CN101334439A - 一种电网数据综合采集方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有电参量三态数据：稳态数据、故障录波数据、动态数据综合采集方法及装置，其特征在于它是由高精度对时和同步采样脉冲模块、交流信号调理模块、A/D采样模块、直流信号调理模块、压频转换模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和高速网络通讯模块等组成。本发明的优越性：使用高精度对时模块、高性能的信号处理和通讯技术，实现电参量三态数据同步采集，完成监控、故障录波、相角测量、电能质量分析等功能，提高了数据处理能力和采样精度；提高了变电站自动化***的实时性，简化了变电站自动化***二次设备设计、制造、投运工作，极大地降低变电站的建设成本及维护成本。

Description

一种电网数据综合采集方法及装置
技术领域
本发明属于电力***自动化***信号采集领域，是为简化变电站自动化***二次设备设计、制造、投运和维护工作，提高数据采集速度、处理精度及提高信息传输速度的电参量三态数据综合采集技术。
背景技术
目前，电力***自动化***测控装置采集的是基于潮流水平上的稳态电参量，不能监测和辨识电力***的动态行为，以其为基础的SCADA(数据采集与监视控制***)***不足以支持电力***安全稳定运行。这是由于SCADA***只能提供稳态的、低采样密度的、不同步的电网时间断面信息，调度中心不能根据这些信息跟踪***的发展轨迹，准确掌握***运行的动态情况。
现有电力***故障录波装置用来自动记录由短路故障、***振荡、电压崩溃、频率崩溃等电力***大扰动引起的电流、电压及其导出量，同时记录继电保护和安全自动装置的动作行为。由于缺少全局算法和实时的通信联系，也无法实时观测和监督电力***的动态行为。
电网动态监测的核心思想是：基于GPS(全球定位***)的高精度时钟同步，采集广域电网的实时运行参数--相量，借助于高速通信网络将分散的相量数据集中起来；得到电网全局性的时空坐标下的动态信息，通过EMS(能量管理***)***及安全自动控制***的联接；从而实现对***动态过程的实时监测和控制，提高电网的自动控制和安全稳定水平，为在线暂态稳定分析方法带来了新的思路。
随着计算机软、硬技术和通信技术以及数字信号处理技术的飞速发展，尤其是广域电力信息网络的建立和GPS全网同步技术的出现，实现电参量三态数据综合采集已成为可能。本发明将实现电网三态数据：稳态数据、故障录波数据、动态数据综合采集。
发明内容
本发明的目的在于简化变电站自动化***二次设备设计、制造、投运和维护工作，提高数据采集速度、处理精度及提高信息传输速度，实现电参量三态数据综合采集。
本发明的技术方案：一种具有电参量三态数据综合采集装置，所述三态数据分别为：稳态数据、故障录波数据和动态数据，该装置包括高精度对时和同步采样脉冲模块、交流信号调理模块、A/D采样模块、直流信号调理模块、压频转换模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和高速网络通讯模块：
交流测量信号、保护信号经交流信号调理模块的互感器回路、低通滤波及放大回路后，转换成0-5V的电压信号，输入到A/D采样模块。在高精度对时模块和同步采样脉冲模块的控制下完成高速采样，A/D交流采样模块将采样信息输出到信号处理模块；
直流信号经直流信号调理模块的滤波回路后，转换成0-5V的直流电压信号，输入至压频转换模块。在压频转换器中输入的电压信号转换为频率信号，并将转换后的频率信号输入至信号处理模块；
开关量信号经开关量信号调理模块把变电站现场设备机械触点等状态信号转换成数字量信号，并输入至信号处理模块；
