本發(fā)明涉及一種基于同步相量測量的廣域核相系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

10kV以上的電力設(shè)備投運前，核相工作目前采用的方法主要有兩種，直接核相和間接核相，也分別稱為“一次核相”和“二次核相”。目前，進(jìn)行的核相試驗采用直接核相和間接核相結(jié)合的辦法。也就是高壓部分進(jìn)行一次核相，同時在PT二次部分進(jìn)行二次電壓核相，以確保待核設(shè)備電源與系統(tǒng)電源的相位、相序都一致，無任何接線錯誤。對于高壓一次核相儀器，已經(jīng)從有線核相方式發(fā)展到無線核相方式，但是在核相操作步驟上沒有多大的變化。

核相方法，對于0.4KV系統(tǒng)，常用萬用表進(jìn)行核相；對3-35KV中性點非接地系統(tǒng)，一般用專用高壓定相桿進(jìn)行核相；對110KV及以上中性點直接接地系統(tǒng)，則用PT進(jìn)行核相。

傳統(tǒng)“一次核相”主要采用核相儀器及核相棒來完成。在電力系統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)中，目前廣泛應(yīng)用的方式有兩種，分別為有線核相方式和無線核相方式。有線核相方式在核相時，需要4人同時進(jìn)行配合。一人擔(dān)任指揮，兩人穿絕緣靴、戴絕緣手套擔(dān)任核相員，一人儀表記錄。核相工作根據(jù)指揮人員的命令進(jìn)行，核相員將高壓引線固定在核相棒上，長短適宜，用核相棒引高壓線接觸高壓電源點時，兩人需動作協(xié)調(diào)，配合默契，以免出差錯，發(fā)生危險。采用有線方式，拖線很長時使用極不方便。

而無線核相方式需要2人同時進(jìn)行配合，一人操作一人監(jiān)護(hù)。將發(fā)射器和接收器分別連接絕緣桿，掛到高壓相線上。發(fā)射器將電源1的信號采集后發(fā)送給接收器，接收器接收到該電源1的相位信號后，和本身從電源2采集到的信號進(jìn)行比較，得出核相結(jié)論。

“二次核相”方法采用PT，對PT側(cè)二次設(shè)備的相位進(jìn)行核相或0.4kV以下交流電進(jìn)行核相，一般應(yīng)用萬用表進(jìn)行。采用“二次核相”方法時，如果PT一次或二次回路接線錯誤，會嚴(yán)重影響核相工作的正確性。

兩種核相方法各有優(yōu)缺點，“一次核相”方法精確度高，但是由于其工作電壓高，對核相操作人員易造成人身安全問題，稍有失誤易造成安全事故；“二次核相”方法工作電壓低，因而操作過程較為安全，但由于其采用間接核相，如果PT一次或二次回路如果接線錯誤，就無法保證核相的結(jié)果正確，因此核相的結(jié)果可靠程度卻比一次核相方法低。目前，電力系統(tǒng)中廣泛采用“一次核相”和“二次核相”相結(jié)合的方法，既增加了人力物力成本，又需要更高的安全保障制度。

綜上所述，傳統(tǒng)核相試驗方法，不管是一次核相方法還是二次核相方法，都存在下列問題：

1)電源必須是同一電網(wǎng)同一電壓等級下的不同拓?fù)潼c；

2)核相所需的兩電源信號必須同時采集；

3)參與一個核相試驗的人員很多，人工成本很大；

4)步驟很多，花費時間長；

5)核相有一定的危險性，特別是有線核相方式，必須考慮人員的配合協(xié)調(diào)和人身安全問題；

6)兩電源點相距不能太遠(yuǎn)，據(jù)實際操作經(jīng)驗表明，一般兩核相棒的距離不宜超過10米。對于無線核相方式，其地面接收器的距離離兩個發(fā)射器(核相棒所在位置)不應(yīng)超過15米。

