一种基于IEC61850-9-2的谐波分析装置的制作方法

本实用新型涉及电力系统谐波分析技术领域。

背景技术：

传统电力系统通信标准存在二次设备之间互操作性差，信息共享度低，系统较难扩展，二次电缆回路安全隐患多等缺点，IEC61850标准通过面向对象建模，信息模型和通信协议相独立，数据自描述使得现场验证工作大大简化，同时也简化了数据库的管理和维护工作。智能电网要求实现信息的高度集成和共享，采用统一的平台和模型，以实现电网内设备和系统的互操作，这与IEC61850标准的设计思路一致。

随着科技不断发展，电网中接入了不少非线性负载以及新能源发电设备，这些设备的接入对弱电系统、低压设备的正常工作造成了影响，已经成为了电能质量的重要问题。其中谐波污染已经成为了电能质量指标中较热的研究课题之一。

技术实现要素：

本实用新型目的是提出一种能克服现有技术上述缺陷的基于IEC61850标准9-2部分的谐波分析装置。

本实用新型包括主CPU模块、FPGA谐波算法模块、通信模块、人机交互模块和为以上各模块供电的电源模块，通信模块通过FPGA谐波算法模块与主CPU模块连接，主CPU模块还与人机交互模块连接。

本实用新型的主CPU模块负责程序管理和数据交互，通信模块用于接收智能站合并单元光纤信号，主CPU模块还利用通信模块实现MMS通信状态机对外进行通信；FPGA谐波算法模块进行谐波和间谐波算法，人机交互模块用于进行显示和接收人工指令的输入，电源模块为装置的以上各模块提供可靠的电源保障。

本实用新型采用IEC61850标准9-2部分作为谐波数据通信规约，数字化采集谐波数据，避免了二次电缆的冗余，大大增加了变电站运行的安全性，并精确计算出各次谐波值，保证了对电力系统基本运行工况的观察、记录和分析。

本实用新型采用嵌入式的软硬件平台，设计基于IEC61850-9-2标准MSV协议的通信接口。主CPU模块（ARM板）所完成的工作从功能上划分为：完成显示缓冲区的刷新、接收触摸屏指令，本装置对外的MMS通信管理，数据管理以及内部数据交互。人机交互模块能够根据用户配置的指令或参数与主CPU模块通信来决定显示的内容和功能执行所用的参数，并实时显示系统运行的工作状态，且内容可以在各个MSV输入端口间切换。FPGA算法模块则根据通信模块光电转换的电信号进行包解析，提取出数据的实时值计算出各次谐波和间谐波值，以提供人机交互模块显示以及主CPU模块的IEC61850标准的MMS通信使用。

主CPU模块通过ARM实现，搭载6路串行接口，可以通过配置选通输出实时的谐波数据指标，1路带隔离的CAN2.0,2个千兆网口，另外通过TF接口和USB接口扩展了24G外部存储用以对历史数据进行存储。ARM网口和通信模块的网口连接用来实现和外部站控层MMS通信。ARM搭载带触摸屏的液晶屏。

本实用新型具有以下有益效果：通过基于IEC61850-9-2协议接收MSV报文，避免了二次电缆回路的安全隐患，数字化传输报文，精确计算各次谐波值为了解电力系统工况，对电网安全、稳定做出准确及时的评价，提高电网运行的安全性，精确计算各次谐波值，对电能质量实时监测为进一步电网污染治理提供了可信依据，也为后面更进一步的电能质量问题分析治理提供了可信的依据。

附图说明

图1为本实用新型的功能模块框图。

图2为本实用新型的外部通信连接示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型主要由主CPU模块2、FPGA谐波算法模块3、通信模块4、人机交互模块1和为以上各模块供电的电源模块5组成，通信模块4由光电转换模块41和以太网42组成，从以太网42的信号输入光电转换模块41，信号输入光电转换模块41的信号通过FPGA谐波算法模块3与主CPU模块2连接，主CPU模块2还与人机交互模块1连接。

本装置的通信模块4通过光电转换子模块41将合并单元发来的光信号进行光电转换，转换后的信号经过FPGA谐波算法模块3按照IEC61850-9-2协议解码，解码出监测端的测量电压电流瞬时值通过FIFO的方式，利用FPGA谐波算法模块3内的软核进行计算。软核依据IEC61000-4-30系列标准计算出各次谐波值发送给主CPU模块2。

FPGA谐波算法模块3负责对报文解析出的实时值进行谐波数值计算，其中由于是数字信号传输，无法对原始信号进行频率跟踪。如果按照常规谐波计算方法计算得出的值会由于频谱泄露造成高次谐波分量出现较大的计算误差，严重影响测量效果。这里本实用新型在利用FPGA资源设计一个巴特沃斯滤波器，截止频率为75Hz，过滤掉高次谐波分量。由于滤波器阶数越高响应时间越长，为了兼顾实时性，本实用新型选用阶数为2。阶数为2的巴特沃斯滤波器的时间窗是最近接受的约10周波数据，和谐波分析窗一致，利用零点算法实现了频率跟踪，从而实现了数字化信号谐波分析软件频率跟踪。

主CPU模块2的核心为ARM，有6路串行接口口，1路带隔离的CAN2.0，2个千兆网口。串行接口可以通过配置实时对外传输各次谐波值。主CPU模块2负责程序管理，数据管理及FPGA数据与IEC61850与外部MMS通信的数据交互。主CPU模块2实现MMS通信协议栈，FPGA谐波算法模块3实时更新数据交互区，主CPU模块2根据数据更新情况根据配置自动触发报告上送或者日志记录。装置运行的历史数据存储到外扩的SD卡等外部存储中，容量为24G。

人机交互模块1包括液晶触摸屏、复位电路及状态指示灯组成，液晶触摸屏可以人工配置装置运行的参数以及实时显示各次谐波值和简谐波的值，显示界面可以在2路合并单元信号切换。指示灯指示装置的运行状态，当装置错误时给出错误提示。

电源模块5为各模块提供必要的工作电源，工作电源输入为DC110V/220V或者AC220V。

本装置的外部连接示意如图2所示，本装置2与层外控层网络1通过以太网连接，负责本装置的IEC61850对外MMS协议通信。本装置2与智能站的合并单元31和合并单元32通过光纤网络连接，接收合并单元发送过来的MSV报文，实时传送遥信，遥控，遥调，遥测信息。