专利名称：一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统。
背景技术：
电子式互感器是电网一次的重要主设备，它们担负着电网的精确“测量和计量”，以及故障“监测”的作用。要求量测的电网运行参数高度精确；装置本身应具有相当的可靠性。它是为智能电网、数字化继电保护、电网实时PMU、WAMS、电网快速状态估计、电网暂态稳定监控、特高压输电线路的电晕测量、电网实时经济调度、谐波在电网中的应用、电网输电阻塞的缓解、解决输电走廊问题的分相输电技术、实现准确的故障测距和紧凑型一次智能设备等提供可靠保证。对现代电网运行和设备革命发挥重要的作用。因此，要求它必须具有高准确性、快速数据传输的高性能。目前，使用传统互感器作为模拟量(电流、电压)采样装置，当空气开关合闸过程中，传统互感器立即采集此时的电流及电压值，并通过示波器采集显示波形信号，在合闸的瞬间过程中对采样精度、采样的时间响应有较高的要求。在目前的传统互感器的技术条件下，不能满足现场要求。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，克服了传统互感器不能提供较高的采样精度和时间响应的缺点，本发明利用基于电子式互感器和高精度光电转换采样装置，能够在开关动作瞬间下的高精度数据采样，通过后台软件处理技术针对IEC61850中SMV9-2报文捕获分析的一种波形分析系统。不仅能够解决采样精度和时间响应，并且波形分析装置能够把数据保存成comtrade文件格式，可以作为事后分析查看，也可以提供给其他主流厂家分析系统作为数据源。为了达到上述目的，本发明的技术方案是:
一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，包括电子式互感器装置、高精度采样装置和波形分析装置；其中所述的电子式互感器装置通过光纤与高精度采样装置相连；所述的高精度采样装置通过光纤与波形分析装置相连；通过所述的电子式互感器装置接收电压信号。所述的电子式互感器装置包括传感头部件和合并器OEMU ;所述的传感头部件包括所示中传感头部件包括串行感应分压器、RogOWSki线圈和采集器OESC ;所述的串行感应分压器一端接地，另一端通过线路分别与母线交流电压信号输入模块和采集器OESC相连；所述的Rogowski线圈通过线路与采集器OESC相连；所述的采集器OESC通过光纤与合并器OEMU相连；所述的合并器OEMU通过光纤与高精度采样装置相连。所述的Rogowski线圈包括测量用Rogowski线圈和保护用Rogowski线圈；所述的线圈包括测量用Rogowski线圈和保护用Rogowski线圈分别通过线路与采集器OESC相连。所述的高精度采样装置包括CPU模块和接口 ；所述的CPU模块包括FPGA处理器、主CPU处理器、监视CPU处理器；其中所述的主CPU处理器通过线路与FPGA处理器双向连接；所述的FPGA处理器通过虚拟连接与双口 RAM驱动程序双向连接；所述的双口 RAM驱动程序通过监视CPU处理器与用户应用程序相连；所述的接口包括12个互感器输输出接口 S1-S12、采样值报文输出接口 NET，以及时钟输入接口 SYNC ;所述的采样值报文输出接口NET通过光纤与波形分析装置相连。所述的FPGA处理器采用Altera的EPM3256型的CPLD和EP1C6型FPGA ;所述的主CPU处理器采用ADSP的BF-532芯片；所述的监视CPU处理器采用研华的PCM-3350 /PC104卡。所述的波形分析装置采用基于winpcap的捕包技术分析高精度采样装置输出的组播报文；所述的波形分析装置采用comtrade格式保存分析结果。本发明的有益效果是:本发明的一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，利用基于电子式互感器和高精度光电转换采样装置，能够在开关动作瞬间下的高精度数据采样，通过后台软件处理技术针对IEC61850中SMV9-2报文捕获分析的一种波形分析系统，不仅能够解决采样精度和时间响应，并且波形分析装置能够把数据保存成comtrade文件格式，可以作为事后分析查看，也可以提供给其他主流厂家分析系统作为数据源。本发明对母线电流电压经过电子互感器转换成光信号，经过高精度采样装置采样二次电流电压，同时输出采样值报文，波形分析装置通过软件技术捕获并分析采样值报文，同时实时显示波形和波形数据，并能够根据触发条件自动保存分析结果。