一种基于同步相量测量的广域核相系统

摘要

本发明公开了一种基于同步相量测量的广域核相系统，包括服务层、网络层和物理层，服务层，包括数据防火墙、通讯交换机和授相服务器，所述数据防火墙提供对整个系统的数据安全支撑，通讯交换机为网络层与授相服务器的数据交换提供通道，授相服务器定时召唤物理层的同步相量信息并将数据存储到授相服务器数据库中；网络层，基于GPRS获取物理层的同步相量信息，并将其传输给服务层；物理层，包括授相源端和待核相端，均为核相仪，所述授相源端设有GPRS模块向远端服务层授相服务器进行注册识别，待核相端的核相仪通过终端GPRS获取授相服务器的实时同步相量数据，并通过自身采集的同步相量数据进行比较对线路相位进行计算识别。

权利要求

1.一种基于同步相量测量的广域核相系统，其特征是：包括服务层、网络层和物理层，其中：

所述服务层，包括数据防火墙、通讯交换机和授相服务器，所述数据防火墙提供对整个系统的数据安全支撑，通讯交换机为网络层与授相服务器的数据交换提供通道，授相服务器定时召唤物理层的同步相量信息并将数据存储到授相服务器数据库中；

所述网络层，基于GPRS获取物理层的同步相量信息，并将其传输给服务层；

所述物理层，包括授相源端和待核相端，均为核相仪，所述授相源端设有GPRS模块向远端服务层授相服务器进行注册识别，待核相端的核相仪通过终端GPRS获取授相服务器的实时同步相量数据，并通过自身采集的同步相量数据进行比较对线路相位进行计算识别；

所述核相仪包括控制器模块、相量测量模块、数字量模块、时钟模块和电源模块；

所述相量测量模块与控制器模块的通信采用轮询的方式，由控制器模块下发回传指令，相量测量模块收到对应的指令后，与本地ID号进行对比，若指令码与ID号相同则将本机数据进行回传，依次轮询；

所述相量测量模块每次轮询时传输的内容为一个轮询间隔内的波形数据及对应的时标信息，计算出的相量信息在每周期的设定轮询次数跟随波形数据进行发送；对于数字量模块在轮询间隔内时若开关存在变位则上传对应通道变位后的状态及变位时间。

2.如权利要求1所述的一种基于同步相量测量的广域核相系统，其特征是：所述网络层，授相源端通过内置GPRS模块将采集到的同步相量信息发送到授相服务器，作为授相的标准源，待核相端通过GPRS获取授相服务器的同步相量数据，并通过就地采集的同步相量数据对线路相位进行识别。

3.如权利要求1所述的一种基于同步相量测量的广域核相系统，其特征是：所述授相服务器定时向在线核相主机查询同步相量信息，并在内存中对同步相量信息进行缓存，同时将同步相量信息存储至服务器中。

4.如权利要求1所述的一种基于同步相量测量的广域核相系统，其特征是：控制器模块被配置为收集各相量测量模块和数字量模块采集到的数据信息，对数据进行计算、分析和处理，同时将有效数据进行转发和存储；相量测量模块具有多个，被配置为对电压电流进行带有准确时标的高精度采集，所述数字量模块，被配置为采集遥信数据，时钟模块被配置为各模块提供准确的时钟信息，时钟模块内有兼容GPS和北斗授时功能的授时芯片，独立为系统提供时钟，或接受站内IRIG-B的时钟信号或通过网络授时技术进行时钟校时。

5.如权利要求4所述的一种基于同步相量测量的广域核相系统，其特征是：所述控制器模块以ID编号顺序向各相量测量模块和数字量模块下发报到命令，若对应的ID编号的设备存在则返回相应数据，控制器根据返回的数据识别设备的属性及状态，待所有设备完成报到后在控制器模块内生成设备表，为后续模块轮询提供设备信息。

