CN107390023A - 一种电网电气量宽带多频测量装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网电气量宽带多频测量装置及其实现方法，包括总线背板，以及插在总线背板的宽频采样板、数据存储板、数据传输板、数据计算分析板和电源板；宽频采样板用于模拟量采样数据；所述数据传输板可用于数字量采样、模拟量和数字量采样数据的分频传输；数据计算分析板用于数据的计算和结果的分析，并将计算和分析结果对外传输；数据存储板用于存储采样数据、计算分析数据以及录波文件。本发明能够为电网电力电子化的监测与控制提供有力的监测手段，能有效简化变电站当前冗余繁复的数据采集回路，为变电站和面向电力电子化的电网的发展建设提供测量解决方案，为保障电力电子设备大量应用的电网安全稳定、推动新能源大规模应用提供有力保障。

Description

一种电网电气量宽带多频测量装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及电力自动化领域，具体涉及一种电网电气量宽带多频测量装置及其实现方法。

背景技术

随着大规模可再生能源开发利用和智能电网的发展和统一潮流控制器(Unifiedpower flow controller,UPFC)、静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)、可控串联补偿电容器(Thyristor Controlled Series Compensation,TCSC)等新型电力电子装备不断投入运行，电网谐波干扰、次同步振荡等扰动现象更加频繁，电网的谐波呈现宽频域的趋势，亟需提高电网对不同频率扰动分量的监测能力，降低电网运行风险。

当前，高压直流输电、柔***流输电技术(FACTS)和大规模光伏风电等新能源接入给电网带来了大量快速瞬变的高频信号，现有测量技术采样频率较低，难以适应高频信号的测量需求。当前智能变电站内的采样频率仅为80点/周波(4kHz)，虽然满足了保护、测控类设备的采样需求，但采样频率仍然较低，无法满足计量、电能质量监测(12.8k)等数据的测量需求。随着大量无功补偿装置、新型电力电子设备在变电站的广泛应用，这些基于全控或者半控器件的电力电子设备，以脉宽调制(PWM)方式运行，开关速度达到毫秒级甚至微秒级，会对电网注入大量宽频域、高频次特性的谐波，这些谐波具有快速瞬变的特性，现有的采样频率难以满足要求。

其次，变电站现有的数据测量技术无法对次同步振荡、高次谐波扰动数据进行测量，且难以应对电网电力电子化后对数据测量精度的影响。变电站内现有测控装置仅能测量稳态下的电压和电流量，且仅达到13次谐波分量的测量；PMU装置主要用来监测45-55Hz范围内工频信号的幅值和相角，无法针对低频振动信号和次/超同步振荡的信号、13次谐波以上的高次谐波信号进行测量。电能质量装置虽然能够监测高次谐波，但主要应用于中低压的配电网，应用于高压输电网的设备较少，且现有的电能质量监测装置只能测量50次谐波，也无法满足大量电力电子设备给电网带来的大量高次谐波信号的测量和分析需求。

另外，变电站现有的数据采集按照不同的应用分类设置，不仅采集测量回路冗余繁复，而且也难以为电网故障分析提供***全面的数据，迫切需要开展全站统一测量技术研究，在厂站端实现电网扰动的快速分析和诊断，为调度主站对电网故障分析提供新的支撑手段。现阶段，变电站内测控装置往往关注于稳态数据测量，PMU关注于动态数据测量，故障录波装置关注于暂态测量，这些设备都是针对电网的某一特定运行行为而设置，且不同应用的需求而分别采用不同的采样频率，采样测量回路重复配置，增加了全站数据采集测量的复杂程度，有必要对同一数据源进行统一测量，为大电网的分析和针对提供***、全面的数据。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种电网电气量宽带多频测量装置及其实现方法，不仅能够为电网电气量的测量、分析与控制提供新的支撑手段，同时也能够有效简化全站冗余繁复的采集回路，不仅能够为新能源的大规模应用、直流电网的发展建设、柔***流电网的发展提供新的测量手段，同时还能够有效简化变电站内部的数据数量，进一步降低全站的建设成本。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种电网电气量宽带多频测量装置，其改进之处在于，安装于变电站的间隔层和过程层之间，所述装置包括插在总线背板的宽频采样板、数据存储板、数据传输板、数据计算分析板和电源板，所述宽频采样板包括用于模拟量采样数据接入的宽频采样板；所述数据传输板将采集到的数字量采样数据传输给数据计算分析板和数据存储板。

进一步地，所述宽频采样板包括FPGA芯片、A/D转换芯片和采样频率设定模块；

所述采样频率设定模块用于设定所述宽频采样板最高采样频率和在所述最高采样频率范围内周期性设定实际的采样频率；

所述FPGA芯片用于读取模拟量采样频率；

所述A/D转换芯片用于保证采样数据精度。

进一步地，所述数据传输板包括用于数字量采样数据接入的分频传输板，所述分频传输板用于对从宽频采样板获取的采样数据或者自身接收的采样数据按照外部定制的需求进行传输；

进一步地，所述分频传输板还用于接收外部报文并进行存储；

所述外部报文包括：IEC61850-9-2报文和IEC60044-8报文，当接收IEC61850-9-2报文时，将32位的IEC61850-9-2报文采样数据换算成16位采样数据进行存储；当接收IEC60044-8报文时，直接存储IEC60044-8报文。

