专利名称：一种电力系统实时动态监测与记录装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及监测与记录，尤其是涉及一种电力系统实时动态 监测与记录装置。
背景技术：
2007年中国正式采用IEC 61850为电力行业标准，着手改变二次 设备数据重复采集，缺乏数据集成和处理，缺乏信息交换和共享的现 状。现有变电站内录波器，可以在IED设备间的数据集成和信息交 换中为用户决策及时、准确提供保障，但只是在故障情况下向主站发 送数据，不能对电力系统运行状态进行监测；同步相量测量(Phasor Measurement Unit,简称PMU)可以实时监测到系统运行状态，但记 录的数据也只是稳态量，且记录频率低，反映线路故障真实情况欠佳。 目前尚未见有将具有相同的硬件平台的故障录波和PMU按照IEC 61850标准进行统一建模，实现互联电网的动态过程实时监测与记录 的装置。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提 出一种基于IEC 61850的电力系统实时动态监测与记录装置，将故障 录波与PMU在IEC 61850框架下集成在同一装置，以方便实现电力 系统实时动态监测与记录。本实用新型的技术问题通过以下技术方案予以解决。 这种电力系统实时动态监测与记录装置，采用客户-服务器架构， 管理机为客户端。
这种电力系统实时动态监测与记录装置的特点是
在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型， 设有具有相同硬件平台的故障录波逻辑模块及PMU逻辑模块，故障 录波逻辑模块根据计算结果进行启动判断，如有启动则生成故障文 件，记录暂态故障、动态数据，完成对录波数据的离线分析；PMU 逻辑模块实现系统电压、电流相量相角和频率、功率在线测量以及同 步相量测量，并对测量结果标记GPS时钟。既记录电力系统故障数 据，也在无故障情况下连续测量与记录电力系统变电站和发电厂的同 步相量，符合电力系统实时监测与暂态记录和动态记录在IEC 61850 框架下的一体化要求。
所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯，采集部分接收模 拟信号或数字信号，进行实时运算。所述客户端对与客户请求有关的 模型进行映射。所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连 接，通讯协议符合正C 61850-8，映射为MMS服务，按照IEC61850-6 实现系统配置，并形成独立使用的配置工具。
本实用新型的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号 复用电路。
还设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。所述故障录波逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定 义的以下兼容逻辑节点
1) 一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理 <曰息；
2) —个LLNO逻辑节点，用于访问故障录波逻辑设备的公用信
息；
3) —个RDRE扰动记录功能逻辑节点，用于描述故障录波功能；
4) 至少一个RADR扰动记录模拟量通道逻辑节点，每一个模拟 量通道对应一个，用于描述故障记录的模拟量通道；
5) 至少一个RBDR扰动记录状态量通道逻辑节点，每一个状态 量通道对应一个，用于描述故障记录的状态量通道；
6) 至少一个RFLO故障定位逻辑节点，每一条线路对应一个， 用于在发生故障情况下定位线路故障的故障点。
所述故障录波逻辑模块，其组成还包括以下IEC 61850扩展逻辑 节点
1) 一个扰动记录系统频率量逻辑节点，用于发生系统频率发生 越上限、越下限、突变故障时的处理；
2) 至少一个扰动记录系统电压量逻辑节点，每一个系统电压量 对应一个，用于发生系统电压异常故障时的处理；
3) 至少一个扰动记录电流量逻辑节点，每一个电流量对应一个， 用于发生系统电流异常故障时的处理；
4) 至少一个扰动记录变压器逻辑节点，每一台主变压器对应一个，用于发生变压异常故障时的处理。
所述PMU逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义 的以下兼容逻辑节点
1) 一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理 信息；
2) —个LLNO逻辑节点，用于访问故障录波逻辑设备的公用信
息；
3) 至少一个MMXU测量逻辑节点，用于记录PMU的电压、电 流、频率，功角状态量；
