劉曉晟

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

0 引言

數(shù)字化變電站近年來(lái)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，與傳統(tǒng)變電站采用電纜互聯(lián)實(shí)現(xiàn)間隔間的信息共享不同，數(shù)字化變電站的信息共享是基于以太網(wǎng)，數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)字化設(shè)備是必要條件，各種數(shù)字通道的控制和整合也必不可少。為了有效利用電子式互感器等數(shù)字設(shè)備，信號(hào)必須進(jìn)行統(tǒng)一處理，因此IEC 61850等數(shù)字化變電站標(biāo)準(zhǔn)和IEC 60044－7/8等電子互感器標(biāo)準(zhǔn)均涉及到合并單元（Merging Unit，MU）。

合并單元最早出現(xiàn)于IEC 60044－8電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)二次轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間相關(guān)的采集處理并為二次設(shè)備提供相關(guān)數(shù)據(jù)樣本的物理單元，圖1為標(biāo)準(zhǔn)定義的合并單元及系統(tǒng)框圖，其中EVTa的SC為a相電子式電壓互感器的二次轉(zhuǎn)換器，ECTa的SC為a相電子式電流互感器的二次轉(zhuǎn)換器，其它以此類推。

圖1 合并單元及系統(tǒng)

合并單元可以是現(xiàn)場(chǎng)互感器的一個(gè)組件或獨(dú)立單元。IEC 60044－8電子電流互感器標(biāo)準(zhǔn)指出：二次轉(zhuǎn)換器也可以從傳統(tǒng)電壓互感器或電流互感器獲取信號(hào)。因此合并單元可以不依賴電子式互感器而獨(dú)立使用，傳統(tǒng)的互感器也可以通過(guò)合并單元構(gòu)成數(shù)字化系統(tǒng)。合并單元的獨(dú)立使用，使得數(shù)字化變電站的發(fā)展有更大的靈活性，包含合并單元的測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，其中PC為一次轉(zhuǎn)換器，其可以是電子式互感器或傳統(tǒng)互感器；SC為二次轉(zhuǎn)換器。

圖2 包含合并單元的測(cè)量系統(tǒng)

1 合并單元技術(shù)要求

合并單元是數(shù)字化變電站數(shù)字接口的核心功能單元，涉及變電站內(nèi)甚至變電站間多種設(shè)備，是保證各類數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵，因此對(duì)合并單元的檢測(cè)十分必要。合并單元的主要功能是同步、多路數(shù)據(jù)采集處理和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出，對(duì)其功能提出必要的技術(shù)要求，保證檢測(cè)具有針對(duì)性。

1.1 同步

合并單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集，從而保證變電站二次設(shè)備需要的采樣數(shù)據(jù)是在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上采得的。能否實(shí)現(xiàn)合并單元的同步，成為合并單元能否準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。圖3所示為采用時(shí)鐘脈沖同步的合并單元同步原理，同步信號(hào)1為合并單元間同步的秒脈沖時(shí)鐘信號(hào)，同步信號(hào)2為合并單元向各轉(zhuǎn)換器發(fā)送的采樣信號(hào)。

圖3 合并單元的同步

同步過(guò)程為：由GPS產(chǎn)生秒脈沖同步信號(hào)1；合并單元接收同步信號(hào)1；判斷同步信號(hào)1的正確性，如信號(hào)錯(cuò)誤，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并采用自身守時(shí)信號(hào)向各轉(zhuǎn)換器發(fā)送等間隔的同步信號(hào)2；在同步信號(hào)1正確時(shí)，向各轉(zhuǎn)換器發(fā)送等間隔同步信號(hào)2。

因此，對(duì)合并單元同步技術(shù)的檢測(cè)主要針對(duì)同步信號(hào)1的接收和同步信號(hào)2的發(fā)送。其中同步信號(hào)1有3種方式：PPS（秒脈沖）方式；IRIGB碼（直流）；IEEE 1588方式。PPS方式是同步時(shí)鐘發(fā)出每秒1次的光學(xué)或電脈沖信號(hào)；IRIG-B碼是含有年份和時(shí)間信息的碼元；IEEE 1588即網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確定時(shí)同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)讀寫高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和計(jì)算時(shí)間標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。

依據(jù)IEC 60044－8等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)同步信號(hào)1的共性要求為：時(shí)間觸發(fā)在從低到高的脈沖上升沿；時(shí)鐘速率為每秒1個(gè)脈沖；時(shí)間準(zhǔn)確度優(yōu)于1 μs；合并單元應(yīng)作合理性檢查，時(shí)鐘信號(hào)有誤時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

