一种高度可替换数字式和模拟式电能质量监测终端的实现

一种高度可替换数字式和模拟式电能质量监测终端的实现

陈昌友，周晨希，王玉新，桂耀平

南京易司拓电力科技股份有限公司，江苏，南京，210000

摘要：现有电能质监测终端，一方面，无法同时兼容智能变电站和传统变电站的电能质量监测，一定程度上造成资源的浪费；另一方面，普遍采用多层架构分层实现方案无法满足特殊场景的电能质量监测，如500kV变电站3/2接线方式下的线路监测。另外，数字式电能质量监测终端在指标算法上有别于模拟式电能质量监测终端的实现方案，技术上存在一定难度，尤其频率跟踪和谐波分析时频谱泄漏等问题。本文提出一种高度可替换数字式和模拟式电能质量监测终端及方法，用于满足现有电网的应用需求。

关键词：电能质量；监测；智能变电站；3/2接线；数字式；模拟式；频率跟踪；频谱泄漏

1 引言

大量非线性负荷、新能源的并网接入，影响着电网系统电能质量指标，对电能质量指标的监测关系到电网运行的安全性和经济性。

随着智能变电站的发展及普及，电能质量在线监测技术也发展为数字式采样和模拟式采样两种方式，分别对应于数字式电能质量监测终端和模拟式电能质量监测终端。数字式电能质量监测终端的基本原理是通过光以太网接入经合并单元转换的IEC61850-9-2协议，以达到电能质量指标监测的功能；模拟式电能质量监测终端是经传统的电压互感器、电流互感器取二次回路电压值、电流值进行电能质量指标监测。

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

终端系统整体架构由交流模拟采样模块、SV数字采样模块、FPGA采样控制模块、核心处理模块及人机接口等组成，整体系统供电方案采用双电源冗余方式，所有模块经总线式背板连接，其中交流模拟采样模块和SV数字采样模块相互替换兼容。

本系统的核心处理模块主要负责电能质量指标计算、统计分析、存储、通讯等核心业务处理以及统筹协调、全局管理工作。核心处理模块主控制器采用高性能的OMAPL138双核处理器，同时具备浮点DSP核和ARM9核，主频最高可达456MHz，具备256MByte工业级DDR2及512MByte NANDFlash接口。其中DSP处理器通过并行UPP接口接收前端采样源数据，进行电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、电压暂降等电能质量指标计算，并以双核通讯、共享内存方式将数据送给ARM9处理器。同时，ARM9处理器对经DSP计算分析的数据进行二次深处理并存储，实现终端的统计分析、数据存储、IEC61850通讯、界面显示及参数配置等功能。

FPGA采样控制模块主要负责控制并同步交流模拟采样模块或SV数字采样模块的采样信号，并将汇总的采样信号发送给核心处理模块DSP处理器。FPGA采样控制模块采用可编程门阵列技术，经编程烧录实现定制化的门电路及逻辑模块，以达到逻辑控制处理能力。

交流模拟采样模块负责采集常规模拟量信号，经AD转换为数字信号，并由FPGA采样控制模块传输至核心处理模块。交流模拟采样模块支持电压电流宽范围的输入，支持最多36模拟通道的采样能力。

SV数字采样模块负责接收经光以太网的IEC61850-9-2报文，并解码转换为同种制式的数字信号由FPGA采样控制模块传输至核心处理模块。SV数字采样模块采用100/1000Mbps自适应光纤以太网接口，适应于智能变电站过程层网络环境要求，支持最多36数字通道的采样解码能力。

3 系统功能实现

电能质量监测终端数据处理复杂、业务功能涉及面广，采用模块化、重用性、扩展性设计思路，多CPU协同工作，分布式方式实现各模块子功能。基于系统整体规划，将其功能划分为数据采集功能、数据计算功能、数据处理功能、数据展示功能及其数据通讯功能。

