CN113625071A - 电能质量在线监测与故障录波一体化装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，包括：开入开出信号采集单元、交流信号采集单元以及中央处理器单元；所述开入开出信号采集单元、交流信号采集单元以及中央处理器单元均与母线连接；所述中央处理器单元根据交流信号采集单元采集到的电压电流信号以及开入开出信号采集单元收到的开入量信号得到电能质量参数以及控制录波，本发明具有多监测通道，能对一些长期性电能质量参数进行监测，同时具备电能质量监测和故障录波的功能，提高电能质量监测的可靠性，并且降低了设备制造成本。
Description
技术领域
本发明属于电网控制技术领域，尤其涉及一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置。
背景技术
高压电网里是现今社会传输电力的一个重要的载体和工具，特别是在电压在500KV的超高压输电线路上传输电，500KV超高压线路传输电所具有两方面的主要优点：输电涉及到的线路长和传送电力容量大。因此，超高压输电线在线路传输中的安全可靠问题由此得到了相当大的重视。正如我们都知道的高压线材料是裸露的金属丝，从而暴露在自然环境中，多年来，受到各种损伤，如果不及时的加以修复，排除高压线上的各种故障，有可能会导致严重的输电线安全事故，这将会给高压线电力传输带来极大的安全影响，造成大范围的停电和巨大的经济财产的损失。因此，各个电力公司为了随时的掌握并且了解高压输电线路是否通畅以及高压线路周围天气地理环境的变化情况对高压输电线路的影响，而实行定期的安全巡视检查，及时发现并且快速的解决这些高压线的故障问题，预防高压线电路事故的出现，保证供电安全和人身财产安全。为了解决以上问题的出现，现在使用检修机器人进行作业，然而通过该配网带电作业机器人迫切需要解决的问题之一是线缆的定位问题，尤其是在复杂环境下，例如在强光、树木以及线交叉等干扰下，想要准确定位线缆显得尤为困难。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置及其工作方法，能够同时进行电能质量监测和故障录波。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
第一方面，提供了一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，包括：开入开出信号采集单元、交流信号采集单元以及中央处理器单元；所述开入开出信号采集单元、交流信号采集单元以及中央处理器单元均与母线连接；
所述中央处理器单元根据交流信号采集单元采集到的电压电流信号以及开入开出信号采集单元收到的开入量信号得到电能质量参数以及控制录波。
结合第一方面，进一步的，所述交流信号采集单元包括若干交流板，所述交流板包括依次连接的信号采集模块、模拟信号处理模块、AD采集模块和可编程逻辑器件，可编程逻辑器件和母线相连。
结合第一方面，进一步的，所述可编程逻辑器件采用FPGA。
结合第一方面，进一步的，所述中央处理器单元包括第一处理器单元、第二处理器单元，第一储模块以及第二存储模块；所述第一处理器单元和第一储模块连接，第二处理器单元和第二存储模块连接；第一处理器单元和第二处理器单元均与母线连接。
结合第一方面，进一步的，还包括多媒体交互模块，多媒体交互模块通过母线和人机接口模块连接，人机接口模块和中央处理器单元连接。
结合第一方面，进一步的，所述开入开出信号采集单元包括第一端子排、第二端子排、开入光耦、开出光耦、继电器驱动模块、继电器以及继电器可编程逻辑器件；
所述第一端子排与开入光耦、可编程逻辑器件、开出光耦、继电器驱动模块、继电器以及第二端子排依次连接。
第二方面，提供了一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置工作方法，包括：
通过交流信号采集单元采集待监测录波线路的电流及电压信号；
通过开入开出信号采集单元采集待监测录波线路的开关量；
中央处理器单元根据采集到的待监测录波线路的电流及电压信号以及开关量计算得到电能质量参数和录波启动参数；
中央处理器单元根据录波启动参数启动录波。
结合第二方面，进一步的，在电能质量参数的计算过程中需要对待监测录波线路的电流、电压信号频率进行实时监测，测量步骤包括：
根据傅里叶级数对各待监测录波线路的电流、电压信号进行分解，以获取相应的基波信号，求取基波信号的实部Freal和虚部Fimag；
根据基波实部Freal和虚部Fimag求得信号频率。
