數字變電站的核相方法

2023-12-11 20:08:37

專利名稱：數字變電站的核相方法
技術領域：
本發明涉及數字變電站的技術領域，具體是一種數字變電站的核相方法。
背景技術：
傳統變電站由於各種功能採用的通信標準和信息模型不盡相同，二次設備和一次 設備間用電纜傳輸模擬信號和電平信號，各種功能需建設各自的信息採集、傳輸和執行系 統，增加廠變電站的複雜性和成本。數位化變電站是指信息採集、傳輸、處理、輸出過程完全數位化的變電站基本特徵 為設備智能化、通信網絡化、運行管理自動化等。數位化變電站特點1)、一次設備智能化採用數字輸出的電子式互感器、智能開關 (或配智能終端的傳統開關)等智次設備。一次設備和二次設備間用光纖傳輸數字編碼信 息的方式交換採樣狀態量、控制命令等信息。2)、二次設備網絡化次設備間用通信網絡交換模擬量、開關量和控制命令等信息， 取消控制電纜。3)、統一信息模型和通信協議所有信息按統一標準建模，並按統一的通信協議標 準傳輸，實現不同設備和不同功能的信息共享。變電站的設備間信息交換均按照統一的IEC 61850標準通過通信網絡完成，變電站在擴充功能和擴展規模時，只需在通信網絡上接入新 增符合國際標準的設備，無需改造或更換原有設備，保護用戶投資，降低變電站全生命周期 成本。另外，變電站站內信息數位化、標準化，在IEC 61850到主站的標準確立以後，調 度端將可完全訪問變電站的所有信息。除了傳統的實時數據外，調度端還可以直接導入變 電站模型乃至主接線圖，並能獲得在線監測、設備臺帳等運行管理信息。4)、運行管理自動化整合監控、遠動、五防、在線監測等功能，新增自動故障分析系 統和程序化控制系統等高級應用功能，提升自動化水平，減少運行維護的難度和工作量。5)、簡化二次接線數位化變電站的一次設備和二次設備間、二次設備之間均採用 計算機通信技術，一條信道可傳輸多個每相電壓的信息。同時採用網絡通信技術，通信線的 數量約等於設備數量。因此數位化變電站的二次接線將大幅度簡化。變電站通信體系IEC61850將變電站通信體系分為3層變電站層、間隔層、過程 層。在變電站層和間隔層之間的網絡採用抽象通信服務接口映射到製造報文規範(MMS)、傳 輸控制協議網際協議(TCPIP)乙太網或光纖網。在間隔層和過程層之間的網絡採用單點向 多點的單向傳輸乙太網。變電站內的智能電子設備(IED，測控單元和繼電保護)均採用統 一的協議，通過網絡進行信息交換。採用傳統電壓電流互感器的變電站是用電壓表和相位表來完成二次核相和帶負 荷試驗的。數位化變電站中，由於多數採用數字式的電流電壓互感器，傳統的數字式核相設 備無法正常獲取相關的檢測信息，已不適應變電站發展的需求，伴隨著電子技術及通信技 術的發展，高速點對點串行通信及網絡通信成為數位化變電站的發展方向，因此支持以上各種通信規約的全新型數位化二次核相裝置顯得尤為重要。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種的數字變電站的核相方法。為解決上述技術問題，本發明提供的數字變電站的核相方法，其包括1)、在以點 對點方式實現的數位化變電站中，核相裝置接入來自不同間隔合併單元的高速串行通信數 據，核相裝置將接收的通信數據送至PC機，PC機將同一電壓等級和/或不同電壓等級的三 相電壓信號以圖形的形式顯示在屏幕上，並任選某一相電壓為基準，分別直觀檢查同一電 壓等級或不同一電壓等級的各相電壓的幅值和相位關係的正確性，從而完成數字變電站啟 動時的二次核相；2)、在以組網方式實現的數位化變電站中，核相裝置通過變電站通信體系 IEC61850中的交換網絡設備接入來自不同間隔合併單元的乙太網通信數據，然後核相裝置 將該通信數據送至PC機，進行電壓核相時，任選某一相電壓為基準，通過PC機分別檢查同 一電壓等級或不同一電壓等級電壓的幅值、相位關係的正確性。