CN110649593A - 一种配电网微型同步相量测量装置 - Google Patents

一种配电网微型同步相量测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种配电网微型同步相量测量装置，包括总线、CPU模块、至少一个模拟量采集模块、智能IO模块、对时模块和守时模块；总线是电源总线和通信总线的合成线缆；模拟量采集模块通过连接器与总线中的通信总线连接，将采集的数据通过通信总线回传给CPU模块；CPU模块，包括通过AXI通信接口进行数据交互的处理器***PS与可编程逻辑PL。本发明各功能模块都通过连接器与总线连接，实现插件式硬件结构，该结构组态配置方便灵活，可配置为仅针对配网线路单间隔/环网柜六间隔测量需求，可灵活配置模拟采集回路；基于该设计使本发明实现该配电网微型同步相量测量装置体积减小，有效节省安装空间。

Description

一种配电网微型同步相量测量装置
技术领域
本发明属于配电自动化技术领域，特别涉及一种配电网微型同步相量测量装置。
背景技术
随着新能源技术的不断发展以及电力需求的日益增强，建设坚强的智能电网成为未来的发展方向。其中，智能配电网自动化是智能电网建设中的重要的一环，是改进供电质量、提高供电可靠性、扩大供电能力、实现配电网高效经济运行的重要手段，同时也是实现智能电网的重要基础之一。我国配电网线路规模大、所处环境复杂、故障率高，因此，配电网运行状态的监测与控制对配电网高效经济运行意义重大。
基于全网统一时钟的同步相量测量装置在电力***动态过程监视、在线辨识、安全稳定分析以及广域控制等领域中得到广泛的应用，但其在配电网的应用仍将面临以下问题：目前的同步相量测量装置主要针对220kV及以上的主网设计，其需要支持48路模拟信号采集，以满足智能变电站的多间隔量需求。配电***直接面向用户，相比于主网，配电网线路覆盖范围广、分支多、运行环境复杂、建设水平较滞后。在配电网中的某些应用场合不需要支持48路模拟信号采集，而传统的同步相量测量装置但是由于信号采集通道配置固定，不能灵活配置，导致体积笨重和应用场合单一，其仅能适用于重要发电厂和枢纽变电站。
因此，设计一种适用于配电网的微型化便于灵活配置、体积更小的同步相量测量装置，对提升配电网的安全可靠运行具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决传统的采集多路模拟信号的输电网同步相量测量的采集通路配置固定，导致体积笨重和应用场合单一的技术问题，提供一种配电网微型同步相量测量装置。
为了解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
提供一种配电网微型同步相量测量装置，包括总线、CPU模块、模拟量采集模块、智能IO模块、对时模块和守时模块；
所述总线是电源总线和通信总线的合成线缆；所述总线中的通信总线与主站或PDC数据集中器之间进行数据交互，解析以报文形式下发的遥控开关量命令，上送相量数据信息及遥信状态信息；所述CPU模块通过CPU模块连接器与总线中的通信总线双向连接；
所述模拟量采集模块通过模拟量采集模块连接器与总线中的通信总线单向连接，用于将采集的各间隔的三相电压、三相电流和零序电流数据通过通信总线回传给CPU模块进行A/D转换与相量计算；
所述智能IO模块通过能IO模块连接器与通信总线双向连接，通过通信总线接收开入量以及将开出量输出给开关；所述开出量包括总线接收到的遥控开关量命令以及CPU模块通过通信总线输出的开关量命令；
所述总线中的电源总线连接供电模块，其它模块的电源输入端连接所述电源总线；
所述CPU模块，用于相量计算、I/O处理与逻辑处理，其采用SoC***级芯片紧凑型***架构，包括处理器***PS与可编程逻辑PL，两者之间使用AXI通信接口进行数据交互；
所述对时模块与CPU模块连接，用于接收外部时钟源对时信号；
与CPU模块连接，用于失去标准时钟信号时保持时间同步及提供对外B码授时接口进一步地，所述配电网微型同步相量测量装置包括供电模块，优选地，供电模块包括电压互感器以及电源模块，所述电压互感器与电源模块连接。
