一种基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统的制作方法

本发明涉及一种变电站故障监测及诊断技术，具体地，涉及一种基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统。

背景技术：

电网经过多年发展，已经建设了一批稳定可靠的传统变电站。但随着电网的迅速发展，变电站方面对于可靠性、安全性、电能质量等方面需求与日俱增，传统综合自动化变电站己经逐渐无法满足电网的发展要求。

就目前广泛存在的常规变电站，由于一次设备及互感器等过程层设备的非电子化和无智能组件，因此完全实现全数字化直至智能化变电站改造，所涉及的范围及难度较大。因此，我们可以从间隔层的保护单元、测控单元、状态监测单元以及计量单元入手，通过集中式二次采集处理终端装置对站内电量和非电量的进行集中处理，从而实现对变电站数据的统一处理和综合判别，通过模块化多功能方式解决变电站的故障综合诊断测控，实现全方位多状态的变电站二次测控和故障诊断及判别，从而对整个变电站进行统一管理和二次监测，提高管理维护水平。

此外，随着新能源接入方式的不断增加，分布式发电技术得到了快速发展。然而，分布式电源渗透率的不断提高也给电力系统的调度、安全运行、保护和系统稳定控制带来了新的挑战。系统稳定问题日益突出，电力系统安全问题也变得更加重要。需要集成监测与控制技术、变电站自动化技术，以实现系统的稳定性监测和控制。系统一旦发生安全及稳定运行问题,就会造成长时间、大范围停电,因此,需要不断研究区域安全稳定监测控制,促进电力行业的发展。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统，对常规变电站的局部智能化改造以及安全稳定运行问题进行统一监控管理和解决。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统，包括数据采集单元、人机监控单元，其中：

所述数据采集单元，用于实现电流量、电压量的高速同步采集，并经光纤上传给人机监控单元；

所述人机监控单元，用于实现同步采样、数据处理、监测报警、故障录波、电能分析、保护控制、开入开出，并通过光纤接收所述数据采集单元采集的数据并进行相应的数据处理；

所述人机监控单元包括核心控制模块、同步采样模块、数据处理模块、监测报警模块、电能分析模块、保护控制模块、故障录波模块、开入开出模块，其中：

所述同步采样模块，位于所述人机监控单元的前端，具有多个采样子模块，每个采样子模块的高速同步采样时钟都来自所述核心控制模块；同时，所述同步采样模块与所述数据采集单元以光纤通讯的方式进行通讯，实现跟多模拟量的高速同步采集；

所述数据处理模块，负责所述人机监控单元的基础数据处理，其所处理的数据来自所述数据采样模块，其所处理的数据类型包括：利用快速加窗傅里叶分析算法，计算电压及电流的相角、1～50次各次谐波含量；利用均分根算法，计算电压及电流的有效值、谐波的总畸变率；利用采样积分算法，计算电压及电流的不平衡度、有功功率、无功功率；数据处理完成后，经所述人机监控单元内部的共享内存，提供给所述核心控制模块；

所述核心控制模块，为同步采样模块提供高速同步采样所需的同步采样信号，并接收所述数据处理模块处理完成的数据，并将处理后的数据提供给所述监测报警模块、所述电能分析模块、所述保护控制模块；同时还用于接收所述故障录波模块完成的故障录波数据并进行存储和展示；

所述监测报警模块，负责所述人机监控单元的监测数据的展示及报警，展示的实时数据包括电压及电流的有效值、波形图、向量图、1～50次谐波图、不平衡度、有功功率、无功功率、功率因数；所述监测报警模块还负责将来自所述电能分析模块、所述保护控制模块上报的报警信息进行展示；

所述电能分析模块，实现所述人机监控单元的电能质量分析，所述电能分析模块能够进行电压的不平衡度分析、谐波分析、波动分析、闪变分析、频率分析，以及电流的不平衡度分析、谐波分析；当有任何电能质量异常时，所述电能分析模块同时向所述监测报警模块和所述故障录波模块发送信号，进行故障报警及故障录波；

所述保护控制模块，实现所述人机监控单元的保护控制，所述保护控制模块能够进行过电压、欠电压、接地选线、故障跳闸保护控制；当所述保护控制模块进行任何保护控制后，都同时向所述监测报警模块和所述故障录波模块发送信号，进行故障报警及故障录波；

