CN201413572Y - 电力系统监测装置 - Google Patents

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黄殿勋
庞可
曹志民
王鹏
罗彦
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Abstract

本实用新型公开了一种电力系统监控装置,它包括数据采集单元、至少两个数据应用层的功能应用单元和监控主站。其中,数据采集单元包括模拟量数据采集模块、开关量数据采集模块、卫星同步模块和光纤数据通讯接口电路;数据应用层的功能应用单元与数据采集单元相连接,从数据采集单元中获取采样数据,进行分析处理,并把结果均发送至监控主站。本实用新型把目前广泛使用的相量监测、故障录波和行波测距等功能有机集成到一个监测装置中,硬件平台的选取上兼顾其未来在实现IEC61850通讯协议体系时的扩展性需求,实现对电力系统运行状态全过程监测,一个设备实现了原来三套设备才能实现的功能,减少了二次接线,大大降低了成本和资产投入。

Description

电力系统监测装置
技术领域
本实用新型属于电力系统监测技术,具体地说是涉及一种将多种监测功能 集成到一个装置上的监测装置。 背景技术
随着全国同步互联电网初步形成,面对规模如此庞大的交流弱联系和交直 流混合大电网,电网动态特性日趋复杂、电网的故障定位、故障分析监测、动
态特性分析变得更为重要;随着计算机技术、通信技术和数学工具的迅速发展, 电力系统监测技术也取得了长足的进步,为电力系统的实时稳定监测与控制提 供了强有力的手段。大量的电力系统相量测量装置、故障录波装置、行波测距 装置在电力系统生产一线得到了应用。
电力系统相量测量装置PMU主要用于测量电压及电流的相量等数据,并传 送到主站,以供实时监测、保护和控制等使用。基于PMU的广域测量技术成为 目前电力系统动态监控领域的基石。电力系统广域测量技术的发展,使得电网 运行人员可以随时迅速得到电网各重要节点的电压和相角的精确信息,实现对 电力系统的在线安全评估和广域控制,从而可以对异常情况及时采取防护性和 校正性措施,使故障扰动的影响最小化。电力系统广域测量技术,对于电力系 统的静态、动态分析和运行控制、电力系统继电保护、电力电子装备控制、能 量管理系统EMS等,都有很好的应用前景。
故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录的一种装置,它可以 记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、 电压及其导出量,如有功、无功及系统频率的全过程变化现象。主要用于检测 继电保护与安全自动装置的动作行为,分析事故形成原因及发展过程,了解系 统暂态过程中系统各电参量的变化规律,校核电力系统计算程序及模型参数的 正确性。多年来,故障录波已成为分析系统故障的重要依据。故障录波装置也 成为电力系统建设的标准配置。
故障测距装置采用小波变换技术和高速采样技术,通过线路两端的实测电 流、电压及线路阻抗参数来计算出故障点的精确位置的装置。该装置在线路上 发生故障时能迅速的测量判断发生故障的位置,减少线路巡査的工作量,为现 场工作人员尽快消除故障缺陷,迅速恢复系统供电,减少因停电造成的综合经 济损失提供强有力的帮助,从而节约大量的人力、物力。
这些设备目前都已在电力系统中获得了广泛的应用,但是,这些设备都存在功能单一的特点。如图1所示,电网中的各个传感器获取运行状态信号后, 均需要分别发送给三个监控装置。在实际中,故障录波装置除故障录波功能外,
一般都具备故障测距功能,但由于原理的缺陷其测距误差范围在3%以内,而新 型的电力系统故障测距装置则能达到误差小于500米的指标。相量测量装置一 般具备暂态录波功能,但目前的通讯协议并未对暂态录波数据的传输协议做出 明确的规定,相量测量装置也未为故障录波提供实用性的功能,如数据分析、 管理、故障信息汇总等。同时由于每个装置都要单独组屏,接线,这不但造成 了大量重复的硬件投资,也造成现场二次接线的复杂程度。实际上,上述装置 都属于典型的电力系统监测设备,其在设计实现上有很多的相似或者相同之处, 在硬件结构上都是需要对现场的线路二次PT、 CT数据进行高速采集,在功能 实现是也都是采用相似的设计层次结构。基于这些设备的大量使用以及其在设 计实现上的许多相似相同之处,有必要研制新一代的多功能电力系统分布式监 测装置。该装置集成PMU,故障录波装置和故障测距装置的功能,实现对变电 站、电厂的分布式监测。 实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能同时进行故障录波、行波测距和相量测量 的电力系统监测装置。
为实现上述目的,本实用新型采取以下技术方案:它包括:
数据采集单元,它包括模拟量数据采集模块、开关量数据采集模块、卫星 同步模块和光纤数据通讯接口电路,其中,卫星同步模块与模拟量数据采集模 块和开关量数据采集模块相连接,模拟量数据采集模块和开关量数据采集模块 的输出端与光纤数据通讯接口电路相连接;
至少两个数据应用层的功能应用单元,其与数据采集单元相连接,从数据 采集单元中获取采样数据,分别进行分析处理,并把处理的结果均发送至监控 主站;
监控主站,其分别与数据采集单元和数据应用层的功能应用单元相连接, 它对从功能应用单元获取的处理结果进行实时显示,并对数据采集单元和功能 应用单元进行参数配置。
其中,数据采集单元中设有主机插件板,所述的模拟量数据采集模块和开 关量数据采集模块均以插件板的形式与主机插件板相连接。
上述的数据应用层包括相量监测功能应用单元、故障录波功能应用单元和 行波测距功能应用单元中的至少两个。
上述的故障录波功能应用单元包括DSPS、 DSPB两个处理器和一个ARM处理器,ARM处理器分别与DSPS处理器和DSPB处理器相连接。
采用上述技术方案的本实用新型,把目前广泛使用的相量监测、故障录波 和行波测距等功能有机集成到一个监测装置中,利用高速同步数据采集技术、 变频采样技术、实时网络通信技术、光CT/PT的接口技术、多CPU协调工作技 术,同时硬件平台的选取上兼顾其未来在实现IEC61850通讯协议体系时的扩展 性需求,实现对电力系统运行状态全过程监测, 一个设备实现了原来三套设备 才能实现的功能,减少了二次接线,大大降低了维护成本和资产投入。在硬件 平台方面,高速同步数据采集技术提供带时标的数据流,通过1G的光纤高速输 出到各应用单元,满足行波测距、故障录波和相量测量的需求。变频采样解决 了高速采样与有限缓冲区间的矛盾。实时网络通信确保了功能应用单元具有良 好的远程通信功能。多处理器协调技术充分发挥各处理器的特点,各个处理器 之间分工协作,是整个一体化监测硬件平台能够高效运转的基础。 附图说明