再进一步地，还包括铅酸电池与电池管理模块，所述电源模块与通过电池管理模块与铅酸电池连接。
进一步地，所述对时模块采用GPS/BD双模对时或者B码对时实现。
进一步地，所述守时模块通过CPU模块内置的恒温晶振实现，并通过CPU模块提供对外B码授时接口。
进一步优选地，所述配电网微型同步相量测量装置可选择光纤、电力无线专网、无线公网或5G网络与主站或PDC数据集中器通信。
进一步地，还包括安全认证模块，所述安全认证模块通过安全认证模块连接器与通信总线连接，用于对通信总线解析的遥控命令进行安全认证，并将经安全认证后的信号通过通信总线传递给CPU模块进行逻辑处理。
本发明所取得的有益技术效果：
本发明将电源线和各种物理层的通信线合并到总线中，使现场线路便于管理和维护；
本发明各功能模块都通过连接器与总线连接，实现插件式硬件结构，该结构组态配置方便灵活，可配置为仅针对配网线路单间隔/环网柜六间隔测量需求，可灵活配置模拟采集回路。基于该设计使本发明实现该配电网微型同步相量测量装置体积最小仅为传统主网PMU的八分之一，有效节省安装空间、提高安装维护便捷性，可适应智能配电网分布式、低成本、微型化、可大规模部署的同步相量测量需求，适用于多种应用场合。
附图说明
图1是本发明具体实施例的功能模块框图；
图2是本发明具体实施例的感应取电示意图；
图3是本发明具体实施例的应用场景示意图；
图4是本发明具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种配电网微型同步相量测量装置，包括总线(即图1所示的通信模块)、CPU模块、供电模块(图1中未示出)、至少一个模拟量采集模块、智能IO模块、对时模块和守时模块；
总线与主站或PDC数据集中器之间进行数据交互，解析以报文形式下发的遥控命令，上送相量数据信息及遥信状态信息；总线是电源总线和通信总线的合成线缆；
CPU模块通过CPU模块连接器与总线中的通信总线双向连接；
模拟量采集模块通过模拟量采集模块连接器与总线中的通信总线单向连接，用于将采集的各间隔的三相电压、三相电流和零序电流数据通过通信总线回传给CPU模块进行A/D转换与相量计算；
智能IO模块通过能IO模块连接器与通信总线双向连接，通过通信总线接收开入量以及将遥控开关量命令输出给开关；
总线中的电源总线连接供电模块，其它模块的电源输入端连接电源总线；
CPU模块，用于相量计算、I/O处理与逻辑处理，其采用SoC***级芯片紧凑型***架构，包括处理器***PS(Processing System)与可编程逻辑PL(Progarmmable Logic)，两者之间使用AXI通信接口进行数据交互，实现装置的低成本与小型化。
所述对时模块与CPU模块连接，用于接收外部时钟源对时信号CPU模块与对时模块连接；守时模块用于失去标准时钟信号时保持高精度同步，用于相量计算。
在具体实施例提供的一种配电网微型同步相量测量装置，供电模块为非必要的技术特征，所述装置的电源输入端可直接连接外部供电模块实现电源输入，所述供电模块可采用现有技术实现，这里不做赘述。
在具体实施例中，为了实现数据传输的安全认证，在以上实施例的基础上，进一步包括了安全认证模块用于对通信模块解析的遥控命令进行安全认证，并将经安全认证后的信号传递给CPU模块进行逻辑处理：CPU处理后通过总线中的通信总线向智能IO模块下发遥控输出命令给开关，实现开关状态监测及故障隔离功能。
在以上实施例的基础上，在具体实施例中(如图2所示)供电模块包含取能PT、铅酸电池、电源模块三部分，其中取能PT用于将配电线路线电压降至AC220V，铅酸电池用于能量储存，电源模块采用模块化封装技术，具备体积更小、功率密度更高的特点，实现将交流电转换为装置正常工作所需电压。
进一步地，在以上实施例的基础上，在另一个实施例中还包括铅酸电池和电池管理模块，电池管理模块控制铅酸电池智能充放电，利用电压互感器从将配电线路获取能量，并利用铅酸电池作为备用电源。为了解决电池长时间不放电造成的电池极板钝化，电池管理模块定期对电池进行活化处理，待电池放电至活化退出电压时，电池管理模块自动恢复为电池充电，延长电池使用寿命。电池管理模块对其进行智能化管理，保证装置长期可靠稳定运行；利用插件式硬件结构实现装置灵活配置与多场合应用，为装置的微型化与多元化提供基础。
