摘要：结合对智能变电站、传统变电站以及特殊场景下（如500 kV变电站3/2断路器接线方式）的电能质量监测的调研和研究，提出了一种适用于多种场景的多通道可配置型电能质量监测终端的设计方案。详细叙述了多通道可配置型电能质量监测终端的系统总体架构、软硬件架构设计方案和接口设计方案、主要功能模块实现，以及数字模拟采样高度兼容适应、多通道信号矢量叠加等关键技术。对电能质量监测关键指标的准确度测试与验证表明其准确度达到了GB/T 19862《电能质量监测设备通用要求》的A级设备要求。采用板卡式、模块化设计思路，软件驱动层、系统层、业务层解耦，应用App化，具备灵活可扩展的优点，对类似终端设备的设计具有一定指导意义。
关键词：电能质量,监测,智能变电站,3/2接线
0引言
大量非线性负荷、新能源的并网接入，电能质量指标的监测越来越被重视[1-4]。随着智能变电站的发展与普及，电能质量在线监测也发展为数字式和模拟式采样两种方式，分别对应于数字式和模拟式电能质量监测终端。数字式终端是通过光以太网接入经合并单元转换的IEC61850-9-2协议[5],以达到对电能质量指标监测；模拟式终端是经传统互感器取二次回路电压、电流瞬时值，并进行电能质量指标监测。业界通用做法[6-12]无法使两者在硬件上、软件上达到完全兼容，无可避免造成了硬件和软件资源的浪费。另外，现有电能质量监测终端，存在以下几方面的弊端：(1)采用多层架构方式分层次实现电能质量指标采样、计算、数据处理及其应用，通过对源数据的过滤、聚合、剔除等手段以减轻对系统性能的整体压力，但是无法满足更多场合的应用，如线路间的电能质量指标关联分析，以及500 kV变电站3/2接线方式[13]下的线路电能质量指标监测；(2)数字式和模拟式采样在实现方案上存在一定差异，无法很好地满足两种不同场合的监测场景，尤其是实现数字式终端需要跟踪数字信号的频率，并考虑谐波分析时频谱泄漏等问题。因此，对适用于传统变电站和智能变电站的电能质量监测终端深入研究具有非常重要的意义。
基于以上出发点，本文研制了一种多通道可配置型电能质量监测终端。该终端采用功能模块化设计思路，数字和模拟采样分别实现，接口统一；源数据集中式处理思想，采用高性能双核处理器，实时分析和处理经数字式和模拟式采样板的采样数据；高度兼容匹配，满足两种采样方式下指标算法的统一；IEC61850通讯、PQDIF存储、人机界面展示等上层应用功能实现一致，具备良好的通用性。
1系统设计
1.1硬件
系统整体由交流模拟采样、SV数字采样、FPGA采样控制、核心处理及人机接口等模块组成，整体系统采用双电源供电冗余方式，所有模块以板卡形式经总线式背板连接，其中交流模拟采样模块和SV数字采样模块相互替换兼容，如图1所示。
系统的核心处理模块主要负责电能质量指标计算、统计分析、存储、通讯等核心业务处理以及统筹协调、全局管理工作。核心处理模块主控制器采用高性能的OMAPL138双核处理器，同时具备浮点DSP核和ARM9核，主频最高可达456 MHz,具备256 MByte工业级DDR2及512 MByte NANDFlash接口。其中DSP处理器通过并行UPP接口接收前端采样源数据，进行电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波、电压暂降等电能质量指标计算，并以双核通讯、共享内存方式将数据送给ARM9处理器。同时，ARM9处理器对经DSP计算分析的数据进行二次深处理并存储，实现终端的统计分析、数据存储、IEC61850通讯、界面显示及参数配置等功能。
FPGA采样控制模块主要负责控制并同步交流模拟采样模块或SV数字采样模块的采样信号，并将汇总的采样信号发送给核心处理模块DSP处理器。FPGA采样控制模块采用可编程门阵列技术，经编程烧录实现定制化的门电路及逻辑模块，以达到逻辑控制处理能力。
交流模拟采样模块负责采集常规模拟量信号，经AD转换为数字信号，并由FPGA采样控制模块传输至核心处理模块。交流模拟采样模块支持电压电流宽范围的输入，支持最多36模拟通道的采样能力。
SV数字采样模块负责接收经光以太网的IEC61850-9-2报文，并解码转换为同种制式的数字信号由FPGA采样控制模块传输至核心处理模块。SV数字采样模块采用100/1 000 Mb/s自适应光纤以太网接口，适应于智能变电站过程层网络环境要求，支持最多36数字通道的采样解码能力。