按上述特點，從中看到傳統(tǒng)核相方式有很多可以改進(jìn)的地方。是否能夠在考慮減少核相人員的同時，不增加或者甚至減輕核相人員的工作量，又能保證核相試驗的順利完成？這不僅僅是個技術(shù)問題，而且它在安全管理和經(jīng)濟(jì)上帶來的收益也是可以明顯預(yù)見的。傳統(tǒng)的核相方法，至少要兩檔以上的人員才能完成，而且只能針對同一電壓等級的電源設(shè)備，在應(yīng)用范圍上有諸多限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于同步相量測量的廣域核相系統(tǒng)，本發(fā)明利用GPS系統(tǒng)提供的高精度時鐘成為了相位測量的參考量，對電網(wǎng)系統(tǒng)中各個主要節(jié)點上的電參量進(jìn)行同步測量，獲得電網(wǎng)各狀態(tài)的同步信息，從而實現(xiàn)全網(wǎng)的監(jiān)測、保護(hù)及控制，并通過跟蹤快變系統(tǒng)的動態(tài)現(xiàn)象，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時動態(tài)控制，并可進(jìn)一步實現(xiàn)狀態(tài)估計、穩(wěn)定監(jiān)測和控制。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于同步相量測量的廣域核相系統(tǒng)，包括服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層，其中：

所述服務(wù)層，包括數(shù)據(jù)防火墻、通訊交換機(jī)和授相服務(wù)器，所述數(shù)據(jù)防火墻提供對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全支撐，通訊交換機(jī)為網(wǎng)絡(luò)層與授相服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換提供通道，授相服務(wù)器定時召喚物理層的同步相量信息并將數(shù)據(jù)存儲到授相服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中；

所述網(wǎng)絡(luò)層，基于GPRS獲取物理層的同步相量信息，并將其傳輸給服務(wù)層；

所述物理層，包括授相源端和待核相端，均為核相儀，所述授相源端設(shè)有GPRS模塊向遠(yuǎn)端服務(wù)層授相服務(wù)器進(jìn)行注冊識別，待核相端的核相儀通過終端GPRS獲取授相服務(wù)器的實時同步相量數(shù)據(jù)，并通過自身采集的同步相量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較對線路相位進(jìn)行計算識別。

所述網(wǎng)絡(luò)層，授相源端通過內(nèi)置GPRS模塊將采集到的同步相量信息發(fā)送到授相服務(wù)器，作為授相的標(biāo)準(zhǔn)源，待核相端通過GPRS獲取授相服務(wù)器的同步相量數(shù)據(jù)，并通過就地采集的同步相量數(shù)據(jù)對線路相位進(jìn)行識別。

所述授相服務(wù)器定時向在線核相主機(jī)查詢同步相量信息，并在內(nèi)存中對同步相量信息進(jìn)行緩存，同時將同步相量信息存儲至服務(wù)器中。

所述核相儀包括控制器模塊、相量測量模塊、數(shù)字量模塊、時鐘模塊和電源模塊，控制器模塊被配置為收集各相量測量模塊和數(shù)字量模塊采集到的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析和處理，同時將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和存儲等；相量測量模塊具有多個，被配置為對電壓電流進(jìn)行帶有準(zhǔn)確時標(biāo)的高精度采集，所述數(shù)字量模塊，被配置為采集遙信數(shù)據(jù)，時鐘模塊被配置為各模塊提供準(zhǔn)確的時鐘信息，時鐘模塊內(nèi)有兼容GPS和北斗授時功能的授時芯片，獨立為系統(tǒng)提供時鐘，或接受站內(nèi)IRIG-B的時鐘信號或通過網(wǎng)絡(luò)授時技術(shù)進(jìn)行時鐘校時。

所述控制器模塊以ID編號順序向各相量測量模塊和數(shù)字量模塊下發(fā)報到命令，若對應(yīng)的ID編號的設(shè)備存在則返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，控制器根據(jù)返回的數(shù)據(jù)識別設(shè)備的屬性及狀態(tài)，待所有設(shè)備完成報到后在控制器模塊內(nèi)生成設(shè)備表，為后續(xù)模塊輪詢提供設(shè)備信息。

所述相量測量模塊與控制器模塊的通信采用輪詢的方式，由控制器模塊下發(fā)回傳指令，相量測量模塊收到對應(yīng)的指令后，與本地ID號進(jìn)行對比，若指令碼與ID號相同則將本機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，依次輪詢。