进一步地，所述数据传输板包括采样时钟，所述采样时钟以宽频采样板的时钟节奏作为采样数据存储的标准时钟。

进一步地，所述数据存储板包括连续存储空间、USB2.0端口、以太网接口和DVI-I显示接口和数据存储方式判断模块；

所述存储方式判断模块用于根据不用的存储方式采用相应的方式对数据进行存储，包括：

(1)连续滚动存储的方式，包括所有的采样数据按照设定的时间长度进行分割存储，每个文件的数据都从整秒时刻开始，到设定的时长为止；

(2)连续存储方式，包括当存储空间存满后再从最早存储的文件开始进行滚动存储；

(3)触发存储方式，包括在外部环境满足检测到电网扰动时的触发条件时触发连续存储，直到外部环境条件不满足触发条件时停止存储数据；

(4)通过以太网接口对外传输存储的采样数据，其传输方式包括设定等待时间、设定文件存储大小和等待外部召唤方式。

进一步地，所述数据传输板包括2路1000M网口和6路100M以太网口，支持IEEE1588和IRIG-B对时；

优选的，数据传输板包括预处理功能模块，所述预处理功能模块包括预处理采样数据的传输功能，用于将数据计算分析板所计算出的电压、电流的幅值、相角、频率、有功功率、无功功率和功率因素电气量通过GOOSE报文的方式分频传输给变电站间隔层二次设备；

优选的，所述数据传输板还包括第一传输模块、第二传输模块、第三传输模块和第四传输模块；

所述第一传输模块用于接收外部数字量采样数据，并将接收的采样数据传输给数据存储板；

所述第二传输模块用于所述多频测量装置同时采用数字量采样数接入和模拟量采样数据接入两种方式时，整个数据的采集存储步调以宽频采样板的模拟量采样数据采集为准；

所述第一传输模块用于将模拟量采集数据或数字量采样数接入的宽频采样数据通过IEC61850-9-2报文、IEC60044-8报文的格式组包传输；

所述第一传输模块用于将模拟量采样数据接入或数字量采样数接入的宽频采样原始数据按照定制需求插值计算后分频传输，传输规约采用IEC61850-9-2和IEC60044-8方式。

进一步地，所述数据传输板还包括第一分频传输模块和第二分频传输模块；

所述第一分频传输模块用于模拟量接入方式下的原始采样数据的传输根据设定的采样频率来设置传输报文所包含采样数据应用服务数据单元ASDU的数量；

所述第二分频传输模块用于原始采样数据的分频传输根据需要进行定制传输：当原始采样频率是外部定制的采样频率的整数倍时，通过抽点的方式对外传输采样数据，传输的格式支持IEC61850-9-2格式和IEC60044-8格式；当原始采样频率不是外部定制的采样频率的整数倍时，根据采样频率对原始采样频率进行插值，再按照IEC61850-9-2和IEC60044-8的格式向外传输采样数据；支持多路不同定制频率的并行传输。

进一步地，所述数据计算分析板包括4组100M以太网接口，用于实时处理采样数据，包括依次进行的采样数据的频率分类，采样数据的数字化滤波，以及信号的频域、时域和时频结合的分类处理与计算；

优选的，所述采样数据的频率分类包括：低频信号分量模块、工频信号分量模块及谐波和间谐波高频信号分量模块；

所述低频信号分量模块用于经过数字低通滤波器后滤除其中的高频干扰分量后，基于曲线拟合的信号提取以及基于测量相量的信号还原算法，将时域与频域算法相互配合补充，实现频率、幅值、衰减系数的参数计算；

所述工频信号分量模块用于则经过带通滤波后，采用基于自适应时间窗的动态相量测量方法，实现高精度、高密度的电气参量计算。

所述分辨的谐波、间谐波分量模块用于先经带通滤波器滤除信号的低频成分和高频噪声分量后，再经过改进加窗插值FFT算法分析出各分量的电气参数；对于不能分辨的谐波和间谐波频率分量，再经过基于复调制的ZoomFFT频率细化算法，实现相近谐波、间谐波分量的参数计算。

