三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置及方法，该可配回路全数字式电能质量监测装置，包括数据处理单元、DSP计算单元、FPGA前置单元，所述数据处理单元与所述DSP计算单元相连，所述DSP计算单元与所述FPGA前置单元相连。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术采用三层平台架构以及基于各层平台特性的合理任务分配，提高了数字式电能质量监测装置的数据处理能力，实现了高达每周波512点和最大16回路的电能质量的监测；本发明专利技术的重采样技术解决了数字互感器采样时无法跟踪系统基波频率的问题，实现了数字采样的频率跟踪，解决了利用原始数字互感器采样值进行谐波分析时出现的频谱泄露问题以及进行有效值计算是的有效值波动问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力领域，尤其涉及三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置及方法。
技术介绍
目前，数字化变电站已经成为电力系统的发展趋势。目前，国内外的研究多集中在数字化变电站的继电保护及综自部分，专门针对应用于数字化变电站的电能质量监测系统的研究在国内外并不多见，多数电能质量监测装置也不能接入变电站的合并单元；数字式电能质量在线监测装置与传统的电能质量装置接入要求不同。在硬件层面应提供对数字化变电站过程层的ST多模100M光纤以太网接口，在软件层面应该能解析IEC 61850 9-1/2(对应国标DL/T860-91/92)的数据帧。电子式互感器传输给合并单元的数字采样信号（一般为IEC 60044-7/8标准帧数据），合并单元输出的IEC 61850-9-2标准帧数字采样值信号的采样频率较低。目前大部分电子式互感器标准以200点/周波速率传输采样值到合并单元，合并单元再抽值为80点或者保持200点输出，所以目前的合并单元大多是80和200这两种输出速率。这样低的采样率，不能满足电能质量指标的精度要求，电能质量装置相比于保护和计量设备，必须采用高采样率的数据才能保证装置具有高精度的计算结果。要完成电能质量指标的分析，采样率最少要达到512点每周波，国内还没有适应高速采样的数字式电能质量分析装置。但是高速数据采样与解码会对装置负荷产生很大的压力，如果是多回路同时进行监测，那么对装置要求更高。必须采用合理的架构并根据各层架构的特点合理的分别任务。目前的合并单元都是按照等时间间隔输出数字化采样信号的，这时如果电网频率发生偏离（譬如偏离到50.1Hz），由于无法进行硬件频率跟踪，造成周波采样时间与实际波形的周波时间不相等，这种情况下如果仍采用常规装置的谐波计算算法，就会发生严重的频谱泄露，谐波次数越高的计算误差越大，无法做到精确的谐波分析。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置。本专利技术提供了一种三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置，包括数据处理单元、DSP计算单元、FPGA前置单元，所述数据处理单元与所述DSP计算单元相连，所述DSP计算单元与所述FPGA前置单元相连。作为本专利技术的进一步改进，该可配回路全数字式电能质量监测装置还包括合并单元，所述FPGA前置单元与所述合并单元连接，所述FPGA前置单元用于对合并单元传输过来的数据信号进行解码、数据重采样，并上传给所述DSP计算单元；所述DSP计算单元用于接收所述FPGA前置单元上传的采样数据，利用采样数据完成电能质量的分析；所述数据处理单元用于对所述DSP计算单元上传的计算结果完成统计、管理存储、通信传输、人机交互、以及遥控遥信。作为本专利技术的进一步改进，所述FPGA前置单元包括二阶巴特沃兹滤波器，通过二阶巴特沃兹滤波器滤除原始数字采样数据的谐波分量得到基波信号；对基波信号采样过零点算法确定每周波点数，根据采样点间隔，换算基波周期，然后换算成基波频率，实现了软件测频；得到频率之后，判断频率是否偏离工频，如果偏离大于一个阈值，那么对设定时间内的数据进行二阶牛顿插值；根据基波频率确定重采样间隔，根据重采样间隔，采样二阶牛顿插值对原始数字采样值进行重采样。作为本专利技术的进一步改进，该可配回路全数字式电能质量监测装置能够处理高达每周波512点的高速采样数据，并最多可同时监测16回路的电能质量。作为本专利技术的进一步改进，所述数据处理单元分别与存储器、显示器、按键相连；所述FPGA前置单元与所述合并单元通过光纤以太网连接。作为本专利技术的进一步改进，所述显示器为彩屏液晶显示器，该可配回路全数字式电能质量监测装置还包括与所述数据处理单元相连的GPS对时接口。作为本专利技术的进一步改进，所述数据处理单元与所述DSP计算单元通过内部以太网相连，所述DSP计算单元与所述FPGA前置单元通过FPGA内部实现的双口RAM相连。作为本专利技术的进一步改进，每个FPGA前置单元与一个DSP计算单元组成一个测量模块，每个测量模块能够进行4个回路的电能质量监测，用户根据现场实际情况进行测量模块的配置。