图1为传统技术中电力系统二次测量设备不同应用的数据码流示意图;
图2为本实用新型中电力系统二次测量设备不同应用的数据码流示意图;
图3为本实用新型的整体架构示意图;
图4为本实用新型中数据采集单元的硬件原理图;
图5为本实用新型中数据采集单元的机箱原理框图;
图6为本实用新型中功能应用单元的构成框图;
图7为本实用新型中故障录波功能应用单元的原理框图。
具体实施方式
实施例1
本实用新型包括数据采集单元、至少两个数据应用层的功能应用单元和监 控主站。具体地说,
数据采集单元,它包括模拟量数据采集模块、开关量数据采集模块、卫星 同步模块和光纤数据通讯接口电路,其中,卫星同步模块与模拟量数据采集模 块和开关量数据采集模块相连接,模拟量数据采集模块和开关量数据采集模块 的输出端通过内部数据采集总线与光纤数据通讯接口电路相连接。如图4、图5 所示,数据采集单元中设有主机插件板,模拟量数据采集模块和开关量数据釆 集模块均以插件板的形式与主机插件板相连接,这样,可根据变电站的容量、 规模进行扩展。需要说明的是,数据采集单元应按照电气间隔布置,以满足不 同启动条件下的录波协调启动。如图5所示,电源插件板为数据采集单元提供 5V/24V/士15V供电电源,24V为外部电源,用于开关量输入的电源供电。主机插件板采用嵌入式系统设计,完成数据采集任务的关键电路板。主机插件板提
供外部接口包括:RJ45网络接口1个,支持TCP/IP网络协议,用于后台监控、 参数设置、软件下载等功能;DB9串行接口: l个,用于装置调试、测试及备用 支持103/101或其它通讯协议;GPS天线信号输入接口 l个,采用SMA接口方 式,用于数据采集的时钟同步;1G光纤数据输出接口4个,可同时将采集数据 传送到4台应用单元。
数据采集及开关量输入接口插件板1或2块,其中每块板为系统提供24路 模拟量A/D转换功能扩展, 一个机箱最多提供48路模拟量输入;同时每块板还 可以提供32路开关量输入通道, 一个机箱最多提供64路开关量输入。
开关量输出板提供8路空接点开关量输出,实现报警、PT断线、故障等报 警功能。备用插槽,用于系统扩容。
模拟量输入变换器插件板1〜4块,每块板提供12路模拟量信号变换输入, 一个机箱最多配置48路模拟量输入。每两个模拟量输入变换器插件板对应一个 数据采集控制及开关量输入接口插件板。
在本实施例中,数据应用层的功能应用单元包括相量监测功能应用单元、 故障录波功能应用单元和行波测距功能应用单元,他们均与数据采集单元相连 接,从数据采集单元中获取采样数据,分别进行分析处理,并把处理的结果均 发送至监控主站。同时为实现装置硬件结构的标准化,所有的功能应用单元军 采用完全相同的硬件平台,由三个板卡构成,电源板、主机板、信号输出板, 如图6所示,而三者安装不同的软件完成不同的应用功能。由于系统采用分布 式结构设计,功能应用单元不再承担数据采集任务,体积大大縮小,成本相对 降低。
具体地讲,电源供电插件为一块竖插电路板。由于功能应用单元采用嵌入 式硬件结构设计,电源需求相对减少,仅需要5V/2A供电,从而简化了电源供 电电路的设计。
功能应用单元的主机板插件为一块横插电路板,它采用ARM+DSP多CPU 结构设计,外部接口包括:RJ45网络接口 l个,支持TCP/IP网络协议,用于后 台监控、参数设置、软件下载等功能;串行接口: 2个,用于装置调试、观!l试及 备用支持103/101或其它通讯协议;CAN总线接口 1个,备用用于站内与其它 设备数据通讯。以故障录波功能应用单元为例,它包括DSPS、 DSPB两个处理 器和一个ARM处理器,ARM处理器分别与DSPS处理器和DSPB处理器相连 接,其中,DSPS处理器对录波数据进行存储,DSPB处理器接收数据采集单元 发送来的原始测量数据并进行故障录波的触发判断,当条件满足时,向ARM处理器产生触发录波中断;ARM处理器接收DSPB处理器的触发录波信息后,根 据触发时间信息找到录波数据并形成录波文件,然后将所述的录波文件发送给 监控主站。
功能应用单元的开关量输入输出插件为一块横插电路板,它提供IO个开关 量输入和8个开关量输出信号。而开关量输出信号包括装置失电告警信号、数 据接收中断告警信号,预留6个控制接点输出。
监控主站,其分别通过网络交换机与数据采集单元和数据应用层的功能应
用单元进行通讯,它对从功能应用单元获取的处理结果进行实时显示,并对数 据采集单元和功能应用单元进行参数配置。
本实用新型的工作原理是:
位于电网中的传感器实时获取电力系统的运行状态信号,然后数据采集单 元以GPS卫星同步时钟的秒脉冲信号作为采样基准信号,对电力系统二次测量 设备的运行状态信号进行采样。上述的电网中的传感器主要是指电流/电压互感 器,如果需要监测大型火力发电厂或大型变电站,还需要监测鉴相信号和发电 机的转速信号等等。在上述的技术中,GPS同步技术是控制相量测量角度误差 和故障录波站间同步的关键。接着,数据采集单元把采集到的数据通过1G的光 纤通讯接口电路输出到数据应用层的各个功能应用单元。在本实施例中,上述 的功能应用单元包括相量监测功能应用单元、故障录波功能应用单元和行波测 距功能应用单元。各个功能应用单元面向应用对获得的数据分别进行分析处理, 并把处理的结果发送给监控主站。监控主站完成数据采集单元的采样速率、采 样通道数、通信参数的配置,同时完成各个功能应用单元的零漂校正、修正系 数校正、通道参数和网络通信等参数配置,实时信息显示、故障录波暂态数据 分析和阻抗测距功能。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是,在本实施例中,卫星同步时钟为北斗卫星 时钟源,且数据釆集单元内置北斗模块,北斗模块接收北斗一代信号并解码产 生1PPS秒脉冲信号,数据采集单元利用1PPS秒脉冲信号进行同步对时;同时 实时测量采样时钟源的频率,并将该频率作为下一秒的采样时钟源进行分频。 上述的北斗模块为本领域普通技术人员所熟知的技术。
其他技术特征与实施例l相同。
实施例3
本实施例与实施例1不同的是,在本实施例中,数据应用层的功能应用单 元由故障录波功能应用单元和相量监测功能应用单元这二者构成。
7其他技术特征与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1不同的是,在本实施例中,数据应用层的功能应用单 元由故障录波功能应用单元和行波测距功能应用单元这二者构成。 其他技术特征与实施例1相同。 实施例5
本实施例与实施例1不同的是,在本实施例中,数据应用层的功能应用单 元由相量测量功能应用单元和行波测距功能应用单元这二者构成。 其他技术特征与实施例1相同。

