；

所述计算有功功率、无功功率和功率因素的公式如下：

其中：P为有功功率，Q为无功功率，

为功率因素角；U为电压有效值，I为电流有效值；

所述计算电量的公式如下：

其中：E_P为有功电量，E_Q为无功电量。

10.一种实现如权利要求1至9中任一项所述的适用于智能变电站二分之三接线的电能计量方法的装置，其特征在于：包括：

采样传输模块，实现模拟量高速采样，并将采样值直接传输至电量计算模块；

采样转发模块，将接收到的采样信号实时转发至外部；

同步模块，根据所接收采样值的同步标志状态，选择采样值同步方法，实现采样值的同步；

电量计算模块，由同步后的间隔采样值，计算二分之三接线的电量信息；

信息上送模块，将获取的电量信息传输至上级设备。

Images