一种面向负荷建模的现场数据采集记录装置的研制

摘要

由于目前缺乏可以准确模拟电力系统实际负荷特性的有效负荷模型,使得当下电力系统数字仿真所使用的负荷模型的精度仍然较为粗糙,以至于在全国电网互联背景下的电力系统数字仿真的研究结果的准确性难以得到保障。因此,现如今负荷模型精度的不足已经严重的制约了我国电力工业的进一步发展。　　然而,由于总体测辨法是目前最为有效负荷建模方法,研制面向这种建模方法的现场数据采集记录装置使其可以为负荷建模提供充足的高精度输入样本数据,以此来推动负荷建模技术逐步趋于完善,对于保障未来我国电力事业持续、健康发展有着重要的实际意义。因此,本文针对总体测辨法的实际应用需求,致力于研制一套可用于常规变电站现场的数据采集记录装置,以达到为负荷建模前期准备工作,即海量高精度现场实测样本数据的获取工作提供高可靠性系统级解决方案的研究目的。其中主要研究内容有如下几点:　　1)针对常规式变电站二次系统的组成结构以及接口特性,在分析了目前负荷建模常用电力系统现场数据采集装置的系统设计方法以及性能需求的基础上,本文提出了一种可用于常规变电站母线电气量数据采集的新型现场数据采集记录装置的设计实现方法,并详细阐述了该方法下装置内部具体核心功能模块的工作原理和数据流处理流程。最后通过探讨上述方法中各项关键技术的实现方法,论证了以上方法在本文装置研制方案中实施可行性。　　2)通过技术指标评估,本课题确立了装置实测样本数据在其幅值误差<5％,相移误差<5°,总谐波失真<1％的前提下,以差分方程来表述负荷模型使用相应的优化算法开展负荷建模,其建模所得模型的负荷特性吻合度误差可以控制在10％以内。因此,针对这一系列技术指标的要求,结合电力系统现场数据采集记录装置的基本功能需求,本文设计并实现了一整套包含前端信号调理电路、模拟抗混叠滤波器、数据采集卡、光电转换电路、GPS信号接收机、时钟同步主控单元、电平转换电路及装置配套电源等八大硬件主要组成部分在内的可适用于常规变电站的现场数据采集记录硬件电路平台,为后文装置配套软件的设计开发提供了有力的技术支撑。　　3)针对变电站现场时钟同步方法,结合已实现的装置硬件平台的具体特性,本文进一步的研究了IRIG-B码、GPS等电力系统常用的时钟同步方式的软件解码、同步方式自适应切换策略、时标上传及数据采样控制等装置底层软件设计中关键技术细节的软件实现方法。并最终利用Verilog硬件描述语言将上述技术方法逐一实现并整合,在具体整合过程中,不仅优化了寄存器配置还对相关的具体功能逻辑进行了时序约束,提升了装置配套底层软件的时钟同步可靠性和数据采样控制过程的软件工作效率。　　4)针对负荷建模对于电网系统掉电压故障这一扰动数据类型具有较高参数灵敏度的技术特点,本文进一步研究了基于越界保护判据法的装置配套上层软件相关的编程设计方法。其中具体涉及到 PCI总线驱动接口调用、数据采集事件触发量监控与管理、基于数据库操作的数据缓冲池的实现、RS-232串口软件系统校时、基于越界保护法的数据有效性判定、存储功能模块调用及特定数据格式输出等。通过逐一实现上述软件功能,最终本文装置具备了对外输出带有时标的负荷端口实测扰动数据的核心基本功能。　　5)在装置配套软、硬件研发工作完成后,为了进一步测试装置整机性能,本文利用ADPSS平台、TIMER-007、便携式服务器等实验室现有的试验仪器设备模拟常规式变电站实际工况环境搭建了相应的仿真测试环境。继而通过在便携式服务器上搭建IEEE电力系统14节点仿真接线图,并将其作为仿真任务提交至ADPSS平台开展数字仿真,从而得到输出与常规式变电站二次系统相同电压等级的模拟电气量信号。接着利用本文所研制的装置开展数据采集工作并通过对装置实测数据进行指标精度评估,本文得出了该装置主要技术指标特性为:幅值误差均值<5％,、相位误差均值<0.3°、总谐波失真<0.13％;与此同时,通过对单相故障、两相故障等典型数据开展负荷建模试验,本文还得出了上述典型算例下,以装置实测故障数据作为输入样本数据来开展负荷建模试验所得模型的负荷特性吻合度误差<7.5％满足了课题甲方单位的项目验收标准。最后,综合以上测试结论,本文得出了本课题所研制的“面向负荷建模的现场数据采集记录装置”不仅具备为负荷建模计算提供有效输入样本数据的实用资质,而且还具有实测数据精度高、可靠性好、易操作易使用等主要技术特点。

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第一章 绪 论

1.1 课题的背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本课题的主要研究内容

1.4 装置整机性能设计目标

1.5 本文的结构安排

第二章 现场数据采集记录装置的总体研制方案

2.1 变电站现场场景介绍

2.2 装置的总体研制思路

2.3 装置的总体结构框架

2.4 装置的硬件总体研制方案

2.5 装置配套软件的总体开发方案

2.6 本章小结

第三章 现场数据采集记录装置硬件平台的研制

3.1 装置硬件电路的设计

3.3 V-LVTTL电平

3.2 装置硬件电路的实现

3.3 装置电源的硬件解决方案

3.4 装置硬件平台的电路实物图

3.5 本章小结

第四章 现场数据采集记录装置配套软件的开发

4.1 装置软件开发平台简介

4.2 装置配套软件的设计与开发

4.3 装置软件核心单体功能的验证

4.4 本章小结

第五章 现场数据采集记录装置整机性能测试

5.1 试验环境

5.2 试验方案

5.3 装置实测数据与平台输出仿真数据的比对

5.4 装置整机性能指标的评估结果

5.5 试验结论

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果