CN206742966U - 一种新型智能配电单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型智能配电单元，包括多个采集装置，所有的所述采集装置与数据集中器通信，每个所述采集装置与一个时钟同步单元连接；所述时钟同步单元包括FPGA控制器，所述FPGA控制器的输入端与恒温晶振连接，输出端与光发射器连接，至少一个时钟同步单元的输入端与授时模块连接，所有的时钟同步单元之间通过无线通信模块进行通信。本实用新型含有集成TCP/IP协议的网络控制器，可以方便与服务器进行连接，连接方式可以在网线、WIFI、3G等方式中任意选择。站内各采集装置可以通过光纤完成同步采集，可以充分保证各采集点之间的时间同步，确保做到准确时刻采样，保证时标的精确。

Description

一种新型智能配电单元

技术领域

本实用新型涉及智能配电网技术领域，尤其涉及一种新型智能配电单元。

背景技术

电力***运行、分析人员对电网特性的把握依赖于基于电网模型的实时监测分析。准确的电网参数是形成准确的电网模型进行电力***计算的基础。因此，提高电网参数的准确性和可靠性，对特大电网的安全稳定运行具有重大意义。

当前配电网缺乏实时准确的信息，采集数据多为各独立设备采集，缺少准确时标信息，在进行潮流分析、状态估计、合环操作等工作时，无法获取同一时间截面的数据信息，因此计算结果的精度必然会受到较大影响。

总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何在配电***正常运行情况下找到一种工作全面，高效的装置来实现同步数据的实时在线测量。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供了一种新型智能配电单元，对配电网同步数据进行实时的在线测量，结构设计合理，实用性强，成本低，工作效率高。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种新型智能配电单元，包括多个采集装置，所有的所述采集装置与数据集中器通信，每个所述采集装置与一个时钟同步单元连接；

所述时钟同步单元包括FPGA控制器，所述FPGA控制器的输入端与恒温晶振连接，输出端与光发射器连接，至少一个时钟同步单元的输入端与授时模块连接，所有的时钟同步单元之间通过无线通信模块进行通信。

所述授时模块采用UM220模块。

所述采集装置与时钟同步单元之间利用光纤进行同步。

所述采集装置与数据集中器通过以太网进行连接。

所述采集装置包括数据处理单元，所述数据处理单元与存储单元、光接收器、光发射器、模数转换器及网络控制器连接，还通过光电隔离电路与数字量输入输出电路连接。

所述网络控制器采用W5100型网络接口芯片，W5100型网络接口芯片与RJ45接口连接。

所述模数转换器还与量程切换电路连接，所述量程切换电路包括四个放大电路，每个放大电路的输出都通过连接一个开关后连接所述模数转换器的输入端，第一电流互感器直接连接其中两个放大电路的输入端，同时通过开关连接另两个放大电路的输入端，第二电流互感器通过开关分别连接四个放大电路的输入端。

所述存储单元采用SD卡，数据处理单元将数据通过SPI总线存入SD卡中。

所述无线通信模块为ZigBee通信模块。

所述数据处理单元采用TMS320F28335DSP。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型含有集成TCP/IP协议的网络控制器，可以方便与服务器进行连接，连接方式可以在网线、WIFI、3G等方式中任意选择。

站内各采集装置可以通过光纤完成同步采集，可以充分保证各采集点之间的时间同步，确保做到准确时刻采样，保证时标的精确。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图；

图2为采集装置和时钟同步单元的结构图；

图3为时钟同步单元的具体结构图；

图4为采集装置的具体结构图；

图5为量程切换电路；

图6为合环电路图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明：

如图1所示，一种新型智能配电单元，包括多个采集装置，所有的所述采集装置与数据集中器通信，每个所述采集装置与一个时钟同步单元连接；如图2-3所示，所述时钟同步单元包括FPGA控制器，所述FPGA控制器的输入端与恒温晶振连接，输出端与光发射器连接，至少一个时钟同步单元的输入端与授时模块连接，所有的时钟同步单元之间通过无线通信模块进行通信。

同一站内具有两个以上(含两个)测量节点时，可以通过只为主节点配备授时模块，其余子节点通过ZigBee通信的方式获取授时模块的精确时间信息。本装置使用TI的CC2530型ZigBee芯片作为无线通信模块，其具有IEE802.15.4兼容的无线收发器，其内部含有可编程的MCU单元，可将节点之间的同步协议移植入ZigBee模块，此外还提供了MCU与射频部分的通信接口，可以用来读取收发状态，准确捕获数据开始时刻，为报文的同步提供准确的时序。同步过程采用IEEE1588协议。同步过程采用三步同步模式，该同步模式即使是在从机时钟漂移较大的情况下仍能完成准确的同步过程。