Claims (4)

1、一种电力系统监测装置,其特征在于,它包括: 数据采集单元,它包括模拟量数据采集模块、开关量数据采集模块、卫星同步模块和光纤数据通讯接口电路,其中,卫星同步模块与模拟量数据采集模块和开关量数据采集模块相连接,模拟量数据采集模块和开关量数据采集模块的输出端与光纤数据通讯接口电路相连接; 至少两个数据应用层的功能应用单元,其与数据采集单元相连接,从数据采集单元中获取采样数据,分别进行分析处理,并把处理的结果均发送至监控主站; 监控主站,其分别与数据采集单元和数据应用层的功能应用单元相连接,它对从功能应用单元获取的处理结果进行实时显示,并对数据采集单元和功能应用单元进行参数配置。
2、 根据权利要求l所述的电力系统监测装置,其特征在于:数据采集单元 中设有主机插件板,所述的模拟量数据采集模块和开关量数据采集模块均以插 件板的形式与主机插件板相连接。
3、 根据权利要求l所述的电力系统监测装置,其特征在于:所述的数据应 用层包括相量监测功能应用单元、故障录波功能应用单元和行波测距功能应用 单元中的至少两个。
4、 根据权利要求3所述的电力系统监测装置,其特征在于:所述的故障录 波功能应用单元包括DSPS、 DSPB两个处理器和一个ARM处理器,ARM处理 器分别与DSPS处理器和DSPB处理器相连接。
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