一种电力系统电能质量监测与记录装置

1.一种电力系统电能质量监测与记录装置，采用客户-服务器架构，管理机为客户端，其特征在于：
在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型，按照IEC61850-7建模，设有具有相同硬件平台的故障录波逻辑模块及电能质量逻辑模块，故障录波逻辑模块根据计算结果进行启动判断，如有启动则生成故障文件，记录暂态故障、动态数据，完成对录波数据的离线分析；电能质量逻辑模块实现电压、三相不平衡度、频率、谐波、和电压的波动、闪变、暂降、暂升、短时中断等在线测量，并对测量结果标记GPS时钟；
所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯，服务器端采集部分接收模拟信号或数字信号，进行实时运算；
所述客户端对与客户请求有关的模型进行映射；
所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连接，通讯协议符合IEC 61850-8，映射为MMS服务，按照IEC61850-6实现系统配置，并形成独立使用的配置工具。
2.根据权利要求1所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
服务器端设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号复用电路。
3.根据权利要求1或2所述的电力系统电能质量监测与记录装 置，其特征在于：
服务器端设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。
4.根据权利要求3所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
所述故障录波逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点：
1)一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理信息；
2)一个LLN0逻辑节点，用于访问故障录波逻辑设备的公用信息；
3)一个RDRE扰动记录功能逻辑节点，用于描述故障录波功能；
4)至少一个RADR扰动记录模拟量通道逻辑节点，每一个模拟量通道对应一个，用于描述故障记录的模拟量通道；
5)至少一个RBDR扰动记录状态量通道逻辑节点，每一个状态量通道对应一个，用于描述故障记录的状态量通道；
6)至少一个RFLO故障定位逻辑节点，每一条线路对应一个，用于在发生故障情况下定位线路故障的故障点。
5.根据权利要求4所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
所述故障录波逻辑模块，其组成还包括以下IEC 61850扩展逻辑节点：
1)一个扰动记录系统频率量逻辑节点，用于系统频率发生越上 限、越下限、突变故障时的处理；
2)至少一个扰动记录系统电压量逻辑节点，每一个系统电压量对应一个，用于系统电压发生异常故障时的处理；
3)至少一个扰动记录电流量逻辑节点，每一个电流量对应一个，用于系统电流发生异常故障时的处理；
4)至少一个扰动记录变压器逻辑节点，每一台主变压器对应一个，用于变压器发生异常故障时的处理。
6.根据权利要求5所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
所述电能质量逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点：
1)一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理信息；
2)一个LLN0逻辑节点，用于访问电能质量逻辑设备的公用信息；
3)至少一个MMXU测量逻辑节点，用于测量电压、电流和频率值；
4)至少一个MSQI相序和不平衡逻辑节点，用于测量序分量和不平衡度；
5)至少一个MSTA计量统计逻辑节点，用于分析统计设定期间内的平均值、最大值和最小值；
6)至少一个MHAI谐波和间谐波逻辑节点，用于测量谐波和间 谐波。
7.根据权利要求6所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
所述服务器的外部输入信号为GPS时钟和电压、电流信号，信号输入方式包括：
1)模拟信号：经互感器传变过来的传统采样电压、电流模拟信号，及由并行电缆以空接点的形式接入的开关量信号；
2)IEC 61850-9-1数字信号和GOOSE信号：符合IEC 61850-9-1串行单向多路点对点的数字信号和GOOSE信息网的GOOSE信号；
3)IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号：符合IEC 61850-9-2的数字信号和GOOSE报文，由过程总线综合传输。