时模块采用UM220模块，该模块的授时精度可达到100ns，此时钟精度完全能够满足对相角测量的要求。该模块输出时间信息的型式为串口数据+脉冲信号的格式，通过串口将精确到秒级别的时间、坐标等信息发送至FPGA、精确到纳秒级别的准确时间通过Plush脉冲信号进行标定，保证时间的绝对精确。该授时模块兼容GPS和北斗两种授时方式，用户可以根据应用选择GPS模式、北斗模式、GPS+北斗模式这三种模式。

FPGA控制器的主要任务是维持***内的时钟。一方面对GPS秒脉冲信号进行细分生成12.8KHz的同步采集脉冲，另一方面，在GPS因环境或其他因素丢失时钟信号时维持***的准确时钟。为了保证时钟的精度，使用恒温晶振为FPGA提供稳定的时钟，在装置守时方面与传统有源晶振相比性能可以提高50倍。此处的控制器选用FPGA是考虑到FPGA的相应速度快的优点，使用普通的CPU，在外部触发事件发生后需要将当前运行数据压入堆栈，再处理相应中断处理函数，由于这个过程在不同的时刻触发时所使用的时间是不同的，因此会给时钟带来较大偏差。

如图2和图4所示，采集装置由DSP、AD转换器、网络控制器、数字量输入输出电路、光接收器、光发射器、存储器等部分组成。

DSP采用美国德州仪器公司生产的TMS320F28335型高性能32位处理器，该处理器内部集成硬件浮点处理单元(FPU)，可以大大提高对浮点数据的运算能力，以此可以解决在计算相角时的快速傅里叶变换(FFT)中的大量浮点运算。此外该处理器具有丰富的外部接口可以和多个外部设备进行通信，其中SCIA负责与FPGA交互时标信息、时间偏差信息等；SCIB负责通过MAX232或RS485与外部主机通信；SPI负责与内部大容量SD卡存储进行通信，负责数据的存储功能；通用地址和数据总线与以太网控制进行通信，将数据通过以太网进行传输，将计算出的相角信息、幅值信息发送至服务器主机。

DSP每20ms计算一次三相电压、电流的相角和幅值，并将计算出的数据通过以太网发送到服务器端。装置使用W5100型网络接口芯片，该芯片内部集成TCP/IP协议栈，其支持的协议有TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP、PPPoE等，使用该芯片可以简化数据通信结构设计，免去TCP/IP协议的移植过程。芯片与处理器之间的通信方式有SPI和并行两种。考虑到传输的数据量等方面的内容，保证传输速度DSP与网络芯片采用并行总线的通信方式，在此种模式下最高网络传输速度可以到100Mpbs，能够满足装置对网络通信的速度要求。网络对外接口采用RJ45接口，通过该接口可以传输方式可以选择网线、WIFI、3G等。数据的上传频率用户可以灵活设置(1、5、10、25、50)次/秒。

作为同步向量测量装置，对模拟量采集的精度和采集时刻的控制都有很高的要求，因此在本装置中采用16位8通道同步采样模数转换器AD7606。该芯片内部含有二阶抗混叠滤波器，通过该滤波器可以有效的滤除高频干扰，使测量的相角信息更加准确。此外，该芯片可以完成8通道的绝对同步采样，这样可以保证各相采集时刻的绝对统一，从设计结构上减小相角误差。由于装置中FPGA的时钟最为精准，因此AD的开始转换触发信号由FPGA提供，AD转换完成后其Busy信号会发生跳变，DSP检测到Busy信号后开始通过16位的并行总线对转换数据进行读取。

考虑到测量信号的输入范围，在线路出现故障时仍能记录对应的波形，对AD来说在故障时测量信号不能满偏，因此在电路上需要考虑多通道切换的问题。如图5所示，所述模数转换器还与量程切换电路连接，所述量程切换电路包括四个放大电路，每个放大电路的输出都通过连接一个开关后连接所述模数转换器的输入端，第一电流互感器直接连接其中两个放大电路的输入端，同时通过开关连接另两个放大电路的输入端，第二电流互感器通过开关分别连接四个放大电路的输入端。