为了实现装置与主站或PDC数据集中器间数据信息的高速传输，在具体实施例中，所述总线还用于主站对***状态信息的实时监测，同时支持将监测数据传输给其他装置用于功能扩展。
在以上实施例的基础上，所述对时模块采用GPS/BD双模对时或者B码对时实现，兼容变电站内、柱上、杆上、环网柜等多应用场景；守时模块通过内置的恒温晶振进行高稳守时，并提供对外B码授时接口。
总线中的通信总线与主站或PDC数据集中器之间进行数据交互，解析主站下发的遥控命令，上送相量数据信息及遥信状态信息，两者间通信方式灵活可配置，可通过光纤、电力无线专网、无线公网和5G(第5代移动通信)等方式进行混合组网通信。
在具体实施例中，模拟量采集模块可以根据应用场景配备多个备用，分别都通过模拟量采集模块连接器与总线连接，使本发明仅针对配网线路单间隔/环网柜六间隔测量需求，结合插件式硬件结构可灵活配置3U4I以及最多6U24I模拟量采集回路，并通过模拟量采集模块接收电压电流数据。基于上述设计实现该配电网微型同步相量测量装置体积最小仅为传统主网PMU的八分之一，有效节省安装空间、提高安装维护便捷性，可适应智能配电网分布式、低成本、微型化、可大规模部署的同步相量测量需求。
图3示出了本发明具体实施例的应用场景，如图3所示，
架空型应用场景主要配置单间隔型配电网微型同步相量测量装置，即采集3U4I(三相电压、三相电流与零序电流)，利用GPS/北斗卫星对时，实现同步采样，可采用柱上/杆上安装方式。
电缆型应用场景主要配置多间隔型配电网微型同步相量测量装置，根据现场间隔数配置模拟量采集通道数，主要用于开闭所、开关站、环网柜等，可根据现场条件选择B码或GPS/北斗卫星对时。
配电网微型同步相量测量装置与PDC数据集中器或主站之间进行数据交互；PDC数据集中器与主站之间进行数据交互；三者之间的通信方式可现场实际情况灵活配置，可通过光纤、电力无线专网、无线公网和5G(第5代移动通信)等方式进行混合组网通信。
配电网微型同步相量测量装置可根据应用场景是否具备时钟源选择卫星同步对时(BD/GPS双模块)或外接B码对时，卫星同步对时主要用于解决开闭所、环网柜、柱上等应用场景不具备时钟源的问题，装置对时后可通过内置的恒温晶振进行高稳守时，采用卫星同步对时时对外部提供B码授时接口，用于数据集中器(PDC)对时信号；
配电网微型同步相量测量装置能够基于全网统一的对时信息进行相量同步测量，并将获取到的动态与暂态数据进行存储，并高速传输给PDC数据集中器。
在具体实施例中，本发明提供的配电网微型同步相量测量装置可以具备故障定位与就地隔离功能，通过模拟量采集模块采集零序电流，并将采集的数据通过总线传递给CPU模块进行相量计算，当CPU模块判断出现零序过流故障时，如标红处发生接地故障，则CPU通过总线在故障点上游配电网同步相量测量装置零序过流保护启动，并判别出故障点位于装置下游，通过总线向智能IO模块输出开关量控制命令切除本侧柱上开关，隔离故障，并将事件记录上送给PDC数据集中器。
需要说明的是，本发明中的多个模块可采用现有的、或者传统的模块来实现，例如其中的安全认证模块、智能IO模块。
图4所示配电网微型同步相量测量装置硬件结构示意图。装置采用4U(144mm×140mm)板卡模块化硬件结构设计，其中CPU与电源板为装置基础配置，图4中示出的交流头(即采样板)与开入开出板可根据现场模拟量及开关量采集需求灵活配置。在本实施例中，采样板上集成了多个可灵活配置的模拟量采集模块；开入开出板上集成了多个可灵活配置的智能IO模块。