6.如权利要求4所述的一种基于同步相量测量的广域核相系统，其特征是：所述相量测量模块包括FPGA和AD转换器，FPGA负责完成AD转换器的控制工作，FPGA收到GPS的时钟信号后进行分频处理后用来触发AD转换器，充分保证AD转换器的转换时间的精准度，减小相角计算的误差，使用16位的差分信号输入AD转换器，所述AD转换器对不同通道的模拟信号进行同步采样。

7.如权利要求6所述的一种基于同步相量测量的广域核相系统，其特征是：所述FPGA根据AD转换器的数据进行傅里叶变换的运算，求出各通道的相角信息，同时将计算结果和波形文件通过将数据发送给控制器模块。

说明书

一种基于同步相量测量的广域核相系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于同步相量测量的广域核相系统。

背景技术

[0002] 10kV以上的电力设备投运前，核相工作目前采用的方法主要有两种，直接核相和间接核相，也分别称为“一次核相”和“二次核相”。目前，进行的核相试验采用直接核相和间接核相结合的办法。也就是高压部分进行一次核相，同时在PT二次部分进行二次电压核相，以确保待核设备电源与系统电源的相位、相序都一致，无任何接线错误。对于高压一次核相仪器，已经从有线核相方式发展到无线核相方式，但是在核相操作步骤上没有多大的变化。

[0003] 核相方法，对于0.4KV系统，常用万用表进行核相；对3-35KV中性点非接地系统，一般用专用高压定相杆进行核相；对110KV及以上中性点直接接地系统，则用PT进行核相。

[0004] 传统“一次核相”主要采用核相仪器及核相棒来完成。在电力系统的低压配电网中，目前广泛应用的方式有两种，分别为有线核相方式和无线核相方式。有线核相方式在核相时，需要4人同时进行配合。一人担任指挥，两人穿绝缘靴、戴绝缘手套担任核相员，一人仪表记录。核相工作根据指挥人员的命令进行，核相员将高压引线固定在核相棒上，长短适宜，用核相棒引高压线接触高压电源点时，两人需动作协调，配合默契，以免出差错，发生危险。采用有线方式，拖线很长时使用极不方便。

[0005] 而无线核相方式需要2人同时进行配合，一人操作一人监护。将发射器和接收器分别连接绝缘杆，挂到高压相线上。发射器将电源1的信号采集后发送给接收器，接收器接收到该电源1的相位信号后，和本身从电源2采集到的信号进行比较，得出核相结论。

[0006] “二次核相”方法采用PT，对PT侧二次设备的相位进行核相或0.4kV以下交流电进行核相，一般应用万用表进行。采用“二次核相”方法时，如果PT一次或二次回路接线错误，会严重影响核相工作的正确性。

[0007] 两种核相方法各有优缺点，“一次核相”方法精确度高，但是由于其工作电压高，对核相操作人员易造成人身安全问题，稍有失误易造成安全事故；“二次核相”方法工作电压低，因而操作过程较为安全，但由于其采用间接核相，如果PT一次或二次回路如果接线错误，就无法保证核相的结果正确，因此核相的结果可靠程度却比一次核相方法低。目前，电力系统中广泛采用“一次核相”和“二次核相”相结合的方法，既增加了人力物力成本，又需要更高的安全保障制度。

[0008] 综上所述，传统核相试验方法，不管是一次核相方法还是二次核相方法，都存在下列问题：

[0009] 1)电源必须是同一电网同一电压等级下的不同拓扑点；

[0010] 2)核相所需的两电源信号必须同时采集；

[0011] 3)参与一个核相试验的人员很多，人工成本很大；

[0012] 4)步骤很多，花费时间长；

[0013] 5)核相有一定的危险性，特别是有线核相方式，必须考虑人员的配合协调和人身安全问题；

[0014] 6)两电源点相距不能太远，据实际操作经验表明，一般两核相棒的距离不宜超过10米。对于无线核相方式，其地面接收器的距离离两个发射器(核相棒所在位置)不应超过
15米。