具有以下优点:1)采用了光电互感器和高精度采样装置的前置采样技术，可以保证在高采样率的情况下数据的准确性和可靠性，提高采样的精度和抗干扰性，提高作业人员的安全性。2 )本发明的电子式互感器装置中的Rogowski线圈实现大电流传变，使其具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好等优点，有利于新型保护原理的实现及提高保护性能。电流互感器测量准确度可达0.1级，保护可达5TPE级。电子式电压互感器采用了串行感应分压器，测量准确度达到0.2级，并解决了常规电压互感器可能出现铁磁谐振的问题。电子式互感器装置内部采集器处于和被测量信号等电位的密闭屏蔽的结构部件中，采集器和合并器通过光纤相连，数字信号在光缆中传输，增强了抗EMI性能，数据可靠性大大提高。电子式互感器装置的光电互感器通过光纤连接互感器的高低压部分，绝缘结构大为简单，以绝缘脂替代了传统互感器的油或SF6，互感器性能更加稳定；其无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故。3)本发明的高精度采样装置包含一个CPU处理单元，该单元有主CPU、监视CPU和FPGA三个处理器，监视CPU用来监视主CPU的工作状态，当主CPU工作异常时，监视CPU可以通过电源模块发出告警信号；FPGA负责采样数据的高速收发，保证了系统工作的稳定性和数据采样的准确可靠。高精度采样装置采用DL/T 860.92 (IEC 61850-9-2)、GB/T20840.8 (IEC 60044-8)或通道可扩展的IEC 60044-8规定的报文格式，向站内保护、测控、计量、录波、PMU等智能电子设备输出采样值；可接收B码、PPS及1588等基准时钟的同步信号，同步精度小于I μ S，并具有守时功能，在失去同步时钟信号IOmin以内的守时误差小于4μ s ;对装置本身的硬件或通信方面的错误进行自检，能对自检事件进行记录并具有掉电保持功能。记录的事件包括:电子互感器通道故障、采样失步、网络中断等重要事件。高精度采样装置具备故障告警功能，在装置故障时可通过GOOSE上送告警内容，并输出告警接点和闭锁接点。高精度采样装置具备LED状态显示功能，具备装置运行状态、通道状态等LED显示功能。高精度采样装置提供秒脉冲测试信号，具备PPS输出测试接口，用于测试装置的同步精度和守时精度。高精度采样装置可通过GOOSE或者本地开入，采集断路器、刀闸等位置信号，并具备母线电压并列功能。高精度采样装置提供人工置数功能，装置处于调试状态时可以通过装置面板的人机界面，设定所输出的各路交流电压或电流采样值的幅值和状态标志等，方便联调。利用winpcap技术对采样值报文的捕获，能够保证在高精度高采样率下对报文进行完整捕获记录，并同时能够准确分析采样值报文。利用多线程技术，可以在分析报文的同时实时显示波形、有效值和相角。提供comtrade格式的分析结果文件，其通用性方便所有波形分析软件打开使用。4)波形分析系统提供自动触发和手动触发功能，根据触发条件，对波形数据进行comtrade格式的保存，并提供离线分析功能，可以对保存的comtrade文件进行详细分析，并在软件界面上提供对波形进行相关操作，如:放大、缩小、拖动、通道合并对比；显示瞬时值、有效值、幅值、相角、谐波等基本分析功能；还提供进行矢量分析、序分量分析、故障分析、阻抗分析等高级分析功能。5)本发明装置的主要部件都是采用价格低廉的光纤光缆的应用，大大降低了综合使用成本，适用所有智能变电站、试验站、科研院所的内部实验系统接入。
图1是本发明的基于电子式互感器的暂态波形分析系统的功能单元组成 图2是本发明的基于电子式互感器的暂态波形分析系统的高精度采样装置CPU处理器核心通信体系结构 图3是本发明的基于电子式互感器的暂态波形分析系统用于试验站中的一个开关闭合实验应用连接 图4是开关闭合时本发明的电子互感器波形分析装置暂态波形 图5是开关闭合时传统互感器示波器暂态波形 图6是本发明的电子式互感器的工作原理框 图7是本发明的高精度采样装置的接线布置图。
具体实施例方式_
实施例1
