一种基于数字站的瞬时负序分量时域实时提取方法及装置与流程

本发明主要涉及数字化变电站电网系统测控技术，具体涉及电流/电压瞬时负序分量的实时提取方法，以及该方法在基于SOPC(System on a Programmable Chip)硬件平台的实现。

背景技术：

在理想化的电网系统中，三向电流/电压是完全对称的，因此只存在正序分量。而在实际运行中，电网是一个动态系统，在电子变流装置运行、大功率单向负载接入、系统故障等一系列情况下，电流/电压的不平衡和畸变在所难免，这时就会出现负序分量。电流/电压的畸变会对电网的电能质量以及正常运行产生不利影响，严重情况时甚至会对部分装置设备造成损坏。因此，对电网运行中负序分量的实时检测以及对应的恢复性控制十分必要。实现负序分量的实时检测通常需要两部分技术支撑，包含负序分量检测的硬件平台以及负序分量的实时提取方法。

负序分量检测装置目前基本采用前端ADC(Analog to Digital Converter)采样，后端由分立器件进行处理的硬件结构，如图1所示。这种结构的主要问题在于：采用分立器件，外围接口电路设计比较复杂，故障率较高，从而造成整体系统可靠性的下降，不符合当前芯片功能高度集成化的技术趋势。此外，随着电网技术的发展，数字化变电站（简称数字站）已经成为未来电网建设的方向。在数字化变电站中，负序分量计算所需的输入电气参数，需要从数字站IEC61850协议的SMV(Sampled Measured Value)报文中提取，而不再是通过传统的ADC采样方式获得。这也使得传统负序提取装置不再适合数字站技术发展的需要。

负序分量的提取方法方面，传统的负序分量瞬态计算方法中，多采用复数进行运算，当需要获得最终的瞬态序分量时，还要经过变换，造成了计算的延时。某些负序分量计算方法中，混入了谐波分量，在获得最终结果时，还需要进行滤波处理，也造成了计算延时。部分现有技术方案对传统的负序分量瞬时提取方法进行了优化。其中，典型的是采用构建三相电量的旋转向量来计算负序分量的瞬时值，一定程度上提高了计算速度。但是，由于在计算负序分量时，需要同时构建a、b、c三相电量的旋转向量，还是存在计算量较大的问题。因此，总体来说，采用现有方法提取负序分量，存在复数计算不方便、延迟大、计算结果误差大等问题，不能适应现代电网关于负序分量提取实时性和精度的要求。

技术实现要素：

本发明针对传统瞬时负序分量提取方法计算量大、实时性与精度不高；以及传统负序分量提取装置不适应数字化变电站技术发展需要的情况，提出了一种针对数字化变电站技术的瞬时负序分量时域实时提取方法及装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：基于数字站的瞬时负序分量时域实时提取方法及装置，其硬件资源包括SOPC(System on a Programmable Chip)芯片、以太网光口。其中，所述SOPC芯片采用Altera Cyclone II EP2C70F672C8 FPGA芯片；以太网光口通过Micrel KS8721BL PHY(Physical Layer)芯片和FPGA相连；FPGA部分引脚预留为硬件控制及联络线。装置通过以太网光口，连接数字化变电站间隔层。如图2所示。

本装置在FPGA芯片中设计以太网控制器IP核模块、SMV协议报文解析IP核模块、瞬时负序分量实时提取IP核模块、存储器、NIOS CPU。如图3所示。

装置工作时，由NIOS CPU通过FPGA Avalon总线接口对存储器、SMV协议解析模块、以太控制器模块、瞬时负序分量实时提取模块进行初始化设置。由以太网光口从数字化变电站间隔层接收IEC61850 SMV报文，并由SMV协议报文解析模块进行解析，提取三相电流/电压等电气参数。解析结果作为数据输入，通过存储器交付给瞬时负序分量实时提取模块，并由瞬时负序分量实时提取模块完成最终的负序分量计算。

