专利名称：一种电网数据综合采集方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统自动化系统信号釆集领域，是为简化变电站自动 化系统二次设备设计、制造、投运和维护工作，提高数据采集速度、处理 精度及提高信息传输速度的电参量三态数据综合釆集技术。
技术背景目前，电力系统自动化系统测控装置釆集的是基于潮流水平上的稳态电参量，不能监测和辨识电力系统的动态行为，以其为基础的SCAM (数据 釆集与监视控制系统)系统不足以支持电力系统安全稳定运行。这是由于 SCADA系统只能提供稳态的、低釆样密度的、不同步的电网时间断面信息，调度中心不能根据这些信息跟踪系统的发展轨迹，准确掌握系统运行的动 态情况。现有电力系统故障录波装置用来自动记录由短路故障、系统振荡、电 压崩溃、频率崩溃等电力系统大扰动引起的电流、电压及其导出量，同时 记录继电保护和安全自动装置的动作行为。由于缺少全局算法和实时的通 信联系，也无法实时观测和监督电力系统的动态行为。电网动态监测的核心思想是基于GPS (全球定位系统)的高精度时钟 同步，釆集广域电网的实时运行参数--相量，借助于高速通信网络将分散 的相量数据集中起来；得到电网全局性的时空坐标下的动态信息，通过EMS (能量管理系统)系统及安全自动控制系统的联接；从而实现对系统动态过 程的实时监测和控制，提高电网的自动控制和安全稳定水平，为在线暂态 稳定分析方法带来了新的思路。随着计算机软、硬技术和通信技术以及数字信号处理技术的飞速发展， 尤其是广域电力信息网络的建立和GPS全网同步技术的出现，实现电参量三态数据综合釆集已成为可能。本发明将实现电网三态数据稳态数据、故障录波数据、动态数据综合釆集。发明内容本发明的目的在于简化变电站自动化系统二次设备设计、制造、投运 和维护工作，提高数据釆集速度、处理精度及提高信息传输速度，实现电 参量三态数据综合釆集。本发明的技术方案 一种具有电参量三态数据综合釆集装置，所述三态 数据分别为稳态数据、故障录波数据和动态数据，该装置包括高精度对 时和同步釆样脉冲模块、交流信号调理模块、A/D釆样模块、直流信号调理 模块、压频转换模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和 高速网络通讯模块交流测量信号、保护信号经交流信号调理模块的互感器回路、低通滤 波及放大回路后，转换成0-5V的电压信号，输入到A/D采样模块。在高精 度对时模块和同步釆样脉冲模块的控制下完成高速釆样，A/D交流釆样模块 将釆样信息输出到信号处理模块；直流信号经直流信号调理模块的滤波回路后，转换成0-5V的直流电压 信号，输入至压频转换模块。在压频转换器中输入的电压信号转换为频率 信号，并将转换后的频率信号输入至信号处理模块；开关量信号经开关量信号调理模块把变电站现场设备机械触点等状态 信号转换成数字量信号，并输入至信号处理模块；在所述信号处理装置中，对釆集的信号进行稳态数据、故障录波数据、 动态数据计算，通过高速网络通讯模块传输到后台系统，同时故障录波数据通过双口 RAM模块存储在录波模块中。装置釆用高性能的PowerPC通讯 处理模块，该单片嵌入式微处理器集成了 2个处理单元 一个嵌入式PowerPC 核与一个精减指令集(RISC)的通讯处理模块(CPM)。比传统设计更大的 降低功耗，提供更加平衡的处理能力和通信能力，并提供2个百兆以太网 接口和2个千兆以太网接口。高精度对时和同步采样脉冲模块釆用FPGA (现场可编程门阵列)为 处理芯片设计而成，FPGA具有比CPLD (复杂可编程逻辑器件)更快的处理 速度，而且支持差分信号输入。本电路接受GPS IRIG-B(B码)差分或IPPM (分脉冲)、1PPS (秒脉冲)光纤脉冲对时信号，输出5k 、 10k高速同步 采样脉冲和GPS对时时标，时钟误差不大于luS。釆样脉冲和秒脉冲之间的 时间误差只有20 - 30nS。通过交流信号调理模块及A/D釆样模块釆样可同时釆集16路交流信 号。