结合第二方面，进一步的，所述求取基波信号的实部Freal和虚部Fimag具体为：
对于基波信号：
其中，f0为求取傅里叶级数时选取的基波频率，A1、A2分别为基波信号实部和虚部的幅值，
其中A为信号的振幅，f为采集到的电压或者电流的波形频率，a为初相角对应的时间；
将F表示为F＝Freal+Fimag(2)；
通过式(3)得到基波信号的实部Freal和虚部Fimag
结合第二方面，进一步的，所述根据基波实部Freal和虚部Fimag求得信号频率具体为：
构造一个新的信号Fnew＝Freal×Fimag，对该信号进行简化得到
Fnew＝A1A2 sin(4πft+4πfa)/2 (4)
假设计算傅里叶基波实部过零点时对应的频率为f，其上一个过零点为计算基波实部的极值点即傅里叶基波虚部的过零点；设由于频率变化导致基波虚部产生的相角差为2πfΔa，这时可以求得Fnew的表达式如下：
对Fnew求导得到Fnew2，
Fnew2＝dFnew/dt＝2πfA1A2 cos(4πft+4πfa+2πfΔa) (6)
求取信号Fnew2两个相邻过零点的时间差Δt＝1/(4f)，通过该时间差得到信号的频率f，如式(7)所示：
f＝1/(4Δt) (7)。
本发明有益效果：本发明通过开入开出信号采集单元、交流信号采集单元采集相应的开入量和电流电压信号，并通过母线将其传送到中央处理器单元进行质量计算和录波控制，实现了电能质量监测和故障录波的一体化。
并且通过多块交流板和开入开除板采集信号构成了多通道监测，能对一些长期性电能质量参数进行监测，提高了电能质量监测的可靠性。中央处理器板从母线板获取数字信号和开入量信号，根据电压信号，推导傅里叶级数基波实部和基波虚部的表达式，分析得出基波实部导数的过零点与基波虚部的过零点一样的性质。实部和虚部一个周波内的4个过零点恰好对应实部的过零点和极值点共4个点，进行频率实时跟踪，在1/4周波时间测量到最新频率。对数字信号和开入量信号进行分析计算得出电能质量参数和录波启动参数，并根据录波启动参数启动录波及将电能质量参数、开出信息发送至母线板，并通负责与外部系统的通信；面板用于人机交互，获取按键操作信息，从母线板获取电能质量参数，并对电能质量参数进行显示。
本发明同时具备电能质量监测和故障录波的功能，提高电能质量监测的可靠性，并且降低了设备制造成本。
附图说明
图1是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的结构示意图；
图2是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的交流板的一个实施例的结构示意图；
图3是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的中央处理器板的一个实施例的结构示意图；
图4是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的快速测频方法流程图；
图5是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的开入开出板的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
本发明所提出的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，如图1-5所示，包括：
开入开出信号采集单元，采用开入开出板(下文称BIO板)；交流信号采集单元，采用N块交流板(下文称AC板)；中央处理器单元，采用中央处理器板(下文称CPU板)、多媒体交互模块，采用MMI(Multi Media Interface)板，所述BIO板、N块AC板、CPU板和MMI板均连接至母线板；
N块AC板用于电力系统交流电压电流信号,并将采集到的电信号转换为数字信号后发送至母线板；
BIO板用于采集开入量信号，并将采集到的开入量信号发送至母线板，并执行来自母线板的开出信号；
CPU板用于从母线板获取所述电流电压数字信号和所述开入量信号，发送开出信号至开入开出板；并对所述数字信号和所述开入量信号进行分析计算得出电能质量参数和录波启动参数，并根据所述录波启动参数启动录波及将电能质量参数发送至母线板，同时CPU板上的通信口负责与外界进行数据交互；
CPU采用快速测频方法对交流电压信号进行测频处理，方法研究推导傅里叶级数基波实部和基波虚部的表达式，分析得出基波实部导数的过零点与基波虚部的过零点一样的性质。实部和虚部一个周波内的4个过零点恰好对应实部的过零点和极值点共4个点，进行频率实时跟踪，在1/4周波时间测量到最新频率。