进一步地，还包括分析处理子站模块，用于：

对数据计算分析板所传输的预处理数据、计算分析结果数据实现可视化展示；

将数据存储板的采样数据全部存储到上位机***并长时间保存，接收方式采用被动接收和主动召唤两种方式；

对接收的数据进行***性分析计算，并将计算得出的电网电气量频谱图、电压电流幅值结果可视化展示；

对接收的采样数据进行***性分析和诊断，并给出分析诊断结果。

本发明还提供一种电网电气量宽带多频测量装置的实现方法，其改进之处在于：

宽频采样板采集模拟量采样数据，并通过数据存储板传输给数据计算分析板和数据传输板；

数据传输板接收外部数字化的采样报文，实现数字量采集，并将接收的数字量采样数据传输给数据计算分析板和数据存储板；

数据传输板将从宽频采样板获取的采样数据或者自身接收的采样数据按照外部定制的需求进行传输；

数据计算分析板对模拟量采样数据和数字量采样数据进行数据处理，并将处理后的采样数据传输给分析处理子站模块；

数据存储板在接收到宽频采样板或者数据传输板的采样数据后，根据设置的情况来存储数据。

进一步地，将处理后的采样数据传输给分析处理子站模块，包括：当根据计算结果判断电网扰动出现或者消失时，会将扰动出现或者消失信息通过总线背板传输给数据存储板；

优选的，根据设置的情况来存储数据，包括：若设置的是连续存储则一直滚动存储，若设置的是触发式存储，则在收到数据计算分析板扰动信息后再启动或停止存储。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明所要解决的问题就是针对高压直流输电技术、FACTS技术、新能源大规模接入对传统电网带来日益频繁的谐波干扰、次同步振荡等问题为研究对象，针对现有测量技术无法全面、准确测量电网电力电子化后电网宽带多频信号，无法为当前电网运行和控制提供准确、可靠的数据等问题开展研究，提出电网电气量宽带多频统一测量方法并研制相关了测量设备，不仅能够为电网电力电子化的监测与控制提供有力的监测手段，同时也能有效简化变电站当前冗余繁复的数据采集回路，为变电站乃至面向电力电子化的电网的发展建设提供新的测量解决方案，为保障电力电子设备大量应用的电网安全稳定、推动新能源大规模应用提供有有力保障。

附图说明

图1是本发明提供的电网电气量宽带多频测量装置的硬件架构图；

图2是本发明提供的电网电气量宽带多频测量装置的***结构图；

图3是本发明提供的电网电气量宽带多频测量装置数据计算与处理的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明针对当前高压直流输电、柔***流输电技术(FACTS)和大规模光伏风电等新能源大规模接入对现有电网产生次/超同步振荡、间谐波、高次谐波等宽带多频信号，针对当前电网测量的局限性、数据采集回路的冗余配置等问题提出新的适合电网宽带多频信号的统一测量装置及其实现方法，不仅能够为电网电气量的测量、分析与控制提供新的支撑手段，同时也能够有效简化全站冗余繁复的采集回路，不仅能够为新能源的大规模应用、直流电网的发展建设、柔***流电网的发展提供新的测量手段，同时还能够有效简化变电站内部的数据数量，进一步降低全站的建设成本。

本发明提供一种电网电气量宽带多频测量装置，其硬件结构图如图1所示，包括：

电源板：接入220V交直流电压，为装置提供电源；

宽频采样板：可以接入4路电压、4路电流的模拟量接入，A/D采样的精度为16位，采用FPGA高频采样；

数据存储板：具有500G存储空间，4个USB2.0端口，2个1000M以太网接口和1个DVI-I显示接口；

数据传输板：具有2路1000M网口，支持IEEE1588和IRIG-B对时，具有6路100M传输网口，实现报文的分频传输，同时还能够接收外部数字化的采样数据；

数据计算分析板：实时处理采集的电压、电流数据，具有4组100M以太网接口，支持数据的对外传输；

总线背板：所有板件的***，实现板件间信息的交互和传输。

电网电气量宽带多频测量装置的***结构图如图2所示，其中各个板件的功能及作用如下：

采集数据：本发明所涉及的装置最高采样频率可以达到500k/s，但可根据实际的需求进行人工设置，即在装置硬件模块初始化的过程中涉及实际需要的采样频率，只要所设置的采样频率不高于500k/s即可。当然，本发明现阶段所涉及的采样频率为500k/s，今后硬件升级后可以提升到更高。对于高频数据的采集，具体可以有两种方式，一种是传统模拟量接入方式，一种是数字量接入方式，具体如下：

1)对于模拟量采集数据的接入，通过装置宽频采样板来实现，具有4路电压、电流信号接入宽频采样板后，宽频采样板中的FPGA会按照设定的频率周期性读取模拟量采样数据。宽频采样板中A/D采样芯片的精度为16位，能够有效保证采样数据的精度，随着今后A/D芯片的升级，也可采用24位及更高精度的A/D转换芯片。至于装置实际的采样频率在最高采样频率范围内灵活设置，且可在装置初始化时进行设置，但设置的采样频率必须小于装置最高采样频率。本装置目前所支持的最高采样频率为500k/s，因此所设置的实际采样频率不能超过它。

2)对于数字量采集数据接入方式，由数据传输板实现，数据传输板可以接入外部IEC61850-9-2报文、IEC60044-8报文，根据其报文的采样点号存储接收到的采样数据。当接收的为IEC61850-9-2报文时，由于该规约中电压、电流的数值都是32位一次值，其电压的最小单位10mV,电流的最小单位为1mA，因此在具体存储时需要先根据外部电压、电流互感器的变比获得其一次电压、电流值，之后根据实际电压、电流值与额定一次电压、电流的比值，按照16位数据的码值范围-32767—32768进行换算，将32位的采样数据换算成16位采样数据进行保存。当接收的为IEC60044-8报文时，由于其传输采样数据本来就为16位，因此可以直接存储。