所述故障录波模块，实现所述人机监控单元的故障数据记录，其录波启动信号来自所述电能分析模块及所述保护控制模块，所述故障录波模块接收到录波启动信号后，即从所述数据采样模块读取相应的电压及电流采样数据并进行数据记录，完成数据记录后，向所述核心控制模块上传录波数据，由核心控制模块完成录波数据的存储；

所述开入开出模块，实现所述人机监控单元的控制输入输出，其开入信号由所述核心控制模块直接采集，并通过所述人机监控单元内部的共享内存，将信号传输到所述监测报警模块、所述保护控制模块；当所述监测报警模块、所述保护控制模块有开出控制命令后，也经过所述人机监控单元内部的共享内存，输出到所述开入开出模块，完成最终控制。

优选地，所述数据采集单元，包括多组采集模块，每组所述采集模块包括光纤通讯子模块、模拟量采样子模块，其中：

所述光纤通讯子模块包含采样同步信号接收光纤，用于接收来自所述人机监控单元的高速同步采样信号，以实现对电压电流信号的高速同步采集；

所述光纤通讯子模块也包含采样数据发送光纤，用于将采集到的电压电流数据上传到所述人机监控单元；

所述模拟量采样子模块，用于采集多路电压或电流信号；

所述数据采集单元，能根据需要采集的模拟量的数量，动态调整所需的采集模块的数量，实现采样数量与现场状况的匹配。

优选地，所述核心控制模块，通过fpga产生时序信号，此时序信号提供给所述人机监控单元的数据采样模块以及所述数据采集单元，作为采样的同步信号，以保证全部电压和电流信号采集的同步性。

优选地，所述数据采样模块以及所述数据采集单元，都采用了差分16位adc芯片，以实现电压电流采样的精确。

优选地，所述数据采样模块以及所述数据采集单元，对电流信号都采用了5p10级别的录波专用电流互感器，能够保证电网发生异常时ct不会发生饱和，从而能够准确的反映实际的电流以及故障过程中产生的暂态信号。

优选地，所述故障录波模块，记录电能质量异常、单相接地、过电压、欠电压等故障全过程的电流、电压信号，便于后期对事故进行分析处理。

优选地，所述核心控制模块内置数据库，其中数据库分为两个主要部分：一个是历史数据部分，用户积累大量的历史数据；一个是数据库的冗余部分，用于存储少量的实时数据，从而达到既可以高效率地获取实时数据又能够提供历史数据分析或查询。

优选地，所述系统独立安装于各变电站监控点，实现对各点的就地实时监控，采用分布式组成，组成方式灵活、可靠，扩展性强，适合各种规模电网监测。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明系统设计采用模块化，设计合理、实用、稳定可靠性高，贴合现场控制要求，整机运行稳定可靠，各系统显示精确，监测全面，人机界面科学易懂，图形曲线清晰，符合在线监控的要求，对配电网故障诊断检测的准确性方面提供了有力和可靠保障。

本发明系统模块化设计、结构简单、安全稳定，在现场监控单元设备相互独立，一个功能故障不会影响其它功能运行，系统充分考虑系统的冗余容错能力，具备完善的防雷和抗电磁场干扰及静电影响的能力。本发明系统采用实时多任务操作系统，引入数据库思想，软件功能模块可方便扩展或裁剪，具有良好的灵活性，可满足各功能的应用需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中系统硬件结构图；

图2为本发明一实施例中人机监控单元结构框图；

图3为本发明一实施例中人机监控单元与数据采集单元关系框图；

图4为本发明一实施例中人机监控单元操作内容图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明一实施例中基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统的硬件结构图，包括：数据采集单元，用于实现变电站的电流、电压量的同步采集，并传给人机监控单元；人机监控单元，接收所述数据采集单元采集的数据，并对采集的数据进行分析处理，实现实时监测目的。其中：数据采集单元是基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统的扩展单元，可实现电流量、电压量的高速同步采集，并经光纤上传给人机监控单元；人机监控单元是基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统的核心单元，单元本身可以实现同步采样、数据处理、监测报警、故障录波、电能分析、保护控制、开入开出，并可以通过光纤接收数据采集单元采集的数据并进行相应的数据处理。人机监控单元可以实现包括但不限于以下功能：监测包括支路电流、电压、功率流向、电能质量、设备运行状态的实时数据；故障录波、功角检测、系统稳定监测、分级卸载功能；站内设备数据异常及故障预警；电网电参数异常检测提醒。