[0015] 按上述特点，从中看到传统核相方式有很多可以改进的地方。是否能够在考虑减少核相人员的同时，不增加或者甚至减轻核相人员的工作量，又能保证核相试验的顺利完成？这不仅仅是个技术问题，而且它在安全管理和经济上带来的收益也是可以明显预见的。传统的核相方法，至少要两档以上的人员才能完成，而且只能针对同一电压等级的电源设备，在应用范围上有诸多限制。

发明内容

[0016] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于同步相量测量的广域核相系统，本发明利用GPS系统提供的高精度时钟成为了相位测量的参考量，对电网系统中各个主要节点上的电参量进行同步测量，获得电网各状态的同步信息，从而实现全网的监测、保护及控制，并通过跟踪快变系统的动态现象，实现系统的实时动态控制，并可进一步实现状态估计、稳定监测和控制。

[0017] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0018] 一种基于同步相量测量的广域核相系统，包括服务层、网络层和物理层，其中：

[0019] 所述服务层，包括数据防火墙、通讯交换机和授相服务器，所述数据防火墙提供对整个系统的数据安全支撑，通讯交换机为网络层与授相服务器的数据交换提供通道，授相服务器定时召唤物理层的同步相量信息并将数据存储到授相服务器数据库中；

[0020] 所述网络层，基于GPRS获取物理层的同步相量信息，并将其传输给服务层；

[0021] 所述物理层，包括授相源端和待核相端，均为核相仪，所述授相源端设有GPRS模块向远端服务层授相服务器进行注册识别，待核相端的核相仪通过终端GPRS获取授相服务器的实时同步相量数据，并通过自身采集的同步相量数据进行比较对线路相位进行计算识别。

[0022] 所述网络层，授相源端通过内置GPRS模块将采集到的同步相量信息发送到授相服务器，作为授相的标准源，待核相端通过GPRS获取授相服务器的同步相量数据，并通过就地采集的同步相量数据对线路相位进行识别。

[0023] 所述授相服务器定时向在线核相主机查询同步相量信息，并在内存中对同步相量信息进行缓存，同时将同步相量信息存储至服务器中。

[0024] 所述核相仪包括控制器模块、相量测量模块、数字量模块、时钟模块和电源模块，控制器模块被配置为收集各相量测量模块和数字量模块采集到的数据信息，对数据进行计算、分析和处理，同时将有效数据进行转发和存储等；相量测量模块具有多个，被配置为对电压电流进行带有准确时标的高精度采集，所述数字量模块，被配置为采集遥信数据，时钟模块被配置为各模块提供准确的时钟信息，时钟模块内有兼容GPS和北斗授时功能的授时芯片，独立为系统提供时钟，或接受站内IRIG-B的时钟信号或通过网络授时技术进行时钟校时。

[0025] 所述控制器模块以ID编号顺序向各相量测量模块和数字量模块下发报到命令，若对应的ID编号的设备存在则返回相应数据，控制器根据返回的数据识别设备的属性及状态，待所有设备完成报到后在控制器模块内生成设备表，为后续模块轮询提供设备信息。

[0026] 所述相量测量模块与控制器模块的通信采用轮询的方式，由控制器模块下发回传指令，相量测量模块收到对应的指令后，与本地ID号进行对比，若指令码与ID号相同则将本机数据进行回传，依次轮询。

[0027] 所述数字量模块因状态变化需要上传数据时，将上传请求至信号线，控制器模块待读完当前设备数据后再转至相应的设备。

[0028] 所述相量测量模块每次轮询时传输的内容为一个轮询间隔内的波形数据及对应的时标信息，计算出的相量信息在每周期的设定轮询次数跟随波形数据进行发送；对于数字量模块在轮询间隔内时若开关存在变位则上传对应通道变位后的状态及变位时间。