当装置同时采用模拟量和数字量两种接入方式时，整个数据的采样存储时钟以模拟量接入方式为准，即以宽频采样板的时钟节奏作为数据存储的标准时钟。

采样数据的存储。

所述数据存储板具有以下特征，具体如下：

(1)数据存储可以采用连续滚动存储的方式，所有数据按照设定的时间长度进行分割存储，每个文件的数据都从整秒时刻开始，到设定的时长为止；

(2)数据存储可设定为连续存储方式，即不间断存储所有的数据，当存储空间存满后再从最早存储的文件开始进行滚动存储。

本发明装置的数据存储卡采用的数据存储设备为500G硬盘，具体可根据实际情况来进行调整和替换，如当采用触发存储模式时，所需硬盘空间就可减小。后续待大容量存储硬盘或其它存储设备性价比合适时，也可采用1T或者更大的存储设备。当外部采用模拟量接入方式时，装置的数据存储板会按照时间的维度进行数据存储，具体存储时以秒为单位，一般情况下数据存储板默认的时间为10s，即每个数据文件的存储时间尺度为10秒，如从AM9：40：12-AM9：40：22(小时/分/秒)等，具体的时间间隔可以人工设定，人工设置的依据也是由采样频率决定。当采样频率相对较高时，每秒存储的数据较大，因此每个文件设置的时间间隔不易过长，否则单个文件过大。以最高频率500k/s为例，其数据存储的时间间隔即为10s，如此每个存储文件的大小大约在25M左右。当采样频率较低时，其采样频率可以适当延长，如当采样频率仅设置为100k/s时，可将数据分割存储的时间长度设置为50s或者60s即可。当然，上述都是针对按照设定的时间长度将文件分割存储的方式，当装置作为现场移动采样存储设备应用时，其存储的方式可以选择不安时间长度分割存储，即从开始采样后一直连续存储，直到人工操作让其停止为止，此时整个时间段的全部数据都被写入一个数据文件中。当然，此种方式仅适合短时间内采样数据的抓取分析使用，一般仅为几分钟到几十分钟的时间。

(3)数据存储还可设置为触发存储的方式，在外部环境满足触发条件(检测到电网扰动时)时触发连续存储，直到外部环境条件不满足触发条件时停止存储数据。

除了数据的连续存储外，数据存储板还具有触发存储的方式，即在电网运行正常的情况下虽然采样但是相关数据并不存储，仅在设定的故障情况下开始数据的存储，具体设置触发条件由人工设置。数据触发存储模式下，一旦触发存储功能就一直连续存储，直到相关故障消失后再停止存储，这个过程中所有存储的数据会作为一个完整的文件进行存储，因为故障的时间通常较短。当然，上述存储方式仅为当采样频率低于100k/s的存储处理机制。当采样频率高于100k/s时，考虑连续数分钟存储后整个文件会较大，因此会对其按照500M左右的大小进行分割存储，分割的依据仍然是以每秒的数据为基准。另外，无论是连续存储还是触发存储，所有的数据目前都按照COMTRADE的格式进行存取，当然在数据导出时也可选择COMTRADE、TXT、EXCEL等方式来获取相关文件，具体的方式可以灵活选择。

(4)可通过网络端口对外传输存储的采样数据，具体有三种传输方式，分别是设定等待时间、设定文件存储大小和等待外部召唤。

同时数据存储板也具有对外传输数据的接口，数据对外传输有三种不同的方式：一种是设定等待时间，一种是设定文件存储大小，另外一种就是等待外部召唤。设定等待时间是指装置存储数据的上送间隔，避免频繁的发送报告，也可理解为每次发送的时间间隔。设定文件存储大小是指当装置内部数据存储的空间达到设定值时，开始向外转移发送相关数据，防止数据存满后滚动存储对早前存储数据的覆盖。因为数据存储板按照是按照时间节点分类存储数据的，当连续存储数据使得存储空间满了以后，新的数据会从最早存储的位置开始重新存入新的数据，以此覆盖最早存储的原始采样数据，实现整个数据的滚动存储。存储数据的外部召唤是指相关存储的数据既不需要定时传输，也不需要防存储空间溢出传输，只需要等待外部召唤，根据外部召唤的需求来传输需要的指定数据。在这种模式下，若外部一直没有数据召唤命令，那么整个数据就滚动存储。当然，上述三种传输模式都是针对数据连续存储情况下的实现机制；若采用的是触发存储模式，由于不需要长时间连续存储，因此仅需要采用外部召唤模式即可，实现外部数据的传输。

(5)可对外连接显示器、鼠标、键盘，实现存储数据的可视化展示和计算分析。

数据存储板内部的硬盘可以安装运行Windows操作***，通过其具有的USB接口连接鼠标和键盘等外部设备，通过其DVI-I接口连接外部显示器，实现对数据存储的文件进行展示和分析。

数据传输。宽频采样的数据会实时传输给数据传输板和数据计算分析板，数据传输板主要用途是将采样数据按照外部定制的需求进行分频传输，2个1000M以太网口用来对外传输原始采样数据，两个互为备用；6个100M以太网口中，1个用来接收外部采样数据，1个用来向子站传输预处理或者分析结果数据，同时接接收子站下达的命令，另外4个用来实现对外的分频传输，可以按照不同的传输频率选择不同的端口对外传输。