如图2、3所示，本实施例中，人机监控单元包括核心控制模块、同步采样模块、数据处理模块、监测报警模块、电能分析模块、保护控制模块、故障录波模块、开入开出模块。所述数据采集单元与所述人机监控单元通过光纤相连。核心控制模块负责整个人机监控单元的核心控制，同步采样模块与数据采集单元进行光纤通讯，完成电压电流的采集。数据处理模块负责对采样数据的基础处理。监测报警模块负责监测数据的实时显示及报警。电能分析模块实现电能质量分析。保护控制模块实现故障保护。故障录波模块实现故障数据的记录。开入开出模块实现外部控制信号的输入与输出。具体的：

核心控制模块为同步采样模块提供高速同步采样所需的同步采样信号；接收数据处理模块处理完成的数据，并将处理后的数据提供给监测报警模块、电能分析模块、保护控制模块；同时也接收故障录波模块完成的故障录波数据并进行存储和展示。

同步采样模块位于人机监控单元的前端，模块具备4组采样子模块，每个采样子模块可以采集16路电压或电流信号。每个采样子模块的高速同步采样时钟都来自核心控制模块；同时，同步采样模块与数据采集单元以光纤通讯的方式进行通讯，实现跟多模拟量的高速同步采集。

数据处理模块负责人机监控单元的基础数据处理，其所处理的数据来自同步采样模块，其所处理的数据类型，包括利用快速加窗傅里叶分析算法，计算电压及电流的相角、1～50次各次谐波含量；利用均分根算法，计算电压及电流的有效值、谐波的总畸变率；利用采样积分算法，计算电压及电流的不平衡度、有功功率、无功功率。数据处理完成后，经人机监控单元内部的共享内存，提供给核心控制模块。

监测报警模块负责人机监控单元的监测数据的展示及报警，其数据经核心控制模块转发，来自数据处理模块。展示的实时数据包括电压及电流的有效值、波形图、向量图、1～50次谐波图、不平衡度、有功功率、无功功率、功率因数等；监测报警模块还负责将来自电能分析模块、保护控制模块上报的报警信息进行展示。

电能分析模块实现人机监控单元的电能质量分析，其数据经核心控制模块转发，来自数据处理模块。电能分析模块能够进行电压的不平衡度分析、谐波分析、波动分析、闪变分析、频率分析，以及电流的不平衡度分析、谐波分析。当有任何电能质量异常时，电能分析模块同时向监测报警模块和故障录波模块发送信号，进行故障报警及故障录波。

保护控制模块实现人机监控单元的保护控制，其数据经核心控制模块转发，来自数据处理模块。保护控制模块能够进行过电压、欠电压、接地选线、故障跳闸。当保护控制模块进行任何保护控制后，都同时向监测报警模块和故障录波模块发送信号，进行故障报警及故障录波。

故障录波模块实现人机监控单元的故障数据记录，其录波启动信号来自电能分析模块及保护控制模块。故障录波模块接收到录波启动信号后，即从数据采样模块读取相应的电压及电流采样数据并进行数据记录，完成数据记录后，相核心控制模块上传录波数据，由核心控制模块完成录波数据的存储。

开入开出模块实现人机监控单元的控制输入输出，其开入信号由核心控制模块直接采集，并通过人机监控单元内部的共享内存，将信号传输到监测报警模块、保护控制模块；当监测报警模块、保护控制模块有开出控制命令后，也经过人机监控单元内部的共享内存，输出到开入开出模块，完成最终控制。

上述实施例的基于模块化多功能平台的测控综合一体化系统使用时，独立安装于各变电站监控点，实现对各点的就地实时监控，采用分布式组成，组成方式灵活、可靠，扩展性强，适合各种规模电网电能监测。

根据实际结构、环境特点和监控系统的具体功能需求，本发明实施例中系统分布式布局，即人机监控单元放置在主控室，数据采集单元分散放置在开关柜室。全部电压电流都由数据采集单元就地采集，并经光纤上传到人机监控单元。这样可以有效降低电压电流信号的衰减，提高采样精度，并可靠实现光电隔离，提高系统的抗干扰能力。