MMI板用于人机交互，通过按键操作从背板获取所述电能质量参数，并对所述电能质量参数进行液晶显示，并通过LED灯反应装置相关状态。
在具体实施时：
N块AC板采集电力系统的电压电信号,并将采集到的电信号转换为数字信号后发送至
母线板；BIO板采集开入量信号，并将采集到的开入量信号发送至母线板，N块AC板和BIO板构成多监测通道，解决了检测通道少的问题，能对一些长期性电能质量参数进行监测，提高了电能质量监测的可靠性；CPU板从母线板获取数字信号和开入量信号，发送开出信号至开入开出板；并对数字信号和开入量信号进行分析计算得出电能质量参数和录波启动参数，并根据录波启动参数启动录波及将电能质量参数发送至母线板；同时CPU板上的通信口负责与外界进行数据交互；通过按键操作MMI板从背板获取所述电能质量参数，并对所述电能质量参数进行液晶显示，并通过LED灯反应装置相关状态(有若干LED灯，分别对应“运行”、“告警”、“过压”、“欠压”、“不平衡”、“畸变”等状态，发生了相关的状态，对应的LED灯则会亮起，例如，如果装置正常工作，则代表“运行”的LED灯会一直保持常亮)。同时具备电能质量监测和故障录波的功能，可在场电力系统发生故障时，自动地、准确地记录故障前后过程的各种电气量的变化情况。
需要说明的是，电能质量参数包括但不限于电压、频率、三相不平衡度、电压波动、闪变、谐波及谐波功率等。
参见图2，是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的AC板的一个实施例的结构示意图。如图2所示，交流板包括用于采集电力系统电流电压的信号采集模块a、模拟信号处理模块b、AD采集模块c和可编程逻辑器件d；
信号采集模块a与模拟信号处理模块b连接，模拟信号处理模块b与AD采集模块c连接，AD采集模块c与可编程逻辑器件d连接，可编程逻辑器件d连接至母线板。
其中，交流板的工作过程如下：信号采集模块a对电力系统的电信号进行采集，并将采集到的电信号发送给模拟信号处理模块b进行处理，模拟信号处理模块b将处理后的电信号发送至AD采集模块c，可编程逻辑器件d通过母线板获取CPU板发送的采样同步脉冲，并将其发送至AD采集模块c同步采样，AD采集模块c采样完成后向可编程逻辑器件d发送采样完成信号，可编程逻辑器件d收到采样完成信号后读取采样处理后的数字信号并进行存储，CPU板通过母线板读取所述数字信号。
可编程逻辑器件d采用FPGA。
信号采集模块a包括用于采集电网的电压信号的6个电压互感器和用于采集电网的电流信号的6个电流互感器。
需要说明的是，6个电压互感器和6个电流互感器分别采集被测两组电压的A、B、C三相，以及被测两组电流的A、B、C三相，被测电压和被测电流分别经电压互感器和电流互感器转化为小电压信号后，再经模拟信号处理模块b处理后发送至AD采集模块c。FPGA通过母线板获取CPU板发送的采样同步脉冲，经D触发器滤除毛刺，发送给AD采集模块c同步采样。当FPGA监测到AD采集模块c状态转为空闲，立刻将采样处理后的数字信号从AD采集模块c中读出，存储到自身的双口RAM中，并通过母线板向CPU板发送读取信号，提醒CPU板及时将所述数字信号读走。
参见图3，是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的CPU板的一个实施例的结构示意图。如图3所示，CPU板包括用于从母线板获取数字信号和开入量信号的处理器模块1、用于对数字信号和开入量信号进行分析计算的处理器模块2，存储模块1和存储模块2；
处理器模块1与存储模块1连接，处理器模块2与存储模块2连接，处理器模块1与处理器模块2通信连接。
需要说明的是：处理器模块1从母线板获取数字信号和开入量信号，并将其存储在存储模块1中，处理器模块2读取存储模块1中存储的数字信号和开入量信号，并对所述数字信号(电流、电压的数字信号等)和所述开入量信号进行分析计算得出电能质量参数和录波启动参数，并根据所述录波启动参数启动录波，并将录波数据和电能质量参数存储至存储模块2。
CPU板还包括与外部通信连接的以太网接口模块和RS485接口模块，以太网接口模块和RS485接口模块一侧均与处理器模块2连接。
需要说明的是，以太网接口模块包括3个以太网控制芯片AX88796B和2个RJ45网口用于与外界通信。
处理器模块1为FPGA，处理器模块2为ARM处理器,存储模块1为双口RAM，存储模块1为SD CARD。
其中，FPGA采用芯片EP4CE22，ARM处理器采用芯片STM32F746ZGT6。