4) 至少一个MSQI相序和不平衡逻辑节点，用于记录序分量和 不平衡度；
5) 至少一个MSTA计量统计逻辑节点，用于记录PMU标记事件。
所述服务器的外部输入信号为GPS时钟和电压、电流信号，信 号输入方式包括
1) 模拟信号经互感器传变过来的传统采样电压、电流模拟信 号，及由并行电缆以空接点的形式接入的开关量信号；
2) IEC 61850-9-1数字信号和GOOSE信号符合IEC 61850-9-1 串行单向多路点对点的数字信号和GOOSE信息网的GOOSE信号；
3) IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号符合IEC 61850-9-2 的数字信号和GOOSE报文，由过程总线综合传输。
本实用新型的技术问题通过以下更进一步的技术方案予以解决。所述采集板，包括带有SDRAM、 FLASH的DSP模块、FPGA-l 采集控制模块和FPGA-2时间控制模块。其中FPGA是现场可编程门 阵列(Field Programmable Gate Array)的英文縮写。FPGA-l采集控 制模块控制开关量、模拟量的采集；实现采样点打时标、启动计算、 标识事件和测量同步相量；并通过HPI总线传输数据到监控板； FPGA-l采集控制模块直接连接背板采集总线，对所有模拟量及开关 量进行同步采样，并将采集数据加上时标保存在内部缓冲区中，当内 部缓冲区置满后向DSP发出中断，通知DSP取走采集数据。FPGA-2 时间控制模块对接收到的时间信号进行解码，并对收到的时间滤波和 守时，将处理后的时间通过8位数据总线发给FPGA-1采集控制模块。所述模拟信号输入板，包括级联的模拟量检测模块、AD采样模 块、FPGA-3，以及提供电源的电源检测模块。所述数字信号输入板，包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网 卡、FPGA-4、 FLASH BOOT ROM、 DDRRAM和RS232驱动器。所述GPS对时板包括FPGA-5、 CPU和OCXO，提供系统统一 的同步时钟。用于接收1PPS、 IRIG-B、串行时间报文，利用输入时 间信号驯服本地时钟，生成高精度的1PPS、 IRIG-B (DC)、 10kHz 基准时钟信号、lMHz基准时钟信号。所述管理机为任何PC机或工业计算机。本实用新型与现有技术对比的有益效果是本实用新型装置根据IEC 61850标准将故障录波和同步相量测量分别建模为不同的逻辑设备，既实现了电力系统故障情况下的数据记录，也实现了对电力系统重要的变电站和发电厂进行同步相量测量， 进而构建电力系统实时动态监测系统，以加强对电力系统动态安全稳 定的监控，提高调度机构准确把握系统运行状态的能力。本实用新型 装置可以广泛用于线路录波、主变录波，机组录波，及重要厂站同步 相量测量等各种应用场合。在工程应用时只需根据需要对软件进行简 单的配置即可，无需任何复杂的操作，工程应用非常方便灵活。可以产生高精度同步时钟，对时精度小于l)is，守时精度小于10ms/24h; 具备灵活可靠的组网及数据远传方式，采用标准IEC61850-8或103 规约。
图1是本实用新型具体实施方式
的系统结构图； 图2是图1中的采集板的原理框图； 图3是图1中的模拟信号输入板的原理框图； 图4是图1中的数字信号输入板的原理框图； 图5是图1中的GPS对时板的原理框图； 图6是图1中的监控板原理框图； 图7是本实用新型具体实施方式
的工作过程示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合具体实施方式
对本实用新型作进一步的说明。图1是本实用新型具体实施方式
的系统结构图，图中给出两种信 号输入方式合并单元+GOOSE网，或是传统PT/CT传变的信号+开关量硬节点。本具体实施方式
在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立 IEC 61850模型，设有具有相同硬件平台的故障录波逻辑模块及PMU 逻辑模块，故障录波逻辑模块根据计算结果进行启动判断，如有启动 则生成故障文件，记录暂态故障、动态数据，完成对录波数据的离线 分析；PMU逻辑模块实现系统电压、电流相量相角和频率、功率在 线测量以及同步相量测量，并对测量结果标记GPS时钟。既记录电 力系统故障数据，也在无故障情况下连续测量与记录电力系统变电站 和发电厂的同步相量，符合电力系统实时监测与暂态记录和动态记录 在正C 61850框架下的一体化要求。所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯，采集部分接收模 拟信号或数字信号，进行实时运算。所述客户端对与客户请求有关的 模型进行映射。