在所述信号处理装置中，对采集的信号进行稳态数据、故障录波数据、动态数据计算，通过高速网络通讯模块传输到后台***，同时故障录波数据通过双口RAM模块存储在录波模块中。装置采用高性能的PowerPc通讯处理模块，该单片嵌入式微处理器集成了2个处理单元：一个嵌入式PowerPc核与一个精减指令集(RISC)的通讯处理模块(CPM)。比传统设计更大的降低功耗，提供更加平衡的处理能力和通信能力，并提供2个百兆以太网接口和2个千兆以太网接口。
高精度对时和同步采样脉冲模块：采用FPGA(现场可编程门阵列)为处理芯片设计而成，FPGA具有比CPLD(复杂可编程逻辑器件)更快的处理速度，而且支持差分信号输入。本电路接受GPS IRIG-B(B码)差分或1PPM(分脉冲)、1PPS(秒脉冲)光纤脉冲对时信号，输出5k、10k高速同步采样脉冲和GPS对时时标，时钟误差不大于1uS。采样脉冲和秒脉冲之间的时间误差只有20-30nS。
通过交流信号调理模块及A/D采样模块采样：可同时采集16路交流信号。交流信号输入回路采用采用新型毫安级精密互感器，其导磁材料采用坡莫合金材料，具有较高的磁导率，较低的矫顽力，较低的损耗及良好的稳定性。互感器的体积小、精度高、温度特性好。交流信号经交流信号调理模块的抗混叠低通滤波器后，输入到A/D采样模块。A/D转换电路采用16位高精度A/D转换芯片。芯片采样的各路通道同步采样，内部采用流水线结构，八路通道同时转换只需要3.7微秒即可完成。交流信号采样率最高可到10k。
通过直流信号调理模块及压频转换采样：采用压频转换电路，能够进行直流信号的隔离采样，抗干扰能力强，精度高，可以兼容测量0-5V信号或4-20mA信号。
通过开关量信号调理模块，把变电站现场设备机械触点等状态信号转换成数字量信号：开关量信号反应变电站内设备的工况及保护的动作情况等，是变电站自动化***中非常重要的信号。由于开关量信号的信号电缆需要引至设备现场，因此容易引入干扰。将开关量信号电平提高到220V或110V，采样稳压管门槛电路和滤波电路，对输入信号进行门槛限制和滤波，大量滤除了干扰信号，减轻了对CPU(中央处理器)负载的压力。采用光耦隔离电路，隔离了强电信号对数字弱电***的干扰。同时，提高开关量信号电平至220V或110V，可克服因继电器触点氧化造成的接触不良现象。软件上采用滤波算法，装置既能滤除强电磁干扰而发生较长时间抖动，又能在信号变位时自动正确捕捉变位时间，保证SOE(事件顺序)时标精度达到1毫秒。
高速同步采样：信号处理模块中使用高速同步采样技术减少频谱泄露和栅栏效应对测量的影响；在高速同步采样的基础上，采用软件滤波算法，当***频率偏移额定频率时，计算频率偏差，并应用递推算法，修正频率偏差引起的误差，从而保证频率和相量测量精度。
信号处理：信号处理模块采用32位高速DSP(数字信号处理)处理器，主频达150MHz。具有哈佛(Harvard)结构、八级流水线结构、专用的硬件乘法器和快速的指令周期。能够高速进行数字信号处理。数字信号采用高阶数字滤波算法和快速傅立叶算法进行信号处理和计算。
录波模块：采用大容量故障录波模块进行故障录波，录波文件以COMTRADE(暂态数据转换标准)文件格式存放在大容量USB(通用串行总线)接口的NANDFLASH存储器中。NAND FLASH具有较高的存储性能，可以象磁盘一样通过接口轻松升级，是高密度数据存储的理想解决方案。
高速网络通讯模块：采用高性能的PowerPc通讯处理模块。在单片嵌入式微处理器集成了2个处理单元：一个嵌入式PowerPc核与一个精减指令集(RISC)的通讯处理模块(CPM)。比传统设计更大的降低功耗，提供更加平衡的处理能力和通信能力，并提供2个百兆以太网接口和2个千兆以太网接口。
本发明的优越性和技术效果在于：使用高精度对时电路、高性能的信号处理和通讯技术，实现电参量三态数据同步采集，完成监控、故障录波、相角测量、电能质量分析等功能，提高了数据处理能力和采样精度；提高了变电站自动化***的实时性，简化了变电站自动化***二次设备设计、制造、投运工作，极大地降低变电站的建设成本及维护成本。
附图说明