[0029] 所述相量测量模块包括FPGA和AD转换器，FPGA负责完成AD转换器的控制工作，FPGA收到GPS的时钟信号后进行分频处理后用来触发AD转换器，充分保证AD转换器的转换时间的精准度，减小相角计算的误差，使用16位的差分信号输入AD转换器，所述AD转换器对不同通道的模拟信号进行同步采样。

[0030] 所述FPGA根据AD转换器的数据进行傅里叶变换的运算，求出各通道的相角信息，同时将计算结果和波形文件通过将数据发送给控制器模块。

[0031] 本发明的有益效果为：

[0032] (1)本发明进行核相工作，可以明显减少核相工作强度，核相过程中一端可使用固定的授相源，不需要频繁变更，仅需在待核相端安装一台核相设备即可；改变传统每个核相点需要安装两台核相装置的过程，核相过程的工作量仅为原来的一半；

[0033] (2)本发明解决了传统核相过程中，由于核相仪通信距离的限制，导致核相点不能超过10米的问题，更便于选择安全的核相点，保证了核相过程中人员的人身安全。同时核相工作也不在局限在同一电压等级进行核相工作，设备应用场合更广；

[0034] (3)本发明的核相数据自动保存在后台服务器端，可以生产核相报告，以便于日后查看核相数据。

附图说明

[0035] 图1(a)为本发明的相量的角度为0°示意图；

[0036] 图1(b)为本发明的相量的角度为-90°示意图；

[0037] 图2为本发明的系统架构示意图；

[0038] 图3为本发明的信号调理电路示意图；

[0039] 图4为本发明的电源模块示意图；

[0040] 图5为本发明的初始化流程示意图；

[0041] 图6为数据分析服务流程示意图；

[0042] 图7为数据存储服务流程示意图；

[0043] 图8为数据转发服务流程示意图；

[0044] 图9为Webserver服务示意图。具体实施方式：

[0045] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0046] 随着美国的全球定位系统GPS(Global Position System)出现并开始应用于电力系统，GPS系统提供的高精度时钟成为了相位测量的参考量，对电网系统中各个主要节点上的电参量进行同步测量，获得电网各状态的同步信息，从而实现全网的监测、保护及控制，并通过跟踪快变系统的动态现象，实现系统的实时动态控制，并可进一步实现状态估计、稳定监测和控制。

[0047] 《电力系统实时动态监测系统技术规范》定义的同步相量是以标准时间信号作为采样过程的基准，通过对采样数据计算而得的相量。因而，电力系统交流电气量的相量之间存在着确定的相位关系。

[0048] 模拟信号 对应相量形式为 如图1(a)、图1(b)所示，当x(t)的最大值出现在秒脉冲1PPS时，相量的角度为0°，当x(t)正向过零点与秒脉冲1PPS同步时相量的角度为-90°，其他角度值依次类推。

[0049] 如图2所示，包括服务层、网络层和物理层。

[0050] 服务层包含数据防火墙、通讯交换机和授相服务器三部分组成，数据防火墙提供了对整个数据层的数据安全支撑，通讯交换机为授相服务器的数据交换设备。授相服务器定时召唤在线核相主机同步相量信息并将数据存储到授相服务器数据库中。便携式核相仪可通过GPRS实时查询授相服务器中的同步相量信息对带核相线路进行核相计算。

[0051] 网络层，在线核相主机通过内置GPRS模块将采集到的同步相量信息发送到授相服务器，作为授相的标准源。

[0052] 便携式核相仪通过GPRS获取授相服务器的同步相量数据，并通过就地采集的同步相量数据对线路相位进行识别。

[0053] 物理层的授相源，在线核相主机安装于已知相位的母线PT二次侧，装置安装配置后。通过自身GPRS模块向远端服务层授相服务器进行注册识别。授相服务器定时向在线核相主机查询同步相量信息，并在内存中对同步相量信息进行缓存，同时将同步相量信息存储至服务器中。