其它技術(shù)要求：合并單元利用秒脈沖、IRIGB（DC）或IEEE 1588同步電子互感器的采樣，采樣的同步誤差不超過(guò)±1 μs；每秒第一次測(cè)量的采樣時(shí)刻應(yīng)和秒脈沖的上升沿同步，對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)2在每秒內(nèi)均勻分布。

1.2 多路數(shù)據(jù)采集處理和輸出

在合并單元給多路A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號(hào)后，將同時(shí)接收多路通道的輸出數(shù)據(jù)并對(duì)其有效性進(jìn)行校驗(yàn)，將各路采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀后發(fā)送給測(cè)量、保護(hù)設(shè)備。

合并單元數(shù)據(jù)采集處理功能應(yīng)通過(guò)檢測(cè)合并單元的準(zhǔn)確性來(lái)驗(yàn)證。有些數(shù)據(jù)通道間的同步采用軟件插值算法，在這種情況下，即使時(shí)間信號(hào)完全準(zhǔn)確，插值點(diǎn)與實(shí)際值仍會(huì)存在誤差，對(duì)于線性插值來(lái)說(shuō)，最大誤差的估計(jì)值為：

式中，N為采樣點(diǎn)數(shù)，n為諧波次數(shù)，n=1時(shí)為基波。IEC 60044標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電子式互感器的采樣頻率可取為20點(diǎn)/周、48點(diǎn)/周或80點(diǎn)/周等，根據(jù)式（1），N=20時(shí)基波最大采樣值誤差為1.23%，N=48時(shí)基波最大采樣值誤差為0.21%。目前一般測(cè)控裝置準(zhǔn)確度應(yīng)達(dá)到0.2%，考慮到諧波等因素的影響，采樣頻率至少為80點(diǎn)/周。

2 檢測(cè)方法

2.1 同步檢測(cè)

圖4為合并單元的同步信號(hào)檢測(cè)原理，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源輸出標(biāo)準(zhǔn)同步信號(hào)1至合并單元，由標(biāo)準(zhǔn)頻率表等檢測(cè)表計(jì)對(duì)同步信號(hào)2和守時(shí)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并接收?qǐng)?bào)警、恢復(fù)、失效等信號(hào)。

圖4 合并單元的同步信號(hào)檢測(cè)原理

使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源輸出標(biāo)準(zhǔn)PPS信號(hào)至合并單元，利用PPS信號(hào)作為“閘門”信號(hào)，用高精度計(jì)數(shù)器或時(shí)間測(cè)試儀檢測(cè)同步信號(hào)2的頻率及計(jì)數(shù)，以確定采樣時(shí)間的正確性和均勻性。

使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源先輸出異常PPS信號(hào)，檢測(cè)是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)，然后輸出正常PPS信號(hào)，檢測(cè)是否發(fā)出恢復(fù)信號(hào)。

針對(duì)不同的同步信號(hào)方式，還應(yīng)做相應(yīng)補(bǔ)充檢測(cè)。對(duì)于PPS和IRIG-B碼（直流）方式，都可以用查看波形的方式進(jìn)行檢測(cè)。圖5為合并單元PPS輸入波形的技術(shù)要求，其中a脈沖間隔t1＞500 ms；秒準(zhǔn)時(shí)沿為上升沿，上升時(shí)間≤100 ns。

對(duì)于IRIG-B碼（直流）方式，影響時(shí)間精度的主要因素為沿的抖動(dòng)，由于時(shí)間準(zhǔn)確度優(yōu)于1 μs，因此沿的抖動(dòng)應(yīng)小于200 ns。

圖5 合并單元的PPS輸入波形

對(duì)于IEEE 1588方式，檢測(cè)時(shí)仍采用圖4的方式，但同步信號(hào)1采用網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行傳遞。

在實(shí)際應(yīng)用中，一些合并單元的同步并沒(méi)有使用采樣脈沖，而是采用軟件插值計(jì)算的方式，在這種情況下，同步信號(hào)2是插值計(jì)算的時(shí)間依據(jù)，仍要進(jìn)行上述檢測(cè)。插值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性還應(yīng)通過(guò)合并單元準(zhǔn)確性的檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證。