所述數(shù)字量模塊因狀態(tài)變化需要上傳數(shù)據(jù)時，將上傳請求至信號線，控制器模塊待讀完當(dāng)前設(shè)備數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)至相應(yīng)的設(shè)備。

所述相量測量模塊每次輪詢時傳輸?shù)膬?nèi)容為一個輪詢間隔內(nèi)的波形數(shù)據(jù)及對應(yīng)的時標(biāo)信息，計算出的相量信息在每周期的設(shè)定輪詢次數(shù)跟隨波形數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；對于數(shù)字量模塊在輪詢間隔內(nèi)時若開關(guān)存在變位則上傳對應(yīng)通道變位后的狀態(tài)及變位時間。

所述相量測量模塊包括FPGA和AD轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)完成AD轉(zhuǎn)換器的控制工作，F(xiàn)PGA收到GPS的時鐘信號后進(jìn)行分頻處理后用來觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換器，充分保證AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間的精準(zhǔn)度，減小相角計算的誤差，使用16位的差分信號輸入AD轉(zhuǎn)換器，所述AD轉(zhuǎn)換器對不同通道的模擬信號進(jìn)行同步采樣。

所述FPGA根據(jù)AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換的運算，求出各通道的相角信息，同時將計算結(jié)果和波形文件通過將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器模塊。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明進(jìn)行核相工作，可以明顯減少核相工作強(qiáng)度，核相過程中一端可使用固定的授相源，不需要頻繁變更，僅需在待核相端安裝一臺核相設(shè)備即可；改變傳統(tǒng)每個核相點需要安裝兩臺核相裝置的過程，核相過程的工作量僅為原來的一半；

(2)本發(fā)明解決了傳統(tǒng)核相過程中，由于核相儀通信距離的限制，導(dǎo)致核相點不能超過10米的問題，更便于選擇安全的核相點，保證了核相過程中人員的人身安全。同時核相工作也不在局限在同一電壓等級進(jìn)行核相工作，設(shè)備應(yīng)用場合更廣；

(3)本發(fā)明的核相數(shù)據(jù)自動保存在后臺服務(wù)器端，可以生產(chǎn)核相報告，以便于日后查看核相數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明的相量的角度為0°示意圖；

圖1(b)為本發(fā)明的相量的角度為-90°示意圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的信號調(diào)理電路示意圖；

圖4為本發(fā)明的電源模塊示意圖；

圖5為本發(fā)明的初始化流程示意圖；

圖6為數(shù)據(jù)分析服務(wù)流程示意圖；

圖7為數(shù)據(jù)存儲服務(wù)流程示意圖；

圖8為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)流程示意圖；

圖9為Webserver服務(wù)示意圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

隨著美國的全球定位系統(tǒng)GPS(Global Position System)出現(xiàn)并開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)提供的高精度時鐘成為了相位測量的參考量，對電網(wǎng)系統(tǒng)中各個主要節(jié)點上的電參量進(jìn)行同步測量，獲得電網(wǎng)各狀態(tài)的同步信息，從而實現(xiàn)全網(wǎng)的監(jiān)測、保護(hù)及控制，并通過跟蹤快變系統(tǒng)的動態(tài)現(xiàn)象，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時動態(tài)控制，并可進(jìn)一步實現(xiàn)狀態(tài)估計、穩(wěn)定監(jiān)測和控制。

《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》定義的同步相量是以標(biāo)準(zhǔn)時間信號作為采樣過程的基準(zhǔn)，通過對采樣數(shù)據(jù)計算而得的相量。因而，電力系統(tǒng)交流電氣量的相量之間存在著確定的相位關(guān)系。

模擬信號對應(yīng)相量形式為如圖1(a)、圖1(b)所示，當(dāng)x(t)的最大值出現(xiàn)在秒脈沖1PPS時，相量的角度為0°，當(dāng)x(t)正向過零點與秒脈沖1PPS同步時相量的角度為-90°，其他角度值依次類推。