其实现流程如下：

1)对于模拟量接入方式的采样数据，数据传输板首先会基于IEC61850和IEC60044-8格式的方式将原始的采样数据传输，这一环节类似于智能变电站当前模拟量的合并单元，实现模拟量采样数据的数字化。除了传输原始采样数据外，数据传输板还能够实现数据的分频传输，由于原始采样数据的频率较高，而变电站内的其它设备所需要的频率较低，因此，需要将宽频采样的数据进行降频或者分频传输。若装置采样板的采样频率是定制频率的整数倍，则直接按照倍数从原始采样数据中抽点即可，如：若装置的采样频率为100k/s，而定制的采样频率为4k/s，由于采样频率刚好是定制频率的整数倍(25倍)，因此原始高频采样数据刚好可以每25点抽取一次实现数据的分频传输；若装置采样板的采样频率不是定制频率的整数倍，则需要进行插值计算，如：若装置采样频率为100k/s，而定制的采样频率为4.8k/s，由于采样频率刚好是定制频率的非整数倍(100/4.8)，因此需要仅部分数据可以从中抽取，大部分需要进行插值计算后再按照IEC61850-9-2标准或者IEC60044-8标准组包传输，数据分频传输时的插值算法可以根据具体应用来选择，目前本装置选用了三阶拉格朗日插值算法来实现数据的插值计算，当然，随着技术的不断鞥新，也可根据实际情况将插值算法进行改进。当对外传输的频率较高时，为降低装置处理的负荷，往往将多个采样数据组合在一起发送，即采用多个ASDU的格式组包传输，组包的个数可以灵活配置，如2个ASDU、3个ASDU、8个ASDU等，如此可以将连续的多个采样数据组合在一帧报文中对外传输，进而提高数据的传输效率，降低装置的实时处理负荷。

2)对于数字量接入方式，装置的数据传输板接收外部的采样报文，然后将其传输给数据存储板和数据计算分析板，由于数据传输板接收的是外部的高频采样报文，因此它可以按照外部的定制需求，将外部接入的高频采样数据进行插值计算后分频传输，其分频传输的方式和模拟量接入方式相同。

由于本发明所涉及的装置是高频采样数据的源头，而变电站内其它二次设备数量也较多，因此数据传输板会出现同时向外传输一种或者多种不同频率的报文，比如装置设置的采样频率为100k/s，但可按照外部的多种需求，需要分别传输出4k/s、12.8k/s的采样数据，采样传输板需要同时处理传输。除此之外，数据传输板还需要接收外部的同步对时信号，装置目前采用的是IRIG-B对时方式，同时也可支持IEEE1588网络对时方式，可将同步对时误差减少为1us以内。当接收的外部对时信号后，在将采样数据进行分频传输时，可以以秒脉冲的上升沿为基准对采样报文的序号进行清零，以此确保多种分频传输需求下，采样数据发送的同步性。

所述数据传输板具有采样数据的分频传输功能具体如下：

(1)可以接收外部数字化方式下的采样报文，并将其接收的采样数据传输给数据存储板；

(2)当装置同时采用采样报文外部接入和模拟量数据自行采集两种方式时，装置内部数据的采集存储步调以宽频采样板的模拟量数据采集为准。

(3)可将模拟量采集数据或外部报文接入方式下的宽频采样数据通过IEC61850-9-2报文、IEC60044-8报文的格式组包传输；

(4)可将模拟量接入方式或数字量接入方式下的宽频采样原始数据按照定制需求插值计算后分频传输，传输规约采用IEC61850-9-2和IEC60044-8方式。

分频传输具有以下特点，具体如下：

(1)模拟量接入方式下的原始采样数据的传输可根据设定的采样频率设置传输报文所包含采样数据ASDU的数量。

(2)原始采样数据的分频传输可以根据需要进行定制传输：当原始采样频率是外部定制的采样频率的整数倍时，可以通过抽点的方式对外传输采样数据，传输的格式仍然支持IEC61850-9-2格式和IEC60044-8格式；当原始采样频率不是外部定制的采样频率的整数倍时，可以据根据外部定制的采样频率对原始采样频率进行插值，然后再按照IEC61850-9-2和IEC60044-8的格式向外传输采样数据；

(3)可以同时支持多路不同定制频率的并行传输。

上述数据的传输都是基于采样数据传输，无论是原始采样数据还是插值后的分频采样数据，其传输都是未经处理的数据。数据传输板还可以分频传输预处理数据，即在数据计算分析板计算出电网电压、电流的幅值、相角、频率、有功功率、无功功率和功率因素等电气量后，可以直接将这些数据分频传输给变电站其它间隔层二次设备(如保护、测控装置等)，其传输频率可以为根据需要人工设置，如50Hz,即每秒发送一次，将其传输给测控装置，可避免测控装置的数据计算。

而对于宽频测量装置与测控等间隔层设备直接的传输规约则采用GOOSE报文传输数据计算结果，便于测控装置对预处理数据的接收：预处理数据包括数据传输板可将数据计算分析板所计算出的电压、电流的幅值、相角、频率、有功功率、无功功率和功率因素等电气量通过GOOSE报文的方式分频传输给变电站其它间隔层二次设备。

