數字化變電站全站電能質量在線監測裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，包括信號接入模塊、通用報文解析模塊、電能質量分析處理模塊、信號輸出模塊，其中，所述信號接入模塊，用于接收數字化變電站的電能質量信號，并對所述電能質量信號打上時標后發送給所述通用報文解析模塊；所述通用報文解析模塊，用于對所述信號接入模塊發送的電能質量信號進行解析，然后發送給所述電能質量分析處理模塊；所述電能質量分析處理模塊，用于接收并分析所述通用報文解析模塊發送的解析后的電能質量信號，得到分析結果；所述信號輸出模塊，用于將所述電能質量分析處理模塊得到的分析結果進行輸出。本發明裝置能夠實時監測和預警數字化變電站中電能質量的運行工況，從而完成全站電能質量監測、告警以及綜合評估分析。
【專利說明】數字化變電站全站電能質量在線監測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力系統數字化變電站電能質量【技術領域】，具體涉及到一種基于數字化變電站的全站電能質量在線監測裝置。
【背景技術】
[0002]智能電網是電力系統未來的發展方向，數字化變電站是智能電網的關鍵節點。相對于傳統變電站，數字化變電站有著很大的優勢。數字化變電站采用電子式或光電式互感器實現信號測量，并在二次側直接輸出數字信號通過光纖傳輸至合并單元，數據按照IEC61850-9-l、IEC61850-9-2、IEC60044-8協議打包后，再經光纖實現批量數據傳輸。數字化變電站采用智能開關或智能終端，采用GOOSE報文和光纖以太網傳輸開關量信號。大大提高了信號的可用性和信號的抗干擾能力，更便于數據共享和高級應用功能的開發實現。
[0003]目前，在國外已經建成和投運的數字化變電站中還沒有出現電能質量監測裝置的應用報道；國內部分數字化變電站中已經逐步開始使用數字化電能質量監測裝置，但其解決思想仍如同常規變電站那樣按照間隔回路進行監測裝置配置，不能順應數字化變電站網絡化的二次設備建設需要；同時，這部分裝置普遍存在以下幾個問題:
[0004](I)接入能力不夠，這主要體現在兩個方面:
[0005]硬件平臺性能不足，計算能力不能滿足多監測點接入時的計算需求，而且考慮到后續MU輸出采樣率的提升，對平臺的處理性能要求進一步提高，現有公開裝置無法滿足計算性能的需求。
[0006](2)接入端口不足。目前運行的很多數字化變電站采用點對點接入方式(MU信號不通過交換機直接接入裝置)，或者組網接入時MU較多導致組網復雜，在這些地區，至少需要具備24個光以太網接入口才能滿足全站電能質量信號接入需求。現有公開電能質量監測裝置均無法滿足此接入需求。
[0007](3)無法給出相應的報文錯誤分析。在報文錯誤的情況下依舊分析電能質量指標，這給運行人員造成很大的困擾。運行人員常常需要花費很長時間和精力，從網絡報文分析裝置上分析造成電能質量數據不對的原因，通過人工方式來整合才能進行綜合分析，這不僅給運行、維護、調試和事故檢修帶來不便，還會延長故障排除時間，降低供電質量。
[0008](4)不滿足IEEE1588精密時鐘信號的接入，后續擴展能力不足。
【發明內容】
[0009]有鑒于此，本發明提供了一種數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，能夠實時監測和預警數字化變電站中電能質量的運行工況，從而完成全站電能質量監測、告警以及綜合評估分析。
[0010]本發明提供的一種數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，包括:信號接入模塊、通用報文解析模塊、電能質量分析處理模塊、信號輸出模塊，其中，
[0011]所述信號接入模塊，用于接收數字化變電站的電能質量信號，并對所述電能質量信號打上時標后發送給所述通用報文解析模塊；
[0012]所述通用報文解析模塊，用于對所述信號接入模塊發送的電能質量信號進行解析，然后發送給所述電能質量分析處理模塊
[0013]所述電能質量分析處理模塊，用于接收并分析所述通用報文解析模塊發送的解析后的電能質量信號，得到分析結果；
[0014]所述信號輸出模塊，用于將所述電能質量分析處理模塊得到的分析結果進行輸出。
[0015]所述信號接入模塊包括光以太網接入子模塊、IEC60044-8報文數據接入子模塊以及支持電信號和光信號的對時信號接入子模塊；其中，
[0016]所述光以太網接入子模塊，用于接收包括二次報文信號的IEC61850-9-1規約采樣值報文、IEC61850-9-2規約采樣值報文、GOOSE開關量報文和IEEE1588高精度時鐘報文的電能質量信號；
