一种配电网同步相量装置设计方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术领域，特别涉及一种配电网同步相量装置设计方法。

背景技术

随着配电网中分布式电源和以电动汽车为代表的新型负荷的出现，传统配电网向兼具电源和负荷的有源配电网发展，运行特征发生着巨大变化。分布式电源的间歇性和波动性的特征增加了配电网运行的复杂性和不可控性。配电网电力电子化程度的加深引入了更多的谐波，影响了电能质量。因此，进一步加大配电网量测系统的精度和广度是目前配电网运行亟待解决的问题。

如图1所示，主网同步相量装置由于体积大、成本高，无法适应配电网复杂多变的安装场景，以及在配电网大面积普及应用；同时，目前主网同步相量装置程序版本固定，多适用于变电站等业务需求相对固定的应用场景，不方便根据现场情况灵活配置。现有的配网自动化系统不具备同步时标，无法实现相位精确量测，导致对系统运行状态特别是故障后的配网动态监测不准确，不能精确计算配网潮流以及评估全网信息。而常规的PMU一般装设在高电压等级变电站和主力发电厂，复杂的结构和高额的维护成本限制了其在配电网侧的使用。

当前，各种类型量测装置独立化，尚未进行结构和功能化融合，在有源配电网内商业化布置多种量测装置，成本过高。另外，现有配电网同步相量测量装置量测物理量较少，难以获取配电网电能质量参数及暂态同步波形等反映配电网故障、异常状态的关键信息。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种配电网同步相量装置设计方法，通过基于SOC架构的高集成度双核芯片硬件设计，实现了装置的微型化和低成本，并将装置功能分成若干个功能APP，实现了多数据监测的动态融合方法，并实现了双核任务的均衡分配。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种配电网同步相量装置设计方法，包括如下步骤：

基于SOC架构进行高集成度硬件设计，将CPU、FPGA、RAM芯片的功能进行整合，集成在一个芯片上构成完整的系统，负责业务数据的运算、处理和存储，并提供多用途通用外设接口；

将装置功能分成若干个功能APP，各个功能APP按需部署；

通过多数据监测的动态融合方法，实现双核任务的均衡分配。

进一步地，所述SOC架构分为处理器系统和可编程逻辑两个模块；

所述处理器系统由CPU、内存接口、IO外设、互连线模块组成，实现双CPU功能；

所述可编程逻辑为以FPGA为核心、通过片内高速总线与所述CPU进行交互的处理模块。

进一步地，多核数据的交互采用对称多处理器构架SMP实现，所述CPU核共享系统内存和外设资源，由操作系统负责处理器间协作，双核平等访问内存和外设资源，并保持数据结构的一致性。

进一步地，所述多个功能APP采用基础APP负责各功能APP的发现、注册、反注册、点表召测、心跳监测等功能，适应配电网复杂多变的应用场景。

进一步地，所述功能APP包括同步相量APP、三遥APP、馈线保护APP、馈线自动化APP、计量APP和电能质量APP；

其中，所述同步相量APP增加了2～50次谐波同步相量以及谐波变化量的同步相量上送。

进一步地，不同所述功能APP之间使用MQTT总线交换数据，各功能模块间的数据交互机制通过数据订阅与发布来实现，以本地模型为核心、内存数据库为基础，实现不同所述功能APP之间数据交互和消息交互。

进一步地，所述同步相量计算功能实时运行于所述CPU核1内，配电终端功能元件的启停取决于系统运行特征量，包括开关分合状态、系统电压电流值以及实际功能需求；

所述同步相量计算功能实时监测所述CPU综合负载率，根据当前所述CPU核1的负荷状态决策是否将配电终端功能切换于所述CPU核2中。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过基于SOC架构的高集成度双核芯片硬件设计，实现了装置的微型化和低成本，并将装置功能分成若干个功能APP，实现了多数据监测的动态融合方法，并实现了双核任务的均衡分配。

附图说明

图1是现有技术中主网同步相量装置示意图；

图2是本发明实施例提供的配电网同步相量装置设计方法流程图；

图3是本发明实施例提供的配电网同步相量装置硬件架构图；

图4是本发明实施例提供的功能APP示意图；

图5是本发明实施例提供的配电网同步相量装置双核CPU运行示意图；

图6是本发明实施例提供的配电网同步相量装置壳体示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图2是本发明实施例提供的配电网同步相量装置设计方法流程图。

图3是本发明实施例提供的配电网同步相量装置硬件架构图。

请参照图2和图3，本发明实施例提供一种配电网同步相量装置设计方法，包括如下步骤：

S100，基于SOC架构进行高集成度硬件设计，将CPU、FPGA、RAM芯片的功能进行整合，集成在一个芯片上构成完整的系统，负责业务数据的运算、处理和存储，并提供多用途通用外设接口。