采样数据的处理计算，电网电气量宽带多频测量装置数据计算与处理的流程图如图3所示：

对于装置采集的宽频采样数据，装置的数据计算分析板会首先对信号进行分类处理，即同样的信号被分成低频信号分量、工频信号分量以及谐波和间谐波高频信号分量三类，之后再对信号进行分别过滤。对于低频信号采用数字化的低通滤波算法；对于工频信号量、谐波和间谐波分量采用数字化的带通滤波算法。经过这一过滤环节后，同一源头的数据就被分割成低频、工频及高频信号三类，然后各类信号再采用各自不同的算法进行计算以获取信号的电气特征量，如频率、幅值、相角等，具体如下：

(1)对于低频信号分量，经过数字低通滤波器后滤除其中的高频干扰分量后，基于曲线拟合的信号提取方法以及基于测量相量的信号还原算法，将时域与频域算法相互配合补充，实现频率、幅值、衰减系数的参数估计。

(2)对于工频分量，则经过带通滤波后，采用基于自适应时间窗的动态相量测量方法，实现高精度、高密度的电气参量计算。

(3)对于可以分辨的谐波、间谐波分量，先经带通滤波器滤除信号的低频成分和高频噪声分量后，再经过改进加窗插值FFT算法分析出各分量的电气参数，如频率、幅值；对于不能分辨的谐波和间谐波频率分量，再经过基于复调制的ZoomFFT频率细化算法，实现相近谐波、间谐波分量的参数估计和计算。

当然，上述低频信号、工频信号和高频信号的算法也可不断进行改进和完善，本发明此处仅提出其中一种实现的方式，今后若通过改进算法来实现宽频信号的处理也将属于本发明的保护范畴。

信号分类处理和计算是还增加了防止频谱泄漏和频谱混叠频谱抑制算法，通过加窗运算抑制长范围泄漏，即谐波间的泄漏引起的误差；通过插值运算消除短范围泄漏，即栅栏效应引起的误差。

在完成数据的处理与分析结算后，装置的数据计算分析板还能够将计算分析的结果传输给变电站其它站控层设备，如监控***、远动网关机等，也可将其传输给宽频测量数据分析处理的子站***，也可简称为上位机软件，具体涉及预处理数据的传输和计算分析结果的传输：

(1)实现预处理数据的传输。通过IEC61850MMS或者IEEE C37.118或者私有协议的方式传输计算出的电压、电流幅值、相角、频率、有功功率、无功功率等，对外传输预处理的数据。

(2)对于计算分析结果的传输。通过对比分析计算出的电网幅值、频率特性，对发现的异常进行告警和提升，通过IEC61850MMS或者IEEE C37.118或者私有协议的方式将其传输给上位机软件或者变电站内其它外部设备。

上述预处理数据和计算分析结果数据所采用的传输方式主要采用了IEC61580MMS、IEEEC37.138和私有协议三种方式。如需要将数据和分析结果传输给变电站的远动网关机，则可采用IEC61850MMS通信的方式；若需要将数据和分析结果传输的PMU广域测量***，则可选用IEEE C37.118方式，当然，若PMU广域测量***支持IEC61850，也可采用IEC61850MMS通信的方式。至于私有协议的方式，则主要是宽频测量装置将数据和分析结果传输给自己的宽频测量数据分析处理的子站***(上位机软件)，当然，此种情况下私有协议仅仅是一种便捷实现的方式，根据实际情况也可采用IEC 61850MMS通信或者IEEEC37.118方式传输。数据计算分析板配置了3组100M网口，其中一个用于IEC61850MMS报文的传输，一个用于IEEE C37.118规约传输，另外一个用于私有协议的传输。当然，本发明限于目前的条件，仅设置了3个网口，后续可逐步到6个扩展网口数量，实现IEC 61850MMS报文、IEEE C37.118协议和私有协议的双网冗余传输。

分析处理子站***(上位机软件)：变电站内部的宽频采样数据分析处理子站***(上位机软件)可以将装置传输的预处理数据进行可视化展示、对计算分析结果进行告警提示，同时也能够接收装置的采样数据。

当装置采样定时发送或者设置存储空间方式发送数据时，均会向上位机发送请求，经上位机认可后接收装置发送的采样数据并永久保存于上位机***中。

与此同时，上位机也可采用主动召唤的方式向装置获取数据，这种方式主要针对触发存储方式下记录的数据，即上位机召回电网异常的数据便于进行异常或者事故分析。

上位机软件还能够对召唤的采样数据进行***性计算分析((装置的数据计算由于实时性要求，仅仅只能是一个短的时间窗，或者是采样数据的一个小的片段，它计算分析的目的是用来快速得出计算结果，同时判断电网有扰动；子站模块的计算则是针对长时间段的采样数据，它计算的数据窗可以自由选择，因此能够进行的计算分析也更加深入。一个类似的比喻，装置每次计算的都是当前最新1分钟的采样数据；而子站模块计算的则是之前所存储的所有采样数据，可以是1天，2天或者半个月的。))，并对结果进行可视化展示，同时还能够生成电网测量信号的频谱图、幅频特性等深度分析的内容。相比于装置内部的计算和分析，虽然上位机软件计算分析的实时性相对较差，

但是它除了可以有效展示数据计算和分析的结果外，也能够实现数据的计算和分析，而且还能够完成长时间尺度下的复杂、***性的对比分析功能，来弥补装置实时计算和分析的缺陷。