應用上述數字變電站的核相方法的核相系統包括用於接收來自不同間隔合併單 元的高速串行通信數據或網絡交換設備的數位訊號的核相裝置、通過乙太網與核相裝置相 連的用於顯示同一電壓等級和/或不同電壓等級的三相電壓信號波形的PC機。所述核相 裝置包括用於數據和通信處理的主處理器、用於接收高速串行通信數據的輔處理器和用 於監視主處理器的工作狀態的監控處理器。所述主處理器連接有乙太網通信接口、HDLC通 信接口、UART通信接口、SPI通信接口和I2C通信接口。應用上述數字變電站的核相方法的核相系統包括用於接收來自不同間隔合併單 元的高速串行通信數據或網絡交換設備的數位訊號的核相裝置、通過乙太網與核相裝置相 連的用於顯示同一電壓等級和/或不同電壓等級的三相電壓信號波形的PC機。所述核相 裝置包括用於數據和通信處理的主處理器、用於接收高速串行通信數據的輔處理器和用 於監視主處理器的工作狀態的監控處理器。所述主處理器連接有乙太網通信接口、HDLC通 信接口、UART通信接口、SPI通信接口和I2C通信接口。本發明的積極效果(1)本發明的數字變電站核相裝置是數位化二次核相裝置， 可接入包括IEC60044-8、IEC61850-9-1和IEC61850-9-2等規約的多路光纖數位訊號，適用 於智能化變電站和數位化發電廠。在以點對點方式或組網方式實現的智能變電站中，數字 化二次核相裝置接入來自不同間隔合併單元或網絡交換設備的高速串行或乙太網通信數 據，進行電壓核相時，可以任意選取UA、UB、UC其中一路電壓為基準，分別檢查不同電壓等 級或同一電壓等級電壓UA、UB、UC各相電壓及相電壓幅值、相序正確性；數位化二次核相裝 置主要由核相裝置機箱和專用PC機組成，核相裝置機箱主要用於接收來自於合併單元或 網絡交換設備的數位訊號，對這些信號合併、處理後將相關數據送至PC機，PC機通過上層 軟體以圖形化方式顯示各路數位訊號對應模擬量的測量電壓、電流、相位、頻率、有功功率、 無功功率、視在功率、功率因數、相位角以及相位圖、向量圖等。最後，以指示燈顯示測試結 果及相關狀態。(3)本發明涉及數位化變電站PT 二次核相和帶負荷試驗方案，其中包括適 用於點對點不同間隔核相實現數據源直接來自不同間隔的合併單元的核相；適用於網絡 拓撲不同間隔核相實現數據源來自IEC61850交換網絡的核相。其中包括同一電壓等級之 間核相，不同電壓等級之間電壓的幅值與相位關係，同一電壓等級的電流幅值相位關係，不
5同電壓等級的電流幅值相位關係。由此完成整個變電所啟動時的核相和帶負荷試驗。本發 明滿足數位化變電站PT 二次核相和帶負荷試驗的相關技術要求，是具有智能化、信息化的 多功能檢測裝置。(4)數位化二次核相裝置特徵1)、適用於點對點不同間隔的核相數據源來源於 不同間隔的合併單元，將來源於不同合併單元的數據引至核相裝置。選取某一相電壓為基 準，分別檢查不同電壓等級或同一電壓等級電壓和電流幅值、相位的正確性；2)、適用於網 絡拓撲不同間隔的核相數據源來源於IEC61850交換網絡設備，將來源於不同網絡設備的 數據引至核相裝置，選取某一相電壓為基準，分別檢查不同電壓等級或同一電壓等級電壓 和電流幅值、相位的正確性。


為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據的具體實施例並結合附圖， 對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1為實施例1中的數字變電站核相系統的結構示意 圖。圖2為實施例1中的數字變電站核相系統的工作方法的程序流程。圖3為實施例1中的PC機的圖形化顯示的流程圖。