所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连 接，通讯协议符合IEC 61850-8，映射为MMS服务，按照IEC61850-6 实现系统配置，并形成独立使用的配置工具。设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号 复用电路。还设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。 如图2所示的采集板，包括带有SDRAM、 FLASH的DSP模块、 FPGA-1采集控制模块和FPGA-2时间控制模块。FPGA-1采集控制 模块控制开关量、模拟量的采集；实现采样点打时标、启动计算、标 识事件和测量同步相量；并通过HPI总线传输数据到监控板；FPGA-1集总线，对所有模拟量及开关量进行同 步采样，并将采集数据加上时标保存在内部缓冲区中，当内部缓冲区置满后向DSP发出中断，通知DSP取走采集数据。FPGA-2时间控 制模块对接收到的时间信号进行解码，并对收到的时间滤波和守时， 将处理后的时间通过8位数据总线发给FPGA-1采集控制模块。如图3所示的模拟信号输入板，包括级联的模拟量检测模块、 AD采样模块、FPGA-3，以及提供电源的电源检测模块。模拟量检测 模块接收到32路的模拟信号以后，通过采样开关采取当前模拟信号， 由采样保持器对信号进行保持，FPGA-3控制AD采样模块将每一路 模拟信号转换为16位的数字信号，并将采集数据汇总后，通过16位 数据总线上传给的FPGA-3进行处理。如图4所示的数字信号输入板，包括网络处理器、光纤收发模块、 PCI网卡、FPGA國4、 FLASH BOOT ROM、 DDRRAM和RS232驱 动器。采集板通过背板并行总线将符合正C 61850-9-1、 IEC 61850-9-2 数字信号和GOOSE信号的配置数据写入FPGA-4内部的双口 RAM 中，数字信号输入板检测到配置数据有效后，根据配置信息指示由网 络处理器集成的两个网络接口和PCI总线扩展的两个网络接口同时 接收两路符合IEC 61850-9-1、 IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信 号"GOOSE报文和合并单元数据，再根据配置数据从报文中提取出 系统需要的数据后进行整理，将数据放入双口RAM缓冲区，等待采 集板读取。采集板读取后会设置相应的双口RAM单元反馈数字信号 输入板己取走数据，由FPGA-4的CPU释放双口 RAM缓冲区。即使有一路信号出错时，由于是同时接收两路，数据采集依然可以正确运 行。如图5所示的GPS对时板包括FPGA-5、 CPU和OCXO，提供 系统统一的同步时钟。用于接收1PPS、 IRIG-B、串行时间报文，利 用输入时间信号驯服本地时钟，生成高精度的1PPS、 IRIG-B (DC)、 10kHz基准时钟信号、lMHz基准时钟信号。卫星信号消失后，能够 精确守时；卫星信号恢复后，能够自动切换到GPS对时方式。利用 输入时间信号驯服本地时钟，再通过FPGA-5的逻辑运算输出高精度 的时间频率信号。FPGA-5采用Altera公司的EP2C8，利用数字锁相环和补偿算法 来产生精确的1PPS、 IRIG-B (DC)、 10kHz基准时钟信号、lMHz 基准时钟信号，并且通过SPI总线和CPU算法模块进行数据交换。CPU采用流明诺瑞的LM3S1601,用来接收外部串行报文信号和 FPGA-5交换的数据，CPU驯服算法模块根据FPGA-5测量得到的相 位偏差，控制OCXO得到一个高精度的标准lOMHz频率，然后 FPGA-5中的PLL将lOMHz标准频率倍频到lOOMHz，这样FPGA-5 内部可以产生分辨率为10ns频率基准。FPGA-5利用这个频率基准可 以生成高精度的1PPS、 IRIG-B (DC)、 10kHz基准时钟信号、lMHz 基准时钟信号。如图6所示的监控板，包括PC104 Plus处理器模块，配置双网 口，支持CF卡、硬盘，使用PCI到HPI的专用桥接芯片完成HPI 访问。通过ISA总线通过CPLD译码，扩展8路继电器输出。PC104访问DSP的HPI接口 ， PCI总线与HPIB錄々间的琉旌义ti^条田prT9n4n 田；旌感求拳*1^去求的,*昆_会成录波格式转换、录波数据保存和启动原因分析；并与管理机通讯， 通讯协议为用户定义的私有协议或IEC 61850-8-1;同时实现记录动 态数据、标识PMU事件、查找动态数据及PMU数据与管理机实时 通信功能。管理机采用嵌入式计算机EmCORE-i8524 (600M)，主要配置如 下Intel型CPU,主频可达600MHz; 256MB DDR SDRAM; 3 个独立的100M以太网卡；支持PCI， PC/104, PC/104+等总线；支 持6个232串口。用于实现ACSI处理、实时监测、离线分析、定值 设定、运行控制、录波文件管理、事件检索及PMU数据及录波数据 与主站实时通信。本实用新型具体实施方式