本发明还提供一种电网电气量宽带多频测量装置的实现方法，包括：

宽频采样板采集模拟量采样数据，并传输给数据计算分析板、数据存储板和数据传输板；

数据传输板接收外部数字化的采样报文，实现数字量采集，并将接收的采样数据传输给数据计算分析板和数据存储板；

数据传输板将从宽频采样板获取的采样数据或者自身接收的采样数据按照外部定制的需求进行传输；

数据计算分析板对模拟量采样数据和数字量采样数据进行数据处理，并将处理后的采样数据传输给分析处理子站模块；当根据计算结果判断电网扰动出现或者消失时，会将扰动出现或者消失信息通过总线背板传输给数据存储板；

数据存储板在接收到宽频采样板或者数据传输板的采样数据后，根据设置的情况来存储数据；若设置的是连续存储则一直滚动存储，若设置的是触发式存储，则在收到数据计算分析板扰动信息后再启动或停止存储。

其中：数据传输和数据存储应该是并行开展的。原因在于，数据传输是由装置发起的，装置由于没有配置液晶显示或者说即使配置了液晶显示，在当前无人值班的模式下也不便于前往查看，因此装置将它计算的预处理结果传输给子站模块进行可视化展示和告警。数据存储和数据分析应该说也是并行开展的，但数据存储的实时性更强一些，因为会定期发送录波文件或者采样数据，但子站模块的数据计算分析则是针对已经过去的历史数据，因此它即可以很长时间计算一次，并且对计算结果进行展示；也可选择不主动计算，即当人员需要对历史数据进行综合分析时，由人员进行时间范围(从某一时刻的数据到另一时刻的数据，如选择2017年3月1日0时的数据—2017年3月10日16时的数据等)，然后进行***性计算分析。因为选择的数据样本越多，时间尺度越长，计算的结果就越准确，但数据计算的实时性会较差。因此子站的数据计算要的深入、全面，但不要求实时性。

需要说明的是：

宽频采样板主要是模拟量采集，采集到数据后将其通过装置内部的背板总线传输给数据计算分析板、数据存储板和数据传输板，然后各板件并行开展相关工作。

数据计算分析板开始对数据进行计算分析，并将其计算结果以及预处理分析的结果传输给子站模块；

数据存储板在接收到采样数据后就根据设置来进行存储，若设置成连续存储，则将接收到的数据全部存储；若是触发存储，则在满足触发条件时启动存储，至于具体的触发条件则是由数据计算分析板告知，当其根据计算结果发现电网出现扰动后就通过背板总线告知数据存储板，于是数据存储板开始数据存储工作，直到电网扰动消失，然后再告知停止存储。

而数据传输板则主要是将采样数据进行二次传输，其作用相当于一个数据源，即可将原始采样数据按照外部定制的需求传输给不同的设备。

另外需要说明的是，数据传输板还具有数字量的采样功能，准确的说是数字量报文的接收功能。即外部通过合并单元发送采样报文给本发明的装置，则由数据传输板来接收，然后由它来将数据传输给数据计算分析板、数据存储板。本发明中将数字量采样数据的接收功能集成于数据传输板，后续再具体实现时也可将其分拆，即将本发明的数据传输板分拆成数字量采样数据接收板、分频传输板等其它方式。

除了实现宽频测量功能之外，本发明所涉及的装置还可通过遥信板、遥控板的配置来分别实现开关量信息的采集、断路器和开关的分合闸操作，进而实现变电站测量量、状态量的采集以及开关的控制操作，进而可兼具变电站测控装置的所有功能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，包括总线背板，以及插在总线背板的宽频采样板、数据存储板、数据传输板、数据计算分析板和电源板；所述宽频采样板用于模拟量采样数据；所述数据传输板可用于数字量采样、模拟量和数字量采样数据的分频传输；所述数据计算分析板用于数据的计算和结果的分析，并将计算和分析结果对外传输；所述数据存储板用于存储采样数据、计算分析数据以及录波文件。

2.如权利要求1所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，所述宽频采样板包括FPGA芯片、A/D转换芯片和采样频率设定模块；

所述采样频率设定模块用于设定所述宽频采样板最高采样频率和在所述最高采样频率范围内设定的实际的采样频率；

所述FPGA芯片用于读取模拟量采样数据；

所述A/D转换芯片用于保证采样数据精度。

3.如权利要求1所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，所述数据传输板包括用于数字量采样数据的接入模块，接收外部传输的IEC61850-9-2格式或者IEC60044-8格式的采样报文，获取数字量采样数据；对从宽频采样板获取的采样数据或者自身接收的采样数据按照外部定制的需求进行分频传输。

4.如权利要求3所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，所述数据存储板对数据传输板外部接收的报文中的数据进行存储时会进行数据转化：

所述外部报文包括：IEC61850-9-2报文和IEC60044-8报文，当接收IEC61850-9-2报文时，将IEC61850-9-2报文中32位的采样数据换算成16位采样数据进行存储；当接收IEC60044-8报文时，直接存储IEC60044-8报文数据。

5.如权利要求1-4中任一项所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，当宽频采样板和数据传输板同时进行模拟量采样和数字量采样报文接收时，装置内部的采样时钟以宽频采样板为基准。

6.如权利要求1所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，所述数据存储板包括数据存储空间、数据交互端口和数据存储方式判断模块；