如圖2所示，包括服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層。

服務(wù)層包含數(shù)據(jù)防火墻、通訊交換機(jī)和授相服務(wù)器三部分組成，數(shù)據(jù)防火墻提供了對整個數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)安全支撐，通訊交換機(jī)為授相服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換設(shè)備。授相服務(wù)器定時召喚在線核相主機(jī)同步相量信息并將數(shù)據(jù)存儲到授相服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。便攜式核相儀可通過GPRS實時查詢授相服務(wù)器中的同步相量信息對帶核相線路進(jìn)行核相計算。

網(wǎng)絡(luò)層，在線核相主機(jī)通過內(nèi)置GPRS模塊將采集到的同步相量信息發(fā)送到授相服務(wù)器，作為授相的標(biāo)準(zhǔn)源。

便攜式核相儀通過GPRS獲取授相服務(wù)器的同步相量數(shù)據(jù)，并通過就地采集的同步相量數(shù)據(jù)對線路相位進(jìn)行識別。

物理層的授相源，在線核相主機(jī)安裝于已知相位的母線PT二次側(cè)，裝置安裝配置后。通過自身GPRS模塊向遠(yuǎn)端服務(wù)層授相服務(wù)器進(jìn)行注冊識別。授相服務(wù)器定時向在線核相主機(jī)查詢同步相量信息，并在內(nèi)存中對同步相量信息進(jìn)行緩存，同時將同步相量信息存儲至服務(wù)器中。

待核相，便攜式核相儀將采集口、GPS天線正確連接，打開終端(如手機(jī)、平板、筆記本電腦等)的無線熱點功能后核相儀會自行連接該無線熱點。操作員通過終端Web瀏覽器打開便攜核相儀的操作界面選擇相應(yīng)的核相線路。核相儀通過終端GPRS獲取授相服務(wù)器的實時同步相量數(shù)據(jù)，并通過自身采集的同步相量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較對線路相位進(jìn)行計算識別。并將結(jié)果展示到Web界面中，提供給操作員作為線路相位識別參考。

為使核相儀能便于使用，可靈活的部署在各個測量點，其應(yīng)該具有準(zhǔn)確的時鐘信號，測量點兩端的信息能夠流暢的交互，并且信息交互不能有距離限制，同時應(yīng)該具有良好的人機(jī)交互界面。

授時方式

IRIG-B碼授時：IRIG-B碼授時方式是一種常用的授時方式，通過脈沖碼元為需授時設(shè)備提供準(zhǔn)確的時鐘信號，該種授時方式精度可以達(dá)到1微秒，能夠滿足同步相量采集的需求。使用該授時方式，需要有專門的支持IRIG-B碼格式的時鐘單元，因此不便于現(xiàn)場使用。

IEEE1588授時：IEEE1588是基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)授時協(xié)議，可以達(dá)到10us的授時精度，在對相量測量角度要求不高的場合可以使用改協(xié)議，另外，為支持該協(xié)議需要專用的支持IEEE1588的授時服務(wù)器及交換機(jī)，目前只有數(shù)字變電站具有該種授時能力。

衛(wèi)星授時：通過GPS/北斗衛(wèi)星的授時方式可以達(dá)到20納秒的授時精度，完全滿足相量測量的時鐘要求，此種方式安裝方便，不受其他外部設(shè)備的限制，只要衛(wèi)星天線能夠正常接收衛(wèi)星信號即可完成授時要求。

鑒于以上三種授時的優(yōu)缺點，考慮到現(xiàn)場安裝的方便、靈活、穩(wěn)定的要求，采用衛(wèi)星授時方式。

通信方式

有線網(wǎng)絡(luò)：具有傳輸數(shù)據(jù)量大、通信穩(wěn)定可靠、傳輸延時小的優(yōu)點，其缺點是需要敷設(shè)網(wǎng)線，部分場合施工難度大，不便于安裝改造。

無線網(wǎng)絡(luò)：依據(jù)現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點是信號覆蓋范圍廣、可利用基站多。缺點是網(wǎng)絡(luò)通信有斷續(xù)現(xiàn)象，傳輸帶寬窄，網(wǎng)絡(luò)延時大燈問題。