具體實施例方式見圖1-3，本實施例的數字變電站的核相方法包括1)、在以點對點方式實現的數 字化變電站中，核相裝置接入來自不同間隔合併單元的高速串行通信數據，核相裝置將接 收的通信數據送至PC機，PC機將同一電壓等級和/或不同電壓等級的三相電壓信號以圖 形的形式顯示在屏幕上，任選某一相電壓為基準，分別直觀檢查同一電壓等級或不同一電 壓等級的各相電壓的幅值和相位關係的正確性，從而完成數字變電站啟動時的二次核相； 2)、在以組網方式實現的數位化變電站中，核相裝置通過IEC61850交換網絡設備接入來自 不同間隔合併單元的乙太網通信數據，然後核相裝置將該通信數據送至PC機，進行電壓核 相時，任選某一相電壓為基準，通過PC機分別檢查同一電壓等級或不同一電壓等級電壓的 幅值、相位關係的正確性。在圖形化顯示同一電壓等級和/或不同一電壓等級電壓的幅值和相位關係的正 確性之前，PC機對所述通信數據進行處理以得出的各相電壓的幅值和相位關係的步驟如 下a)、獲取採樣起始點每秒顯示的周波數可由用戶設置，每秒採樣點數由核相裝置確 定，因此待顯示採樣點需要計算待顯示採樣點=顯示周波數X採樣點數，數據存儲採用 堆棧方式，最新數據點位於棧尾。因此採樣起始點計算如下採樣起始點=最新數據點-待 顯示採樣點。b)、設置每相電壓的傅立葉級數核相裝置將接收的通信數據包括測得的正弦波 電壓信號通過A/D轉換後成為一組離散點組成的時間序列；對該時間序列進行η次採樣， 採樣率為fs，採樣信號的時域表示為x(n)，其中0≤η≤N-I, χ (η)代表電壓信號的瞬時 值；則相鄰採樣間隔為At = I/fs，對這N個採樣點進行離散傅立葉變換，極坐標形式表
其中k = 0，l，2，…，N-1，輸出的結果X(k)就是x(n)的頻域顯示，k為諧波次數；找出最 大的X(k)，即為基波50Hz的電壓有效值，從而可以得到各相電壓的幅值；傅立葉參數實部 =(cos((k+l) XPIXJX2/f)/sqrt(2)；傅立葉參數虛部=(-sin ((k+1) XPI X JX 2/f) / sqrt (2)；其中PI是圓周率，K指幾次諧波，J表示當前點數，f為採樣頻率，sqrt是開平方 函數。C)、每相電壓的實部、虛部值計算計算每相電壓實部、虛部值，用於每相電壓角 度、幅值、核相分析
N點釆樣值M相電壓實部=
(採樣值M相電壓實部)+傅立葉參數實部X (N點採樣
M相電壓原始數據)；
N點採樣值M相電壓虛部=
(釆樣值M相電壓虛部)+傅立葉參數虛部X (N點採樣 M相電壓原始數據)。d)、每相電壓的相角計算由於每相電壓實部值a和虛部值b已求出，因此根據公 式
即可獲得各相電壓的相角值；然後設定第一相電壓的相角為0，其他各相電
3
壓以與第一相電壓的相角差作為顯示的相角值。在三相電力系統中，用A，B, C標記區別三相的相序。當它們分別達到最大值的次 序為A、B、C時，稱為正相序，如次序是A、C、B,則稱為負相序。設第一路電壓Ua, Ub, Uc, H 二路電壓Ux，Uy，Uz，核相計算具體過程如下同一電壓等級的核相自檢判別兩路電壓是 否正序，校驗Uab的相角是否為120度，Ubc的相角是否為-240度，Uca的相角是否為120 度。校驗Uxy的相角是否為120度，Uyz的相角是否為_240度，Uzx的相角是否為120度。互檢a.判別兩路電壓相序是否一致，Uax、Uby、UCZ間的相角是否是0度。b.判 別兩路同相電壓幅值是否一致。不同電壓等級的核相歸算根據不同的電壓等級、變壓器的類型，對幅值和相角 進行歸算。幅值將兩路電壓歸算到高壓側，歸算公式U
歸算後=U歸算前某側電壓
X (電壓等級高壓