的工作过程见图7。具体步骤如下1) 输入信号的处理如果输入信号是模拟信号，则用小PT/CT进行信号隔离转换， 然后对模拟信号进行滤波、A/D转换，生成数字量放在16位数据总 线上；如果输入信号是光纤数字信号，则将网口数据接收下来，并按照 已定义好的数据格式放在16位数据总线上。2) 打时标采集板从16位数据总线上读取数据，并根据GPS时间对每个采 样点打上绝对时标。3) 数据计算采样数据每满一个周波，则计算每个通道的有效值、谐波；以及正序、负序、零序、功率等状态量，将计算结果保存在预定义结构中。4) 启动判断及PMU事件标识生成DSP根据计算结果与定值比较，是否有启动发生，并填写启动信 息结构。同时根据PMU定值判断有PMU事件发生，并填写标识事 件结构。5) 数据发送采集板将计算结果、采样数据、启动信息结构、标识事件结构通 过DSP的HPI总线发送给监控板，每周波发送一次。6) 监控板处理接收的数据按照是否启动生成暂态录波文件和标记事件文件，同时根据采样 数据生成动态录波文件，并将文件写入硬盘。7) 管理机工作如要对录波文件进行分析及下定值等人机对话操作，则需要管理 机来完成。管理机主要完成离线分析、在线配置、运行控制、实时监 测、事件检索、对外通信等工作。本具体实施方式
装置的性能指标如下1) 交流电压线性范围0~3Un;交流电流线性范围0.1 40In; 幅值测量误差0.2%;2) 零漂<0.02;3) 同步性O.lms;4)频率测量误差O.OIHZ; 《、齒亦白；"h;呈关.z，o/_6) 通道越限启动误差<1%;7) 谐波启动误差(IO次以下)<2%;8) 正序、负序越限启动误差<2%;9) 发电机功角测量误差在额定频率下不大于1°;10) 有功功率和无功功率的测量误差<0.5%;11) 主站间传输速率25、 50、 100次/秒的可选传输速率；12) 录波记录容量80G硬盘，可保存2万个以上录波文件；13) 绝对时间误差《10ms/天(无GPS); <±1|IS (有GPS);14) 装置功耗<80W;15) 事件标识记录保存时间30天；16) 动态记录容量200G硬盘，可保存15天以上PMU动态记 录数据；17) 金属性短路测距误差<2%;18) 最大配置为96路模拟量，192路开关量；19) 接入信号类型模拟信号三相电压、三相电流、直流电压或电流和高频信号； 开关量信号保护跳闸信息和断路器状态信息。以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一 步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对 于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相 同，则应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的保护范 围。
权利要求1.一种电力系统实时动态监测与记录装置，采用客户-服务器架构，管理机为客户端，其特征在于在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC 61850模型，按照IEC61850-7建模，设有具有相同硬件平台的故障录波逻辑模块及PMU逻辑模块，故障录波逻辑模块根据计算结果进行启动判断，如有启动则生成故障文件，记录暂态故障、动态数据，完成对录波数据的离线分析；PMU逻辑模块实现系统电压、电流相量相角和频率、功率在线测量以及同步相量测量，并对测量结果标记GPS时钟；所述服务器通过以太网和多个客户端同时通讯，采集部分接收模拟信号或数字信号，进行实时运算；所述客户端对与客户请求有关的模型进行映射；所述服务器端和所述客户端都能与保护信息子站连接，通讯协议符合IEC 61850-8，映射为MMS服务，按照IEC61850-6实现系统配置，并形成独立使用的配置工具。
2. 根据权利要求1所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于设有包括采集板、模拟信号输入板和数字信号输入板的采集信号复用电路。
3. 根据权利要求1或2所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于设有包括GPS对时板的系统统一同步时钟电路。