考慮到裝置會為每個采樣點加入準(zhǔn)確的時標(biāo)信號，因此，網(wǎng)絡(luò)本省的延時不會影響設(shè)備的正常運行。由于設(shè)備本身具有存儲功能，網(wǎng)絡(luò)中斷時可將臨時數(shù)據(jù)存入內(nèi)置存儲器中，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給服務(wù)器，GPRS網(wǎng)絡(luò)中斷時間一般比較短，不會對核相工作帶來障礙，鑒于以上兩種的方案的優(yōu)勢和劣勢，選取GPRS的無線通信方式。

人機(jī)交互方式

裝置在使用時需要進(jìn)行必要的參數(shù)配置，使測量信息與實際測量值的信息吻合，最終的核相結(jié)果也需要通過交互界面展示給用戶，常用的交互界面主要有以下兩種：

液晶顯示：液晶可以直觀的展示設(shè)備的測量數(shù)據(jù)，直觀的將數(shù)據(jù)展示給用戶，但大尺寸液晶在惡劣環(huán)境中運行往往會受到電磁場的干擾，導(dǎo)致屏幕死機(jī)、花屏等故障，影響用戶的正常使用，此外，液晶的壽命較短，長期使用會增加設(shè)備的維護(hù)工作量。

WEB顯示：利用WEB界面可以給用戶展示豐富的信息量。此外，WEB界面具有良好的兼容性，用戶可以通過電腦、手機(jī)、平板等終端直接連接讀取數(shù)據(jù)，不需要專用的顯示器件，可以大幅度降低裝置的硬件成本。利用WEB方式利于實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲、分析等工作。

通過對比可見：WEB方式在用戶體驗、設(shè)備穩(wěn)定性、設(shè)備性價比等方面都要優(yōu)于液晶顯示的方式，因此選用WEB的人機(jī)交互界面。

核相儀由控制器模塊、相量測量模塊、時鐘模塊、電源模塊等四大部分組成?？刂破髂K主要負(fù)責(zé)收集各測量模塊采集到的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計算、分析和處理等工作，同時將有效數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和存儲等；相量測量模塊主要負(fù)責(zé)于對電壓電流進(jìn)行帶有準(zhǔn)確時標(biāo)的高精度采集，由于其模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以直接通過外部精確時鐘信號進(jìn)行觸發(fā)，從硬件結(jié)構(gòu)上規(guī)避了AD轉(zhuǎn)換延時、數(shù)據(jù)傳輸延時、數(shù)據(jù)計算延時等誤差量的引入因素，充分保證相量計算的準(zhǔn)確性；時鐘模塊主要負(fù)責(zé)為各模塊提供準(zhǔn)確的時鐘信息，時鐘模塊內(nèi)有兼容GPS和北斗授時功能的授時芯片，可以獨立為系統(tǒng)提供時鐘，可以接受站內(nèi)IRIG-B的時鐘信號或通過網(wǎng)絡(luò)授時技術(shù)進(jìn)行時鐘校時。

主從機(jī)模塊間的通信數(shù)據(jù)包括，數(shù)據(jù)信息和時鐘信息。數(shù)據(jù)信息參考SPI時序設(shè)計通信協(xié)議，時鐘信息參數(shù)三線制授時方式，共需要6組通信數(shù)據(jù)線。對比不同總線的傳輸速度、傳輸距離、傳輸穩(wěn)定性最總選擇MLVDS總線最為通信總線。

MLVDS是多點低電壓差分信號(Multipoint low Voltage Differential Signaling)的英文縮寫，它是LVDS家族中的新成員。其推出主要是用來優(yōu)化多點互連應(yīng)用，所謂多點應(yīng)用指的是有多個驅(qū)動器或者接收器件共享單一的物理鏈路的互連應(yīng)用，這種應(yīng)用要求驅(qū)動器件有足夠的驅(qū)動能力來驅(qū)動多路負(fù)載，同時要求驅(qū)動器件與接收器件都能承受由于單板熱插撥所引起的物理總線上負(fù)載變化。

MLVDS標(biāo)準(zhǔn)可以支持高達(dá)到10Mbps數(shù)據(jù)速率和寬的共模電壓范圍(+/-2V)，以及強(qiáng)勁的ESD保護(hù)從而支持熱插撥功能。MLVDS通過控制輸出數(shù)據(jù)的壓擺率和輸出幅度來解決電磁干擾(EMI)問題，另外M-LVDS保留有LVDS低壓差分信號特性，可以更進(jìn)一步減小電磁干擾。