8.根据权利要求7所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
所述采集板，包括带有SDRAM、FLASH的DSP模块、FPGA-1采集控制模块和FPGA-2时间控制模块。
9.根据权利要求8所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
所述模拟信号输入板，包括级联的模拟量检测模块、AD采样模块、FPGA-3，以及提供电源的电源检测模块；
所述数字信号输入板，包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网卡、FPGA-4、FLASH BOOT ROM、DDRRAM和RS232驱动器。
所述管理机为任何PC机或工业计算机。
10.根据权利要求9所述的电力系统电能质量监测与记录装置，其特征在于：
所述GPS对时板包括FPGA-5、CPU和OCXO，提供系统统一的同步时钟。

一种电力系统电能质量监测与记录装置 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及监测与记录，尤其是涉及一种电力系统电能质量监测与记录装置。 背景技术\n[0002] 2007年中国正式采用IEC 61850为电力行业标准，着手改变二次设备数据重复采集，缺乏数据集成和处理，缺乏信息交换和共享的现状。现有变电站内录波器，可以在IED设备间的数据集成和信息交换中为用户决策及时、准确提供保障，但只是在故障情况下向主站发送数据，不能对电力系统电能质量状态进行监测；电能质量装置可以实时监测到系统电能质量状态，但记录的数据也只是稳态量，且记录频率低，反映线路故障真实情况欠佳。目前尚未见有将具有相同的硬件平台的故障录波和电能质量按照IEC 61850标准进行统一建模，实现互联电网的电能质量监测与记录的装置。 \n发明内容\n[0003] 本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种基于IEC \n61850的电力系统电能质量监测与记录装置，将故障录波与电能质量在IEC 61850框架下集成在同一装置，以方便实现电力系统电能质量监测与记录。 \n[0004] 本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。 \n[0005] 这种电力系统电能质量监测与记录装置，采用客户-服务器架构，管理机为客户端。 \n[0006] 这种电力系统电能质量监测与记录装置的特点是： \n[0007] 在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型，按照IEC61850-7建模，设有具有相同硬件平台的故障录波逻辑模块及电能质量逻辑模块，故障录波逻辑模块根据计算结果进行启动判断，如有启动则生成故障文件，记录暂态故障、动态数据，完成对录波数据的离线分析；电能质量逻辑模块实现电压、三相不平衡度、频率、谐波、和电压的波动、闪变、暂降、暂升、短时中断等在线测量，并对测量结果标记GPS时钟。既记录电力系统故障数据，也在无故障情况下连续测量与记录电力系统变电站和用电用户的电能质量，符合电力系统实时监测与暂态记录和动态记录在IEC 61850框架下的一体化要求。 [0008] 所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯，服务器端采集部分接收模拟信号或数字信号，进行实时运算。所述客户端对与客户请求有关的模型进行映射。所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连接，通讯协议符合IEC 61850-8，映射为MMS服务，按照IEC61850-6实现系统配置，并形成独立使用的配置工具。 \n[0009] 本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。 \n[0010] 服务器端设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号复用电路。 \n[0011] 服务器端还设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。 \n[0012] 所述故障录波逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点： \n[0013] 1)一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理信息； [0014] 2)一个LLN0逻辑节点，用于访问故障录波逻辑设备的公用信息； [0015] 3)一个RDRE扰动记录功能逻辑节点，用于描述故障录波功能； [0016] 4)至少一个RADR扰动记录模拟量通道逻辑节点，每一个模拟量通道对应一个，用于描述故障记录的模拟量通道； \n[0017] 5)至少一个RBDR扰动记录状态量通道逻辑节点，每一个状态量通道对应一个，用于描述故障记录的状态量通道； \n[0018] 6)至少一个RFLO故障定位逻辑节点，每一条线路对应一个，用于在发生故障情况下定位线路故障的故障点。 \n[0019] 所述故障录波逻辑模块，其组成还包括以下IEC 61850扩展逻辑节点： [0020] 1)一个扰动记录系统频率量逻辑节点，用于系统频率发生越上限、越下限、突变故障时的处理； \n[0021] 2)至少一个扰动记录系统电压量逻辑节点，每一个系统电压量对应一个，用于系统电压发生异常故障时的处理； \n[0022] 3)至少一个扰动记录电流量逻辑节点，每一个电流量对应一个，用于系统电流发生异常故障时的处理； \n[0023] 4)至少一个扰动记录变压器逻辑节点，每一台主变压器对应一 个，用于变压器发生异常故障时的处理。 \n[0024] 所述电能质量逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点： \n[0025] 1)一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理信息； [0026] 2)一个LLN0逻辑节点，用于访问电能质量逻辑设备的公用信息； [0027] 3)至少一个MMXU测量逻辑节点，用于测量电压、电流和频率值； [0028] 4)至少一个MSQI相序和不平衡逻辑节点，用于测量序分量和不平衡度； [0029] 5)至少一个MSTA计量统计逻辑节点，用于分析统计设定期间内的平均值、最大值和最小值； \n[0030] 6)至少一个MHAI谐波和间谐波逻辑节点，用于测量谐波和间谐波。 [0031] 所述服务器的外部输入信号为GPS时钟和电压、电流信号，信号输入方式包括 [0032] 1)模拟信号：经互感器传变过来的传统采样电压、电流模拟信号，及由并行电缆以空接点的形式接入的开关量信号； \n[0033] 2)IEC 61850-9-1数字信号和GOOSE信号：符合IEC 61850-9-1串行单向多路点对点的数字信号和GOOSE信息网的GOOSE信号； \n[0034] 3)IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号：符合IEC 61850-9-2 的数字信号和GOOSE报文，由过程总线综合传输。 \n[0035] 本发明的技术问题通过以下更进一步的技术方案予以解决。 \n[0036] 所述采集板，包括带有SDRAM、FLASH的DSP模块、FPGA-1采集控制模块和FPGA-2时间控制模块。其中FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)的英文缩写。FPGA-1采集控制模块对所有模拟量及开关量进行同步采样，并将采集数据加上时标，然后传输给DSP。FPGA-2时间控制模块对接收到的时间信号进行解码，将处理后的时间通过8位数据总线发给FPGA-1采集控制模块。 \n[0037] 所述模拟信号输入板，包括级联的模拟量检测模块、AD采样模块、FPGA-3，以及提供电源的电源检测模块。 \n[0038] 所述数字信号输入板，包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网卡、FPGA-4、FLASH BOOT ROM、DDRRAM和RS232驱动器。 \n[0039] 所述GPS对时板包括FPGA-5、CPU和OCXO，提供系统统一的同步时钟。用于接收1PPS、IRIG-B、串行时间报文，利用输入时间信号驯服本地时钟，生成高精度的1PPS、IRIG-B(DC)、10kHz基准时钟信号、1MHz基准时钟信号。 \n[0040] 所述管理机为任何PC机或工业计算机。 \n[0041] 本发明与现有技术对比的有益效果是： \n[0042] 本发明装置根据IEC 61850标准将故障录波和电能质量分别建模为不同的逻辑设备，既实现了电力系统故障情况下的数据记录，也实现了对电力系统重要的变电站和用电用户进行电能质量监测，为提高电力系统为用户提供优质电源的提供有力的支持。本发明装置可以广 泛用于各种电能质量场合。在工程应用时只需根据需要对软件进行简单的配置即可，无需任何复杂的操作，工程应用非常方便灵活。 \n附图说明\n[0043] 图1是本发明具体实施方式的系统结构图； \n[0044] 图2是图1中的采集板的原理框图； \n[0045] 图3是图1中的模拟信号输入板的原理框图； \n[0046] 图4是图1中的数字信号输入板的原理框图； \n[0047] 图5是图1中的GPS对时板的原理框图； \n[0048] 图6是图1中的监控板原理框图； \n[0049] 图7是本发明具体实施方式的工作过程示意图。 \n具体实施方式\n[0050] 下面对照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。 [0051] 图1是本发明具体实施方式的系统结构图，图中给出两种信号输入方式：合并单元+GOOSE网，或是传统PT/CT传变的信号+开关量硬节点。 \n[0052] 本具体实施方式在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型，设有具有相同硬件平台的故障录波逻辑模块及电能质量逻辑模块，故障录波逻辑模块根据计算结果进行启动判断，如有启动则生成故障文件，记录暂态故障、动态数据，完成对录波数据的离线分析；电能质量逻辑模块实现电压、三相不平衡度、频率、谐波、和电压的波动、闪变、暂降、暂升、短时中断等在线测量，并对测量结果标记GPS时钟。既记录电力系统故障数据，也在无故障情况下连续测量与记录电力系统变电站和用电用户的电能质量，符合电力系统电能质量监测与暂态记录和动态记录在IEC 61850框架下的一体化要求。\n[0053] 所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯，服务器端采集部分接收模拟信号或数字信号，进行实时运算。所述客户端对与客户请求有关的模型进行映射。所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连接，通讯协议符合IEC 61850-8，映射为MMS服务，按照IEC61850-6实现系统配置，并形成独立使用的配置工具。 \n[0054] 服务器端设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号复用电路。 \n[0055] 服务器端还设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。 \n[0056] 如图2所示的采集板，包括带有SDRAM、FLASH的DSP模块、FPGA-1采集控制模块和FPGA-2时间控制模块。FPGA-1采集控制模块对所有模拟量及开关量进行同步采样，并将采集数据加上时标，然后传输给DSP。FPGA-2时间控制模块对接收到的时间信号进行解码，将处理后的时间通过8位数据总线发给FPGA-1采集控制模块。 \n[0057] 如图3所示的模拟信号输入板，包括级联的模拟量检测模块、AD采样模块、FPGA-3，以及提供电源的电源检测模块。模拟量检测模块接收到32路的模拟信号以后，通过采样开关采取当前模拟信号，由采样保持器对信号进行保持，FPGA-3控制AD采样模块将每一路模拟信号转换为16位的数字信号，并将采集数据汇总后，通过16位数据总线上传给的FPGA-3进行处理。 \n[0058] 如图4所示的数字信号输入板，包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网卡、FPGA-4、FLASH BOOT ROM、DDRRAM和RS232驱动器。采集板通过背板并行总线将符合IEC 61850-9-1、IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号的配置数据写入FPGA-4内部的双口RAM中，数字信号输入板检测到配置数据有效后，根据配置信息指示由网络处理器集成的两个网络接口和PCI总线扩展的两个网络接口同时接收两路符合IEC 61850-9-1、IEC \n61850-9-2数字信号和GOOSE信号-GOOSE报文和合并单元数据，再根据配置数据从报文中提取出系统需要的数据后进行整理，将数据放入双口RAM缓冲区，等待采集板读取。采集板读取后会设置相应的双口RAM单元反馈数字信号输入板已取走数据，由FPGA-4的CPU释放双口RAM缓冲区。即使有一路信号出错时，由于是同时接收两路，数据采集依然可以正确运行。 \n[0059] 如图5所示的GPS对时板包括FPGA-5、CPU和OCXO，是系统统一的同步时钟电路，用于接收1PPS、IRIG-B、串行时间报文，利用输入时间信号驯服本地时钟，生成高精度的\n1PPS、IRIG-B(DC)、10kHz基准时钟信号、1MHz基准时钟信号。卫星信号消失后，能够精确守时；卫星信号恢复后，能够自动切换到GPS对时方式。利用输入时间信号驯服本地时钟，再通过FPGA-5的逻辑运算输出高精度的时间频率信号。 \n[0060] FPGA-5采用Altera公司的EP2C8，利用数字锁相环和补偿算法来产生精确的\n1PPS、IRIG-B(DC)、10kHz基准时钟信号、1MHz 基准时钟信号，并且通过SPI总线和CPU算法模块进行数据交换。 \n[0061] CPU采用流明诺瑞的LM3S1601，用来接收外部串行报文信号和FPGA-5交换的数据，CPU驯服算法模块根据FPGA-5测量得到的相位偏差，控制OCXO得到一个高精度的标准10MHz频率，然后FPGA-5中的PLL将10MHz标准频率倍频到100MHz，这样FPGA-5内部可以产生分辨率为10ns频率基准。