[0017]所述IEC60044-8報文數據接入子模塊，用于接收包括IEC60044-8以太網報文的
電能質量信號；
[0018]所述對時信號接入子模塊，用于接收GPS的IRIG-B碼對時信號。
[0019]所述通用報文解析模塊，接收用戶的配置文件，基于IEC61850及IEC60044報文編碼規則，對電能質量信號進行報文解析，得到所述配置文件中各個MU控制塊中所選通道的采集量，同時判斷報文是否異常，并將得到的采集量以及判斷出的異常信號傳送給所述電能質量信號處理分析單元，其中，
[0020]所述配置文件，用于描述接入的MU通道配置信息、GOOSE通道配置信息、一次元件配置信息、定值配置信息、裝置基本配置信息等。配置文件是裝置正常運轉、解析報文、分析電能質量指標的前提。
[0021]所述通用報文解析模塊采用FPGA哈希表處理機制，在MAC層攔截非協議報文，大大減少CPU分析平臺的計算負荷，提高裝置整體性能，可作為通用部件適用于其他數字化變電站二次設備裝置。
[0022]當報文出現丟幀、錯序、品質位錯誤、計數無效或采樣值無效時，判斷報文為異常。
[0023]所述電能質量信號處理分析模塊，包括中央處理子模塊和本地存儲子模塊，其中，
[0024]所述中央處理子模塊包括分析計算子模塊、告警子模塊、通信處理子模塊，其中，
[0025]所述分析計算子模塊，用于接收所述通用報文解析模塊發送的采集量信號、異常信號，并進行分析:當接收到報文信號時，首先分析報文信息是否正常，當報文異常時，則計算任務閉鎖，同時發送報文錯誤告警消息至通信子模塊；當報文正常時，則進行電能質量計算，根據10周波數據窗，選用經典傅里葉算法計算所有通道的包括有效值數據、諧波數據、功率數據、不平衡數據在內的電能質量指標數據；在每個計算周期完畢后，發送計算結果至告警子模塊；
[0026]所述告警子模塊，用于接收所述分析計算子模塊發送的計算結果，根據裝置定值配置信息，判斷是否有計算結果告警越限，如果有告警越限產生，則產生告警信息；在每個計算周期完畢后，把包括計算結果和/或告警信息在內的綜合信息分析結果發送至通信處理子模塊；
[0027]所述通信處理子模塊，用于與監控主站系統進行數據交互，實時更新并發送綜合信息分析結果至所述監控主站系統；
[0028]所述本地存儲子模塊，包括FLASH存儲單元、內存單元、EEPROM存儲單元、SATA存儲單元，其中，
[0029]所述FLASH存儲單元，用于存儲裝置應用程序代碼、裝置啟動代碼、FPGA代碼；
[0030]所述內存單元，用于對程序及處理數據進行臨時存儲；
[0031]所述EEPROM存儲單元，用于備份裝置配線，以防硬盤故障時配線丟失導致客戶重新配置參數；
[0032]所述SATA存儲單元，用于存儲穩態電能質量統計數據，暫態電能質量波形數據、日志數據、事件數據，裝置配線參數。
[0033]所述SATA存儲單元，應用原始塊文件系統線性均衡循環存儲。
[0034]所述信息輸出模塊，包括以太網控制器子模塊、信號開出子模塊、LED子模塊、就地顯示子模塊；其中，
[0035]所述以太網控制器子模塊，用于對電能質量信號處理分析模塊的綜合信號分析結果采用以太網方式進行輸出；
[0036]所述信號開出子模塊，用于采用硬接點的方式發出告警信號；
[0037]所述LED子模塊，用于通過LED指示燈顯示所述裝置自身的運行狀態及數字化變電站全站的電能質量狀態；
[0038]所述就地顯示子模塊，用于就地顯示電能質量綜合分析數據，包括實時波形、穩態電能質量數據、歷史事件記錄、歷史波形記錄、配置文件信息等。
[0039]由上述技術方案可知，本發明裝置可以在線運行于數字化變電站的現場中，可實時監測全站電能質量接入信號，必要時預警電能質量指標越限，引導用戶合理、正確的使用電能；同時，本發明能夠把穩態電能質量數據、暫態電能質量數據通過以太網上送至電能質量監測主站，為電能質量分析、評估、治理提供數據支撐和監測手段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0041]圖1為本發明一實施例給出的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置的硬件組成示意圖；
[0042]圖2為本發明一實施例給出的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置的接口布置不意圖；
[0043]圖3為本發明一實施例給出的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置的系統組成示意圖。
【具體實施方式】
