一種合并單元的精度自動校正系統的實現

宋彥鋒　徐云松　沈　沉　楊　芳　朱建斌

(許繼電氣技術中心，河南 許昌　461000)

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一種合并單元的精度自動校正系統的實現

宋彥鋒徐云松沈沉楊芳朱建斌

(許繼電氣技術中心，河南 許昌461000)

為了提高合并器精度、簡化通道校正的復雜度，研發了一種電力系統合并單元(MU)的精度自動校正系統。該系統主要包括上位機和合并單元裝置。上位機需要實現各種自動校正指令的發送、校正結果的計算和檢測等功能。裝置需要完成各個通道有效數據的采集和控制，并根據上位機命令對各通道數據備份區內的數據進行校正。校正過程是通過調取相應的校正算法模塊實現的。與傳統的通過手動修改參數的通道校正過程相比，自動校準系統極大地提高了通道的校正效率和校正精度，減小了校正誤差，且校正過程更加簡單易行。

電力系統智能變電站合并單元采集通道自動校正傅里葉算法精度校正遠程過程調用協議

0　引言

在如今的電力系統中，過程層負責完成電力運行電氣量的實時檢測、運行設備的狀態參數檢測、操作控制執行與驅動，就是常說的模擬量、開關量采集，控制命令的執行。過程層設備包括光電互感器、合并單元和智能終端。合并器與互感器的輸出相連，并完成與一些跨間隔合并器的數據傳輸[1-3]。

合并單元是電流、電壓互感器的接口裝置。隨著數字化變電站自動化技術的推廣和工程建設，對合并單元的功能和性能要求越來越高。與此同時，對帶有常規電磁式互感器接口的合并器數據采集處理功能的要求也越來越高。本文中提到的合并器都為具備常規采樣功能的合并器。

由于合并器裝置中，采集板卡的精度和板卡本身及所處的裝置環境都有關系，所以在合并器出廠和投運之前都需要校正采集通道的參數，以提高合并器的精度，并將參數固化。傳統的方式是依次對采集板的每個通道進行零漂、幅值和相位校正。每個通道要分別進行零漂校正，工作量大且容易遺漏。校正系數時，分別對各通道按整數增減系數，容易造成大偏差，精度不高。分別對各個通道進行相位校正，使得各個通道相位的一致性不高。整個校正過程中，人工干預的地方較多，出錯的幾率大[4-6]。一個經驗豐富的調試人員，用傳統的方法校正通道參數，校正一臺10通道的裝置至少需要花費20min，既耗時又費力。

為了解決上述校正存在的弊端，自動校正系統充分利用了合并器裝置CPU的計算能力，將整個校正過程全部通過裝置的CPU自動完成，實現了一鍵自動校正的功能。通過上位機的一個指令按鍵，能夠自動、快速、精確地完成整個校正過程，大大提高了調試人員的工作效率[7-9]。

1　精度自動校正原理

1.1算法實現原理

傅里葉變換是數字信號處理領域中一種很重要的信號分析方法：任何連續測量的時序或信號，都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。而根據該原理創立的傅里葉變換算法利用直接測量到的原始信號，以累加方式來計算該信號中不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。傅里葉變換將原來難以處理的時域信號轉換成了易于分析的頻域信號(信號的頻譜)，可以利用一些工具對這些頻域信號進行處理、加工[10-11]。

傅里葉變換是一種特殊的積分變換。它能將滿足一定條件的某個函數表示成正弦基函數的線性組合或積分。本系統校正所用到的算法如下：

(1)

(2)

式中:N為周期采樣點數；Hc[i]和Hs[i]為求取的第i個數據點的傅里葉系數。

當采樣點數為80點時，傅里葉系數公式為：

(3)

(4)

一般情況下，為了減輕CPU的負擔，先形成不同周期采樣點數的傅里葉系數表；計算時查表，以避免重復計算傅里葉系數。

系數相量算法公式如下：

(5)

(6)

根據基波有效值就可以得到本通道的真實數字輸出值，將真實數字輸出值和本通道的額定數字輸出值進行比較，就能得到本通道的系數。額定數字輸出值與通道類型有關，具體的映射關系如表1所示。根據基波實部和虛部的運算，可以得到通道相位值；與指定的基準通道的相位比較，就能知道當前通道相對于基準通道的相位偏移值。

表1　額定輸入/輸出映射表

1.2自動校正系統實現原理

自動校正系統主要包括上位機和合并單元裝置。

上位機工具利用以太網連接和遠程過程調用(remote procedure call,RPC)協議技術對裝置內部相應的內存變量進行修改和讀取，實現調試人員對通道自動校正過程的控制；根據裝置反饋的數據，對校正過程進行實時觀察和判斷，實現校正結果的固化。

合并單元裝置部分主要實現有效數據的采集、存儲、自動校正等功能。

自動校正系統實現原理如圖1所示。

圖1　自動校正系統實現原理圖

為了實現圖1所示的功能，裝置內部需要運行兩個任務：通道數據采集任務和通道校正任務，如圖2所示。

圖2　自動校正系統裝置端實現示意圖

通道數據采集任務的作用是為每個采集通道準備單獨的存儲區域、采集有效的通道數據，并與通道校正任務交互信息。

通道校正任務的作用是利用通道數據采集任務準備好的通道數據，按照不同的算法，分別實現通道的零漂、系數和相位校正。

2　自動校正系統的實現

2.1通道數據采集任務的實現

合并器裝置實現的通道數據采集任務用于完成各個通道的數據采集工作，并保證采集到的數據為連續有效的完整周期波形數據。采集任務負責將采集到的數據分別儲存在各個通道的數據備份區內。當存儲的數據達到校正需要的點數(校正精度要求越高，需要采集的數據點數越多)之后，自動停止該通道的數據存儲工作，并向通道校正任務傳遞數據準備信號。