图1为电参量三态数据综合采样技术的原理框图；
图2所示为高精度对时和同步采样脉冲软件流程框图；
图3为大容量录波模块与高速网络通讯模块原理框图。
具体实施方式
本发明的优选实例是采用电参量三态数据综合采样技术实现的特高压变电站综合测控装置。该测控装置是以特高压变电站内一条线路或一台主变为监控对象的智能监控设备。它既采集本间隔的实时信号，又可与本间隔内的其他智能设备通讯，同时通过高速以太网与站级计算机***相连，构成面向对象的变电站自动化***。
如图1所示为本发明所公开的电参量三态数据综合采样技术的原理框图，该测控装置由高精度对时和同步采样脉冲模块、交流信号调理模块、直流信号调理模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和高速网络通讯模块等组成。
交流测量信号、保护信号经交流信号调理模块信号转换后，输入到采样模块，在高精度对时和同步采样脉冲模块的控制下完成高速采样，交流采样信息输出到信号处理模块，进行稳态数据、故障录波数据、动态数据计算，通过高速网络通讯模块传输到后台***，故障数据同时存储在录波模块中。在交流信号采集的同时，还进行开关量、直流信号高速采样。
高精度对时和同步采样脉冲模块采用FPGA可编程器件，接受GPS
IRIG-B差分或1PPM、1PPS光纤脉冲对时信号，输出5k、10k高速同步采样脉冲和GPS对时时标，时钟误差不大于1uS。采样脉冲和秒脉冲之间的时间误差只有20-30nS。
交流信号调理及采样模块可同时采集16路交流信号。交流信号输入回路采用采用新型毫安级精密互感器，体积小、精度高、温度特性好。交流信号经互感器变换后经过模拟抗混叠低通滤波器输入A/D转换电路。A/D转换电路采用16位高精度A/D转换芯片。交流信号采样率最高可到10k。
直流信号调理模块采用压频转换电路，进行直流信号的隔离采样，抗干扰能力强，精度高，可以兼容测量0-5V信号或4-20mA信号。
开关量信号调理模块可采集96路开关量信号，反应变电站内设备的工况及保护的动作情况等。开关量信号信号电平为220V或110V，采用稳压管门槛电路和滤波电路，对输入信号进行门槛限制和滤波，大量滤除了干扰信号，减轻了对CPU负载的压力。采用光耦隔离电路，隔离了强电信号对数字弱电***的干扰。
采用32位主频为150MHz高速DSP处理器，进行高速同步采样技术和信号处理，减少了频谱泄露和栅栏效应对测量的影响。在高速同步采样的基础上，采用软件滤波算法，当***频率偏移额定频率时，计算频率偏差，并应用递推算法，修正频率偏差引起的误差，从而保证频率和相量测量精度。
图2所示为高精度对时和同步采样脉冲软件流程框图。1PPS秒脉冲信号经有效性判断后，根据FPGA定时器采样计数器输出5k、10k高速同步采样脉冲，时钟误差不大于1uS，采样脉冲和秒脉冲之间的时间误差为20-30nS。
图3所示为大容量录波模块与高速网络通讯模块原理框图。采用高性能32位PowerPc处理器，进行大容量故障录波模块，录波文件以COMTRADE文件格式存放在大容量USB接口的NAND FLASH存储器中。提供2个百兆以太网接口和2个千兆以太网接口，提高了通信处理能力。
本发明的优越性和技术效果在于：使用高精度对时电路、高性能的信号处理和通讯技术，实现电参量三态数据同步采集，完成监控、故障录波、相角测量、电能质量分析等功能，提高了数据处理能力和采样精度；提高了变电站自动化***的实时性，简化了变电站自动化***二次设备设计、制造、投运工作，极大地降低变电站的建设成本及维护成本。

Claims (9)

1、一种电参量三态数据综合采集装置，所述三态数据分别为：稳态数据、故障录波数据和动态数据，该装置包括高精度对时和同步采样脉冲模块、交流信号调理模块、A/D采样模块、直流信号调理模块、压频转换模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和高速网络通讯模块，其特征在于：