側/某側電壓等級)。相角根據變壓器的類型，計算中壓側與高壓側，高壓側與低壓側，中壓側與低壓 側電壓的相角。例如常見的Y/Y/-11接線方式，變壓器中壓側與高壓側的同相電壓相角相 差O度。中壓側與低壓側，高壓側與低壓側的同相電壓相角相差30度。 然後自檢兩路電壓是否正序、互檢歸算後的兩路電壓相序和幅值是否滿足核相要 求。同時顯示高壓側與中壓側、高壓側與低壓側之間的相角差與幅值差。在獲取通道角度 之後我們就可以根據周波數、周波點數、原始值畫出所需要的波形。
對於常規的圖形顯示，通常採用從視圖獲取顯示設備，繼而在上面畫圖顯示的方 式實現，但確定是如果數據刷新較快的話會出現不斷的閃屏，影響查看效果。這裡我們採用 的是內存畫圖的方式，將所要畫的圖首先畫在內存當中，然後作為一張圖片顯示在顯示設 備上，這種方式可以有效的避免閃屏的發生。實現流程如圖3所示。其中，通過MoveTo、LineTo函數，循環繪製出N_1數據與N點數據的連線，從而函 數曲線的繪製。作為圖形化的顯示，以上已經完成了一次繪畫，但對於不斷更新的數據而言，我們 需要看到一個波形不斷變化的過程。所以需要不斷的調用錄波顯示函數進行更新。這裡我 們設定了一個時鐘，每隔一定範圍就調用顯示錄波一次，並且時鐘的間隔可調，這樣就可以 根據不同環境設置適合查看的時間間隔。對於核相結果的顯示，通過加載核相方案，如相同電壓等級，雙母線間核相或不同 電壓等級間核相等，指定核相通道，如雙側同相，根據每一種類型預期的核相結果，比較採 樣數據，分析出核相的結論，動態顯示到界面上。見圖1，應用上述數字變電站的核相方法的核相系統包括核相裝置和PC機。核 相裝置包括的數據處理模件有三個處理器主處理器、輔處理器和監控處理器。主處理器核採用Freescale公司的PowerQuicc II系列的MPC8247，CPU頻率最高 達 400MHz，低功耗(0. 8ff at 266MHz)。MPC8247 採用雙核結構一個 PowerPC 603e 核和一 個單獨的通信處理機模塊(CPM)。內核(1. 5V)和1/0(3. 3V)分開供電。64位數據線和32 位地址線的60x BUS支持64、32、16和8位的器件。有數據和指令高速緩存、內存管理單元 (MMU)，可以提供 100M/10M 乙太網、HDLC、UART、SPI、I2C 等通信接口。輔處理器為FPGA，輔處理器主要用於實現高速串行數據的接收處理，以替代CPU 的部分功能。監控處理器用來監視主處理器的工作狀態，當主處理器工作異常時，監控處理器 可以通過電源模件發出告警信號。在以點對點方式或組網方式實現的智能變電站中，數位化二次核相裝置接入來自 不同間隔合併單元或網絡交換設備的高速串行或乙太網通信數據，進行電壓核相時，可以 任意選取UA、UB、UC其中一路電壓為基準，分別檢查不同電壓等級或同一電壓等級電壓UA、 UB, UC各相電壓及相電壓幅值、相序正確性。如圖1，數位化二次核相裝置由核相裝置和PC機組成，核相裝置主要用於接收來 自於合併單元或網絡交換設備的數位訊號，對這些信號合併、處理後將相關數據送至PC 機，數據流程如圖2所示，PC機通過上層軟體以圖形化方式顯示各路數位訊號對應模擬量 的測量電壓、電流、相位、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、相位角以及相位 圖、向量圖等。主要提供以下功能接收並處理來自於合併單元或網絡交換設備的數字信 號；將需要圖形化顯示的信息發送至PC機，通過圖形界面顯示模擬量的電壓、電流、相位、 頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、相位角以及相位圖、向量圖等；以指示燈顯 示測試結果及相關狀態。採用核相裝置處理採樣值，首先需要進行採樣值配置。配置採用XML格式的文件 形式，由PC機通過乙太網口下載到裝置上並支持實時刷新配置。配置文件首先區分採樣值 接入採用點對點或者組網形式，之後配置文件還提供了本裝置所需要的採樣率。裝置在上