交流信号输入回路釆用釆用新型亳安级精密互感器，其导磁材料釆用 坡莫合金材料，具有较高的磁导率，较低的矫顽力，较低的损耗及良好的 稳定性。互感器的体积小、精度高、温度特性好。交流信号经交流信号调 理模块的抗混叠低通滤波器后，输入到A/D釆样模块。A/D转换电路釆用 16位高精度A/D转换芯片。芯片釆样的各路通道同步釆样，内部釆用流水 线结构，八路通道同时转换只需要3.7微秒即可完成。交流信号釆样率最 高可到10k。通过直流信号调理模块及压频转换釆样釆用压频转换电路，能够进行直流信号的隔离采样，抗干扰能力强，精度高，可以兼容测量0-5V信号 或4-20raA信号。通过开关量信号调理模块，把变电站现场设备机械触点等状态信号转换 成数字量信号开关量信号反应变电站内设备的工况及保护的动作情况等， 是变电站自动化系统中非常重要的信号。由于开关量信号的信号电缆需要 引至设备现场，因此容易引入干扰。将开关量信号电平提高到220V或110V, 釆样稳压管门檻电路和滤波电路，对输入信号进行门槛限制和滤波，大量 滤除了干扰信号，减轻了对CPU (中央处理器)负载的压力。釆用光耦隔离 电路，隔离了强电信号对数字弱电系统的干扰。同时，提高开关量信号电 平至220V或110V,可克服因继电器触点氧化造成的接触不良现象。软件上 釆用滤波算法，装置既能滤除强电磁干扰而发生较长时间抖动，又能在信 号变位时自动正确捕捉变位时间，保证SOE (事件顺序)时标精度达到l毫 秒。高速同步采样信号处理模块中使用高速同步釆样技术减少频谱泄露和 栅栏效应对测量的影响；在高速同步采样的基础上，采用软件滤波算法， 当系统频率偏移额定频率时，计算频率偏差，并应用递推算法，修正频率 偏差引起的误差，从而保证频率和相量测量精度。信号处理信号处理模块采用32位高速DSP (数字信号处理)处理器， 主频达W固Hz。具有哈佛(Harvard)结构、八级流水线结构、专用的硬件乘 法器和快速的指令周期。能够高速进行数字信号处理。数字信号采用高阶 数字滤波算法和快速傅立叶算法进行信号处理和计算。录波模块釆用大容量故障录波模块进行故障录波，录波文件以COMTRADE(暂态数据转换标准)文件格式存放在大容量USB(通用串行总线)接口的NAND FLASH存储器中。NAND FLASH具有较高的存储性能，可以象磁盘一样通过接口轻松升级，是高密度数据存储的理想解决方案。高速网络通讯模块采用高性能的PowerPC通讯处理模块。在单片嵌入式 微处理器集成了 2个处理单元 一个嵌入式PowerPC核与一个精减指令集 (RISC)的通讯处理模块(CPM)。比传统设计更大的降低功耗，提供更加平衡 的处理能力和通信能力，并提供2个百兆以太网接口和2个千兆以太网接口。 本发明的优越性和技术效果在于:使用高精度对时电路、高性能的信号处理 和通讯技术，实现电参量三态数据同步釆集，完成监控、故障录波、相角测量、 电能质量分析等功能，提髙了数据处理能力和釆样精度；提高了变电站自动化 系统的实时性，简化了变电站自动化系统二次设备设计、制造、投运工作，极 大地降低变电站的建设成本及维护成本。
图1为电参量三态数据综合釆样技术的原理框图； 图2所示为高精度对时和同步采样脉冲软件流程框图； 图3为大容量录波模块与高速网络通讯模块原理框图。
具体实施方式
本发明的优选实例是釆用电参量三态数据综合釆样技术实现的特高压 变电站综合测控装置。该测控装置是以特高压变电站内一条线路或一台主 变为监控对象的智能监控设备。它既釆集本间隔的实时信号，又可与本间 隔内的其他智能设备通讯，同时通过高速以太网与站级计算机系统相连， 构成面向对象的变电站自动化系统。如图1所示为本发明所公开的电参量三态数据综合釆样技术的原理框 图，该测控装置由高精度对时和同步采样脉冲模块、交流信号调理模块、 直流信号调理模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和高 速网络通讯模块等组成。