如图4所示，FPGA中，瞬时负序分量实时提取模块实现的负序分量提取方法包含如下基本步骤（以通过三相电流提取负序分量为例）。

Step1：从存储器单元中提取由SMV报文解析模块解析出的a相、b相和c相电流的瞬时值i_a、i_b和i_c，并计算ac相间电流的瞬时值i_ac以及bc相间电流的瞬时值i_bc，如公式（1）所示：

其中，所有计算参数均为时域下的测量数据。

Step2：设置延时参数Δt，令Δt=N/f，其中N为大于0的整数，f为数字化变电站的采样频率。记录t时刻i_ac的瞬时值，标记为i_ac(t)；记录t时刻和t-Δt时刻i_bc的瞬时值，标记为i_bc(t)和i_bc(t-Δt)。同时，根据SMV报文中最新解析出的电流值实时更新i_ac(t)、i_bc(t)和i_bc(t-Δt)值。

Step3：构建bc相间电流的旋转向量，如公式（2）所示：

其中，İ_bc为bc相间电流的旋转向量，I_bcm为bc相间电流的幅值，ω为bc相间电流的角频率，为bc相间电流的相位。

Step4：用i_bc的瞬时值i_bc(t)直接代替旋转向量的虚部，并采用i_bc当前的瞬时值i_bc(t)与前一时刻瞬时值i_bc(t-Δt)的线性组合来构造旋转向量的实部，如公式（3）所示：

其中，旋转向量实部所需计算参数均为时域下的测量数据或常数。

Step5：重构负序分量瞬时计算方法，如公式（4）所示：

其中，i₂表示负序分量瞬时值，Re表示运算时仅计算i_bc旋转向量的实部。

Step6：采用Step1构建的相间电流以及Step3、Step4所构建之bc相间电流的旋转向量参与公式（4）定义的负序分量计算，取计算结果做为最终负序分量的瞬时值。如公式（5）所示：

其中，i₂表示负序分量瞬时值。

如公式（5）所示之负序分量瞬时值提取方法，其优势在于：只需构建1次旋转向量，即bc相间电流的旋转向量；提取方法所需参数均为时域测量值或常数。如，i_ac(t)、i_bc(t)和i_bc(t-Δt)值均为SMV报文中提供的三相电流瞬时值通过简单减法运算完成，几乎不占计算时间开销；当数字站信号频率和采样频率确定时，ωΔt计算结果是一个常数，其三角函数值也是常数，可以预先获取，也不占计算时间开销。以上因素均提高了负序分量提取的实时性。

附图说明

图1为传统负序提取装置硬件结构图。

图2为本装置硬件结构及和数字化变电站连接方式的示意图。

图3为本装置FPGA中设计的相关处理功能IP核模块示意图。

图4为瞬时负序分量实时提取模块输入输出及算法控制流程图。

图5为采用本发明方法计算三相电流a相发生断路时负序分量瞬时值变化的效果图。

具体实施方式

基于数字化变电站的瞬时负序分量时域提取装置，其硬件资源包含SOPC芯片和以太网光口。其中，所述SOPC芯片采用Altera Cyclone II EP2C70F672C8 FPGA芯片；以太网光口通过Micrel KS8721BL PHY(Physical Layer)芯片和FPGA相连；FPGA部分I/O引脚预留为硬件控制及联络线，用于负序分量提取后的硬件联络动作。本装置通过以太网光口，连接数字化变电站的间隔层。如图2所示。

在本装置FPGA中设计三速以太网控制器IP核模块、SMV协议报文解析IP核模块、瞬时负序分量实时提取IP核模块、存储器、NIOS CPU，如图3所示。装置工作时，由NIOS CPU通过FPGA Avalon总线接口对存储器、SMV协议解析模块、以太网控制器模块、瞬时负序分量实时提取模块进行初始化设置。

