论文部分内容阅读
【摘 要】在对数字化电能表和传统电能表工作方式比较的基础上，分析了数字化电能表在检修维护过程中存在的问题。本文介绍了手持式数字化电能及网络监测装置的实现原理、系统结构框架、各装置模块功能和软、硬件设计。测试结果表明该装置够直观观测线路相关参数，便于现场查找数字化电能表问题原因。
【关键词】数字化电能表 电能 网络监测 智能变电站
随着数字化变电站的大规模建设，数字化计量系统的调试以及运行过程中设备的检修维护问题凸显。区别于传统的可视接线，智能变电站采用IEC61850模型虚连线，问题很难排查。对于数字化电能表，需要一种可以直观观测线路相关参数的设备，了解合并单元输出的IEC61850-9-1/2/2LE报文及相关计量量，避免出现电量丢失、参数配置不准确、表计计量不准等问题，便于现场查找发生错误数据的原因。
一、实现原理
合并单元发出的IEC61850-9-1/2/2LE是含有保护、测量、计量多种电能瞬时值的报文，手持式数字化电能及网络监测装置接收的是合并单元输出的计量相关量。手持式数字化电能及网络监测装置监测显示的计量量（电压、电流、相序、脉冲量、波特率、CT/PT变比等）与数字电能表显示值实际比对，测试误差应不超过0.02%。
系统包括数字量采样模块、电能计算模块、报文解析模块、通讯模块和显示模块。其中数字量采集模块接收合并单元输出的数据；报文解析模块对sv报文进行解析，提取出当前光纤内所有报文信息及各报文的具体参数；电量计算模块根据采集到的电压电流计算出有功电能和无功电能。
二、硬件设计及软件设计
（一）硬件设计
手持式数字化电能及网络监测装置采用ARM Cortex-A8+FPGA为核心的数字信号处理系统，整个监测装置设计为两个硬件板卡：第一层为主控板，以ARM Cortex-A8为核心，主要负责触摸屏、人机交互、及任务调度等。液晶显示通过800x600TFT彩色液晶屏实现，触摸芯片是eGalax的XPT2046；含有2个USB接口及SD卡接口，USB接口可以连接鼠标或键盘等外设，方便更加精准的输入，SD卡用于存储程序和数据，给程序升级和数据转存带来方便；供电电源为输出为5V/2A的便携移动电源，可以避免運维电源接线的麻烦。
第二层为核心数据处理板，以xilinx公司的Spartan6系列FPGA为核心主要负责，该芯片是一款低成本、低功耗的FPGA芯片，集成最多150000个逻辑单元、集成式PCI Express模块、高级储存器支持、250Mhz DSP Slice和3.125Gbps低功耗收发器，高速的指令速度可以支持系统大量的数据。数据处理板负责接收IEC61850-9-1/2/2LE报文并进行解析处理，基于硬件逻辑编写的FFT算法具备强大的数据处理能力；系统工作时钟采用美信公司的高精度RTC芯片DS3221，输出精度可达2ppm；IEC61850-9-1/2/2LE采样报文接口采用以太网接口PHY芯片LXT971和HFBR5961的实现方法。
（二）软件设计
监测装置主控板采用linux+Qt系统，具有良好的移植性液晶界面会根据触摸屏的控制显示出相应的任务画面，实现了系统的可视化和交互功能。数据处理板采用VHDL开发的高性能数据处理系统。
数字化电能表校验仪系统的工作流程：系统上电启动后，首先进行初始化，即配置寄存器、初始化内存设备以及启动系统任务等；初始化完成后，系统基于linux+Qt系统的机制实现MMI任务，控制数据处理板接收IEC61850-9-1/2/2LE报文，根据用户的设置对合并单元发送的数据进行监测，与数字化电能表进行比对。
系统的电能计量以IEC61850的数字化信号为基础，即将电能计算进行离散化，得到数字信号的电能计算公式；根据IEC61850协议，采样一般按照每周波80/200点进行，因此由采样报文中得到的电压、电流值相乘得到瞬时功率，根据采样的时间间隔进行相乘、累加从而得到相应的电能值。