[0044]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0045]如圖1所示，本發明一實施例提供的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置包括信號接入模塊1、通用報文解析模塊2、電能質量分析處理模塊3、信號輸出模塊4和電源單元5組成，其中，信號接入模塊I接收數字化變電站的電能質量綜合信號傳送給通用報文解析模塊2，通用報文解析模塊2把解析后的電壓電流采集信號及異常告警信號傳送給電能質量分析處理模塊3 ;電能質量分析處理模塊3對數字化變電站的電能質量信號進行分析；信號輸出模塊4將經過電能質量分析處理模塊3對綜合信號分析后的包括告警信號在內的綜合信號分析結果進行輸出。
[0046]信號接入模塊I包括帶寬為100Mb/s、1000Mb/s的以太網接入子模塊11、IEC60044-8報文數據接入子模塊12，以及支持電信號和光信號的對時信號接入子模塊13 ；以太網接入子模塊11接收二次報文信號的IEC61850-9-1規約采樣值報文、IEC61850-9-2規約采樣值報文、GOOSE開關量報文和IEEE1588高精度時鐘報文；IEC60044_8報文數據接入子模塊12接收IEC60044-8以太網報文；對時信號接入子模塊13接收GPS的IRIG-B碼對時信號；
[0047]通用報文解析模塊2接收信號接入模塊I所傳送的信息，依照參數配置信息解析各個MU控制塊報文，提取所需要的通道信息，并判斷是否有報文幀異常，然后把得到的數據傳送給電能質量分析處理模塊3。所述配置文件，用于描述接入的MU通道配置信息、G00SE通道配置信息、一次元件配置信息、定值配置信息、裝置基本配置信息等。配置文件是裝置正常運轉、解析報文、分析電能質量指標的前提。
[0048]所述通用報文解析模塊，采用FPGA哈希表處理機制，用于智能變電站網絡報文過濾。目前，通用報文過濾機制通過CPU應用軟件判斷協議類型、合并單元的APPID是否正確等機制過濾非協議報文，而這部分邏輯判斷必須占用CPU資源，降低CPU使用效率；而本發明采用的FPGA哈希表處理機制，在MAC層攔截非協議報文，完全不占用CPU資源，提高裝置整體性能。
[0049]所述電能質量信號處理分析模塊3，包括中央處理子模塊31和本地存儲子模塊32，其中，
[0050]所述中央處理子模塊31包括分析計算子模塊、告警子模塊、通信處理子模塊，其中，
[0051]所述分析計算子模塊，用于接收所述通用報文解析模塊發送的采集量信號、異常信號，并進行分析:當接收到報文信號時，首先分析報文信息是否正常，當報文異常時，則計算任務閉鎖，同時發送報文錯誤告警消息至通信處理子模塊；當報文正常時，則進行電能質量計算，根據10周波數據窗，選用經典傅里葉算法計算所有通道的包括有效值數據、諧波數據、功率數據、不平衡數據在內的電能質量指標數據；在每個計算周期完畢后，發送計算結果至告警子模塊；所述告警子模塊，用于接收所述分析計算子模塊發送的計算結果，根據裝置定值配置信息，判斷是否有計算結果告警越限，如果有告警越限產生，則產生告警信息；在每個計算周期完畢后，把包括計算結果和/或告警信息在內的綜合信息分析結果發送至通信處理子模塊；所述通信處理子模塊，用于與監控主站系統進行數據交互，實時更新并發送綜合信息分析結果至所述監控主站系統；[0052]所述本地存儲子模塊，包括FLASH存儲單元33、內存單元32、EEPR0M存儲單元34、SATA存儲單元35，其中，
[0053]FLASH存儲單元33用于存儲程序代碼，內存單元32用于對程序及處理數據進行臨時存儲，EEPROM存儲單元34用于備份裝置配線，以防硬盤故障時配線丟失導致客戶重新配置參數，SATA存儲單元35用于存儲穩態電能質量PQDIF數據，暫態電能質量C0MTRADE數據，日志數據、事件數據，裝置配線參數等等。電能質量分析處理模塊3將中央處理子模塊31得到的處理結果發送給信號輸出模塊4。
[0054]信號輸出模塊4包括以太網控制子模塊41、信號開出子模塊42、LED子模塊43和就地顯示子模塊44，均與電能質量分析處理模塊3電連接；其中，以太網控制子模塊41將經過電能質量分析處理模塊3對數字化變電站的綜合信號分析后的綜合信號分析結果采用太網方式對外通信導出數據；信號開出子模塊42采用硬接點的方式發出告警信號；LED子模塊43通過LED指示燈指示用于數字化變電站的全站電能質量在線裝置的工作狀態及系統電能質量狀況；就地顯示子模塊44用于顯示電能質量監測信息，包括實時波形、分析電壓電流有效值、諧波總畸變率，2-39次諧波含有率、含有量，母線線路三相不平衡度，正、負零序值、電壓波動，閃變值等完善的監測功能，并提供電壓電流通道突變量告警、頻率偏差告警、電壓電流偏差告警、三相電壓不平衡告警、電壓閃變告警、電壓電流諧波總畸變率告警、各次諧波告警、正負零序告警、電壓驟升、驟降、短時中斷事件告警、電壓瞬變告警等。