本专利技术还提供了一种采用所述可配回路全数字式电能质量监测装置进行数字式电能质量监测的方法，首先接收原始采样数据包，按照61850 9-2协议对原始采样数据包进行解码获取原始采样值，然后对原始采样数据进行低通滤波以及过零判断获得基波频率，根据基波频率多原始采样数据进行重采样，最后把预处理后的数据上传给DSP计算单元，FPGA前置单元的每个模块都是由触发标志触发，这样分配负荷后能够满足每个FPGA前置单元在20ms内完成4合并单元4回路24通道的24×512点原始采样数据的重采样以及谐波分析。作为本专利技术的进一步改进，所述FPGA前置单元包括解码模块，所述FPGA前置单元包括执行如下步骤：首先当系统接收到有效的9-2报文后，解码模块立即进行一次解码操作，解码后的数据缓存到FIFO中，然后解码模块进入到空闲状态，等待下一次有效9-2报文到来；当10个周波的报文数据接收完成后，会触发一次与谐波相关的计算过程，这一系列计算是并行进行的：谐波计算之前首先需要进行原始采样数据的重采样，重采样包括两个步骤：首先为基波频率的测量，通过对FIFO中的原始采样数据进行滤波得到基波信号，基波信号输入到频率测量模块，频率测量模块采用过零点判断法计算基波频率，这两个模块是同步工作的；当频率计算完毕后，锁存频率结果输出，触发插值重采样模块对原始采样数据进行重采样；谐波分析模块对重采样后的采样值进行谐波分析，谐波分析完成后，重采样后的采样值和谐波的计算结果，就从双口RAM传递给DSP计算单元。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对数字化变电站的特点和技术要求，采用三层硬件平台架构和基于每层架构特性的合理任务分配实现了高采样率以及超多回路的电能质量监测。所述电能质量监测装置能够实现每周波512点以及最多16回路的电能质量监测。每周波512点的采样率可以满足高次谐波间谐波分析、瞬态等一系列指标的分析。同时进行16回路96个通道的电能质量监测能够节省用户投资，为用户带来经济价值。在工频突变情况下，通过重新采样技术根据系统基波频率对原始采样数据进行重采样解决了直接利用原始采样数据进行谐波分析时的频谱泄露问题。附图说明图1是本专利技术的可配回路全数字式电能质量监测装置原理框图。具体实施方式如图1所示，本专利技术公开了一种三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置，包括数据处理单元、DSP计算单元、FPGA前置单元，所述数据处理单元与所述DSP计算单元通过内部以太网相连，所述DSP计算单元与所述FPGA前置单元通过FPGA内部实现的双口RAM相连。每个FPGA前置单元与一个DSP计算单元组成一个测量模块，每个测量模块能够进行4个回路的电能质量监测，一台装置最多可以监测16回路，用户根据现场实际情况进行测量模块的配置，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置，其特征在于，包括数据处理单元、DSP计算单元、FPGA前置单元，所述数据处理单元与所述DSP计算单元相连，所述DSP计算单元与所述FPGA前置单元相连。

【技术特征摘要】
1.一种三层架构的可配回路全数字式电能质量监测装置，其特征在于，包括数据处理单元、DSP计算单元、FPGA前置单元，所述数据处理单元与所述DSP计算单元相连，所述DSP计算单元与所述FPGA前置单元相连。
2.根据权利要求1所述的可配回路全数字式电能质量监测装置，其特征在于：该可配回路全数字式电能质量监测装置前端包括合并单元，所述FPGA前置单元与所述合并单元连接，所述FPGA前置单元用于对合并单元传输过来的数据信号进行解码、数据重采样，并上传给所述DSP计算单元；
所述DSP计算单元用于接收所述FPGA前置单元上传的采样数据，利用采样数据完成电能质量的分析；
所述数据处理单元用于对所述DSP计算单元上传的计算结果完成统计、管理存储、通信传输、人机交互、以及遥控遥信。
3.根据权利要求2所述的可配回路全数字式电能质量监测装置，其特征在于：所述FPGA前置单元包括二阶巴特沃兹滤波器，通过二阶巴特沃兹滤波器滤除原始数字采样数据的谐波分量得到基波信号；
对基波信号采样过零点算法确定每周波点数，根据采样点间隔，换算基波周期，然后换算成基波频率，实现了软件测频；
得到频率之后，判断频率是否偏离工频，如果偏离大于一个阈值，那么对设定时间内的数据进行二阶牛顿插值；
根据基波频率确定重采样间隔，根据重采样间隔，采样二阶牛顿插值对原始数字采样值进行重采样。
4.根据权利要求2所述的可配回路全数字式电能质量监测装置，其特征在于：该可配回路全数字式电能质量监测装置能够处理高达每周波512点的高速采样数据，并最多可同时监测16回路的电能质量。
5.根据权利要求2所述的可配回路全数字式电能质量监测装置，其特征在于：所述数据处理单元分别与存储器、显示器、按键相连；所述FPGA前置单元与所述合并单元通过光纤以太网连接。
6.根据权利要求5所述的可配回路全数字式电能质量监测装置，其特征在于：所述显示器为彩屏液晶显示器，该可配回路全数字式电能质量监测装置还包括与所述数据处理单元相连的GPS对时接口。
7.根据权利要求1所述的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾幼松，陶宇，曾伟，刘丰，王新华，刘大川，文湘晖，汪治国，陈新亮，熊伟，谢渊，刘国良，陈坚，李雪涛，郭丹阳，赵艳，高晨疑，陈欣荣，
申请(专利权)人：深圳市中电电力技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44