基于时钟同步的配电网监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于时钟同步的配电网监测装置及方法，属于配电网运行状态监测领域。包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。具有科学合理、适用性强、可靠性高、效果佳的优点。

Monitoring device and method of distribution network based on clock synchronization

【技术实现步骤摘要】
基于时钟同步的配电网监测装置及方法
本专利技术涉及配电网运行状态监测领域，特别涉及一种基于时钟同步的配电网监测装置及方法。
技术介绍
在泛在电力物联网建设的大背景下，电气参数信息的采集作为建设泛在电力物联网的第一步，而时钟同步对于配电网管理系统DMS(DistributionManagementSystem)、配电网调度管理系统OMS(OutageManagementSystem)和配电自动化系统DAS(DistributionAutomationSystem)意义重大。随着可再生能源及各种DG(接入配电网当中或电网中用户一侧的小容量的发电系统)在配电网中的进一步扩展、渗透和配电网复杂度及网络节点数的增加，能够实现配电网数据采集模块时钟同步的系统将会扮演越来越特别重要的角色。故基于时钟同步的配电网监测装置具有很大的研究价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于时钟同步的配电网监测装置及方法，解决了现有技术存在的监测效果不理想、可靠性差等问题。本专利技术硬件系统采用全球定位系统(GPS)同步相量测量方案。基于DSP(digitalsignalprocessor微处理器)结构，具有高速的运算能力和丰富的外围电路，可以实现配电网中大量节点的同步相量测量。且设计科学合理、适用性强、可靠性高、效果佳。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：基于时钟同步的配电网监测装置，包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。所述的数据处理单元DSP采用TI公司生产TMS320F28335作为主处理器，用于对采样数据的相量计算；其中串口SCI有多个是通过转换插针的方式转换，用于对本地时钟模块FPGA、GPS模块的配置和数据传输。所述的本地时钟模块FPGA为EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块为LEA-6T-00。本专利技术的另一目的在于提供一种基于时钟同步的配电网监测装置实现的监测方法，包括如下步骤：步骤(1)、基于DFT/FFT相量误差修正：(1.1)频率同步采样下的传统DFT计算，同步相量测量装置的数据处理部分首先根据统一时标的到来作为DFT数据窗开始标记，以此开始记录采样点个数，当数据窗内采满点数N时，以此N点采样值做DFT计算，设相量计算幅值和相角结果分别为A和θDFT；(1.2)统一时标与数据窗首采样点时间偏差测量，统一时标一方面作为DFT数据窗开始标志，另一方面作为误差修正的采样时间信息的读取；当统一时标到来时，数据处理部分读取由本地时钟对采样脉冲标记的紧跟统一时标到来采样点时间信息t2及统一时标时间信息kT；由公式Δt＝t2-kT计算时间偏差Δt；(1.3)时间偏差对应相角偏差计算，由标记的紧邻统一时标的采样点时间信息t1及步骤(1.2)中求得的Δt计算相角偏差Δθ，计算公式如下：其中，Ts为频率同步采样时间间隔，可在每周期由标记的时间信息t1和t2计算，即Ts＝t2-t1，也可以自适应频率跟踪单元生成频率同步采样脉冲时的设定采样间隔直接替代；(1.4)DFT计算相角修正，设统一时标实际相角为θ时标，由于周期采样点数为N则采样相角间隔为则统一时标修正相角如下：用修正结果θ时标替换DFT直接的计算结果θDFT，至此同步相量计算及偏差修正过程完成。步骤(2)、FPGA控制的频率同步采样：测量系统中各测量节点根据其所在区域地理位置以及所在子网中地位不同被分为主节点和从节点；一级主网络根据传输距离和便利性采用基于无线的或者光纤以太网的方式组网和数据传输；同时一级主网络采用基于GPS硬件的时钟同步方式对各子网络的主节点进行同步授时；测量系统中的二级次网络的各子网内部各测量节点之间及与数据集中器之间采用基于无线通信的方式组网和数据传输；且子网络内由具有GPS硬件的主节点WPTP无线时钟同步协议对各从节点进行同步授时。本专利技术的有益效果在于：结合GPS完成对装置的异地同步授时，从而实现对所测相量统一时标的同步标记，便于在实际电力系统中应用。具有科学合理、适用性强、可靠性高、效果佳的优点。对配电网的电压及电流的基波(或谐波)相量值和功率值以及实时电网频率做到准确采集。为了满足不同需求下应用，装置可提供多种采样速率。具有高精度、高可靠性的信号采集与相量计算功能。本专利技术具有异地时钟同步功能。采用GPS的时钟同步方式，做到配电网不同量测位置的硬件时钟同步授时和无线时钟同步授时，并能在失去时钟源一段时间的情况下做到满足测量要求的守时精度。具有高速的运算能力和丰富的外围电路，可以实现配电网各节点的同步相量测量。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的频率同步采样脉冲生成原理图；图2为本专利技术的统一时标与同步采样脉冲逻辑原理框图；图3为本专利技术的基于时钟同步的配电网监测装置的硬件结构示意图；图4为本专利技术的DSP外围设备连接图；图5为本专利技术的FPGA与DSP连接图；图6为本地时钟结构图；图7为本地时钟调整值获取原理图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图7所示，本专利技术的基于时钟同步的配电网监测装置及方法，采用全球定位系统(GPS)同步相量测量方案。基于DSP结构，具有高速的运算能力和丰富的外围电路，可以实现配电网各节点的同步相量测量。采用支持浮点型运算的数字信号处理器DSP，利用先进的数字处理技术完成同步相量的测量和计算；采用FPGA逻辑器件，结合GPS模块完成对装置的异地同步授时，从而实现对所测相量统一时标的同步标记。本专利技术的本专利技术的基于时钟同步的配电网监测装置，包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。所述的数据处理单元DSP采用TI公司生产TMS320F28335作为主处理器，用于对采样数据的相量计算；其中串口SCI有多个是通过转换插针的方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时钟同步的配电网监测装置，其特征在于：包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于时钟同步的配电网监测装置，其特征在于：包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。


2.根据权利要求1所述的基于时钟同步的配电网监测装置，其特征在于：所述的数据处理单元DSP采用TI公司生产TMS320F28335作为主处理器，用于对采样数据的相量计算；其中串口SCI有多个是通过转换插针的方式转换，用于对本地时钟模块FPGA、GPS模块的配置和数据传输。


3.根据权利要求1所述的基于时钟同步的配电网监测装置，其特征在于：所述的本地时钟模块FPGA为EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块为LEA-6T-00。


4.一种利用权利要求1至3中任意一项所述的基于时钟同步的配电网监测装置实现的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、基于DFT/FFT相量误差修正；
步骤(2)、FPGA控制的频率同步采样。


5.根据权利要求4所述的基于时钟同步的配电网监测方法，其特征在于：步骤(1)所述的基于DFT/FFT相量误差修正，包括如下步骤：
步骤(1.1)频率同步采样下的传统DFT计算，同步相量测量装置的数据处理部分首先根据统一时标的到来作为DFT数据窗开始标记，以此开始记录采样点个数，当数据窗内采满点数N...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟辉，于滨硕，张弼驰，李张弘泰，王久阳，辛业春，王威儒，刘科，陈厚合，
申请(专利权)人：国网吉林省电力有限公司松原供电公司，东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22