一種應用于智能變電站的多功能測控裝置研究

鐘志明 徐文輝

（東莞供電局系統運行部，廣東 東莞523008）

0 引言

多功能測控裝置作為數字化變電站二次設備的重要組成部分，具備十分強大的功能，包括集成三態數據監測、集成錄波和網絡報文分析、電能質量分析、計量等。多功能測控裝置很大程度上提高了測控、PMU、故障錄波等二次系統的集成度，降低了設計、工程、運行人員的工作量。

1 數字化裝置智能平臺

多功能測控裝置需要性能更高的硬件平臺提供支撐，同時滿足高可靠性、高實時性、低功耗、無風扇等電力行業二次設備的需求。針對這些需求，我們提出數字化裝置智能平臺的概念，其硬件上基于交換式千兆以太網和高速FPGA構建，采用工業級芯片，抗干擾強，千兆以太網完成板件間的數據流傳輸，當功能板件較多時可劃分VLAN，分別進行管理；FPGA主要負責系統對時功能及控制常規繼電器的輸入輸出。軟件采用組件化架構，各功能作為組件形式出現，相互獨立，接口明確，高內聚、低耦合。平臺組件主要包括管理總線組件、數據總線組件、對時總線組件等。

智能變電站多功能一體化測控裝置，是基于該平臺實現的，其中包括測控功能板卡、多功能板卡、過程層功能板卡和液晶面板管理板卡，它們分別作為獨立硬件出現，保證各功能的安全性。過程層功能板卡可以處理常規互感器的交流采樣和具有電子式互感器的數字采樣，可以進行常規繼電器控制的輸入和輸出，可以進行基于面向通用對象的變電站事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）的 數 字 化 輸 入 和輸出。

圖1為本裝置的過程層功能板卡結構圖，本板卡采用工業級低功耗的飛思卡爾的CPU，外擴SDRAM的內存芯片構成的內存區。2片的閃存：一片用于存放操作系統和應用程序（C盤），另一片用于存放記錄文件（D盤），以保證裝置存儲系統的穩定性和可靠性。本板帶了2片模擬信號轉換為數字信號的電路AD芯片，支持12路AD采樣，通過FPGA實現了簡易的MAC，支持至少8對全雙工光口工作。本板還包括2路光串口校時輸入（支持光B碼或者光秒脈沖）。

圖2為本裝置的測控多功能的板卡結構圖，本板卡同樣采用飛思卡爾的CPU，外擴SDRAM的內存芯片構成內存區；使用閃存 FLASH（Flash EEPROM Memory）用于存放操作系統、應用程序和配置程序；帶容量不低于2G的外存儲卡，可實現錄波功能；FPGA實現輸入／輸出控制總線和對時總線。

圖1 過程層功能板卡結構圖

圖2 多功能板卡結構圖

2 多功能軟件

一體化測控目前主要實現了測控、同步相量測量的復合功能，測控功能在測控板件上實現，同步相量測量在多功能板件上實現。

2.1 測控功能

測控中的遙測量通過PT／CT將強電壓、電流量轉換成相應的弱電電壓信號后，由A／D轉換進入主CPU，或直接使用采樣值SV報文方式輸入CPU，可輸入4個電壓和3個電流。其電氣量的測量原理如下：

周期的電流、電壓信號可表示為：

式中，ω1為周期函數的角頻率，ω1＝2π／T；k為諧波次數；c0為直流分量。

由此可算出相關信號第k次諧波的幅值、相角、有效值。

利用上式將交流信號進行分解，可以計算出電壓、電流信號各次諧波及總的有效值和有功功率、無功功率、功率因數。

變電站測控裝置采集的開關量信號，即遠動所稱的遙信量，反映的是變電站一次設備的運行狀態、控制設備的動作信號以及報警信號等信息，調度員以此為依據確定設備工況并決定是否進行操作。其信息的正確與否直接影響系統的運行方式、自動化設備的正確動作和調度人員的決策，對電網的正常運行具有重要意義。

測控裝置對遙信量采集的原理是硬件上先對信號輸入進行光電隔離變換，將強電的通斷信號轉換為數字量的“0”、“1”電平，然后進行定時采樣處理。遙信量發生改變時，測控裝置進行記錄并打上時標，形成事件順序記錄SOE（Sequence of Events）。

由于現場結點信號抖動或電磁干擾影響，開關量信號發生抖動。為防止遙信誤報或漏報，裝置一方面對遙信信號進行硬件濾波，另一方面對信號進行軟件濾波。本裝置為每一個遙信專門設計了一個遙信去抖時間定值Td，其物理意義是繼電器接點最長抖動時間。當信號抖動時間Δt小于參數Td時，信號抖動后恢復為以前的穩定狀態，確定為電磁干擾影響，抖動被濾除。當信號發生變位時，如果信號經過防抖時間達到一個穩定狀態，可以確認發生信號變位。

裝置具有10路遙控輸出，每路遙控可以分別進行合閘或分閘，每一路遙控操作必須經過遙控選擇、返校、執行幾個步驟，確保遙控操作的正確性。輸出繼電器經過光耦隔離，數字化裝置則通過GOOSE來實現遙控出口。

2.2 同步相量測量

同步相量測量裝置采用的最廣泛的相量測量算法是離散傅里葉變換（DFT），它具有良好的諧波濾波特性，采用遞歸DFT算法可以大大提高測量速度。但DFT在非同步采樣的情況下，其幅值、相位的計算結果是不準確的。我們采用軟件同步法來修正這一缺陷。該方法又分為兩類，一類是通過頻率的估計，數據窗大小不變，調整定時器設置的采樣間隔以滿足同步采樣條件。該方法僅適用于頻率緩慢變化的信號，且在軟件控制硬件改變采樣間隔時刻會出現較大的誤差。另一類則保持采樣間隔不變，改變數據窗的大小實現同步采樣。顯然，該方法的取值不一定為整數，在相量估計時需進行一定的補償，該方法雖然提高了測量精度，但計算負擔卻大大增加，我們采用的MPC芯片具備獨立的浮點計算單元，完全可以在硬件上彌補該軟件算法的不足。

3 結語

本文提出了一種數字化變電站多功能測控裝置的軟硬件實現方案，可靠性強、擴展性高的數字化裝置智能平臺為該裝置提供支撐，采用不同功能板件的設計達到測控、同步相量測量功能的相互通信，數據共享，提高了二次系統的集成度，降低了運行、維護人員的工作量。

［1］王茂海，謝開，徐正山，等.一種實用的幅值和功率測量新算法［J］.電力系統自動化，2007，31（16）