8電之後會讀取程序根目錄下的配置文件並採用公司開發的XML解析庫來分析配置文件，將 配置信息存儲在全局配置結構體中。程序還提供開放的接口可以在TELNET中檢查配置信 息，供使用人員檢查配置文件是否是正確的。程序會定時掃描配置文件的校驗信息，當發現 配置文件被在線修改，會重新解析配置文件。第一次解析配置文件之後，裝置初始化，首先 按配置文件載入FPGA程序。當裝置接收點對點IEC60044-8數據時，需要載入相應的FPGA 處理程序。裝置接收組網IEC61850-9-2數據不需要載入FPGA程序。之後裝置會按照配置 的接收每相電壓數分配合理的內存緩衝區存放接收到的數據。分配完存儲空間後，裝置按 照配置文件建立乙太網報文過濾表，發送給底層的乙太網晶片，保證合理高效的收入以太 網報文。裝置隨後會確立採樣值接收和發送的節拍。對於點對點IEC60044-8數據，接收和 發送節拍都基於底層FPGA提供的中斷。點對點不同間隔的數據一般採用來自不同合併器 的IEC60044-8數據，分別接入到核相裝置PSHT600的CPU板的S1-S3 口。配置文件中體現 不同接口接入的數據每相電壓的含義，以便於發送時抽取每相電壓。PSHT600採用FPGA處 理IEC60044-8，FPGA將不同間隔的數據解析後插值同步並以中斷的式提供給PowerPC處理 器。PowerPC處理器在FPGA中斷內獲取到多間隔的已經同步過的數據後，按照內部約定的 規約再將數據從乙太網口發送出去。發送數據採用任務方式，數據接收完成之後採用帶有 一定緩衝機制的發送方式，在任務中發送出數據並完成統計信息工作。發送任務的節拍一 般低於接收中斷。核相裝置上送的採樣率低於原始的採樣率，既可以滿足核相精度又減少 裝置和PC機的計算負荷。PC機收到PSHT600發出的乙太網報文後，解析出多間隔數據並進 行核相分析處理，分別檢查電壓UA、UB、UC各相電壓及相電壓幅值、相序正確性。組網數據報文來源於交換網絡設備，一般採用IEC61850-9-2報文格式。將交換網 絡設備數據接口接入到核相裝置PSHT600的CPU板的ERl 口。配置文件中體現了裝置需要 接收間隔的廣播地址，APPID等信息。ERl 口做為PowerPC的乙太網接口，以查詢方式接收 組網的報文並按照IEC61850-9-2格式解碼。查詢的節拍由裝置開啟的定時中斷決定，定時 中斷的頻率略高於IEC6185-9-2規定的採樣率。依據乃奎斯特採樣定律可以真實還原原始 的乙太網數據。解析到各個間隔的數據中的採樣計數器位，各個間隔報文按照其採樣計數 器同步存儲。核相裝置支持接收多間隔組網數據，接收的過程中進行一系列狀態標和數據 的處理，當多間隔數據不同步或者出現每相電壓異常或通信中斷的時候，需要按照一定的 邏輯將綜合的狀態標信息上傳給PC裝置，供上位機進行核相操作。PowerPC在接收組網數 據的同時，將同一採樣計數器的不同間隔數據發送出去。需要注意的是，當採用組網形式的 採樣值報文，合併器必須同步，保證站內相同採樣計數器的數據對應著同一物理時刻。從 PSHT600發送給PC機的數據可以配置，通過配置抽取出PC核相所關心的每相電壓數據。點對點數據接入的時候，狀態標由底層接收IEC60044-8的FPGA提供，邏輯相對簡 單，穩定性較好。當接入採樣值組網，裝置採用帶緩衝機制的收發方式，利用採樣計數器對 齊的方式可以抗乙太網抖動。該處理方式同時也應用於保護裝置採樣值處理，經過動模試 驗驗證取得良好的效果。上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方 式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同 形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。