每块采样板最多支持15路模拟量采集，实现配电网微型同步相量测量装置体积最小仅为传统主网PMU的八分之一。如图4所示，本实施例中，配置了两个交流头，并且每个交流头通过SPI接口与连接器连接，其连接器与总线连接。本实施例配置了两个开入开出板且每个开入开出板与总线连接。电源板上设置有的供电模块，供电模块包含取能PT、铅酸电池、电源模块三部分，其中取能PT用于将配电线路线电压降至AC220V，再与电源模块相连，输出稳定的24V直流电源，在本实施例中，通过电源板输出稳定直流+5V电源，其与总线中的电源总线相连，为装置的其它模块提供电源输入。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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、***、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(***)、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。
最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：所述装置包括总线、CPU模块、至少一个模拟量采集模块、智能IO模块、对时模块和守时模块；
所述总线是电源总线和通信总线的合成线缆；所述总线中的通信总线与主站或PDC数据集中器之间进行数据交互，解析以报文形式下发的遥控开关量命令，上送相量数据信息及遥信状态信息；所述CPU模块通过CPU模块连接器与总线中的通信总线双向连接；
所述模拟量采集模块通过模拟量采集模块连接器与总线中的通信总线单向连接，用于将采集的各间隔的三相电压、三相电流和零序电流数据通过通信总线回传给CPU模块进行A/D转换与相量计算；
所述智能IO模块通过能IO模块连接器与通信总线双向连接，通过通信总线接收开入量以及将开出量输出给开关；所述开出量包括总线接收到的遥控开关量命令以及CPU模块通过通信总线输出的开关量命令；
所述总线中的电源总线连接供电模块，其它模块的电源输入端连接所述电源总线；
所述CPU模块，用于相量计算、I/O处理与逻辑处理，其采用SoC***级芯片紧凑型***架构，包括处理器***PS与可编程逻辑PL，两者之间使用AXI通信接口进行数据交互；
所述对时模块与CPU模块连接，用于接收外部时钟源对时信号；
所述守时模块与CPU模块连接，用于失去标准时钟信号时保持时间同步及提供对外B码授时接口。
2.根据权利要求1所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：所述配电网微型同步相量测量装置还包括为装置提供电源的供电模块，所述供电模块的电源输出端与其它模块的电源输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：所述供电模块包括电压互感器以及电源模块，所述电压互感器与电源模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：还包括铅酸电池与电池管理模块，所述电源模块通过电池管理模块与铅酸电池连接。
5.根据权利要求1所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：所述对时模块采用GPS/BD双模对时或者B码对时实现。
6.根据权利要求1所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：所述守时模块连接CPU模块内置的恒温晶振，并通过CPU模块提供对外B码授时接口。
7.根据权利要求1所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：所述配电网微型同步相量测量装置选择光纤、电力无线专网、无线公网或5G网络这几种通信方式中的至少一种通信方式与主站或PDC数据集中器通信。
8.根据权利要求1所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：还包括安全认证模块，所述安全认证模块通过安全认证模块连接器与通信总线连接，用于对通信总线解析的遥控命令进行安全认证，并将经安全认证后的信号通过通信总线传递给CPU模块进行逻辑处理。
9.根据权利要求1所述的一种配电网微型同步相量测量装置，其特征在于：所述装置还包括无线通信模块，所述无线通信模块与CPU模块连接实现与其它设备无线通信。
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