[0054] 待核相，便携式核相仪将采集口、GPS天线正确连接，打开终端(如手机、平板、笔记本电脑等)的无线热点功能后核相仪会自行连接该无线热点。操作员通过终端Web浏览器打开便携核相仪的操作界面选择相应的核相线路。核相仪通过终端GPRS获取授相服务器的实时同步相量数据，并通过自身采集的同步相量数据进行比较对线路相位进行计算识别。并将结果展示到Web界面中，提供给操作员作为线路相位识别参考。

[0055] 为使核相仪能便于使用，可灵活的部署在各个测量点，其应该具有准确的时钟信号，测量点两端的信息能够流畅的交互，并且信息交互不能有距离限制，同时应该具有良好的人机交互界面。

[0056] 授时方式

[0057] IRIG-B码授时：IRIG-B码授时方式是一种常用的授时方式，通过脉冲码元为需授时设备提供准确的时钟信号，该种授时方式精度可以达到1微秒，能够满足同步相量采集的需求。使用该授时方式，需要有专门的支持IRIG-B码格式的时钟单元，因此不便于现场使用。

[0058] IEEE1588授时：IEEE1588是基于以太网的网络授时协议，可以达到10us的授时精度，在对相量测量角度要求不高的场合可以使用改协议，另外，为支持该协议需要专用的支持IEEE1588的授时服务器及交换机，目前只有数字变电站具有该种授时能力。

[0059] 卫星授时：通过GPS/北斗卫星的授时方式可以达到20纳秒的授时精度，完全满足相量测量的时钟要求，此种方式安装方便，不受其他外部设备的限制，只要卫星天线能够正常接收卫星信号即可完成授时要求。

[0060] 鉴于以上三种授时的优缺点，考虑到现场安装的方便、灵活、稳定的要求，采用卫星授时方式。

[0061] 通信方式

[0062] 有线网络：具有传输数据量大、通信稳定可靠、传输延时小的优点，其缺点是需要敷设网线，部分场合施工难度大，不便于安装改造。

[0063] 无线网络：依据现有的GPRS网络实现实现数据传输，其优点是信号覆盖范围广、可利用基站多。缺点是网络通信有断续现象，传输带宽窄，网络延时大灯问题。

[0064] 考虑到装置会为每个采样点加入准确的时标信号，因此，网络本省的延时不会影响设备的正常运行。由于设备本身具有存储功能，网络中断时可将临时数据存入内置存储器中，待网络恢复正常时将数据打包发送给服务器，GPRS网络中断时间一般比较短，不会对核相工作带来障碍，鉴于以上两种的方案的优势和劣势，选取GPRS的无线通信方式。

[0065] 人机交互方式

[0066] 装置在使用时需要进行必要的参数配置，使测量信息与实际测量值的信息吻合，最终的核相结果也需要通过交互界面展示给用户，常用的交互界面主要有以下两种：

[0067] 液晶显示：液晶可以直观的展示设备的测量数据，直观的将数据展示给用户，但大尺寸液晶在恶劣环境中运行往往会受到电磁场的干扰，导致屏幕死机、花屏等故障，影响用户的正常使用，此外，液晶的寿命较短，长期使用会增加设备的维护工作量。

[0068] WEB显示：利用WEB界面可以给用户展示丰富的信息量。此外，WEB界面具有良好的兼容性，用户可以通过电脑、手机、平板等终端直接连接读取数据，不需要专用的显示器件，可以大幅度降低装置的硬件成本。利用WEB方式利于实现历史数据的存储、分析等工作。