所述数据存储方式判断模块用于根据不同的存储方式采用相应的方式对数据以文件的方式进行存储，包括：

(1)连续滚动存储的方式，包括所有的采样数据按照设定的时间长度进行分割存储，每个文件的数据都从整秒时刻开始，到设定的时长为止；

(2)连续滚动存储的方式，包括当存储空间存满后再从最早存储的文件开始进行滚动存储；

(3)触发存储方式，包括在外部环境满足检测到电网扰动时的触发条件时触发连续存储，直到外部环境条件不满足触发条件时停止存储数据；

所述数据交互端口包括USB端口、DVI-I显示接口和以太网通信接口；所述USB端口，用来连接鼠标和键盘；所述DVI-I接口用来连接显示器；所述以太网通信接口用于对外传输存储的采样数据，其传输方式包括设定等待时间、设定文件存储大小和等待外部召唤方式。

7.如权利要求1所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于所述数据传输板包括采样数据传输模块、预处理数据传输模块和同步对时模块；

所述采样数据传输模块是指数据传输板能够将获的模拟量采样数据和数字量采样数据进行数据传输，传输规约采用IEC61850-9-2和IEC60044-8方式；

所述预处理数据传输模块用于实现将数据计算分析板所计算出的电压、电流的幅值、相角、频率、有功功率、无功功率和功率因素电气量通过GOOSE报文的方式分频传输给变电站间隔层二次设备；

所述同步对时模块用于接收IEEE1588和IRIG-B同步对时信号。

8.如权利要求7所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，所述数据传输板的采样数据传输模块包括原始数据传输和分频数据传输；

所述原始数据传输是将装置获取的原始采样数据对外传输，根据采样频率来设置传输报文所包含采样数据应用服务数据单元ASDU的数量；

所述分频数据传输是将装置获取的原始采样数据进行插值后对外传输：当原始采样频率是外部定制的采样频率的整数倍时，通过抽点的方式对外传输采样数据，传输的格式支持IEC61850-9-2格式和IEC60044-8格式；当原始采样频率不是外部定制的采样频率的整数倍时，根据定制的采样频率对原始采样数据进行插值，再按照IEC61850-9-2和IEC60044-8的格式向外传输采样数据；

所述分频数据传输支持多路不同定制频率的并行传输。

9.如权利要求1所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，所述数据计算分析板用于实时处理采样数据，包括依次进行的采样数据的频率分类，采样数据的数字化滤波，以及信号的频域、时域和时频结合的分类处理与计算；并将计算分析结果对外传输；

所述采样数据的频率分类包括：低频信号分量模块、工频信号分量模块及谐波和间谐波高频信号分量模块；

所述低频信号分量模块用于经过数字低通滤波器后滤除其中的高频干扰分量后，基于曲线拟合的信号提取以及基于测量相量的信号还原算法，将时域与频域算法相互配合补充，实现频率、幅值、衰减系数的参数计算；

所述工频信号分量模块用于则经过带通滤波后，采用基于自适应时间窗的动态相量测量方法，实现高精度、高密度的电气参量计算；

所述谐波和间谐波分量模块用于先经带通滤波器滤除信号的低频成分和高频噪声分量后，再经过改进加窗插值FFT算法分析出各分量的电气参数；对于不能分辨的谐波和间谐波频率分量，再经过基于复调制的ZoomFFT频率细化算法，实现相近谐波、间谐波分量的参数计算；

所述计算分析板所计算的数据和分析结果可以通过IEC61580MMS、IEEE C37.138和私有协议三种方式分别向变电站站控层设备、广域测量设备及其它分析子站及设备传输。

10.如权利要求1所述的电网电气量宽带多频测量装置，其特征在于，还包括分析处理子站模块，用于：

对数据计算分析板所传输的预处理数据、计算分析结果数据实现可视化展示；

将数据存储板的采样数据全部存储到上位机***并长时间保存，接收方式采用被动接收和主动召唤两种方式；

对接收的数据进行***性分析计算，并将计算得出的电网电气量频谱图、电压电流幅值结果可视化展示；

对接收的采样数据进行***性分析和诊断，并给出分析诊断结果。

11.一种如权利要求1-10中任一项所述的电网电气量宽带多频测量装置的实现方法，其特征在于：

宽频采样板采集模拟量采样数据，并通过数据存储板传输给数据计算分析板和数据传输板；

数据传输板接收外部数字化的采样报文，实现数字量采集，并将接收的数字量采样数据传输给数据计算分析板和数据存储板；

数据传输板将从宽频采样板获取的采样数据或者自身接收的采样数据按照外部定制的需求进行传输；

数据计算分析板对模拟量采样数据和数字量采样数据进行数据处理，并将处理后的采样数据传输给分析处理子站模块；

数据存储板在接收到宽频采样板或者数据传输板的采样数据后，根据设置的类型来存储数据。

12.如权利要求11所述的实现方法，其特征在于：将处理后的采样数据传输给分析处理子站模块，包括：当根据计算结果判断电网扰动出现或者消失时，会将扰动出现或者消失信息通过总线背板传输给数据存储板；

所述根据设置的类型来存储数据，包括：若设置的是连续存储则一直滚动存储，若设置的是触发式存储，则在收到数据计算分析板扰动信息后再启动或停止存储。