交流测量信号、保护信号经交流信号调理模块信号转换后，输入到釆 样模块，在高精度对时和同步采样脉冲模块的控制下完成高速釆样，交流 采样信息输出到信号处理模块，进行稳态数据、故障录波数据、动态数据 计算，通过高速网络通讯模块传输到后台系统，故障数据同时存储在录波 模块中。在交流信号釆集的同时，还进行开关量、直流信号高速采样。高精度对时和同步釆样脉冲模块采用FPGA可编程器件，接受GPS IRIG-B差分或1PPM、 1PPS光纤脉冲对时信号，输出5k 、 10k高速同步釆 样脉冲和GPS对时时标，时钟误差不大于luS。釆样脉冲和秒脉冲之间的时 间误差只有20 - 30nS。交流信号调理及釆样模块可同时釆集16路交流信号。交流信号输入回 路釆用釆用新型毫安级精密互感器，体积小、精度高、温度特性好。交流 信号经互感器变换后经过模拟抗混叠低通滤波器输入A/D转换电路。A/D转 换电路采用16位高精度A/D转换芯片。交流信号釆样率最高可到10k。直流信号调理模块釆用压频转换电路，进行直流信号的隔离釆样，抗千 扰能力强，精度高，可以兼容测量0-5V信号或4-20mA信号。开关量信号调理模块可釆集96路开关量信号，反应变电站内设备的工况 及保护的动作情况等。开关量信号信号电平为220V或110V，采用稳压管门 槛电路和滤波电路，对输入信号进行门槛限制和滤波，大量滤除了干扰信号，减轻了对CPU负载的压力。釆用光耦隔离电路，隔离了强电信号对数字 弱电系统的干扰。釆用32位主频为150MHz高速DSP处理器，进行高速同步釆样技术和信 号处理，减少了频谱泄露和栅栏效应对测量的影响。在高速同步釆样的基 础上，采用软件滤波算法，当系统频率偏移额定频率时，计算频率偏差， 并应用递推算法，修正频率偏差引起的误差，从而保证频率和相量测量精度。图2所示为高精度对时和同步釆样脉冲软件流程框图。1PPS秒脉冲信号 经有效性判断后，根据FPGA定时器釆样计数器输出5k 、 10k高速同步采 样脉冲，时钟误差不大于luS,釆样脉冲和秒脉冲之间的时间误差为20-30nS。图3所示为大容量录波模块与高速网络通讯模块原理框图。釆用高性 能32位PowerPC处理器，进行大容量故障录波模块，录波文件以C0MTRADE 文件格式存放在大容量USB接口的NAND FLASH存储器中。提供2个百兆以 太网接口和2个千兆以太网接口，提高了通信处理能力。本发明的优越性和技术效果在于:使用高精度对时电路、高性能的信号 处理和通讯技术，实现电参量三态数据同步釆集，完成监控、故障录波、 相角测量、电能质量分析等功能，提高了数据处理能力和釆样精度；提高 了变电站自动化系统的实时性，简化了变电站自动化系统二次设备设计、 制造、投运工作，极大地降低变电站的建设成本及维护成本。
权利要求
1、一种电参量三态数据综合采集装置，所述三态数据分别为稳态数据、故障录波数据和动态数据，该装置包括高精度对时和同步采样脉冲模块、交流信号调理模块、A/D采样模块、直流信号调理模块、压频转换模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和高速网络通讯模块，其特征在于交流测量信号、保护信号输入至交流信号调理模块，通过低通滤波及放大后，转换成0-5V的电压信号后，输出到A/D采样模块的输入端，在高精度对时模块和同步采样脉冲模块的控制下完成高速采样，A/D采样模块将采样信息输出到信号处理模块；直流信号输入至直流信号调理模块，在该模块中滤波并转换成0-5V的直流电压信号后，该直流电压信号输入至压频转换模块，在压频转换器中转换为频率信号，所述转换后的频率信号输入至信号处理模块；开关量信号经开关量信号调理模块把变电站现场设备开关量信号转换成数字量信号，并输入至信号处理模块；在所述信号处理装置中，对采集的信号进行稳态数据、故障录波数据、动态数据计算，通过高速网络通讯模块传输到后台系统，同时故障录波数据通过双口RAM模块存储在录波模块中。