交流模拟采样模块和SV数字采样模块可兼容互换，两者以不同的物理载体接收不同制式的电压电流信号，经转换后，统一由FPGA采集控制模块汇集传送。为达到大数据量的实时通信交互，模块间采用高速数据总线和控制总线并存技术。同时，为实现存储、人机显示和按键、开入开出等功能，采用了EMIF、IIC等总线技术。
供电系统采用双电源冗余技术，电源输入支持交直流通用、宽电压输入，并且具备独立的失电告警节点输出，以达到运行的可靠性。
1.2软件
采用模块化、层次化、可扩展等设计思路，依托CPU、DDR、FLASH以及LCD、RS232等物理载体，基于Linux操作系统实现其应用功能。终端业务功能需求的实现，由系统层各接口驱动模块作为衔接，实现对物理接口的I/O调用，各业务模块由Linux操作系统整体调度与协调，如图2所示。
图2 系统软件总体分层及模块接口
主要业务功能包括：数据采集、数据计算、数据统计、数据存储、数据展示、数据通信以及参数配置等，如图3所示。
其软件设计主要基于如下两条数据流向：(1)SV数字采集→FPGA→DSP-ARM;(2)交流模拟采集→FPGA→DSP-ARM。为达到软件模块的重用性及其扩展性，需将两条数据流向整合为一条数据流向，并且约定模块间的统一接口，如图4所示。
2主要功能实现
终端数据处理复杂、业务涉及面广，采用模块化、重用性、扩展性设计思路，多CPU协同工作，分布式方式实现各模块子功能。基于系统整体规划，将其划分为数据采集、数据计算、数据处理、数据展示及其数据通讯等功能。
2.1数据采集功能
由采样模块和FPGA采样控制模块共同完成。SV数字采样模块负责采集智能站过程层IEC61850-9-2协议报文，并转化为统一约定的采样数据；交流模拟采样模块负责采集经传统互感器转换的二次模拟量信号，并转化统一约定的采样数据。
FPGA采集控制模块负责对采样模块的配置初始化，采样信号同步及其接收，并且汇集各采样板卡的采样数据为采样序列集，依次存放在采样数据缓存区，并且以中断方式通知DSP采样数据准备好。
2.2数据计算功能
由DSP计算模块完成。FPGA采样控制模块以中断方式通知数据准备好后，DSP通过UPP接口接收采集数据序列集，从而实现电能质量指标的计算，包括以下内容。
(1)基本测量数据，包括电网频率，三相电压，电流有效值，三相及总的有功、无功功率，功率因数。
(2)电能质量基本数据，包括三相基波电压，电流有效值，三相基波有功／无功功率，相移功率因数，相位；正序／负序／零序电压分量，正序／负序／零序电流分量，三相电压不平衡度，三相电流不平衡度；谐波(2~50次）；电压、电流的总谐波畸变率，电压奇次／偶次谐波畸变率，各次谐波含有率、幅值、相位；各次谐波有功／无功功率等。
(3)电能质量高级数据，间谐波，包括0.5~49.5次的谐波含有率、幅值；闪变，包括短时闪变、长时闪变；电压暂升、暂降、短时中断；电压波动，包括电压波动幅度、电压波动频度。
以上指标中，频率计算是其他后续指标计算的基础。
模拟式采样方式的监测终端常通过硬件电路滤波后过零点统计的方法进行频率计算及跟踪采样。数字式采样方式的监测终端对信号处理的情况，本文采用全相位比值校正法同时计算频率和谐波分量[14-15]。
2.3数据处理功能
由ARM端应用功能模块实现，主要包括以下内容。
(1)获取DSP计算的电能质量指标基础数据，进一步深度加工处理。基本原理为以200 ms数据为基础，按不同时间间隔集合为3s实时数据、分钟统计数据、日报表统计数据等数据，并且作为同外部接口交换数据的基础。
(2)接收电压暂态事件或外部消息，控制触发DSP录波功能，并以COMTRADE格式存储。
(3)针对电能质量指标进行越限判断，并且外部触发及其SOE记录。
(4)电能质量数据的存储，存储每一路监测点分钟统计数据和日报表数据。存储介质采用固态盘，存储容量最高可扩充至64 GB。为考虑存储容量及存储的内容，采用压缩方式以PQDIF格式存储。
2.4数据展示功能
具备本地界面和WEB端两种展示形式，分别由显示功能模块和WEBSERVER功能模块实现。该部分功能主要提供数据展示及其参数配置等功能，通过共享内存方式从数据处理模块获取实时数据并展示，通过文件读写接口获取存储的历史数据文件、事件数据文件、参数文件并展示及设置[15]。
2.5数据通信功能
采用IE C61850通讯方式，通过对监测点数据的建模映射对应到IEC61850的模型数据节点中，并且以M MS协议实现和主站或上位机客户端的交互通讯。
多监测点电能质量监测数据，按一个监测点对应一个逻辑设备LD原则建模，其监测要求的实时数据、统计数据、暂态事件、录波等数据通过MMXU、MSQI、MHAI、MFLK、QVVR、RDRE等功能逻辑节点实现。