三速以太网控制器模块通过以太网光口从数字化变电站系统的间隔层获取IEC61850 SMV格式的报文，并将报文放入三速以太网控制器模块的FIFO缓存。SMV协议报文解析模块从以太网控制器模块的FIFO缓存中提取报文，完成电气参数解码，由此获取三相电流i_a、i_b、i_c的瞬时值，并将此瞬时值存放入存储器。

如图4所示，瞬时负序分量实时提取模块从存储器获得最新的i_a、i_b、i_c值，并进行负序分量提取计算。负序分量提取计算的依据和实现步骤如下。

Step1：从存储器单元中提取由SMV报文解析模块解析出的a相、b相和c相电流的瞬时值i_a、i_b和i_c，并计算ac相间电流的瞬时值i_ac以及bc相间电流的瞬时值i_bc，如公式（6）所示：

其中，所有计算参数均为时域下的测量数据。

Step2：设置延时参数Δt，令Δt=N/f，其中N为大于0的整数，f为数字化变电站的采样频率。记录t时刻i_ac的瞬时值，标记为i_ac(t)；记录t时刻和t-Δt时刻i_bc的瞬时值，标记为i_bc(t)和i_bc(t-Δt)。同时，根据SMV报文中最新解析出的电流值实时更新i_ac(t)、i_bc(t)和i_bc(t-Δt)值。

Step3：构造i_bc的旋转向量，如公式（7）所示：

其中，İ_bc为bc相间电流的旋转向量，I_bcm为bc相间电流的幅值，ω为bc相间电流的角频率，为bc相间电流的相位。

根据正弦电流瞬时值计算依据，t时刻i_bc的瞬时值i_bc(t)可由公式（8）计算：

对比公式（7）和公式（8）可知，i_bc旋转向量的虚部实际为i_bc的瞬时值，因此，构造旋转向量时采用i_bc(t)直接代替旋转向量的虚部而无需进行计算，所需耗时构造部分仅为旋转向量的实部。

i_bc旋转向量的实部依据如下方法构造。根据三角函数变换，t时刻bc相间电流的瞬时值i_bc(t)可改写为如公式（9）表示：

由于即是前Δt时刻i_bc的瞬时值i_bc(t-Δt)，由此公式（9）可以改写为公式（10），

同时，根据三角函数变换，公式（7）所示之旋转向量实部可以通过公式（11）计算：

将公式（10）代入公式（11）得到i_bc旋转向量实部最终的构造方法如公式（12）所示，

其中，所有计算参数均为时域下的测量数据或常数。

Step4：采用如公式（13）所示方法计算最终瞬时负序分量，

其中，i₂ 表示负序分量瞬时值；İ_ac和İ_bc分别代表i_ac和i_bc的旋转向量；S为旋转影子，S_x=e^-jx，Im表示取虚部运算；Re表示取实部运算。

由于进行取虚部运算，因此İ_ac无需构造，只需要将其虚部i_ac的瞬时值i_ac(t)直接代入计算即可。公式（13）中只需要取旋转向量İ_bc的实部，因此，只需要将根据公式(12)构造的i_bc旋转向量的实部代入公式（13），即可获得最终瞬时负序分量提取的方法，如公式（14）所示：

其中，i₂ 表示负序分量的瞬时值。

如公式（14）所示之负序分量瞬时值提取方法其优势在于：只需构建1次旋转向量，即bc相间电流的旋转向量；提取方法所需其它参数均为时域测量值或常数。如，i_ac(t)、i_bc(t)和i_bc(t-Δt)值均为SMV报文中提供的三相电流瞬时值通过简单减法运算完成，几乎不占计算时间开销；当信号频率和采样频率确定时，ωΔt计算结果是一个常数，其三角函数值也是常数，可以预先获取，也不占计算时间开销。以上因素均提高了负序分量提取的实时性。

利用本发明的方法计算三相电流在a相断路情况下瞬时负序分量变化的情况，得到结果如图5所示。本方法计算结果和目前采用的先构建a、b、c三相电流的旋转向量再计算负序分量的方法所取得的结果一致，但耗时只有后者的1/3。