2、 根据权利要求l所述的电参量三态数据综合釆集装置，其特征在于所 述高精度对时和同步采样脉冲模块釆用现场可编程门阵列FPGA为处理芯 片，该模块接受GPSIRIG-B (B码)差分或1PPM分脉冲、1PPS秒脉冲光纤 脉冲对时信号，输出化、10k高速同步釆样脉冲和GPS对时时标，时钟误差不大于luS,釆样脉冲和秒脉冲之间的时间误差为20 - 30nS。
3、 根据权利要求l所述的电参量三态数据综合釆集装置，其特征在于所 述交流信号调理模块及A/D采样模块可同时釆集16路交流信号；交流信号输入回路釆用亳安级精密互感器，其导磁材料釆用坡莫合金材料，交流信 号经交流信号调理模块的抗混叠低通滤波器后，输入到A/D釆样模块。A/D 釆样模块采用16位高精度A/D转换芯片，芯片釆样的各路通道同步釆样， 内部釆用流水线结构，八路通道同时转换在3.7微秒内即可完成，交流信 号釆样率最高可到10k。
4、 根据权利要求l所述的电参量三态数据综合采集装置，其特征在于所 述直流信号调理模块及压频转换模块釆用压频转换技术进行直流信号的隔 离釆样，可以兼容测量0-5V信号或4-20mA信号。
5、 根据权利要求l所述的电参量三态数据综合釆集装置，其特征在于所 述开关量信号调理模块釆集变电站内设备工况及保护的动作情况，在该模 块中，通过釆样稳压管门槛电路和滤波电路，对输入信号进行门襤限制和 滤波，滤除干扰信号；采用光耦隔离电路，隔离了强电信号对数字弱电系 统的干扰；同时，提高开关量信号电平至220V或110V,克服因继电器触点 氧化造成的接触不良现象；软件上釆用滤波算法，所述模块既能滤除强电 磁干扰而发生较长时间抖动，又能在信号变位时自动正确捕捉变位时间， 保证事件顺序S0E时标精度达到1亳秒。
6、 根据权利要求l所述的电参量三态数据综合釆集装置，其特征在于 信号处理模块中使用高速同步釆样技术减少频谱泄露和栅栏效应对测量的 影响；在高速同步采样的基础上，釆用软件滤波算法，当系统频率偏移额定频率时，计算频率偏差，并应用递推算法，修正频率偏差引起的误差， 从而保证频率和相量测量精度。
7、 利用权利要求l所述的电参量数据综合釆集装置进行数据釆集的电参量 三态数据综合釆集技术，其特征在于信号处理模块釆用32位髙速DSP处理器，主频达150MHz,具有哈佛(Harvard) 结构、八级流水线结构、专用的硬件乘法器和快速的指令周期，能够高速 进行数字信号处理，数字信号釆用高阶数字滤波算法和快速傅立叶算法进 行信号处理和计算。
8、 根据权利要求7所述的电参量三态数据综合采集技术，其特征在于 录波模块以暂态数据转换标准COMTRADE文件格式存放在大容量通用串行总线 USB接口的NAND FLASH存储器中。
9、 根据权利要求7所述的电参量三态数据综合釆集技术，其特征在于 所述高速网络通讯模块釆用高性能PowerPC通讯处理模块，单片嵌入式微处理 器集成了 2个处理单元 一个嵌入式PowerPC核与 一个精减指令集RISC的通 讯处理模块CPM,比传统设计更大的降低功耗，提供平衡的处理能力和通信能 力，提供多个2个百兆以太网接口和2个千兆以太网接口。
全文摘要
一种具有电参量三态数据稳态数据、故障录波数据、动态数据综合采集方法及装置，其特征在于它是由高精度对时和同步采样脉冲模块、交流信号调理模块、A/D采样模块、直流信号调理模块、压频转换模块、开关量信号调理模块、信号处理模块、录波模块和高速网络通讯模块等组成。本发明的优越性使用高精度对时模块、高性能的信号处理和通讯技术，实现电参量三态数据同步采集，完成监控、故障录波、相角测量、电能质量分析等功能，提高了数据处理能力和采样精度；提高了变电站自动化系统的实时性，简化了变电站自动化系统二次设备设计、制造、投运工作，极大地降低变电站的建设成本及维护成本。
文档编号G01R31/00GK101334439SQ200810123560
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月8日 优先权日2008年7月8日
发明者于海波, 何昭辉, 斌 周, 何 张, 斌 张, 徐石明, 梅德冬, 健 沈, 胡钰林, 黎 谢, 闫承志, 黄国方 申请人:国电南瑞科技股份有限公司