先进电力录波系统信息处理与数据压缩技术研究

摘要

电力录波系统是为电力系统各种状态分析提供信息的主要设备之一，根据电力录波系统记录下来的数据，分析正常及故障状态下的电力系统的运行规律，对预防、处理故障都有极其重要的现实意义。随着电力系统互联和电力市场的发展，近年来电力系统出现了多次大面积、长过程、发展性的事故，对电力录波广域同步、数据吞吐能力、自动化程度等都提出了新的需求。本文分析以上要求，针对新一代电力录波系统关键技术开展研究。
　　研究电力录波系统的三层信息处理模型，基于此模型实现了基于GPS精确授时的同步数据采集、基于双级环型数据结构的DMA传输控制和基于高效数据压缩技术的数据存储与通信。实现了基于双级环型数据结构的DMA传输控制机制和总线间FIFO机制，有利于提高系统效率与平均无故障时间；采用采样保持与多路复用电路，实现同步采样，最终实现高速、高效率动态数据采集系统。
　　在电源管理系统方面，研究电力录波系统数字化电源管理方法。数字化DC-DC变换器控制律的计算采用浮点乘累加器，提出了基于查表法的定点-浮点、浮点-定点快速转换机制和一种针对数字控制的乘累加过程优化机制，提高了计算速度；提出了一种控制器时序和状态机优化机制，避免了数字控制计算、模数转换等过程产生的延迟；采用双模式DPWM解决DPWM分辨率和占空比调整频率之间的矛盾，实现了高动态响应、无极限环的稳定输出；针对开关电源对模数转换的噪声干扰，基于数字化DC-DC变换器精确的时序控制提出用采样时刻与PWM同步的方法进行噪声抑制，有利于数据压缩品质的提高。
　　在电力系统精确授时方面，提出用时间序列分析法基于GPS时钟和晶振时钟精度互补模型实现精确授时。通过IRIG-B同步解码获得原始时间序列，进而根据模型周期稳定性确定时间序列分析的最优时间尺度；由于外界干扰、天气等因素，GPS产生秒时标具有不可靠性，存在秒脉冲丢失现象而产生缺损值，偶尔会出现偏离真实值过大的现象而产生离群点，本文以原始时间序列的一阶差分序列为参考，基于53H法提出了一种实时判断缺损值和离群点的方法，消除缺损值和离群点对精确授时的不利影响。
　　精确授时采取两种方法，第一种方法是确定性分析方法，采用基于Cramer分解定理把原始时间序列分解为由多项式决定的确定性趋势成分和平稳的零均值误差成分，利用趋势成分进行外推实现精确授时；第二种方法采用随机性分析方法，分析原始序列的平稳性，建立ARI模型，用有限的样本序列进行模式识别得到高精度模型，基于此模型用自适应卡尔曼滤波进行预测，实现精确授时，进一步提高了授时和同步精度。
　　在以上研究基础上，针对数据传输瓶颈，本文分析电力系统采样数据特性，基于信息重组思想提出了一种电力系统超长采样序列二维压缩算法。针对电网频率的波动和非整周期采样造成的等间隔采样序列循环间和循环内信息的耦合，采用两种方法对算法进行改进，第一种方法是插值预处理法，采用样条插值方法对等间隔采样序列进行重采样转换为等相位采样序列，对重采样之后的数据进行信息重组和压缩；第二种方法是同步采样法，用同步采样法直接产生等相位采样序列，对等相位采样序列进行信息重组和压缩。
　　本文研究工作提升了电力录波系统的数据吞吐和处理能力，实现了精确授时与同步，适应了电力系统广域测量与控制的需求，满足了电力系统的发展需求。