在上述实施例中，人机监控单元采用低功耗的omap-l137双核处理器，实现高速的数据处理、核心电源监测算法、从数据采集单元读取数据等功能。omap-l137软件基于嵌入式linux和dsp/bios搭建，充分利用处理器资源，程序开发灵活，实现更多控制功能。板载存储资源丰富，并通过嵌入式操作系统管理，实现高速的数据处理、电网实时状态计算、故障录波数据备份存储等功能。

在上述实施例中，数据采集单元采用16位差分adc芯片，结合fpga时序控制，实现电流、电压量的高速、同步采集。采样速率高达12.8kb/s，且全部信号全同步采集，完整还原真实的输入信号。采用10mbps光纤通讯接口，实时上传全数字的电压、电流信号，有效提高抗数据干扰能力，实现采样数据的光电隔离；电流采集部分采用高性能5p10录波专用ct，可靠采集短路故障时的暂态电流信号；单台支持48路交流量(电压或电流)，全系统可扩展。

在上述实施例中，人机监控单元可以采用8英寸全触摸屏，实现人机交互操作、电源数据存储及查看、系统参数配置及电网状态实时显示。可实时显示电压、电流、功率、电量、谐波等信息并与变电站scada系统数据交换等功能，支持远程web访问等。

在上述实施例中，人机监控单元的故障录波模块，可以记录电能质量异常、单相接地、过电压、欠电压等故障全过程的电流、电压等相关信号，便于后期对事故进行分析处理。录波格式符合comtrade标准，针对电能质量的事件记录符合pqdif标准。人机监控单元的核心控制模块内置数据库，其中数据库分为两个主要部分：一个是历史数据部分，用户积累大量的历史数据；一个是数据库的冗余部分，用于存储少量的实时数据，从而达到既可以高效率地获取实时数据又能够提供历史数据分析或查询。

在上述实施例中，人机监控单元、数据采集单元的硬件部分都采用符合gb/t19520.12规定的机箱，整体面板，带有锁紧的插拔式功能组件，整体为嵌入式一体化结构，后接线方式，同类型板卡尺寸相同。其中，人机监控单元机箱内设置power板、di板、do板、cpu板。数据采集单元机箱内部时钟com板、pt板、ct板。

在本实施例中，power板为电源板，输入ac/dc220v,输出dc5v、dc24v。

在本实施例中，di板为开入信号板，外部可以接30路dc220v的标准开入信号,do板为开出板，外部可以20路dc220v的节点。di板与do板一同实现人机监控单元的开入开出模块功能。

在本实施例中，cpu板为核心处理器板，实现人机监控单元的核心控制模块、数据采样模块、数据处理模块、监测报警模块、电能分析模块、保护控制模块、故障录波模块。

在本实施例中，com板为光纤通讯板，实现数据采集单元与人机监控单元的通讯。

在本实施例中，pt板为电压输入板，采用180v/7.07v的qr传感器。可采集8路电压信号。ct板采用100a/7.07v的qr传感器，可采集8路电流信号。

如图4所示，上述实施例的系统使用时，可以通过人机交互界面来操作，其中主界面由三部分组成：系统操作菜单栏，通过选择不同的菜单来选择不同的显示界面；系统显示内容栏，根据选择功能的不同，显示相应界面；系统工作状态栏，系统的主要工作状态可以直接在显示在这里。其中主要包括：

1、状态监测

状态监测包括实时监测界面和状态栏。实时监测界面包括开入状态监测显示区，开入状态主要监测各母段母线联络开关状态，跳闸投入硬压板状态、后加速投入硬压板状态、轮切投入硬压板状态、检修状态、远方操作状态。各开关通过相应信号的的颜色来区分不同的状态，比如：灰色，表示此开入信号未采集，为无效状态；黑色，表示此开入信号无输入，为打开状态；绿色，表示此开入信号有输入，为闭合状态。特别的，由于母联信号接入的是twj，因此绿色状态代表母联为闭合状态，此时母联信号无输入；黑色状态代表母联为打开状态，此时母联信号有输入。

状态栏，其中显示内容包括：显示当前装置所在的站所名称；显示系统状态，正常运行时，循环显示装置的生产厂商、设备型号、当前定值区等信息；有事件时，状态栏闪烁并显示事件信息，若有多个事件，则各事件信息循环显示。单击显示的事件，会打开“最新事件”窗口；显示系统时间。