放大电路的放大倍数可以通过拨码开关进行配置，用户可以通过调整拨码开关实现对测量CT和保护CT的配置，针对保护CT还可以实现量程的自动切换，此时，通过两路AD采集同一路信号，在图5中，K1、K3、K6闭合，K2、K4、K5断开，即可实现对CT1的动态量程调整过程。在输入信号较小时，为保证信号的采集精度，处理器采用ADC2的值作为信号值，当输入信号较大时，处理器采用ADC1的值作为信号，这样在既能保证在信号的采集精度，又能保证信号的采集范围。

采集装置可以将采集到的数据通过SPI总线存入大容量SD卡中，用户可以根据存储的时间和采样频率选择配置SD的容量。8通道模拟量信号每次采集需要占用的字节为16Byte，加入时标信息后折合20Byte。

每小时的数据量＝20*256*50*60*60＝92160000Byte＝878.9Mbyte

数据集中器主要负责收集个采集装置的采集数据，以及对数据进行进一步分析和计算，完成计算后在本地进行存储，同时可以按照要求将数据按照指定的要求转发至各主站。数据集中器为具有嵌入式***的工控主机，根据计算量的大小配置对应的处理器。

本实用新型的应用范围较广，对整个电网的***分析可以提供可靠的数据支撑，其中，在合环过程中能够起到很好的作用，如图6所示，在合环前通过AB两侧变压器的测量装置测量两侧的电压相量，借助该数据可以计算出合环瞬间的冲击电流值。此种方式只需要闭合母线的电压相量和合环线路阻抗，并且与电网上下级结构无关，因此不受电网运行方式的影响。

在线线路参数测量是本实用新型非常具有优势的应用场合。在测量某端线路的线路参数时可以在线路两端分别部署该装置，通过服务器接收两端测量的带有准确时标的相角、幅值、频率等数据，通过两组数据可以分析、计算出该条线路的具体参数。根据计算出来的具体参数可以为进一步计算线路损耗、线路潮流等。

本实用新型可以对被测点谐波数据进行实时分析，实时计算各次谐波含有率，帮助电网管理人员实时查找电网谐波源，能够针对电网2-50次谐波电压和谐波电流进行谐波发射水平分析，帮助电网管理人员判断谐波源对周围电网的影响。

本实用新型可以计算出被测点的电能质量，计算出准确的有功功率、无功功率、电能等。在线路合环时可以提供准确的潮流值，避免在合环过程中出现大的电流冲击。

本实用新型主要为其他子***提供准确的基础数据，利用测得的电压及电流的幅值、相角、频率等数据可以计算出电网线路参数、线路损耗、线路潮流等量，还可以用于测量数据进行故障分析和电网状态估计。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种新型智能配电单元，其特征是，包括多个采集装置，所有的所述采集装置与数据集中器通信，每个所述采集装置与一个时钟同步单元连接；

所述时钟同步单元包括FPGA控制器，所述FPGA控制器的输入端与恒温晶振连接，输出端与光发射器连接，至少一个时钟同步单元的输入端与授时模块连接，所有的时钟同步单元之间通过无线通信模块进行通信。

2.如权利要求1所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述授时模块采用UM220模块。

3.如权利要求1所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述采集装置与时钟同步单元之间利用光纤进行同步。

4.如权利要求1所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述采集装置与数据集中器通过以太网进行连接。

5.如权利要求1所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述采集装置包括数据处理单元，所述数据处理单元与存储单元、光接收器、光发射器、模数转换器及网络控制器连接，还通过光电隔离电路与数字量输入输出电路连接。

6.如权利要求5所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述网络控制器采用W5100型网络接口芯片，W5100型网络接口芯片与RJ45接口连接。

7.如权利要求5所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述模数转换器还与量程切换电路连接，所述量程切换电路包括四个放大电路，每个放大电路的输出都通过连接一个开关后连接所述模数转换器的输入端，第一电流互感器直接连接其中两个放大电路的输入端，同时通过开关连接另两个放大电路的输入端，第二电流互感器通过开关分别连接四个放大电路的输入端。

8.如权利要求5所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述存储单元采用SD卡，数据处理单元将数据通过SPI总线存入SD卡中。

9.如权利要求1所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述无线通信模块为ZigBee通信模块。

10.如权利要求5所述的一种新型智能配电单元，其特征是，所述数据处理单元采用TMS320F28335DSP。