目录

先进电力录波系统信息处理与数据压缩技术研究

INVESTIGATION INTO INFORMATION PROCESSING AND DATA COMPRESSION TECHNOLOGY OF ADVANCED POWER SYSTEM RECORDER

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 国内外电力录波系统技术现状

1.2.2 电力录波系统应用分析

1.2.3 先进电力录波系统关键技术分析

1.2.4 电力系统数据压缩技术分析

1.3 本文研究内容

第2章 电力录波器动态数据采集处理系统研究与设计

2.1 引言

2.2 电力录波系统整体设计

2.2.1 电力录波系统结构分析与设计

2.2.2 动态数据采集处理系统设计

2.3 电力录波系统的三层信息处理模型研究

2.3.1 基于GPS精确授时的同步数据采集

2.3.2 基于双级环型数据结构的DMA传输控制

2.3.3 基于高效数据压缩技术的数据存储与通信

2.4 高精度多通道同步模数转换研究

2.4.1 高精度采样保持电路的拓扑研究

2.4.2 快速多路复用及模数转换电路设计

2.4.3 同步模数转换系统时序设计

2.5 基于FIFO结构的高效率总线通信

2.5.1 外部扩展总线通信设计

2.5.2 EMIF总线通信设计

2.5.3总线间高速FIFO单元的设计

2.6 动态数据采集处理系统的测试

2.7 本章小结

第3章 电力录波器数字化电源管理系统研究

3.1 引言

3.2 多路输出DC-DC变换器的拓扑结构分析

3.2.1 多路输出DC-DC变换器的总体方案设计

3.2.2 DC-DC变换器的状态空间平均法模型

3.2.3 数字化DC-DC控制器结构分析与设计

3.3 数字化DC-DC变换器极限环现象分析

3.3.1 采样环节结构分析

3.3.2 数字控制极限环振荡原因分析

3.3.3 基于二阶Σ-Δ调制器的DPWM

3.3.4 双模式DPWM状态自切换机制设计

3.4 数字化DC-DC变换器控制律浮点运算的优化

3.4.1 基于浮点乘累加器的compensator模块设计

3.4.2 基于查表法的快速整型-浮点、浮点-整型转换

3.4.3 基于优化状态机的控制律算法

3.5 数字化DC-DC变换器时序与控制策略优化

3.6 多路输出数字DC-DC变换器的测试

3.7 数字化电源管理对模数转换的噪声抑制方法研究与测试

3.8 本章小结

第4章 基于时间序列分析的高精度GPS授时方法研究

4.1 引言

4.2 电力录波器广域同步系统设计

4.2.1 采样同步系统分析与设计

4.2.2 IRIG-B码同步解码设计

4.3 GPS精确授时基本模型的建立

4.3.1 GPS时钟与晶振时钟互补模型的建立

4.3.2 基于时间序列分析法的UCT预测

4.3.3 时标观测值序列预处理方法研究

4.4 基于时间序列确定性分析法的精确授时研究

4.4.1 基本模型非平稳序列的确定性分析

4.4.2 GPS秒时标序列趋势性分析与UCT秒时标预测

4.4.3 多元回归算子的建立与精确授时的实现

4.5 基于时间序列随机性分析法的精确授时研究

4.5.1 基本模型非平稳序列的随机性分析

4.5.2 时间序列ARIMA模型分析及其状态空间表达式的建立

4.5.3 GPS秒时标序列ARI模型的识别与检验

4.5.4 卡尔曼滤子的建立与精确授时的实现

4.6 对两种精确授时算法的比较与分析

4.7 本章小结

第5章 基于信息重组的电力系统数据压缩技术研究

5.1 引言

5.2 电力系统采样数据冗余分析

5.3 电力系统超长采样序列二维压缩算法

5.3.1 电力系统周期性信号二维转换

5.3.2 电力系统数据压缩与解压缩算法

5.3.3 数据压缩实验结果分析

5.4 插值预处理法对数据压缩效果的改进研究

5.4.1 基于三次样条插值的重采样方法

5.4.2 三次样条插值重采样误差分析

5.4.3 改进后的数据压缩试验结果分析

5.5 同步采样法对数据压缩效果的改进研究

5.5.1 同步采样数据采集方法研究

5.5.2 实测数据定时器截断误差分析

5.5.3 改进后的数据压缩试验结果分析

5.6 对两种数据压缩改进算法的比较与分析

5.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历