智能變電站過程層高精度采樣值同步技術(shù)方案研究

廖 能 周明平 李 翔

（國網(wǎng)江西省電力有限公司贛州供電分公司，江西贛州341000）

0 引言

高精度數(shù)據(jù)同步是實(shí)現(xiàn)信息全網(wǎng)共享的重要前提，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將對時(shí)同步要求劃分為5級，分別用T1～T5表示，合并單元輸出的采樣信號應(yīng)達(dá)到T4級別，即4 μs。目前，智能變電站數(shù)據(jù)采樣采用的算法為傅里葉、小波分析等，這類算法要求采樣點(diǎn)均勻分布，但工頻信號的頻率是變化的，造成數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)非均勻地分布在整個(gè)信號周期上，導(dǎo)致采樣精度達(dá)不到T4級別。本文從該影響因素出發(fā)，解決因采樣時(shí)間間隔非等分而導(dǎo)致的同步采樣精度降低問題。

1 合并單元同步方案

合并單元實(shí)現(xiàn)兩個(gè)作用：（1）獲取GPS信號并采集多路電子互感器的輸出信號；（2）將采集到的數(shù)字信號按標(biāo)準(zhǔn)格式上傳至間隔層網(wǎng)絡(luò)。因此，合并單元具有兩類接口：同步采集接口、數(shù)據(jù)上傳接口。為實(shí)現(xiàn)合并單元的兩個(gè)功能，可將合并單元設(shè)計(jì)為同步功能模塊、數(shù)據(jù)處理功能模塊及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

同步功能模塊是實(shí)現(xiàn)智能變電站中各合并單元具有相同的采樣啟動信號，確保數(shù)據(jù)采樣過程中保持高精度的第一步。從目前的技術(shù)及裝置來看，同步采樣的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：（1）合并單元接收變電站統(tǒng)一授時(shí)裝置信號，該信號的頻率為1 Hz，不能滿足采樣要求，通過倍頻處理模塊，將1 Hz的時(shí)鐘信號轉(zhuǎn)換為所需頻率的同步信號，此信號可滿足采樣要求。（2）采用線性插值法。各路合并單元在采集到的數(shù)字信號上打上時(shí)間戳，在合并單元裝置內(nèi)通過插值算法計(jì)算出同一時(shí)間戳下的各電子互感器的采樣值，從而實(shí)現(xiàn)同步采樣。

2 采樣時(shí)間同步系統(tǒng)

2.1 采樣時(shí)間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站的優(yōu)勢在于采樣值共享，采樣值的高精度同步是實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測量、計(jì)量的基礎(chǔ)，變電站時(shí)間同步由電子互感器的采樣時(shí)序、站內(nèi)統(tǒng)一對時(shí)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。由于IEC 61850未規(guī)定同步采樣方案，從目前已投運(yùn)的智能變電站來看，電子互感器的A/D采樣時(shí)序多采用分頻/倍頻技術(shù)，站內(nèi)統(tǒng)一對時(shí)系統(tǒng)多采用GPS+IEEE 1588對時(shí)、B碼對時(shí)。實(shí)際工程中的采樣時(shí)間同步系統(tǒng)主要存在對時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定及電子式互感器、合并單元在分頻/倍頻等數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)上存在不同，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)的時(shí)序存在差異。

2.2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保智能變電站對時(shí)系統(tǒng)的高可靠性，提高時(shí)間同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性，時(shí)間同步系統(tǒng)可構(gòu)造三級對時(shí)同步系統(tǒng)，并可接收多種對時(shí)信號，如：北斗、GPS、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步等。三級對時(shí)系統(tǒng)可以通過SDH通道傳送時(shí)鐘同步信號。同時(shí)，過程層、間隔層交換機(jī)均支持IEEE 1588對時(shí)，根據(jù)IEC 61850-9-2協(xié)議可升級現(xiàn)有的電子互感器，使過程層設(shè)備直接與間隔層交換機(jī)之間實(shí)現(xiàn)同步及采樣值的上傳。依據(jù)該時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，站與站之間的時(shí)鐘同步可以通過SDH鏈路實(shí)現(xiàn)，同步精度優(yōu)于1 μs，確保了變電站之間的時(shí)間同步。

3 軟件補(bǔ)償技術(shù)

針對采樣點(diǎn)非均勻分布在整個(gè)信號周期上的問題，提出了一種能夠算出補(bǔ)償系數(shù)的軟件補(bǔ)償算法，彌補(bǔ)因工頻信號帶來的采樣誤差，提高同步采樣精度。

3.1 同步誤差與補(bǔ)償

被測的周期信號在0～N個(gè)均勻時(shí)刻進(jìn)行交流采樣，令t0=0，且：ΔT=2π-NTs=0，Δti=ti+1-ti=Ts（i=0，1，2，…，N-1，N），則為理想同步采樣，Ts為采樣周期。設(shè)周期為T連續(xù)的交流電壓信號為：ut=Umcos ωt，在滿足里赫利條件下，可展開為傅里葉級數(shù)，得到第k次采樣后的基波分量：

式中，u[k-（N-1-n）]為最近N次電壓采樣值。

設(shè)周期差值ΔT=2π-NTs，ΔT≠0時(shí)存在誤差，一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為N，假設(shè)第一個(gè)采樣點(diǎn)的位置在α處，則α處的各離散點(diǎn)電壓值為：uk=Umcos（Tsk+α）（k=0，1，2，…，N-1），代入式（1）可得電壓的實(shí)部為：

若周期T內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為N，電壓的最大測量誤差值與采樣點(diǎn)數(shù)成反比，當(dāng)N較大時(shí)，相對誤差較小，從而ΔT=2π-NTs很小：

令補(bǔ)償系數(shù)λ=，于是式（4）可以表示為：Um′=λUm。

將處理過的測量值除以補(bǔ)償系數(shù)λ或λ2便可得到高精度的同步值。

3.2 軟件補(bǔ)償技術(shù)仿真驗(yàn)證

使用交流電壓信號ut=Umcos ωt進(jìn)行仿真，設(shè)定電壓頻率按照0.1 Hz遞增，采樣點(diǎn)數(shù)N=25，軟件補(bǔ)償法前后電壓幅值的相對誤差如圖1所示，未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南鄬φ`差是補(bǔ)償后的10倍以上，因此該軟件補(bǔ)償方法能大幅度提高測量精度，從而提高數(shù)據(jù)采集同步精度。

圖1 軟件補(bǔ)償前后的誤差仿真對比

4 結(jié)語

本文針對智能變電站采樣值同步的各個(gè)環(huán)節(jié)提出了合并單元同步方案；在分析采樣時(shí)間同步系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了時(shí)間同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；提出一種軟件補(bǔ)償法，解決了因工頻信號頻率波動使采樣點(diǎn)非均勻分布在信號周期上而導(dǎo)致采樣精度下降的問題，結(jié)果表明，該方法能大幅度降低采樣數(shù)據(jù)的相對誤差，提高采樣值同步精度。