[0069] 通过对比可见：WEB方式在用户体验、设备稳定性、设备性价比等方面都要优于液晶显示的方式，因此选用WEB的人机交互界面。

[0070] 核相仪由控制器模块、相量测量模块、时钟模块、电源模块等四大部分组成。控制器模块主要负责收集各测量模块采集到的数据信息，对数据进行进一步计算、分析和处理等工作，同时将有效数据进行转发和存储等；相量测量模块主要负责于对电压电流进行带有准确时标的高精度采集，由于其模数转换器可以直接通过外部精确时钟信号进行触发，从硬件结构上规避了AD转换延时、数据传输延时、数据计算延时等误差量的引入因素，充分保证相量计算的准确性；时钟模块主要负责为各模块提供准确的时钟信息，时钟模块内有兼容GPS和北斗授时功能的授时芯片，可以独立为系统提供时钟，可以接受站内IRIG-B的时钟信号或通过网络授时技术进行时钟校时。

[0071] 主从机模块间的通信数据包括，数据信息和时钟信息。数据信息参考SPI时序设计通信协议，时钟信息参数三线制授时方式，共需要6组通信数据线。对比不同总线的传输速度、传输距离、传输稳定性最总选择MLVDS总线最为通信总线。

[0072] MLVDS是多点低电压差分信号(Multipoint low Voltage Differential Signaling)的英文缩写，它是LVDS家族中的新成员。其推出主要是用来优化多点互连应用，所谓多点应用指的是有多个驱动器或者接收器件共享单一的物理链路的互连应用，这种应用要求驱动器件有足够的驱动能力来驱动多路负载，同时要求驱动器件与接收器件都能承受由于单板热插拨所引起的物理总线上负载变化。

[0073] MLVDS标准可以支持高达到10Mbps数据速率和宽的共模电压范围(+/-2V)，以及强劲的ESD保护从而支持热插拨功能。MLVDS通过控制输出数据的压摆率和输出幅度来解决电磁干扰(EMI)问题，另外M-LVDS保留有LVDS低压差分信号特性，可以更进一步减小电磁干扰。

[0074] MLVDS特别适合工业控制、电信基础设施和计算机的外围设备接口应用。众所周知在涉及多点用场合人们习惯于采用RS-485，而MLVDS技术比RS-485能提供更高的传输速率(理论上高达500Mbps)、更低的功耗，因而能显著降低系统成本。

[0075] 参照Texas Instruments给出的MLVDS通信设计方案，选用该公司生产的SN65MLVDS200A芯片，该芯片遵守MLVDS通信协议，通信速度可以100Mbps的通信速率，功耗小、供电范围宽，适合本场合的应用。

[0076] 相量测量模块采集到的数据发送给控制器模块硬件结构采用MLVDS总线实现一对多的通信方式，采用高速SPI的通信时序，SPI通信时钟速度为20Mbps。每个采集模块每秒的数据量＝256*8*2*50＝200Kbyte＝1.6Mbit。以最大挂载8个模块计算，每秒的数据＝1.6*8＝12.8Mbit，由上可以看出20Mbps的通信速度可以满足传输要求。数据总线包括MLVDS总线(共5组包括高速通信总线3组，时钟信号线2组)、485总线、通用IO、同步信号信号、USB总线、电源线等6部分组成。

[0077] 通信流程：各测量模块与控制器的通信采用轮询的方式，由控制器下发回传指令，测量模块收到对应的指令后，与本机ID号进行对比，若指令码与本机ID号相同则将本机数据进行回传，正常的轮询顺序为1、2、3...N(N最大为8)；若数字量模块因状态变化需要上传数据时，将上传请求信号线(通用IO，可以分配给不同的模块)拉低，待读完当前设备数据后再去相应该设备，此时最大的延时时间为2.5ms。

[0078] 模块报到：上电后控制器模块以ID编号顺序向各采集模块和数字量模块下发报到命令，若对应的ID编号的设备存在则返回相应数据，控制器根据返回的数据识别设备的属性及状态。待所有设备完成报到后在控制器内生成设备表，为后续模块轮询提供设备信息。