频率的跟踪测量是电能质量的检测的关键(电能质量计算方法有多种现有技术，但都需要用到电流、电压信号的波形频率，因此实时监测到变化的频率，是正确计算电流、电压、频率以及各种电能质量参数指标的关键，如果不能实时跟踪频率的变化，后续的一切计算，都是不正确的，因此，可靠的频率跟踪测量，是电能质量各个参数计算的前提)，ARM处理器利用交流电压信号进行频率计算，推导傅里叶级数基波实部和基波虚部的表达式，分析得出基波实部导数的过零点与基波虚部的过零点一样的性质。实部和虚部一个周波内的4个过零点恰好对应实部的过零点和极值点共4个点，进行频率实时跟踪，在1/4周波时间测量到最新频率。
参见图4，是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置快速测频方法流程图。下面详细说明，包括如下步骤：
步骤1.根据傅里叶级数对各待监测录波线路的电流、电压信号进行分解，以获取相应的基波信号，求取基波信号的实部Freal和虚部Fimag；
对于信号x(t)＝Asin(2πft+2πfa)，f为信号的频率，2πfa 2πfa为信号的初相角，对其求傅里级数的基波得：
其中f0为求取傅里叶级数时选取的基波频率，
对于时刻t，信号x(t)的初始相角为2πft+2πfa，因此其傅里叶级数的基波可以表示为：
F＝Freal+jFimag (2)
其中Freal和Fimag分别为傅里叶级数基波的实部和虚部，A为信号的振幅，f为采集到的电压或者电流的波形频率，a为初相角对应的时间：
由式(3)可以看出，信号x(t)傅里叶级数的基波实部和虚部的频率与信号x(t)的频率一样。
步骤2.把基波实部和基波虚部相乘得到信号Fnew
构造一个新信号Fnew＝Freal×Fimag，对信号Fnew进行求解并化简，可以得到
Fnew＝A1A2sin(4πft+4πfa)/2 (4)
假设计算傅里叶基波实部过零点时对应的频率为f，其上一个过零点为计算基波实部的极值点即傅里叶基波虚部的过零点。设由于频率变化导致基波虚部产生的相角差为2πfΔa，这时可以求得Fnew的表达式如下：
步骤3.对信号Fnew求导得到信号Fnew2
Fnew中多了一个直流分量，直流分量的存在将在一定程度上影响过零点的检测精度。为了滤除直流分量，对Fnew求导数可得：
Fnew2＝dFnew/dt＝2πfA1A2 cos(4πft+4πfa+2πfΔa) (6)
步骤4.求取信号Fnew2两个相邻过零点的时间差Δt＝1/(4f)(7)，该时间差即为1/4信号周期。
步骤5.对该时间差乘以4再求倒数得到信号的频率f
x(t)的频率为f＝1/(4Δt)
如图1和图3所示，CPU板还包括人机界面接口模块，人机界面接口模块与处理器模块2连接，人机界面接口模块还连接至母线板；
进一步地，所述MMI板包括液晶模块、按键模块、LED模块，所述液晶模块、按键模块、LED模块连接至母线板。
其中,LED模块主要用于指示装置电源、运行状态、告警和故障等信息。
参见图5，是本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置的BIO板的一个实施例的结构示意图。如图5所示，BIO板包括端子排1、端子排2、开入光耦、开出光耦、继电器驱动模块、继电器和可编程逻辑器件；
端子排1与开入光耦连接，开入光耦与所述可编程逻辑器件连接，可编程逻辑器件与母线板连接，可编程逻辑器件还与开出光耦连接，开出光耦与继电器驱动模块连接，继电器驱动模块与继电器连接，继电器与端子排2连接。
需要说明的是，BIO板主要用于采集线路开关量，比如监测线路开关的分合闸位置信息，开出量主要用于输出装置告警、故障等节点。
本发明提供的电能质量在线监测与故障录波一体化装置及方法，开入开出板用于采集开入量信号至母线板，并接受来自母线板的信号至开出出口；N块交流板用于采集电力系统交流电压电流信号,并将采集到的电信号转换为数字信号后发送至母线板；N块交流板和开入开出板构成的多监测通道，能对一些长期性电能质量参数进行监测，提高了电能质量监测的可靠性；中央处理器板从母线板获取数字信号和开入量信号，根据电压信号，推导傅里叶级数基波实部和基波虚部的表达式，分析得出基波实部导数的过零点与基波虚部的过零点一样的性质。实部和虚部一个周波内的4个过零点恰好对应实部的过零点和极值点共4个点，进行频率实时跟踪，在1/4周波时间测量到最新频率。对数字信号和开入量信号进行分析计算得出电能质量参数和录波启动参数，并根据录波启动参数启动录波及将电能质量参数、开出信息发送至母线板，并通负责与外部系统的通信；面板用于人机交互，获取按键操作信息，从母线板获取电能质量参数，并对电能质量参数进行显示。同时具备电能质量监测和故障录波的功能，提高电能质量监测的可靠性，并且降低了设备制造成本。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，其特征在于，包括：开入开出信号采集单元、交流信号采集单元以及中央处理器单元；所述开入开出信号采集单元、交流信号采集单元以及中央处理器单元均与母线连接；