3关键技术研究
3.1数字模拟采样高度兼容性、适应性
目前电能质量监测终端的应用场合，需适应于智能变电站和传统变电站的电能质量监测。两者存在以下差异点。
(1)采样输入信号不同，针对智能变电站一般采用以太网光口接收合并单元的组播报文，解码出电压电流波形序列，而传统变电站一般采用采集模拟式传统互感器的二次电压电流信号。
(2)采样机制不同，针对智能站数字采样主要以固定采样间隔方式采样，而传统站模拟采样通常采用频率跟踪方式采样。
(3)采样速率不同，针对智能站数字采样速率因合并单元性能的制约，采样速率主要以4k/s和12.8 k/s为主，而传统站模拟采样基于高速AD直接采样，采样速率由系统性能解决，其一般情况可以达到512点每周波或1024点每周波。
基于上述两种应用场合的不同点，业界普遍采用两套架构、两套硬件、两套软件分别实现其功能，无法做到系统重用、扩展、自匹配等要求。
本文论述的电能质量监测终端采用两种不同规格的采集板卡适应于智能变电站和传统变电站的监测需求，要求板卡间的内部接口统一一致，从而实现两种应用场合的监测需求。
为达到上述目的，要求FPGA采样控制模块、DSP计算模块能够兼容两种不同的采集方式，要求系统能够自动识别采样板卡。
系统启动后，ARM数据处理端同DSP计算模块地址同步和时间同步，并且通过FPGA采样控制模块重启采样板卡。采样板卡自重启后，通过FPGA采样控制模块索取SV配置信息，FPGA采样控制模块传递索要SV配置信息到ARM端，ARM端经FPGA采样控制模块下发SV配置信息，采样板卡开始正常采样工作。ARM端下发读取采样版本信息，经FPGA采样控制模块获取到采样板卡版本信息，识别采样板卡类型，调整采样方式及其电能质量指标计算方法，如图5所示。
3.2多通道采样信号矢量叠加
500 kV换流站一次电气主接线主要采用3/2断路器接线方式，并且越来越普遍。为达到对3/2断路器接线下的线路电能质量监测，需软件合并两路采样CT的电流信号。常规方式下的电能质量监测终端无法满足这一需求。500 kV变电站3/2接线方式如图6所示。
图6 500 kV 变电站3/2 接线方式
如果要进行对线路3的电能质量监测，采集母线PT电压波形作为电压信号，采集5032和5033开关的CT电流波形，并根据基尔霍夫电流定律，将采集的电流波形矢量和计算得到线路电流。也就是说，要监测线路3电能质量数据，需满足同时采集母线三相电压、5032开关CT三相电流、5033开关CT三相电流共9个通道的原始信号。但目前业界通用的做法是一个DSP插件负责一个回路（即三相电压、三相电流）的电能质量计算，无法宽回路进行电流波形矢量和叠加。
本文论述的电能质量监测终端采用数据集中式方式，由各采集板卡分布采样最终汇总至一个DSP处理单元完成多回路的电能质量指标计算，最多支持36通道的数据计算能力。如上文所述，对500 kV换流站3/2接线方式下的线路进行电能质量监测，采集1个回路的电压信号（包含三相电压），采集2个回路的电流信号（包含三相电流）并进行电流信号矢量叠加得到线路实际流过的电流信号，从而实现了对线路的电能质量监测。
4测试与验证
电能质量监测关键指标包括电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压波动和闪变、电压暂降等。依据GB/T 19862《电能质量监测设备通用要求》的测试验证方法，选用PQC700A模拟式电能质量标准源和PNF800数字式标准源分别对进行关键指标的准确度测试与验证。经测试验证，同等条件下，经实际测试，同等条件下，两种监测场景的关键指标测量精度满足GB/T19863 A级设备要求，其中频率、谐波电压详细测试数据如表1、表2所示。
5结束语
结合智能变电站发展及电能质量监测的需要，本文提出了一种高度可替换数字式和模拟式电能质量监测终端。基于功能模块化设计思路，数字式和模拟式采样分别实现，接口统一，实现了一种终端多种应用场合的需要；数据集中式处理思想，采用高性能双核处理器，多CPU协处理工作方式，实现系统的稳定性和可靠性；基于IEC 61850的通讯方式，提高了终端接口的规范性及其自适应性；同时通过采用固定间隔采样下的频率计算和基于汉宁窗的FFT优化算法保证了两种采样方式下的测量的准确性。通过对现场实际运行效果的总结分析，终端的功能与性能达到设计目标，并满足国家标准和技术规范的要求。
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