[0079] 模块轮询：控制器模块(由内部FPGA实现)对个采集模块实行轮询数据通信模式，轮询周期为2.5毫秒，即每2.5毫秒完成对所有模块的一次轮询；轮询时优先对数字模块进行轮询。其流程为：控制器模块给指定ID模块发送轮询命令，该ID对应模块收到轮询命令后，占用数据上传总线，进行数据传输。完成该模块数据传输后，在读取下一模块数据，直到所有模块轮询一遍结束。

[0080] 对于相量测量模块每次轮询时传输的内容为一个轮询间隔内的波形数据及对应的时标信息，计算出的相量信息在每周期的第4次轮询时跟随波形数据进行发送；对于数字模块在轮询间隔内时若开关存在变位则上传对应通道变位后的状态及变位时间。

[0081] 控制器模块采用ARM+FPGA架构(ARM处理器为Freescale I.MX6Q Cortex-A9四核处理器，主频1GHz，2G内存)，搭载Linux3.5操作系统，主要功能为：

[0082] 1、存储相量测量模块和数字量模块的数据信息功能

[0083] 2、负责将数据进行转发，完成通信与外部的通信功能

[0084] 3、对数据进行二次处理，提取组合数据功能

[0085] 4、采集数据的本地显示功能。

[0086] FPGA将测量模块的数据通过MLVDS总线得到数据后，将数据暂存在FPGA中，待数据缓存区半满后打包发送给ARM处理器。FPGA与ARM之间的通信方式采用PCIE的方式。

[0087] 相量测量模块主要完成对电压电流量的相角采集工作，主要有FPGA和高精度AD转换器组成。FPGA负责完成AD芯片的控制工作，FPGA收到GPS的时钟信号后可以进行分频处理后用来触发AD。充分保证AD转换时间的精准度，减小相角计算的误差，使用16位的差分信号输入AD转换器，该AD转换器可以对8路模拟信号进行同步采样保持，从芯片结构上避免了多相采集的时间延迟问题。

[0088] 采集到AD转换数据后FPGA可以继续进行高速快速傅里叶变换的运算工作，求出各通道的相角信息，同时将计算结果和波形文件通过MLVDS总线将数据发送给控制器。

[0089] 为保证瞬时数据的传输要求，相量测量模块设计有SMV接口，可以高效、快速的将波形数据进行外传，减小数据传输的延时时间。

[0090] 此处FPGA的主要功能为：控制AD转换、计算相角和幅值、数据暂存、数据发送等。

[0091] 为保证采样精度，避免因互感器负载能力带来的小信号测量误差，电路中并未采用普通的采样电阻式的取压方式，改用电流-电压变换电路，将互感器输出的电流信号直接转成可供AD芯片使用的电压信号。考虑到电磁互感器本身性质决定的延时特性，在运放电路中通过RC补偿电路实现对信号的相位补偿，进一步提高在相角测量时的精度。互感器输出端配置有TVS二极管，防止瞬间的过大电流流过时对运放电流的冲击，充分保证电路的可靠性，其具体电路如图3所示。

[0092] 时钟模块主要由FPGA、授时模块、恒温晶振、IRIG-B光纤输入接口、IRIG-B光纤输出接口、PTP网络授时接口、总线接口等部分组成。模块获取时钟的方式有卫星授时方式、IRIG-B授时方式、PTP网络授时方式。

[0093] 卫星授时：装置内部具有GPS和北斗的双套授时系统，可以通过卫星获取准确的时钟信息，卫星授时可工作在GPS模式、北斗模式、GPS+北斗三种模式下，用户可以根据需求灵活选择。此种方式主要针对安装位置无其他授时方式的场合。

[0094] IRIG-B授时：模块具有解析IRIG-B授时信号的能力，此种方式主要针对安装位置已有IRIG-B光纤的场合，可以省去拉设GPS/北斗天线的工作，简化施工难度。