如图1、图3、图4、图5、图6、图7所不,应用在一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，包括电子式互感器装置1、高精度采样装置2和波形分析装置3 ;其中所述的电子式互感器装置I通过光纤与高精度采样装置2相连；所述的电子式互感器装置I还通过线路与母线交流电压输入模块4相连。电子式互感器装置(电子式光电电流电压互感器，简称“光电互感器”)I是利用电磁感应原理的Rogowski线圈以及串级式电容分压器实现的混合式交流电流电压互感器。如图3所示中，电子式互感器装置I包括传感头部件10和合并器(OEMU) 5 ;所述的传感头部件15包括串行感应分压器6、Rogowski线圈和采集器(0ESO7 ;所述的串行感应分压器一端接地，另一端通过线路分别与母线交流电压信号输入模块4和采集器(OESC) 7相连；所述的Rogowski线圈通过线路与采集器(OESC) 7相连；所述的Rogowski线圈包括测量用Rogowski线圈8和保护用Rogowski线圈9 ;所述的测量用Rogowski线圈和保护用Rogowski线圈分别通过线路与采集器(OESC) 7相连；所述的采集器(OESC) 7通过光纤与合并器(OEMU) 5相连；所述的合并器(OEMU) 5通过光纤与高精度采样装置2相连。传感头部件10与电力设备一次侧部分等电位，采集的电压和电流模拟量由采集器(0ESC)7直接转换成数字信号。采集器(0ESC)7与合并器(0EMU)5间的数字信号传输全部通过光纤来进行。传感头部件10由于使用了串行感应分压器6和Rogowski线圈后，使得电子式互感器装置I可应用于直流系统，使得电子式互感器适用范围广泛。所述的高精度采样装置2通过光纤与波形分析装置3相连；所述的高精度采样装置2包括CPU模块和接口 ；所述的CPU模块是装置的核心，主要负责装置的AD采样、同步以及数字量数据的处理，所述的CPU模块包括FPGA处理器18、主CPU处理器19、监视CPU处理器15 ;其中所述的主CPU处理器19通过线路与FPGA处理器18双向连接；所述的FPGA处理器18通过虚拟连接与双口 RAM驱动程序17双向连接；所述的双口 RAM驱动程序17通过监视CPU处理器15与用户应用程序16相连。其中通过FPGA处理器18虚拟构造双口 RAM，制定相应的仲裁控制协议和双口 RAM驱动程序17，以低系统开销、低成本来实现主CPU和监视CPU间的实时高速通信；如图2所示，所述的主CPU处理器19采用ADSP的BF-532芯片，其核心工作频率为400MHz，有数据和指令高速缓存、内存管理单元(MMU)，可以提供100M/10M以太网、HDLC,UART, SP1、I2C等通信接口。所述的监视CPU处理器15采用研华的PCM-3350 /PC104卡，PC104卡是一种基于PC/104总线的规范的嵌入式板卡，与传统的PC系统兼容，它不仅基本具备普通PC系统的一切功能，还具有小尺寸、低功耗、开放的和高可靠性的工业规范、与PC机兼容的ISA总线等优点。此PC104卡用来监视主CPU处理器19的工作状态，当主CPU处理器19工作异常时，监视CPU处理器15可以通过电源模件发出告警信号。;所述的FPGA处理器18采用Altera的EPM3256型的CPLD和EP1C6型FPGA，FPGA处理器18负责采样数据的高速收发。所述的接口包括12个互感器输输出接口 S1-S12、采样值报文输出接口(NET)11和SYNC时钟输入接口 ；所述的采样值报文输出接口(NET) 11通过光纤与波形分析装置3相连。S1-S12为互感器输输出接口，NET为采样值报文输出接口，采样值报文经采样值报文输出接口(NET) 11输出给波形分析装置，波形分析装置采样数据后分析，实时显示，存储数据，并提供离线分析，SYNC时钟输入接口，用于取自外部的GPS对时信号作为系统时钟的来源。所述的波形分析装置3采用基于winpcap的捕包技术分析高精度采样装置输出的组播报文；所述的波形分析装置采用comtrade格式保存分析结果。本实施例通过电子式互感器装置I取得母线交流电压信号输入4输入的电压信号，经过内部转换单元转换成光信号，输出给高精度采样装置2，高精度采样装置2经过数据处理打包转换成SMV9-2网络组播报文输出给波形分析装置3，波形分析装置3利用winpcap捕包技术，分析从高精度采样装置2输出的组播报文，并通过图形显示技术，实时显示波形和波形数据；并根据触发条件保存成comtrade格式的分析结果，方便事后离线分析。如图4所示，在实验站中应用本实施例的系统来对开关动作进行瞬时断开闭合操作的波形监测。工作时，通过开关控制单元12闭合开关，电子式互感器装置I和传统互感器13分别与母线电流电压模块4中取得母线电流、电压，再经高精度采样装置2输出采样值报文，波形分析装置3取得采样值报文后，经过数据分析处理，实时显示通过电子式互感器装置I和传统互感器13的波形和波形参数。在设定触发条件下，开关控制单元12控制开关断开，根据触发条件保存波形数据，并可以进行对保存的波形数据离线分析，通过保存的波形数据，即可对比电子式互感器装置I和传统互感器13的波形差别，能够直观的看出两种互感器在高精度采样下开关闭合断开瞬间的暂态波形。图3只画了一路电流和一路电压，实际应用中可以连接三路电流和三路电压，并可以自产零序电流和零序电压。开关闭合时电子式互感器装置I的暂态波形如图4所示；开关闭合时传统互感器13的暂态波形如图5所示。