此外，還應(yīng)進(jìn)行時(shí)鐘守時(shí)信號(hào)測(cè)試。對(duì)于工頻頻率50 Hz的情況，相位準(zhǔn)確度要達(dá)到0.1°，則時(shí)鐘誤差應(yīng)小于4 μs，即失去同步信號(hào)1后，應(yīng)保證一定時(shí)間（如10 min）內(nèi)，時(shí)鐘誤差小于4 μs。測(cè)試時(shí)可用時(shí)間測(cè)試儀進(jìn)行多次測(cè)量取平均值，以保證檢測(cè)準(zhǔn)確性。

2.2 準(zhǔn)確性檢測(cè)

2.2.1 模擬檢測(cè)法

檢測(cè)合并單元的準(zhǔn)確性有模擬檢測(cè)法和數(shù)字檢測(cè)法兩種。模擬檢測(cè)法即采用交流標(biāo)準(zhǔn)源，輸出穩(wěn)定且準(zhǔn)確的交流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，合并單元控制二次轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，由合并單元管理軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，最后將合并單元得出的各項(xiàng)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到誤差。該方法可以充分利用原有的檢測(cè)設(shè)備，在二次轉(zhuǎn)換器側(cè)輸入二次電壓、電流信號(hào)，可保證信號(hào)的穩(wěn)定，工作也容易開展。誤差計(jì)算時(shí)，可采用計(jì)算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)源和合并單元管理軟件直接通信的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取和誤差計(jì)算。

對(duì)交流標(biāo)準(zhǔn)源的要求，可參照《國(guó)家電網(wǎng)公司交流采樣測(cè)量裝置校驗(yàn)方法》中的規(guī)定，考慮到合并單元等各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的不確定性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的穩(wěn)定性要求如表1所示。

表1 檢測(cè)合并單元的交流標(biāo)準(zhǔn)源要求

2.2.2 數(shù)字檢測(cè)法

對(duì)于無(wú)法采用模擬法進(jìn)行準(zhǔn)確性檢測(cè)的合并單元，可以采用數(shù)字法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖6所示，同步對(duì)時(shí)裝置發(fā)出同步信號(hào)后，由時(shí)鐘準(zhǔn)確度高于合并單元的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)裝置產(chǎn)生獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)源根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，接收同步信號(hào)2后將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送給合并單元進(jìn)行采樣，并通過(guò)以太網(wǎng)將采樣數(shù)據(jù)傳遞至合并管理軟件進(jìn)行計(jì)算，得出電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，最后將合并單元得出的各項(xiàng)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得到誤差。

圖6 數(shù)字法檢測(cè)原理

為保證合并單元在信號(hào)變化時(shí)的準(zhǔn)確性，數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)源輸出信號(hào)的頻率范圍應(yīng)為45～55 Hz，頻率的調(diào)節(jié)單位應(yīng)達(dá)到0.1 Hz，此外數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)源除輸出穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)外，還應(yīng)能輸出諧波信號(hào)和“波動(dòng)”信號(hào)，以檢測(cè)合并單元的計(jì)算能力。

采用數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)源檢測(cè)時(shí)，還可對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)時(shí)裝置在接到秒對(duì)時(shí)信號(hào)后開始按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)時(shí)，數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)源同步發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到合并單元發(fā)送的數(shù)據(jù)后停止計(jì)時(shí)，即得到合并單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字化變電站飛速發(fā)展，合并單元作為變電站數(shù)字化的核心部件，已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文提出的模擬和數(shù)字檢測(cè)方案解決了合并單元同步、準(zhǔn)確性、傳輸時(shí)間的延遲檢測(cè)等，為合并單元的檢測(cè)做了有益的探索。

[1]IEC 60044-7．Instrument Transformers-part7：Electronic Voltage Transducers[S]．1999．

[2]IEC 60044-8．Instrument Transformers-part8：Electronic Current Transducers[S]．2002．

[3]周捷，楊永標(biāo)，沈健，等.一種基于交流信號(hào)的模擬合并單元[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（2）:65-68.

[4]IEC 61850.Communication networks and system in substations[S]．2005．

[5]趙云峰，崔明，吳志勇.新型高授時(shí)精度時(shí)碼終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電光與控制，2009，16（3）:86-90.

[6]胡國(guó)，唐成虹，徐子安，等.數(shù)字化變電站新型合并單元的研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（24）:51-54.

[7]曹團(tuán)結(jié)，尹項(xiàng)根，張哲，等.電子式互感器數(shù)據(jù)同步的研究[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，19（2）:108-113.