MLVDS特別適合工業(yè)控制、電信基礎(chǔ)設(shè)施和計算機(jī)的外圍設(shè)備接口應(yīng)用。眾所周知在涉及多點用場合人們習(xí)慣于采用RS-485，而MLVDS技術(shù)比RS-485能提供更高的傳輸速率(理論上高達(dá)500Mbps)、更低的功耗，因而能顯著降低系統(tǒng)成本。

參照Texas Instruments給出的MLVDS通信設(shè)計方案，選用該公司生產(chǎn)的SN65MLVDS200A芯片，該芯片遵守MLVDS通信協(xié)議，通信速度可以100Mbps的通信速率，功耗小、供電范圍寬，適合本場合的應(yīng)用。

相量測量模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器模塊硬件結(jié)構(gòu)采用MLVDS總線實現(xiàn)一對多的通信方式，采用高速SPI的通信時序，SPI通信時鐘速度為20Mbps。每個采集模塊每秒的數(shù)據(jù)量＝256*8*2*50＝200Kbyte＝1.6Mbit。以最大掛載8個模塊計算，每秒的數(shù)據(jù)＝1.6*8＝12.8Mbit，由上可以看出20Mbps的通信速度可以滿足傳輸要求。數(shù)據(jù)總線包括MLVDS總線(共5組包括高速通信總線3組，時鐘信號線2組)、485總線、通用IO、同步信號信號、USB總線、電源線等6部分組成。

通信流程：各測量模塊與控制器的通信采用輪詢的方式，由控制器下發(fā)回傳指令，測量模塊收到對應(yīng)的指令后，與本機(jī)ID號進(jìn)行對比，若指令碼與本機(jī)ID號相同則將本機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，正常的輪詢順序為1、2、3...N(N最大為8)；若數(shù)字量模塊因狀態(tài)變化需要上傳數(shù)據(jù)時，將上傳請求信號線(通用IO，可以分配給不同的模塊)拉低，待讀完當(dāng)前設(shè)備數(shù)據(jù)后再去相應(yīng)該設(shè)備，此時最大的延時時間為2.5ms。

模塊報到：上電后控制器模塊以ID編號順序向各采集模塊和數(shù)字量模塊下發(fā)報到命令，若對應(yīng)的ID編號的設(shè)備存在則返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，控制器根據(jù)返回的數(shù)據(jù)識別設(shè)備的屬性及狀態(tài)。待所有設(shè)備完成報到后在控制器內(nèi)生成設(shè)備表，為后續(xù)模塊輪詢提供設(shè)備信息。

模塊輪詢：控制器模塊(由內(nèi)部FPGA實現(xiàn))對個采集模塊實行輪詢數(shù)據(jù)通信模式，輪詢周期為2.5毫秒，即每2.5毫秒完成對所有模塊的一次輪詢；輪詢時優(yōu)先對數(shù)字模塊進(jìn)行輪詢。其流程為：控制器模塊給指定ID模塊發(fā)送輪詢命令，該ID對應(yīng)模塊收到輪詢命令后，占用數(shù)據(jù)上傳總線，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。完成該模塊數(shù)據(jù)傳輸后，在讀取下一模塊數(shù)據(jù)，直到所有模塊輪詢一遍結(jié)束。

對于相量測量模塊每次輪詢時傳輸?shù)膬?nèi)容為一個輪詢間隔內(nèi)的波形數(shù)據(jù)及對應(yīng)的時標(biāo)信息，計算出的相量信息在每周期的第4次輪詢時跟隨波形數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；對于數(shù)字模塊在輪詢間隔內(nèi)時若開關(guān)存在變位則上傳對應(yīng)通道變位后的狀態(tài)及變位時間。

控制器模塊采用ARM+FPGA架構(gòu)(ARM處理器為Freescale I.MX6Q Cortex-A9四核處理器，主頻1GHz，2G內(nèi)存)，搭載Linux3.5操作系統(tǒng)，主要功能為：