[0055]電源模塊5用于給其他單元提供電源支持，輸入提供兩種規格支持:
[0056]交流電壓:220V (頻率50Hz，變化范圍80%~120%額定電壓值)；
[0057]直流電壓:2 20V和IlOV(變化范圍80%~115%，紋波系數≤5% )0
[0058]信號接入后，本實施例的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置主要提供以下功能:
[0059](I)電能質量指標監測功能:
[0060]可實時監測系統頻率值、頻率偏差。
[0061]可實時監測電壓電流基波有效值、三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因素.[0062]可實時監測電壓電流諧波及間諧波含有率、含有量、諧波總畸變率THD值、各次諧波電壓、各次諧波電流、各次諧波電壓畸變率、各次電流諧波畸變率、總電壓諧波畸變率、總電流諧波畸變率次數2~40次(4K采樣率下)，間諧波監測分辨率達5Hz。
[0063]可實時監測各次諧波相位、總諧波有功功率、總諧波無功功率、各次諧波有功功率、各次諧波無功功率、諧波功率方向、三相視在功率因素、三相有功功率因素、三相無功功率因素、真功率因素。
[0064]可實時監測電壓、電流三相不平衡度。
[0065]可實時監測電壓波動、短時間電壓閃變Pst和長時間電壓閃變Plt值。
[0066]可實時監測電壓驟降、驟升、短時中斷事件。
[0067](2)告警功能
[0068]報文告警功能:可實時監測和預警數字化變電站二次網絡系統的異常和故障，包括丟包、錯序、重復、延遲、中斷、編碼無效、采樣異常、同步異常、配置無效等。
[0069]電能質量指標越限告警功能:本發明的監測裝置能夠對連續監測的電能質量指標進行判斷，能夠設置被測裝置的指標限值，當實測指標超過限值時，能夠提供指標越限記錄，記錄越限的指標名稱、幅值、時間、相別等。指標越限包括:電壓有效值越限、電流有效值越上限、頻率越限、諧波越限、三相不平衡度越限、電壓波動和閃變越限。
[0070](3)穩態數據存儲功能
[0071]本發明的監測裝置能夠記錄各種基本的電能質量指標和參數；電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、諧波監測的數據能以固定的記錄周期(測量的間隔時間)在監測裝置中存儲，記錄周期可以整定。
[0072](4)統計分析功能
[0073]圖形輸出功能。可形成各種參數任意時段的變化趨勢圖并可局部縮放。
[0074]報表輸出功能。報表系統具有用戶自定制的報表自動生成功能，且滿足多地區、多監測點、任意時間間隔、多指標內容(應包括:電壓有效值、電流有效值、諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、各次諧波電壓含有率、各次諧波電流有效值、三相電壓不平衡度、三相電流不平衡度、頻率、電壓長時間閃變、電壓短時間閃變、有功功率、無功功率、視在功率、功率因素最大值、最小值、平均值、95%概率值)的選擇，并以Word、Excel等格式導出。
[0075]諧波分析功能。除常規曲線、報表分析外，提供諧波越限統計報表分析等功能。
[0076](5)支持數字化變電站中 ffiC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8 電壓電流信號的接入；支持GOOSE開關量信號的接入；支持IEEE1588高精度時鐘信號(PTP)的接入；
[0077]本發明裝置的各個組成部分的對應硬件可以設計成7個背插式插件結構，其插件接口圖如圖2所示，可根據現場需要靈活組合配置，插件功能設計見下表:
[0078]
【權利要求】
1.一種數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，所述裝置包括信號接入模塊、通用報文解析模塊、電能質量分析處理模塊、信號輸出模塊，其中， 所述信號接入模塊，用于接收數字化變電站的電能質量信號，并對所述電能質量信號打上時標后發送給所述通用報文解析模塊； 所述通用報文解析模塊，用于對所述信號接入模塊發送的電能質量信號進行解析，然后發送給所述電能質量分析處理模塊； 所述電能質量分析處理模塊，用于接收并分析所述通用報文解析模塊發送的解析后的電能質量信號，得到分析結果； 所述信號輸出模塊，用于將所述電能質量分析處理模塊得到的分析結果進行輸出。