整個過程不需要外部干涉，只要通道存儲區沒有數據或者數據無效，任務就會自主完成采集數據工作。通道存儲區的大小可以通過配置文件進行設置。

2.2通道校正任務的實現

在通道數據準備好的情況下，通道校正任務可以根據上位機軟件的校正命令，進行相應的通道校正，其流程如圖3所示。

圖3　CPU通道校正任務流程圖

任務休眠一定的時間之后，開始解析上位機軟件下發的校正指令。如果需要校正本通道并且該通道數據已經準備好，那么根據上位機指令包含的具體校正類型，進入相應的校正模塊。

零漂校正模塊流程圖如圖4所示。首先需要確定是否有校正本通道零漂的上位機命令、本通道校正所需的數據是否準備好。如果兩者都具備條件，就可以進入通道校正的算法程序：根據本通道的備份區數據，求出本通道數據的算術平均值。然后將該數據備份區的所有點的數據值分別減去本通道算術平均值，得出每一個采樣點的零漂偏移。最后再對這些計算出來的所有點的零漂偏移求算術平均值，即可得到本通道的零漂偏移值。

圖4　零漂校正模塊流程圖

計算出零漂之后，就可以計算通道的系數和相位偏移。系數校正和相位校正首先需要確定是否有校正本通道系數或相位的上位機命令、本通道校正所需數據是否準備好。如果兩者都滿足，就進入通道校正的算法程序。用本通道備份區的每一個采樣點數據分別減去該通道的零漂偏移值，即可得到每個采樣點去除零漂偏移影響的數據值——真實采樣值；將得到的所有點的真實采樣數據按照傅里葉算法計算，可以得到本通道的基波波形的實部、虛部以及基波有效值。

根據基波有效值，可以得到本通道的真實數字輸出，將該值和通道額定的數字輸出值(見表1)進行比較，就可以得到本通道的系數。

根據基波實部和虛部，即可計算出本通道相位，再和選定的基準通道(可在上位機工具任意選定)進行比較，就可以得到相對于基準通道的相位偏移值。

這些校正的計算過程都是由合并單元自動完成的。只需要上位機發送相應的校正信號，合并單元就會自動完成對應的校正工作。所有的校正完成之后，將各通道的校正結果寫入配置文件。合并單元以后每次上電，都會根據該配置文件先初始化各個通道。

3　自動校正系統的測試

自動校正系統的測試效果圖如圖5所示。

圖5　通道校正效果示意圖

如圖5(a)所示，被檢測信號和基準信號在幅值和相位上都有差異，我們的目的是校正被檢信號，使之與基準信號重合。通過本文設計的通道自動校正系統，只需在上位機工具界面上點擊零漂校正、系數校正和相位校正三個按鍵，就能得到如圖5(b)所示的校正后的波形。由圖5(b)可以看出，被檢信號已經得到校正并和基準信號線重合，經實際檢測驗證精度滿足合并器要求。

利用自動校正工具校正之后的合并器裝置交流采樣準確級如表2所示。

表2　校正后的合并單元交流采樣準確級表

以上精度全部滿足國家電網企業標準《模擬量輸入式合并單元檢測規范》[11]。

4　結束語

通過測試結果可以看到，合并單元精度自動校正系統的校正結果能夠滿足指標要求，解決了傳統校正方法效率低和易出錯的弊端。本文設計的合并單元精度自動校正系統極大地提高了通道的校正效率和校正精度，減小了校正誤差，且校正過程簡單易行，對提升合并器裝置生產和測試效率有很大幫助。該系統在提高數據采集控制效率、優化采集任務和校正任務交互方式、提高CPU的傅里葉算法計算效率等方面還有很大的空間。

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ImplementationoftheAutomaticPrecisionCorrectionSystemforMergingUnit

Inordertoimprovetheprecisionofmerger,andsimplifythecomplexityofthechannelcorrection,theprecisionautomaticcorrectionsystemofelectricpowermergingunit(MU)isresearchedanddeveloped.Thesystemmainlyconsistsofthehostcomputerandmergingunitdevice.Hostcomputerneedstocompletesendingavarietyofinstructionsforautomaticcorrections,calculatinganddetectingthecalibrationresults,etc.Thedeviceneedstoacquireandcontroleffectivelydataofeachchannel,andaccordingtothecommandsofhostcomputer,tocorrectthedatainbackupareaofeachchannel.Thecorrectionprocessiscompletedthroughcallingcorrespondingcorrectionalgorithmmodule.Comparedtothetraditionalchannelcorrectionprocesswithmanualmodifyingparameter,theautomaticcorrectionsystemgreatlyimprovesthechannelcalibrationefficiencyandprecision,anddecreasestheerrorofcalibration,aswellasthecorrectionprocessismoresimpleandeasy.

ElectricpowersystemSmartsubstationAutomaticcorrectionMergingunitAcquisitionchannelFourieralgorithmPrecisioncorrectionRemoteprocedurecall(RPC)

宋彥鋒(1984—)，男，2010年畢業于中北大學電路與系統專業，獲碩士學位，工程師；主要從事智能變電站設備嵌入式軟件平臺的研究。

TH-39;TP27

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609009

修改稿收到日期：2016-03-08。