交流测量信号、保护信号输入至交流信号调理模块，通过低通滤波及放大后，转换成0-5V的电压信号后，输出到A/D采样模块的输入端，在高精度对时模块和同步采样脉冲模块的控制下完成高速采样，A/D采样模块将采样信息输出到信号处理模块；
直流信号输入至直流信号调理模块，在该模块中滤波并转换成0-5V的直流电压信号后，该直流电压信号输入至压频转换模块，在压频转换器中转换为频率信号，所述转换后的频率信号输入至信号处理模块；
开关量信号经开关量信号调理模块把变电站现场设备开关量信号转换成数字量信号，并输入至信号处理模块；
在所述信号处理装置中，对采集的信号进行稳态数据、故障录波数据、动态数据计算，通过高速网络通讯模块传输到后台***，同时故障录波数据通过双口RAM模块存储在录波模块中。
2、根据权利要求1所述的电参量三态数据综合采集装置，其特征在于：所述高精度对时和同步采样脉冲模块采用现场可编程门阵列FPGA为处理芯片，该模块接受GPS IRIG-B(B码)差分或1PPM分脉冲、1PPS秒脉冲光纤脉冲对时信号，输出5k、10k高速同步采样脉冲和GPS对时时标，时钟误差不大于1uS，采样脉冲和秒脉冲之间的时间误差为20-30nS。
3、根据权利要求1所述的电参量三态数据综合采集装置，其特征在于：所述交流信号调理模块及A/D采样模块可同时采集16路交流信号；交流信号输入回路采用毫安级精密互感器，其导磁材料采用坡莫合金材料，交流信号经交流信号调理模块的抗混叠低通滤波器后，输入到A/D采样模块。A/D采样模块采用16位高精度A/D转换芯片，芯片采样的各路通道同步采样，内部采用流水线结构，八路通道同时转换在3.7微秒内即可完成，交流信号采样率最高可到10k。
4、根据权利要求1所述的电参量三态数据综合采集装置，其特征在于：所述直流信号调理模块及压频转换模块采用压频转换技术进行直流信号的隔离采样，可以兼容测量0-5V信号或4-20mA信号。
5、根据权利要求1所述的电参量三态数据综合采集装置，其特征在于：所述开关量信号调理模块采集变电站内设备工况及保护的动作情况，在该模块中，通过采样稳压管门槛电路和滤波电路，对输入信号进行门槛限制和滤波，滤除干扰信号；采用光耦隔离电路，隔离了强电信号对数字弱电***的干扰；同时，提高开关量信号电平至220V或110V，克服因继电器触点氧化造成的接触不良现象；软件上采用滤波算法，所述模块既能滤除强电磁干扰而发生较长时间抖动，又能在信号变位时自动正确捕捉变位时间，保证事件顺序SOE时标精度达到1毫秒。
6、根据权利要求1所述的电参量三态数据综合采集装置，其特征在于：信号处理模块中使用高速同步采样技术减少频谱泄露和栅栏效应对测量的影响；在高速同步采样的基础上，采用软件滤波算法，当***频率偏移额定频率时，计算频率偏差，并应用递推算法，修正频率偏差引起的误差，从而保证频率和相量测量精度。
7、利用权利要求1所述的电参量数据综合采集装置进行数据采集的电参量三态数据综合采集技术，其特征在于：
信号处理模块采用32位高速DSP处理器，主频达150MHz，具有哈佛(Harvard)结构、八级流水线结构、专用的硬件乘法器和快速的指令周期，能够高速进行数字信号处理，数字信号采用高阶数字滤波算法和快速傅立叶算法进行信号处理和计算。
8、根据权利要求7所述的电参量三态数据综合采集技术，其特征在于：录波模块以暂态数据转换标准COMTRADE文件格式存放在大容量通用串行总线USB接口的NAND FLASH存储器中。
9、根据权利要求7所述的电参量三态数据综合采集技术，其特征在于：所述高速网络通讯模块采用高性能PowerPc通讯处理模块，单片嵌入式微处理器集成了2个处理单元：一个嵌入式PowerPC核与一个精减指令集RISC的通讯处理模块CPM，比传统设计更大的降低功耗，提供平衡的处理能力和通信能力，提供多个2个百兆以太网接口和2个千兆以太网接口。
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