当系统上电启动并接通合并单元的光纤输出，界面显示一个或多个目的地址不同的IEC61850-9-1/2/2LE报文，选择数字化电能表IED对应的目的地址的报文。主控板通知数据处理板进行IEC61850-9-1/2/2LE过滤，并对各个通道的瞬时值进行计算，在显示界面中显示所有通道的有效值及波形。设置完全后，主控板通过通信模块通知数据处理板进行电能相关计算，并把相关计算的电流电压幅值、角度、功率及谐波含量通知给主控板显示在界面上，这时就可以对比数字化电能表中的相关值与监测装置中值，据此对问题进行初步诊断。
在采集数据后，还可以在界面中选择存储数据，把接收到的IEC61850-9-1/2/2LE进行存储，方便问题分析及问题环境重现。
三、测试结果
故障处理中，应用手持式数字化电能及网络监测装置的数据监测功能，在工作现场准确定位，快速查找问题原因，具有方便、的工作性能。
四、结束语
文中介绍了手持式数字化电能及网络监测装置采集异常数据分析方法，通过实例数据分析，说明如何查找异常数据源头。凭借对日常系统异常数据的监控和分析，既能够减少了计量管理人员在处理电量故障时的盲目性，又能够帮助计量人员在第一时间发现电量异常并赶赴现场处理。通过用手持式数字化电能及网络监测装置的实用化，可以大幅度提高计量人员的工作效率和电量稽查水平。手持式数字化电能及网络监测装置投入使用后，它发挥着强大的计量统计管理和计量参数监测及稽查等应用功能。
参考文献：
[1]Q/GDW 383—2009智能变电站技术导则，家国电网公司.
[2]林国营，周尚礼，孙卫明等.数字化变电站电能计量装置的量值溯源研究.塞尔电力自动化，2010（87）.
作者简介：
范晓丹（1982-）女，工程师，主要从事电能质量、计量等方面工作。
付炜平（1975-）男，高级工程师，主要从事变电检修、技术监督等方面工作。
张磊（1983-）男，助理工程师，主要变电检修公司。
岳帅（1982-）男，主要从事计量、热工等方面工作。
【关键词】数字化电能表 电能 网络监测 智能变电站
随着数字化变电站的大规模建设，数字化计量系统的调试以及运行过程中设备的检修维护问题凸显。区别于传统的可视接线，智能变电站采用IEC61850模型虚连线，问题很难排查。对于数字化电能表，需要一种可以直观观测线路相关参数的设备，了解合并单元输出的IEC61850-9-1/2/2LE报文及相关计量量，避免出现电量丢失、参数配置不准确、表计计量不准等问题，便于现场查找发生错误数据的原因。
一、实现原理
合并单元发出的IEC61850-9-1/2/2LE是含有保护、测量、计量多种电能瞬时值的报文，手持式数字化电能及网络监测装置接收的是合并单元输出的计量相关量。手持式数字化电能及网络监测装置监测显示的计量量（电压、电流、相序、脉冲量、波特率、CT/PT变比等）与数字电能表显示值实际比对，测试误差应不超过0.02%。
系统包括数字量采样模块、电能计算模块、报文解析模块、通讯模块和显示模块。其中数字量采集模块接收合并单元输出的数据；报文解析模块对sv报文进行解析，提取出当前光纤内所有报文信息及各报文的具体参数；电量计算模块根据采集到的电压电流计算出有功电能和无功电能。
二、硬件设计及软件设计
（一）硬件设计
手持式数字化电能及网络监测装置采用ARM Cortex-A8+FPGA为核心的数字信号处理系统，整个监测装置设计为两个硬件板卡：第一层为主控板，以ARM Cortex-A8为核心，主要负责触摸屏、人机交互、及任务调度等。液晶显示通过800x600TFT彩色液晶屏实现，触摸芯片是eGalax的XPT2046；含有2个USB接口及SD卡接口，USB接口可以连接鼠标或键盘等外设，方便更加精准的输入，SD卡用于存储程序和数据，给程序升级和数据转存带来方便；供电电源为输出为5V/2A的便携移动电源，可以避免運维电源接线的麻烦。