所述中央处理器单元根据交流信号采集单元采集到的电压电流信号以及开入开出信号采集单元收到的开入量信号得到电能质量参数以及控制录波。
2.根据权利要求1所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，其特征在于：
所述交流信号采集单元包括若干交流板，所述交流板包括依次连接的信号采集模块、模拟信号处理模块、AD采集模块和可编程逻辑器件，可编程逻辑器件和母线相连。
3.根据权利要求2所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，其特征在于：所述可编程逻辑器件采用FPGA。
4.根据权利要求1所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，其特征在于：所述中央处理器单元包括第一处理器单元、第二处理器单元，第一储模块以及第二存储模块；所述第一处理器单元和第一储模块连接，第二处理器单元和第二存储模块连接；第一处理器单元和第二处理器单元均与母线连接。
5.根据权利要1所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，其特征在于：还包括多媒体交互模块，多媒体交互模块通过母线和人机接口模块连接，人机接口模块和中央处理器单元连接。
6.根据权利要1所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置，其特征在于：所述开入开出信号采集单元包括第一端子排、第二端子排、开入光耦、开出光耦、继电器驱动模块、继电器以及继电器可编程逻辑器件；
所述第一端子排与开入光耦、可编程逻辑器件、开出光耦、继电器驱动模块、继电器以及第二端子排依次连接。
7.一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置工作方法，其特征在于，包括：
通过交流信号采集单元采集待监测录波线路的电流及电压信号；
通过开入开出信号采集单元采集待监测录波线路的开关量；
中央处理器单元根据采集到的待监测录波线路的电流及电压信号以及开关量计算得到电能质量参数和录波启动参数；
中央处理器单元根据录波启动参数启动录波。
8.根据权利要求7所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置工作方法，其特征在于，在电能质量参数的计算过程中需要对待监测录波线路的电流、电压信号频率进行实时监测，测量步骤包括：
根据傅里叶级数对各待监测录波线路的电流、电压信号进行分解，以获取相应的基波信号，求取基波信号的实部Freal和虚部Fimag；
根据基波实部Freal和虚部Fimag求得信号频率。
9.根据权利要求8所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置工作方法，所述求取基波信号的实部Freal和虚部Fimag具体为：
对于基波信号：
其中，f0为求取傅里叶级数时选取的基波频率，A1、A2分别为基波信号实部和虚部的幅值，
其中A为信号的振幅，f为采集到的电压或者电流的波形频率，a为初相角对应的时间；
将F表示为F＝Freal+Fimag (2)；
通过式(3)得到基波信号的实部Freal和虚部Fimag
10.根据权利要求9所述的一种电能质量在线监测与故障录波一体化装置工作方法，所述根据基波实部Freal和虚部Fimag求得信号频率具体为：
构造一个新的信号Fnew＝Freal×Fimag，对该信号进行简化得到
Fnew＝A1A2 sin(4πft+4πfa)/2 (4)
假设计算傅里叶基波实部过零点时对应的频率为f，其上一个过零点为计算基波实部的极值点即傅里叶基波虚部的过零点；设由于频率变化导致基波虚部产生的相角差为2πfΔa，这时可以求得Fnew的表达式如下：
对Fnew求导得到Fnew2，
Fnew2＝dFnew/dt＝2πfA1A2 cos(4πft+4πfa+2πfΔa) (6)
求取信号Fnew2两个相邻过零点的时间差Δt＝1/(4f)，通过该时间差得到信号的频率f，如式(7)所示：
f＝1/(4Δt) (7)。
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