[0095] PTP网络授时：模块具有PHY芯片，能够支持IEEE1588格式的PTP网络授时。

[0096] 整个设备需要的供电电源为+5V、+12V、-12V共三路电源，电源模块采用广州金升阳公司生产的AC-DC模块，分别为LH40-10D0524-06为设备提供5V电源，LH15-10A12为设备提供+12V和-12V稳定的电源供电。为可考虑装置电磁兼容问题，增加了必要的防护电路，采用工模扼流圈来抑制由电源侧传到过来的工模干扰，通过增加压敏二极管来保证设备在输入过压时的自我保护，利用Y型滤波电路来吸收浪涌带来的能量冲击，提供对地的泄流回路。此外电路增加NTC自恢复保险，在设备受到外来冲击导致电源自我保护后，待冲击消失后设备能够自行恢复，减少设备的人工维护工作。电源模块的设计电路如图4所示。

[0097] 电源、遥信、遥测的输入接口均设计有防浪涌冲击电路，可以有效防止静电及浪涌的冲击；单元内部所有处理器件均设计有硬件看门狗，能够在异常状态时及时的进行重启，保证设备的连续工作性。

[0098] 控制器模块采用ARM处理器，搭载Linux操作系统，底层数据通过外设驱动层传输给核相仪的运行服务程序，运行服务程序根据具体的业务逻辑，对数据进行分析、存储、转发等操作，完成核相的整个工作流程。

[0099] 设备上电后完成操作系统的加载后自动启动核相服务程序，执行设备的软硬件初始化、解析各采集通道配置文件、设置通信参数、恢复背景数据等工作，具体工作如图5所示。

[0100] 通过底层驱动采集电压、电流和开关量状态等基础数据，由数据采集服务计算电压偏差、频率偏差、谐波(50次)、间谐波、电压电流不平衡度、电压波动与闪变、基波及各次谐波有功功率、无功功率、功率因数等；谐波电压、电流的幅值及其相角；各次谐波电压的含有率及其电压总畸变率；各次谐波有功、无功功率、功率因数等。

[0101] 如图6所示，数据采集服务将采集的实时数据写入实时内存缓冲区，数据分析服务通过实时内存缓冲区内数据计算电能参数，并通过录波规则检测实时数据缓冲区中的数据，判断是否触发录波，当达到录波条件时通过消息传递触发数据存储服务进行数据记录。

[0102] 如图7所示，数据采集服务将采集的实时数据写入实时内存缓冲区，数据存储服务通过数据存储服务将数据写入SQLite等轻量级数据库。

[0103] 事件服务分为软件运行事件、硬件问题事件、外部中断事件。

[0104] 软件运行事件：记录服务运行过程中的动作事件和故障事件；

[0105] 硬件问题事件：记录核相仪模块硬件故障事件；

[0106] 外部中断事件：记录核相仪模块外部连接的故障触发信号；

[0107] 如图8所示，数据转发服务通过实时数据缓冲区获取设备实时数据，通过通讯规约接口与外部系统进行对接。

[0108] 如图9所示，嵌入式Web服务器(embedded web server，EWS)是指将Web服务器引入到现场测试和控制设备中，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测试和控制设备转变为具备了以TCP/IP为底层通信协议，Web技术为核心的基于互联网的网络测试和控制设备。其执行3种基本功能：

[0109] ①静态和动态网页信息发布；

[0110] ②提供接口监测现场设备；

[0111] ③提供接口控制现场设备。

[0112] 由于Web技术的开放性和独立平台特性，降低了软件系统和通信系统的设计、维护工作量，提高了现场测试和控制设备的管理水平。嵌入式Web服务器技术提供了异构网络远程管理和监控设备的方法和途径。

[0113] 在嵌入式Linux系统中，常用的Web Server有Boa、httpd、thttpd和mini-httpd等。其中Boa是一个运行在类Unix系统中的小型WebServer，适合嵌入式环境。在Boa中若两个用户同时访问，则其中的一个必须等待，它产生独立进程来处理CGI(通用网关接口)程序，因此占用较少的资源。

[0114] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。