1、存儲相量測量模塊和數(shù)字量模塊的數(shù)據(jù)信息功能

2、負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成通信與外部的通信功能

3、對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，提取組合數(shù)據(jù)功能

4、采集數(shù)據(jù)的本地顯示功能。

FPGA將測量模塊的數(shù)據(jù)通過MLVDS總線得到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)暫存在FPGA中，待數(shù)據(jù)緩存區(qū)半滿后打包發(fā)送給ARM處理器。FPGA與ARM之間的通信方式采用PCIE的方式。

相量測量模塊主要完成對電壓電流量的相角采集工作，主要有FPGA和高精度AD轉(zhuǎn)換器組成。FPGA負(fù)責(zé)完成AD芯片的控制工作，F(xiàn)PGA收到GPS的時鐘信號后可以進(jìn)行分頻處理后用來觸發(fā)AD。充分保證AD轉(zhuǎn)換時間的精準(zhǔn)度，減小相角計算的誤差，使用16位的差分信號輸入AD轉(zhuǎn)換器，該AD轉(zhuǎn)換器可以對8路模擬信號進(jìn)行同步采樣保持，從芯片結(jié)構(gòu)上避免了多相采集的時間延遲問題。

采集到AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后FPGA可以繼續(xù)進(jìn)行高速快速傅里葉變換的運算工作，求出各通道的相角信息，同時將計算結(jié)果和波形文件通過MLVDS總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器。

為保證瞬時數(shù)據(jù)的傳輸要求，相量測量模塊設(shè)計有SMV接口，可以高效、快速的將波形數(shù)據(jù)進(jìn)行外傳，減小數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r時間。

此處FPGA的主要功能為：控制AD轉(zhuǎn)換、計算相角和幅值、數(shù)據(jù)暫存、數(shù)據(jù)發(fā)送等。

為保證采樣精度，避免因互感器負(fù)載能力帶來的小信號測量誤差，電路中并未采用普通的采樣電阻式的取壓方式，改用電流-電壓變換電路，將互感器輸出的電流信號直接轉(zhuǎn)成可供AD芯片使用的電壓信號?？紤]到電磁互感器本身性質(zhì)決定的延時特性，在運放電路中通過RC補(bǔ)償電路實現(xiàn)對信號的相位補(bǔ)償，進(jìn)一步提高在相角測量時的精度?；ジ衅鬏敵龆伺渲糜蠺VS二極管，防止瞬間的過大電流流過時對運放電流的沖擊，充分保證電路的可靠性，其具體電路如圖3所示。

時鐘模塊主要由FPGA、授時模塊、恒溫晶振、IRIG-B光纖輸入接口、IRIG-B光纖輸出接口、PTP網(wǎng)絡(luò)授時接口、總線接口等部分組成。模塊獲取時鐘的方式有衛(wèi)星授時方式、IRIG-B授時方式、PTP網(wǎng)絡(luò)授時方式。

衛(wèi)星授時：裝置內(nèi)部具有GPS和北斗的雙套授時系統(tǒng)，可以通過衛(wèi)星獲取準(zhǔn)確的時鐘信息，衛(wèi)星授時可工作在GPS模式、北斗模式、GPS+北斗三種模式下，用戶可以根據(jù)需求靈活選擇。此種方式主要針對安裝位置無其他授時方式的場合。

IRIG-B授時：模塊具有解析IRIG-B授時信號的能力，此種方式主要針對安裝位置已有IRIG-B光纖的場合，可以省去拉設(shè)GPS/北斗天線的工作，簡化施工難度。

PTP網(wǎng)絡(luò)授時：模塊具有PHY芯片，能夠支持IEEE1588格式的PTP網(wǎng)絡(luò)授時。

整個設(shè)備需要的供電電源為+5V、+12V、-12V共三路電源，電源模塊采用廣州金升陽公司生產(chǎn)的AC-DC模塊，分別為LH40-10D0524-06為設(shè)備提供5V電源，LH15-10A12為設(shè)備提供+12V和-12V穩(wěn)定的電源供電。為可考慮裝置電磁兼容問題，增加了必要的防護(hù)電路，采用工模扼流圈來抑制由電源側(cè)傳到過來的工模干擾，通過增加壓敏二極管來保證設(shè)備在輸入過壓時的自我保護(hù)，利用Y型濾波電路來吸收浪涌帶來的能量沖擊，提供對地的泄流回路。此外電路增加NTC自恢復(fù)保險，在設(shè)備受到外來沖擊導(dǎo)致電源自我保護(hù)后，待沖擊消失后設(shè)備能夠自行恢復(fù)，減少設(shè)備的人工維護(hù)工作。電源模塊的設(shè)計電路如圖4所示。