2.根據權利要求1所述的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，所述信號接入模塊包括光以太網接入子模塊、IEC60044-8報文數據接入子模塊以及支持電信號和光信號的對時信號接入子模塊；其中， 所述光以太網接入子模塊，用于接收包括二次報文信號的IEC61850-9-1規約采樣值報文、IEC61850-9-2規約采樣值報文、GOOSE開關量報文和IEEE1588高精度時鐘報文的電能質量信號； 所述IEC60044-8報文數據接入子模塊，用于接收包括IEC60044-8以太網報文的電能質量信號； 所述對時信號接入子模塊，用于接收GPS的IRIG-B碼對時信號。
3.根據權利要求1所述的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，所述通用報文解析模塊，接收用戶的配置文件，基于IEC61850及IEC60044報文編碼規則，對電能質量信號進行報文解析，得到所述配置文件中各個MU控制塊中所選通道的采集量，同時判斷報文是否異常，并將得到的采集量以及判斷出的異常信號傳送給所述電能質量信號處理分析單元，其中， 所述配置文件，用于描述接入的MU通道配置信息、GOOSE通道配置信息、一次元件配置信息、定值配置信息、裝置基本配置信息。
4.根據權利要求3所述的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，所述通用報文解析模塊采用FPGA哈希表處理機制，在MAC層攔截非協議報文。
5.根據權利要求3所述的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，當報文出現丟幀、錯序、品質位錯誤、計數無效或采樣值無效時，判斷報文為異常。
6.根據權利要求1所述的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，所述電能質量信號處理分析模塊，包括中央處理子模塊和本地存儲子模塊，其中， 所述中央處理子模塊包括分析計算子模塊、告警子模塊、通信處理子模塊，其中， 所述分析計算子模塊，用于接收所述通用報文解析模塊發送的采集量信號、異常信號，并進行分析:當接收到報文信號時，首先分析報文信息是否正常，當報文異常時，則計算任務閉鎖，同時發送報文錯誤告警消息至通信處理子模塊；當報文正常時，則進行電能質量計算，根據10周波數據窗，選用經典傅里葉算法計算所有通道的包括有效值數據、諧波數據、功率數據、不平衡數據在內的電能質量指標數據；在每個計算周期完畢后，發送計算結果至告警子模塊； 所述告警子模塊，用于接收所述分析計算子模塊發送的計算結果，根據裝置定值配置信息，判斷是否有計算結果告警越限，如果有告警越限產生，則產生告警信息；在每個計算周期完畢后，把包括計算結果和/或告警信息在內的綜合信息分析結果發送至通信處理子模塊； 所 述通信處理子模塊，用于與監控主站系統進行數據交互，實時更新并發送綜合信息分析結果至所述監控主站系統； 所述本地存儲子模塊，包括FLASH存儲單元、內存單元、EEPROM存儲單元、SATA存儲單元，其中， 所述FLASH存儲單元，用于存儲裝置應用程序代碼、裝置啟動代碼、FPGA代碼； 所述內存單元，用于對程序及處理數據進行臨時存儲； 所述EEPROM存儲單元，用于備份裝置配線，以防硬盤故障時配線丟失導致客戶重新配置參數； 所述SATA存儲單元，用于存儲穩態電能質量統計數據，暫態電能質量波形數據、日志數據、事件數據，裝置配線參數。
7.根據權利要求6所述的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，所述SATA存儲單元，采用原始塊文件系統線性均衡循環存儲。
8.根據權利要求1所述的數字化變電站全站電能質量在線監測裝置，其特征在于，所述信息輸出模塊，包括以太網控制器子模塊、信號開出子模塊、LED子模塊、就地顯示子模塊;其中， 所述以太網控制器子模塊，用于對電能質量信號處理分析模塊的綜合信號分析結果采用以太網方式進行輸出； 所述信號開出子模塊，用于采用硬接點的方式發出告警信號； 所述LED子模塊，用于通過LED指示燈顯示所述裝置自身的運行狀態及數字化變電站全站的電能質量狀態； 所述就地顯示子模塊，用于就地顯示電能質量綜合分析數據，包括實時波形、穩態電能質量數據、歷史事件記錄、歷史波形記錄、配置文件信息。
【文檔編號】G01R31/00GK103995193SQ201410180543
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】徐長寶, 高吉普, 王宇, 肖小兵, 熊少華, 馮維剛, 袁泉 申請人:貴州電力試驗研究院, 武漢中元華電科技股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