本实施例中所举的装置也并非限定本发明的唯一产品形态。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本实施例的一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，利用基于电子式互感器和高精度光电转换采样装置，能够在开关动作瞬间下的高精度数据采样，通过后台软件处理技术针对IEC61850中SMV9-2报文捕获分析的一种波形分析系统，不仅能够解决采样精度和时间响应，并且波形分析装置能够把数据保存成comtrade文件格式，可以作为事后分析查看，也可以提供给其他主流厂家分析系统作为数据源。本实施例对母线电流电压经过电子互感器转换成光信号，经过高精度采样装置采样二次电流电压，同时输出采样值报文，波形分析装置通过软件技术捕获并分析采样值报文，同时实时显示波形和波形数据，并能够根据触发条件自动保存分析结果。具有以下优点:1)采用了光电互感器和高精度采样装置的前置采样技术，可以保证在高采样率的情况下数据的准确性和可靠性，提高采样的精度和抗干扰性，提高作业人员的安全性。2)本实施例的电子式互感器装置中的Rogowski线圈实现大电流传变，使其具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好等优点，有利于新型保护原理的实现及提高保护性能。电流互感器测量准确度可达0.1级，保护可达5TPE级。电子式电压互感器采用了串行感应分压器，测量准确度达到0.2级，并解决了常规电压互感器可能出现铁磁谐振的问题。电子式互感器装置内部采集器处于和被测量信号等电位的密闭屏蔽的结构部件中，采集器和合并器通过光纤相连，数字信号在光缆中传输，增强了抗EMI性能，数据可靠性大大提高。电子式互感器装置的光电互感器通过光纤连接互感器的高低压部分，绝缘结构大为简单，以绝缘脂替代了传统互感器的油或SF6，互感器性能更加稳定；其无油设计彻底避免了充油互感器可能出现的燃烧爆炸等事故。3)本实施例的高精度采样装置包含一个CPU处理单元，该单元有主CPU、监视CPU和FPGA三个处理器，监视CPU用来监视主CPU的工作状态，当主CPU工作异常时，监视CPU可以通过电源模块发出告警信号；FPGA负责采样数据的高速收发，保证了系统工作的稳定性和数据采样的准确可靠。高精度采样装置采用DL/T 860.92 (IEC 61850_9_2)、GB/T 20840.8 (IEC60044-8)或通道可扩展的IEC 60044-8规定的报文格式，向站内保护、测控、计量、录波、PMU等智能电子设备输出采样值；可接收B码、PPS及1588等基准时钟的同步信号，同步精度小于I μ s，并具有守时功能，在失去同步时钟信号IOmin以内的守时误差小于4 μ s ;对装置本身的硬件或通信方面的错误进行自检，能对自检事件进行记录并具有掉电保持功能。记录的事件包括:电子互感器通道故障、采样失步、网络中断等重要事件。高精度采样装置具备故障告警功能，在装置故障时可通过GOOSE上送告警内容，并输出告警接点和闭锁接点。高精度采样装置具备LED状态显示功能，具备装置运行状态、通道状态等LED显示功能。高精度采样装置提供秒脉冲测试信号，具备PPS输出测试接口，用于测试装置的同步精度和守时精度。高精度采样装置可通过GOOSE或者本地开入，采集断路器、刀闸等位置信号，并具备母线电压并列功能。高精度采样装置提供人工置数功能，装置处于调试状态时可以通过装置面板的人机界面，设定所输出的各路交流电压或电流采样值的幅值和状态标志等，方便联调。利用winpcap技术对采样值报文的捕获，能够保证在高精度高采样率下对报文进行完整捕获记录，并同时能够准确分析采样值报文。利用多线程技术，可以在分析报文的同时实时显示波形、有效值和相角。提供comtrade格式的分析结果文件，其通用性方便所有波形分析软件打开使用。4)波形分析系统提供自动触发和手动触发功能，根据触发条件，对波形数据进行comtrade格式的保存，并提供离线分析功能，可以对保存的comtrade文件进行详细分析，并在软件界面上提供对波形进行相关操作，如:放大、缩小、拖动、通道合并对比；显示瞬时值、有效值、幅值、相角、谐波等基本分析功能；还提供进行矢量分析、序分量分析、故障分析、阻抗分析等高级分析功能。5)本实施例的主要部件都是采用价格低廉的光纤光缆的应用，大大降低了综合使用成本，适用目前所有智能变电站、试验站、科研院所的内部实验系统接入。
