[发明专利]一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别涉及一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置。

背景技术

20世纪60年代 SCADA 被广泛应用到能量管理系统（EMS）中来进行状态估计，但其实时性较差，表征的只是稳态或准稳态过程。全球定位系统（GPS）的普及使得同步相量的实时测量成为可能，广域测量系统（WAMS）就是以相量测量单元（PMU）为基础构建而成的，该技术以其在电力系统监视、保护和控制上的重大影响成为 21 世纪电力系统的先进技术之一。

同步相量的测量需要有高精度的全球同步卫星精确授时。美国GPS导航系统、俄罗斯 GLONASS导航系统以及中国的北斗导航系统在同步卫星授时领域占据主导，其中以GPS最为先进，其终端不需要发送信号，且授时精度最高。相量测量算法中比较经典的有过零检测法、离散傅里叶变换法、最小二乘法、牛顿法、卡尔曼滤波法、瞬时值法、小波变换法等。

国内外部分先进PMU整合了故障录波功能。现代电力系统中常用的故障录波启动判据大致采用如下判据信息：发电机角速度、瞬时有功功率和电压的变化、电流瞬时值、电流斜率等。 目前广泛应用的故障录波装置普遍采用单一判据信息来识别故障，有些注重故障识别的快速性，有些则偏重于故障识别的准确度，往往不能兼顾二者。目前，PMU在输电网和发电厂中得到了广泛的应用，其技术较成熟。然而随着分布式电源大规模接入电网，配电网的双向潮流、多源故障等诸多问题日益凸显，如何提高配电网的观测性成为配电网首先需要解决的问题。

配电网中高渗透率的分布式电源和有源负载会导致传统电网从缓慢变化的辐射网变为更加动态化的多源网络。尽管这在原则上可以改善整个系统的可靠性和电能质量，但是新的控制保护的挑战可能会更加严峻，传统的处理办法并不能完全适应这样的电网。配电网传统控制和管理中只测量电压幅值并上传控制中心进行处理，这不仅可能破坏这些新动态，还有可能潜在地导致电网操作中更加严重的隐患。因此，系统范围的配电网动态分析和控制可能需要新的相量数据，这些数据来自PMU，并合并到配电管理系统（DMS）的功能中去。在未来的配电网的监视、保护和控制中，PMU极有可能扮演不可或缺的角色。配电网PMU在不同系统状态下可以直接测量和提供同步的电压、电流相量的测量结果，这种能力为探知动态配电网状态和健康的信息提供了巨大可能。

输电网PMU成本过高，安装条件苛刻，需要专用通信线路等问题使其难以大范围应用于配电网，同时，普通故障录波启动判据无法兼顾故障识别的速度和准确性。针对以上问题，本文开发出一种集同步相量测量、电气量综合数据采集和故障录波功能于一体的微型同步相量测量单元。

发明内容

为了解决输电网PMU成本过高，安装条件苛刻，需要专用通信线路以及普通故障录波启动判据无法兼顾故障识别的速度和准确性等一系列问题，本发明目的是提供一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，以达到集同步相量测量、电气量综合数据采集和故障录波功能于一体的目的。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种配电网微型相量测量单元与故障录波装置，所述装置包括微控制器模块、综合电能监测模块、GPS授时模块、过零检测模块、故障录波模块、人机接口模块及上位机通信模块。综合电能监测模块与电压、电流传感器相连，收集三相电压、电流信号并将其传给微控制器模块，过零检测模块配合GPS授时模块实现对电压向量的精确计算，存储器负责存储故障数据及波形，人机接口模块用于显示实时数据，上位机通信模块实现微控制器与上位机的连接。

所述微控制器模块以AVR单片机中性能优越的ATmega64芯片作为微控制器。

所述综合电能监测模块选用功能强大、成本低廉的电能计量芯片ATT7022B。ATT7022B是高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线系统。

所述GPS授时模块选用NEO-7m模块进行授时。NEO-7m为美国GPS和俄罗斯GLONASS互备系统，自带高增益有源天线，可自带可充电后备电池。

所述过零检测模块采用互感器前取信号、光耦隔离的过零检测电路。该电路配合GPS授时模块和综合电能测量模块，在MCU中进行处理和计算，可得到精确的电压相量。

所述故障录波模块将待测信号直接接入STM32片内ADC进行数模变换，因数据量庞大，还必须片外扩展存储芯片，本装置采用16G工业SD卡，实现故障波形存储。

所述人机接口模块配有12864LCD液晶显示器，可实时显示所测得的所有数据，为现场工作人员提供就地显示，方便调试。