S200，将装置功能分成若干个功能APP，各个功能APP按需部署。

S300，通过多数据监测的动态融合方法，实现双核任务的均衡分配。

上述设计方法中，配电网同步相量装置采用基于SOC(System-on-Chip)架构的高集成度硬件设计方法，将CPU、FPGA、RAM芯片的功能进行整合，将各种单一功能的电路设计集成在一个芯片上构成完整的系统。作为硬件设计的核心，负责业务数据的运算、处理和存储。对外设提供标准总线，支撑高速总线接口、对时接口、模拟量接口、数字量接口、外部通信接口等不同种类的接口。外设配置高精度模拟量采样回路，实现AD采样；智能IO实现开入、开出通道接口；配置2路以太网接口，实现与主站的高速实时网络通信。

具体的，SOC架构分为处理器系统和可编程逻辑两个模块。处理器系统由CPU、内存接口、IO外设、互连线模块组成，实现双CPU功能。可编程逻辑为以FPGA为核心、通过片内高速总线与CPU进行交互的处理模块。

多核数据的交互采用对称多处理器构架(Symmetric Multi-Processing,SMP)实现，SMP构架的系统中所有CPU核共享系统内存和外设资源，由操作系统负责处理器间协作，双核平等访问内存和外设资源，并保持数据结构的一致性。

进一步地，多核数据的交互采用对称多处理器构架SMP实现，CPU核共享系统内存和外设资源，由操作系统负责处理器间协作，双核平等访问内存和外设资源，并保持数据结构的一致性。

图4是本发明实施例提供的功能APP示意图。

请参照图4，具体的，多个功能APP采用基础APP负责各功能APP的发现、注册、反注册、点表召测、心跳监测等功能，适应配电网复杂多变的应用场景。

进一步地，功能APP包括同步相量APP、三遥APP、馈线保护APP、馈线自动化APP、计量APP和电能质量APP。

其中，同步相量APP增加了2～50次谐波同步相量以及谐波变化量的同步相量上送。

各功能APP根据现场情况需要灵活部署在配电网同步相量装置。装置接入“断路器位置”、“储能位置”、“接地位置”等一次设备状态信息，并上送至主站。

进一步地，不同功能APP之间使用MQTT总线交换数据，各功能模块间的数据交互机制通过数据订阅与发布来实现，以本地模型为核心、内存数据库为基础，实现不同功能APP之间数据交互和消息交互。

配电网同步相量装置的不同功能APP之间使用MQTT总线交换数据，各功能模块间的数据交互机制通过数据订阅与发布来实现，以本地模型为核心、内存数据库为基础，实现APP间数据交互、消息交互。信息交互通过mqtt工业物联网协议，实现APP的封包及下载功能。MQTT协议为信息队列遥测传输协议，是基于代理发布/订阅的消息传输协议。将实时库、日志、文件、bootloader、定值、参数、统计存储等公共服务打包为一个APP包，此包为基础APP，且为终端第一个安装的APP包，称为APP0，其它APP包的安装都以此APP为基础。交互方式依然采用原有的本地总线模式，APP0主要负责APP的发现、注册、反注册、点表召测、心跳监测等功能，以MQTT方式与调试工具、主站交互。

图5是本发明实施例提供的配电网同步相量装置双核CPU运行示意图。

请参照图5，同步相量计算功能实时运行于CPU核1内，配电终端功能元件的启停取决于系统运行特征量，包括开关分合状态、系统电压电流值以及实际功能需求；同步相量计算功能实时监测CPU综合负载率，根据当前CPU核1的负荷状态决策是否将配电终端功能切换于CPU核2中。

通过对多数据监测的动态融合方法，实现双核任务的均衡分配。同步相量计算功能实时运行于第一个CPU核内，配电终端功能元件的启停取决于系统运行特征量，包括开关分合状态、系统电压电流值以及实际功能需求等(对于开关分合状态，如果所接负荷开关为分位，则暂停配电终端功能元件；如果装置检测到系统发生短路故障，会立即启动配电终端功能元件运行保护功能模块)；同时实时监测CPU综合负载率，根据当前CPU核1的负荷状态决策是否切换配电终端功能于CPU核2中。通过对运行关键指标的实时监测，实现DTU元件运行周期的动态调整，保证双核CPU始终运行于最优状态。

图6是本发明实施例提供的配电网同步相量装置壳体示意图。

请参照图6，采用基于SOC架构的核心芯片硬件设计，使本发明中的配电网同步相量装置体积可减小到主网同步相量装置的1/8左右。同时，采用标准化航空端子，实现密闭装置设计，使装置的防护等级达到IP54，适应配电网柱上开关等应用场景。

本发明实施例旨在保护一种配电网同步相量装置设计方法，包括如下步骤：基于SOC架构进行高集成度硬件设计，将CPU、FPGA、RAM芯片的功能进行整合，集成在一个芯片上构成完整的系统，负责业务数据的运算、处理和存储，并提供多用途通用外设接口；将装置功能分成若干个功能APP，各个功能APP按需部署；通过多数据监测的动态融合方法，实现双核任务的均衡分配。上述技术方案具备如下效果：

通过基于SOC架构的高集成度双核芯片硬件设计，实现了装置的微型化和低成本，并将装置功能分成若干个功能APP，实现了多数据监测的动态融合方法，并实现了双核任务的均衡分配。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。