3.1 数据采集功能实现

数据采集功能由采样模块和FPGA采样控制模块共同完成。SV数字采样模块负责采集智能站过程层IEC61850-9-2协议报文，并转化为统一约定的采样数据；交流模拟采样模块负责采集经传统互感器转换的二次模拟量信号，并转化统一约定的采样数据。

3.2 数据计算功能实现

数据计算功能由DSP计算模块完成。FPGA采样控制模块以中断方式通知数据准备好后，DSP通过UPP接口接收采集数据序列集，从而实现电能质量指标的计算，包括：

1）基本测量数据，包括电网频率，三相电压、电流有效值，三相及总的有功、无功功率、功率因数。

2）电能质量基本数据，包括三相基波电压、电流有效值，三相基波有功/无功功率、相移功率因数、相位；正序/负序/零序电压分量、正序/负序/零序电流分量、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；谐波（2~50次）。包括电压、电流的总谐波畸变率、电压奇次/偶次谐波畸变率、各次谐波含有率、幅值、相位；各次谐波有功/无功功率等。

3）电能质量高级数据，间谐波，包括0.5次~49.5次的谐波含有率、幅值；闪变，包括短时闪变、长时闪变；电压暂升、暂降、短时中断；电压波动，包括电压波动幅度、电压波动频度。

以上指标中，其中频率计算是其他后续指标计算的基础。模拟式采样方式的监测终端常通过硬件电路滤波后过零点统计的方法进行频率计算及跟踪采样。数字式采样方式的监测终端对信号处理的情况，本文采用全相位比值校正法^[2][3]同时计算频率和谐波分量。

DSP计算模块实现对采样数据的电能质量指标预处理，并且以10周波为计算窗口输出频率、电压、电流、不平衡度、谐波等电能质量指标200ms值，以过零点半周波滑差周波有效值算法进行电压暂态事件的判断及触发录波，以1/4滑差半周波有效值计算10分钟短时闪变值，并且通过公式计算出2小时长时闪变值。

DSP计算模块处理的电能质量指标数据以双核通讯、共享内存方式完成和ARM端数据处理功能端的交互和传输。

3.3 数据处理功能实现

数据处理功能由ARM端应用功能模块实现。数据处理功能主要包括：

1）获取DSP计算的电能质量指标基础数据，进一步深度加工处理。基本原理为以200ms数据为基础，按不同时间间隔集合为3s实时数据、分钟统计数据、日报表统计数据等数据，并且作为同外部接口交换数据的基础。

2）接收电压暂态事件或外部消息，控制触发DSP录波功能，并以COMTRADE格式存储。

3）针对电能质量指标进行越限判断，并且外部触发及其SOE记录。

4）电能质量数据的存储，存储每一路监测点分钟统计数据和日报表数据。存储介质采用固态盘，存储容量最高可扩充至64G。为考虑存储容量及存储的内容，采用压缩方式以PQDIF格式存储。

4 结论

结合于智能变电站的发展及电能质量监测的需要，本文提出了一种高度可替换数字式和模拟式电能质量监测终端。基于功能模块化设计思路，数字式和模拟式采样分别实现，接口统一，实现了一种终端多种应用场合的需要；数据集中式处理思想，采用高性能双核处理器，多CPU协处理工作方式，实现系统的稳定性和可靠性；基于IEC 61850的通讯方式，提高了终端接口的规范性及其自适应性；同时通过采用固定间隔采样下的频率计算和基于汉宁窗的FFT优化算法保证了两种采样方式下的测量的准确性。通过对现场实际运行效果的总结分析，终端的功能与性能达到设计目标，并满足国家标准和技术规范的要求。

参考文献

1. 
   

2. 李丹丹，翟春，等．500kV变电站3/2接线及倒闸操作顺序的分析．内蒙古科技与经济．2009

3. 吴国乔 等．离散频谱的全相位比值校正法.数据采集与处理．2005

4. 谢明，丁康．离散频谱分析的一种新校正方法.重庆大学学报．1995