权利要求
1.一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，其特征在于包括电子式互感器装置(I)、高精度采样装置(2)和波形分析装置(3);其中所述的电子式互感器装置(I)通过光纤与高精度采样装置(2)相连；所述的高精度采样装置(2)通过光纤与波形分析装置(3)相连；所述的电子式互感器装置(I)还通过线路与母线交流电压输入模块(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，其特征在于所述的电子式互感器装置(I)包括传感头部件(10)和合并器OEMU (5);所述的传感头部件(10)包括串行感应分压器(6)、Rogowski线圈和采集器OESC (7);所述的串行感应分压器(6)一端接地，另一端通过线路分别与母线交流电压信号输入模块(4)和采集器OESC (7)相连；所述的Rogowski线圈通过线路与采集器OESC (7)相连；所述的采集器OESC (7)通过光纤与合并器OEMU (5)相连；所述的合并器OEMU (5)通过光纤与高精度采样装置(2)相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，其特征在于所述的Rogowski线圈包括测量用Rogowski线圈(8)和保护用Rogowski线圈(9);所述的测量用Rogowski线圈(8)和保护用Rogowski线圈(9)分别通过线路与采集器OESC (7)相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，其特征在于所述的高精度采样装置(2)包括CPU模块和接口 ；所述的CPU模块包括FPGA处理器(18)、主CPU处理器(19)、监视CPU处理器(15);其中所述的主CPU处理器(19)通过线路与FPGA处理器(18)双向连接；所述的FPGA处理器(18)通过虚拟构造与双口 RAM驱动程序(17)双向连接；所述的双口 RAM驱动程序(17)通过监视CPU处理器(15)与用户应用程序(16)相连；所述的接口包括12个互感器输输出接口 S1-S12、采样值报文输出接口 NET (11)和SYNC时钟输入接口 ；所述的采样值报文输出接口 NET (11)通过光纤与波形分析装置(3)相连；所述的SYNC时钟输入接口用于取自外部的GPS对时信号作为系统时钟的来源。
5.根据权利要求4所述的一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，其特征在于所述的FPGA处理器(18)采用EPM3256型的CPLD和EP1C6型FPGA ;所述的主CPU处理器(19)采用BF-532芯片；所述的监视CPU处理器(15)采用PCM-3350 /PC104卡。
6.根据权利要求1所述的一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，其特征在于所述的波形分析装置(3)采用基于winpcap的捕包技术分析高精度采样装置输出的组播报文；所述的波形分析装置采用comtrade格式保存分析结果。
全文摘要
本发明公开了一种基于电子式互感器的暂态波形分析系统，包括电子式互感器装置、高精度采样装置和波形分析装置；其中所述的电子式互感器装置通过光纤与高精度采样装置相连；所述的高精度采样装置通过光纤与波形分析装置相连；所述的电子式互感器装置1还通过线路与母线交流电压输入模块相连。本发明克服了传统互感器不能提供较高的采样精度和时间响应的缺点，本发明不仅能够解决采样精度和时间响应，并且波形分析装置能够把数据保存成comtrade文件格式，可以作为事后分析查看，也可以提供给其他主流厂家分析系统作为数据源。
文档编号G01R31/00GK103149485SQ20131008021
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月13日 优先权日2013年3月13日
发明者汪彦, 陈晓宇, 朱重阳, 蔡重凯, 程华明, 李电, 刘恢, 李云飞, 秋勇, 金百荣, 洪金琪, 吕丹 申请人:绍兴电力局, 南京拓为软件技术有限公司, 国家电网公司