電源、遙信、遙測的輸入接口均設(shè)計有防浪涌沖擊電路，可以有效防止靜電及浪涌的沖擊；單元內(nèi)部所有處理器件均設(shè)計有硬件看門狗，能夠在異常狀態(tài)時及時的進(jìn)行重啟，保證設(shè)備的連續(xù)工作性。

控制器模塊采用ARM處理器，搭載Linux操作系統(tǒng)，底層數(shù)據(jù)通過外設(shè)驅(qū)動層傳輸給核相儀的運行服務(wù)程序，運行服務(wù)程序根據(jù)具體的業(yè)務(wù)邏輯，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等操作，完成核相的整個工作流程。

設(shè)備上電后完成操作系統(tǒng)的加載后自動啟動核相服務(wù)程序，執(zhí)行設(shè)備的軟硬件初始化、解析各采集通道配置文件、設(shè)置通信參數(shù)、恢復(fù)背景數(shù)據(jù)等工作，具體工作如圖5所示。

通過底層驅(qū)動采集電壓、電流和開關(guān)量狀態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集服務(wù)計算電壓偏差、頻率偏差、諧波(50次)、間諧波、電壓電流不平衡度、電壓波動與閃變、基波及各次諧波有功功率、無功功率、功率因數(shù)等；諧波電壓、電流的幅值及其相角；各次諧波電壓的含有率及其電壓總畸變率；各次諧波有功、無功功率、功率因數(shù)等。

如圖6所示，數(shù)據(jù)采集服務(wù)將采集的實時數(shù)據(jù)寫入實時內(nèi)存緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)分析服務(wù)通過實時內(nèi)存緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)計算電能參數(shù)，并通過錄波規(guī)則檢測實時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，判斷是否觸發(fā)錄波，當(dāng)達(dá)到錄波條件時通過消息傳遞觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

如圖7所示，數(shù)據(jù)采集服務(wù)將采集的實時數(shù)據(jù)寫入實時內(nèi)存緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)存儲服務(wù)通過數(shù)據(jù)存儲服務(wù)將數(shù)據(jù)寫入SQLite等輕量級數(shù)據(jù)庫。

事件服務(wù)分為軟件運行事件、硬件問題事件、外部中斷事件。

軟件運行事件：記錄服務(wù)運行過程中的動作事件和故障事件；

硬件問題事件：記錄核相儀模塊硬件故障事件；

外部中斷事件：記錄核相儀模塊外部連接的故障觸發(fā)信號；

如圖8所示，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)通過實時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)獲取設(shè)備實時數(shù)據(jù)，通過通訊規(guī)約接口與外部系統(tǒng)進(jìn)行對接。

如圖9所示，嵌入式Web服務(wù)器(embedded web server，EWS)是指將Web服務(wù)器引入到現(xiàn)場測試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議，Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試和控制設(shè)備。其執(zhí)行3種基本功能：

①靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)頁信息發(fā)布；

②提供接口監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備；

③提供接口控制現(xiàn)場設(shè)備。

由于Web技術(shù)的開放性和獨立平臺特性，降低了軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計、維護(hù)工作量，提高了現(xiàn)場測試和控制設(shè)備的管理水平。嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)提供了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控設(shè)備的方法和途徑。

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，常用的Web Server有Boa、httpd、thttpd和mini-httpd等。其中Boa是一個運行在類Unix系統(tǒng)中的小型WebServer，適合嵌入式環(huán)境。在Boa中若兩個用戶同時訪問，則其中的一個必須等待，它產(chǎn)生獨立進(jìn)程來處理CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)程序，因此占用較少的資源。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。