9
權利要求
一種數字變電站的核相方法，其特徵在於包括1)、在以點對點方式實現的數位化變電站中，核相裝置接入來自不同間隔合併單元的高速串行通信數據，核相裝置將接收的通信數據送至PC機，PC機將同一電壓等級和/或不同電壓等級的三相電壓信號以圖形的形式顯示在屏幕上，並任選某一相電壓為基準，分別直觀檢查同一電壓等級或不同一電壓等級的各相電壓的幅值和相位關係的正確性，從而完成數字變電站啟動時的二次核相；2)、在以組網方式實現的數位化變電站中，核相裝置通過變電站通信體系IEC61850中的交換網絡設備接入來自不同間隔合併單元的乙太網通信數據，然後核相裝置將該通信數據送至PC機，進行電壓核相時，任選某一相電壓為基準，通過PC機分別檢查同一電壓等級或不同一電壓等級電壓的幅值、相位關係的正確性。
2.根據權利要求1所述的數字變電站的核相方法，其特徵在於在圖形化顯示同一電 壓等級和/或不同電壓等級電壓的幅值和相位關係的正確性之前，PC機對所述通信數據進 行處理以得出的各相電壓的幅值和相位關係的步驟如下a)、獲取採樣起始點；b)、設置每相電壓的傅立葉級數核相裝置將接收的通信數據包括測得的正弦波電壓信號通過A/D轉換後成為一組離 散點組成的時間序列；對該時間序列進行η次採樣，採樣率為fs，採樣信號的時域表示為 χ (η)，其中0彡η彡N-I, χ (η)代表電壓信號的瞬時值；則相鄰採樣間隔為At = I/fs，對 這N個採樣點進行離散傅立葉變換，極坐標形式表達式為其中k = 0，l，2，…，N-1，輸出的結果X(k)就是x(n)的頻域顯示，k為諧波次數；找 出最大的X(k)，即為基波50Hz的電壓有效值，從而可以得到各相電壓的幅值； 傅立葉參數實部=(cos((k+l) XPIXJX2/f)/sqrt(2)； 傅立葉參數虛部=(-sin((k+l) XPIXJX2/f)/sqrt(2)；其中PI是圓周率，K指幾次諧波，J表示當前點數，f為採樣頻率，sqrt是開平方函數； C)、每相電壓的實部、虛部值計算計算每相電壓實部、虛部值，用於每相電壓角度、幅值、核相分析 N點釆樣值M相電壓實部=^ (釆樣值M相電壓實部)+傅立葉參數實部X (N點釆樣 M相電壓原始數據)； N點採樣值M相電壓虛部=，(採樣值M相電壓虛部)+傅立葉參數虛部X (N點採樣M相電壓原始數據)；d)、每相電壓的相角計算由於每相電壓實部值a和虛部值b已求出，因此根據公式， 即可獲得各相電壓的相角值；然後設定第一相電壓的相角為0，其他各相電壓以與第 一相電壓的相角差作為顯示的相角值。
全文摘要
本發明涉及一種數字變電站的核相方法，其包括1)在以點對點方式實現的數位化變電站中，核相裝置接入來自不同間隔合併單元的高速串行通信數據，核相裝置將接收的通信數據送至PC機，PC機任選某一相電壓為基準，分別直觀檢查同一電壓等級或不同一電壓等級的各相電壓的幅值和相位關係的正確性，從而完成數字變電站啟動時的二次核相；2)在以組網方式實現的數位化變電站中，核相裝置通過IEC61850交換網絡設備接入來自不同間隔合併單元的乙太網通信數據，然後核相裝置將該通信數據送至PC機，進行電壓核相時，任選某一相電壓為基準，通過PC機分別檢查同一電壓等級或不同一電壓等級電壓的幅值、相位關係的正確性。
文檔編號H02B1/00GK101893662SQ20101023496
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月23日 優先權日2010年7月23日
發明者倪菁, 周維明, 汪佳新, 許箴 申請人:江蘇省電力公司常州供電公司