4. 根据权利要求3所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于所述故障录波逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点1) 一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理2) —个LLNO逻辑节点，用于访问故障录波逻辑设备的公用信息；3) —个RDRE扰动记录功能逻辑节点，用于描述故障录波功能；4) 至少一个RADR扰动记录模拟量通道逻辑节点，每一个模拟量通道对应一个，所述逻辑节点用于描述故障记录的模拟量通道；5) 至少一个RBDR扰动记录状态量通道逻辑节点，每一个状态量通道对应一个，用于描述故障记录的状态量通道；6) 至少一个RFLO故障定位逻辑节点，每一条线路对应一个，用于在发生故障情况下定位线路故障的故障点。
5. 根据权利要求4所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于所述故障录波逻辑模块，其组成还包括以下IEC 61850扩展逻辑节点1) 一个扰动记录系统频率量逻辑节点，用于发生系统频率发生越上限、越下限、突变故障时的处理；2) 至少一个扰动记录系统电压量逻辑节点，每一个系统电压量对应一个，用于发生系统电压异常故障时的处理；3) 至少一个扰动记录电流量逻辑节点，每一个电流量对应一个，用于发生系统电流异常故障时的处理；4) 至少一个扰动记录变压器逻辑节点，每一台主变压器对应一个，用于发生变压异常故障时的处理。
6. 根据权利要求5所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于所述PMU逻辑模块，其组成包括按照IEC 61850-7-4标准定义的以下兼容逻辑节点1) 一个LPHD物理装置信息逻辑节点，用于描述本装置的物理信息；2) —个LLNO逻辑节点，用于访问故障录波逻辑设备的公用信息；3) 至少一个MMXU测量逻辑节点，用于记录PMU的电压、电流、频率，功角状态量；4) 至少一个MSQI相序和不平衡逻辑节点，用于记录序分量和不平衡度；5) 至少一个MSTA计量统计逻辑节点，用于记录PMU标记事件。
7. 根据权利要求6所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于所述服务器的外部输入信号为GPS时钟和电压、电流信号，信号输入方式包括1) 模拟信号经互感器传变过来的传统采样电压、电流模拟信号，及由并行电缆以空接点的形式接入的开关量信号；2) IEC 61850-9-1数字信号和GOOSE信号符合IEC 61850-9-1串行单向多路点对点的数字信号和GOOSE信息网的GOOSE信号；3) IEC 61850-9-2数字信号和GOOSE信号符合IEC 61850-9-2的数字信号和GOOSE报文，由过程总线综合传输。
8. 根据权利要求7所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于所述采集板，包括带有SDRAM、 FLASH的DSP模块、FPGA-1采集控制模块和FPGA-2时间控制模块。
9. 根据权利要求8所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于所述模拟信号输入板，包括级联的模拟量检测模块、AD采样模±央、FPGA-3，以及提供电源的电源检测模块；所述数字信号输入板，包括网络处理器、光纤收发模块、PCI网卡、FPGA-4、 FLASH BOOT ROM、 DDRRAM和RS232驱动器。所述管理机为任何PC机或工业计算机。
10. 根据权利要求9所述的电力系统实时动态监测与记录装置，其特征在于所述GPS对时板包括FPGA-5、 CPU和OCXO，提供系统统一的同步时钟。
专利摘要一种电力系统实时动态监测与记录装置，在服务器端按照IEC 61850标准要求统一建立IEC61850模型，设有具有相同硬件平台的故障录波逻辑模块及PMU逻辑模块，按照IEC 61850-6实现系统配置，并形成独立使用的配置工具。本实用新型根据IEC 61850标准将故障录波和同步相量测量分别建模为不同的逻辑设备，既实现了电力系统故障情况下的数据记录，也实现了对电力系统重要的变电站和发电厂进行同步相量测量，进而构建电力系统实时动态监测系统，以加强对电力系统动态安全稳定的监控，提高调度机构准确把握系统运行状态的能力。本实用新型可以广泛用于线路录波、主变录波，机组录波，及重要厂站同步相量测量等各种应用场合。
文档编号G01R23/00GK201368904SQ20092013518
公开日2009年12月23日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者磊 周, 孔祥兵, 廖民康, 溪小宁, 王一凡, 耿池勇 申请人:深圳市双合电脑系统股份有限公司