第二层为核心数据处理板，以xilinx公司的Spartan6系列FPGA为核心主要负责，该芯片是一款低成本、低功耗的FPGA芯片，集成最多150000个逻辑单元、集成式PCI Express模块、高级储存器支持、250Mhz DSP Slice和3.125Gbps低功耗收发器，高速的指令速度可以支持系统大量的数据。数据处理板负责接收IEC61850-9-1/2/2LE报文并进行解析处理，基于硬件逻辑编写的FFT算法具备强大的数据处理能力；系统工作时钟采用美信公司的高精度RTC芯片DS3221，输出精度可达2ppm；IEC61850-9-1/2/2LE采样报文接口采用以太网接口PHY芯片LXT971和HFBR5961的实现方法。
（二）软件设计
监测装置主控板采用linux+Qt系统，具有良好的移植性液晶界面会根据触摸屏的控制显示出相应的任务画面，实现了系统的可视化和交互功能。数据处理板采用VHDL开发的高性能数据处理系统。
数字化电能表校验仪系统的工作流程：系统上电启动后，首先进行初始化，即配置寄存器、初始化内存设备以及启动系统任务等；初始化完成后，系统基于linux+Qt系统的机制实现MMI任务，控制数据处理板接收IEC61850-9-1/2/2LE报文，根据用户的设置对合并单元发送的数据进行监测，与数字化电能表进行比对。
系统的电能计量以IEC61850的数字化信号为基础，即将电能计算进行离散化，得到数字信号的电能计算公式；根据IEC61850协议，采样一般按照每周波80/200点进行，因此由采样报文中得到的电压、电流值相乘得到瞬时功率，根据采样的时间间隔进行相乘、累加从而得到相应的电能值。
当系统上电启动并接通合并单元的光纤输出，界面显示一个或多个目的地址不同的IEC61850-9-1/2/2LE报文，选择数字化电能表IED对应的目的地址的报文。主控板通知数据处理板进行IEC61850-9-1/2/2LE过滤，并对各个通道的瞬时值进行计算，在显示界面中显示所有通道的有效值及波形。设置完全后，主控板通过通信模块通知数据处理板进行电能相关计算，并把相关计算的电流电压幅值、角度、功率及谐波含量通知给主控板显示在界面上，这时就可以对比数字化电能表中的相关值与监测装置中值，据此对问题进行初步诊断。
在采集数据后，还可以在界面中选择存储数据，把接收到的IEC61850-9-1/2/2LE进行存储，方便问题分析及问题环境重现。
三、测试结果
故障处理中，应用手持式数字化电能及网络监测装置的数据监测功能，在工作现场准确定位，快速查找问题原因，具有方便、的工作性能。
四、结束语
文中介绍了手持式数字化电能及网络监测装置采集异常数据分析方法，通过实例数据分析，说明如何查找异常数据源头。凭借对日常系统异常数据的监控和分析，既能够减少了计量管理人员在处理电量故障时的盲目性，又能够帮助计量人员在第一时间发现电量异常并赶赴现场处理。通过用手持式数字化电能及网络监测装置的实用化，可以大幅度提高计量人员的工作效率和电量稽查水平。手持式数字化电能及网络监测装置投入使用后，它发挥着强大的计量统计管理和计量参数监测及稽查等应用功能。
参考文献：
[1]Q/GDW 383—2009智能变电站技术导则，家国电网公司.
[2]林国营，周尚礼，孙卫明等.数字化变电站电能计量装置的量值溯源研究.塞尔电力自动化，2010（87）.
作者简介：
范晓丹（1982-）女，工程师，主要从事电能质量、计量等方面工作。
付炜平（1975-）男，高级工程师，主要从事变电检修、技术监督等方面工作。
张磊（1983-）男，助理工程师，主要变电检修公司。
岳帅（1982-）男，主要从事计量、热工等方面工作。