FPGA-5利用这个频率基准可以生成高精度的1PPS、IRIG-B(DC)、10kHz基准时钟信号、1MHz基准时钟信号。 \n[0062] 如图6所示的监控板，包括PC104Plus处理器模块，配置双网口，支持CF卡、硬盘，使用PCI到HPI的专用桥接芯片完成HPI访问。通过ISA总线通过CPLD译码，扩展8路继电器输出。PC104plus处理器模块通过PCI总线访问DSP的HPI接口，PCI总线与HPI总线之间的桥接芯片选用PCI2040。用于接受采集板传来的数据，完成录波格式转换、录波数据保存和启动原因分析；并与管理机通讯，通讯协议为用户定义的私有协议或IEC 61850-8-1；\n同时实现电能质量数据存储，检索和与管理机实时通信功能。 \n[0063] 管理机采用嵌入式计算机EmCORE-i8524(600M)，主要配置如下：Intel型CPU，主频可达600MHz；256MB DDR SDRAM；3个独立的100M以太网卡；支持PCI，PC/104，PC/104+等总线；支持6个232串口。用于实现ACSI处理、实时监测、离线分析、定值设定、运行控制、录波文件管理、事件检索及电能质量数据及录波数据与主站实时通信。 [0064] 本发明具体实施方式的工作过程见图7。具体步骤如下： \n[0065] 1)输入信号的处理 \n[0066] 如果输入信号是模拟信号，则用小PT/CT进行信号隔离转换，然后对模拟信号进行滤波、A/D转换，生成数字量放在16位数据总线上； \n[0067] 如果输入信号是光纤数字信号，则将网口数据接收下来，并按照已定义好的数据格式放在16位数据总线上。 \n[0068] 2)打时标 \n[0069] 采集板从16位数据总线上读取数据，并根据GPS时间对每个采样点打上绝对时标。 \n[0070] 3)数据计算 \n[0071] 采样数据每满一个周波，则计算每个通道的有效值、谐波，以及正序、负序、零序、功率等状态量，将计算结果保存在预定义结构中。 \n[0072] 4)启动判断及电能质量事件标识生成 \n[0073] DSP根据计算结果与定值比较，是否有启动发生，并填写启动信息结构。同时根据电能质量定值判断有电能质量事件发生，并填写标识事件结构。 \n[0074] 5)数据发送 \n[0075] 采集板将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构通过DSP的HPI总线发送给监控板，每周波发送一次。 \n[0076] 6)监控板处理接收的数据 \n[0077] 按照是否启动生成暂态录波文件和标记事件文件，同时根据采样 数据生成动态录波文件，并将文件写入硬盘。 \n[0078] 7)管理机工作 \n[0079] 如要对录波文件进行分析及下定值等人机对话操作，则需要管理机来完成。管理机主要完成离线分析、在线配置、运行控制、实时监测、事件检索、对外通信等工作。 [0080] 本具体实施方式装置的性能指标如下： \n[0081] 1)交流电压线性范围：0～3Un；交流电流线性范围：0.1～40In；幅值测量误差：\n0.2％； \n[0082] 2)零漂：＜0.02； \n[0083] 3)频率测量误差：＜0.01Hz； \n[0084] 4)供电电压及偏差计算：＜0.5％； \n[0085] 5)三相电压不平衡度及负序量计算：＜0.2％； \n[0086] 6)三相电流不平衡度计算：＜1％； \n[0087] 7)谐波计算； \n[0088] 电压：Uh≥3％UN，5％Uh；Uh≤3％UN，0.15％UN； \n[0089] 电流：Ih≥10％IN，5％Ih；Ih≤10％IN，0.5％IN； \n[0090] 8)电压波动计算：＜5％； \n[0091] 9)闪变计算：＜5％； \n[0092] 10)突变启动误差：＜2％； \n[0093] 11)通道越限启动误差：＜1％； \n[0094] 12)谐波启动误差(10次以下)：＜2％； \n[0095] 13)正序、负序越限启动误差：＜2％； \n[0096] 14)主站间传输速率：25、50、100次/秒的可选传输速率； \n[0097] 15)录波记录容量：80G硬盘，可保存2万个以上录波文件； \n[0098] 16)绝对时间误差：＜±10ms/天(无GPS)；＜±1μs(有GPS)； \n[0099] 17)装置功耗：＜80W； \n[0100] 18)事件标识记录保存时间：30天； \n[0101] 19)动态记录容量：200G硬盘，可保存15天以上电能质量动态记录数据； [0102] 20)金属性短路测距误差：＜2％； \n[0103] 21)最大配置为：96路模拟量，192路开关量。 \n[0104] 22)接入信号类型： \n[0105] 模拟信号：三相电压、三相电流、直流电压或电流和高频信号；开关量信号：保护跳闸信息和断路器状态信息。 \n[0106] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。