2、数据监测

数据监测也通过实时监测界面来操作，其中有数据监测显示区，显示的内容包括：母线信息表和支路信息表。在母线表中选择某一母线后，支路表会显示所属支路的数据。当有较多数据时界面会出现滚动条，左右拖动滚动条，查看全部数据。

电压、电流：背景颜色变红表示发生故障，数值变黄表示异常。

频率、畸变率：数值变黄表示发生异常。

twj：开入的跳闸位置节点。

跳闸：显示支路跳闸动作的结果。

3、数据选项

通过设置选项按钮，在弹出窗口选择要显示的数据，比如可以设置“选线”、“功率”、“谐波”功能按钮，用于快速选择与该功能相关的选项；设置“二次值”按钮，用于显示二次值。

4、历史曲线及实时波形

通过设置按钮，可显示曲线界面及实时波形。点击选项按钮，选择要显示的母线和支路，其中设有控制实施波形的显示点数。

曲线图显示最近30次的各监测项目的有效值趋势图。通过该趋势图可以了解电压、电流、功率等最近一段时间走势。

波形图包含了电压、电流的实时波形图和实时向量图。

5、故障模拟

依次选择故障母线、故障类型、故障支路、故障相后，通过故障模拟按钮就可以开始故障模拟。之后，对应的遥信状态、开出节点都会有相应输出。模拟的故障也会显示在事件记录中，但其不参与故障统计。模拟的信号会自动保持约5秒，随后自动复归。

6、谐波分析

设有“谐波”按钮，可显示谐波界面。在下拉框中选择波形的查看的条件，之后谐波信息表格会显示对应信号的各次谐波的含量及其幅值。点击谐波信息表格行，可以选择要在右侧谐波含量柱状图中显示的谐波图像。再次点击则取消选择及图像显示。

7、事件记录和查询

用于可显示事件记录界面，以及查询事件。可以显示及选择要查询的事件。各事件类型定义如下表所示：

事件时间：显示及选择要查询的时间。单击事件时间，会弹出事件时间选择对话框。在对话框中选中事件的起止时间段，在此时间段内的事件可以被查询。

查询出的事件，按照事件发生顺序倒叙排列，最新发生的事件在最前面显示。对每个事件，系统会完整的记录其从开始到结束的全部事件信息。查询条件中事件类型选择全部即可查看全部信息。

事件时间：事件发生的时间，精确到毫秒；

事件类型：事件的类型；

事件信息：事件的详细内容，包括事件发生的线路、母线、故障相等。

事件波形：显示此事件对应的故障的全程故障录波。每个故障录波的时长与故障时长相同，至少包括故障前0.4秒，故障后0.6秒的故障数据。录波范围包括故障母段的电压波形、故障母段上所有支路的零序电流波形、各支路的twj信号。单击“显示波形”按钮，即显示该波形。

8、事件管理

最新事件：显示最新的没有查看的新事件。当有新的事件时，在系统状态条也会循环显示。在有事件时，单击状态条也会显示最新事件列表。

自动弹出：选中则在有新事件时自动显示最新事件；

信号复归：将装置的各类报警、跳闸、异常等信号全部复位；

清空事件：清除新事件列表的全部事件。

全选/反选：选择或反向选择所需的事件记录。

导出事件列表：将查询到的事件记录导出到u盘。导出的文件可以用excel查看；

导出原始格式：将查询到的事件及其波形导出到u盘。导出的文件只能用专用软件查看；

导出标准格式：将查询到的事件及其波形导出到u盘。导出的文件符号comtrade99标准，可以用通用故障录波软件查看；

删除选中事件：删除事件列表中选中的事件记录；

打印事件记录：将当前查询到的事件信息打印出来；

事件统计信息：显示各类事件的统计信息(不包括模拟事件及检修时的事件)。

本发明上述实施例通过上述人机交互的软件操作，结合具体的fpga、dsp等为核心的一体化硬件，设计合理、实用、稳定可靠性高，贴合现场控制要求，整机运行稳定可靠，各系统显示精确，监测全面，人机界面科学易懂，图形曲线清晰，符合在线监控的要求。

本发明系统能对常规变电站的局部智能化改造以及安全稳定运行问题进行统一监控管理和解决，对配电网故障诊断检测的准确性方面提供了有力和可靠保障

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。