高振東，許永金，倪維東，邵燦輝

（南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司，南京 210032）

智能變電站線性插值同步性研究及工程實(shí)踐

高振東，許永金，倪維東，邵燦輝

（南京河海南自水電自動(dòng)化有限公司，南京 210032）

0 引言

由于電子式互感器具有體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、不飽和、可靠、集成、低碳、環(huán)保等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了大力推廣和應(yīng)用，電子式互感器的應(yīng)用和智能變電站的建設(shè)不可避免的要接入不同間隔、不同廠家的IED設(shè)備。使得間隔層IED設(shè)備的各個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)，不可避免的存在不同步的問(wèn)題，基于FPGA的插值同步算法由于FPGA（可編程門陣列）具有快速性、可并行性、延時(shí)固定性等特點(diǎn)通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)采樣同步，并且同步后二次采樣數(shù)據(jù)能夠滿足IEC6044-8等標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。

1 插值算法及其原理

根據(jù)香農(nóng)定理，信號(hào)的重建是對(duì)樣本進(jìn)行插值的過(guò)程，即，從離散的樣本中，用數(shù)學(xué)的方法確定連續(xù)信號(hào)。

其系統(tǒng)圖如圖1所示，Xa(t)為模擬信號(hào)，Ya(t)為重建數(shù)據(jù)，P（t）為采樣函數(shù)。

圖1 插值系統(tǒng)圖

假設(shè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)理想采樣得到，則理想插值數(shù)據(jù)公式為：

其中，xa(nT)為離散采樣值，xa(t)為模擬信號(hào)，T為采樣周期。

式（1）由于是理想采樣信號(hào)可以完全重建，然而在實(shí)際應(yīng)用中采樣回路很難達(dá)到理想的采樣效果，所以采用軟件插值算法是一種比較理想的處理方式。

2 線性插值算法

假設(shè)我們已知坐標(biāo)（x0，y0）與（x1，y1），要得到[x0，x1]區(qū)間內(nèi)某一位置x在直線上的y值。根據(jù)圖2中所示，我們得到：

假設(shè)方程兩邊的值為α，那么這個(gè)值就是插值系數(shù)—從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x值已知，所以可以從公式得到α的值：

這樣，在代數(shù)上就可以表示成為：

圖2 插值算法圖

這樣通過(guò)α就可以直接得到 y。實(shí)際上，即使x不在x0到x1之間并且α也不是介于0到1之間，這個(gè)公式也是成立的。

由此，可得出線性插值可以插出連續(xù)信號(hào)，其精度隨著插值點(diǎn)的密度（即x1–x0）無(wú)限趨近于零時(shí)，越接近于實(shí)際的采樣值。而采樣頻率的增加，會(huì)占用CPU更多的資源等，成本可能會(huì)有所增加，所以選則合適的采樣頻率，同樣能夠滿足變電站的需要。

3 某變電站主變保護(hù)插值同步工程實(shí)踐

2010年12月安徽某220kV變電站在空載沖擊變壓器5次后，進(jìn)行帶負(fù)荷向量試驗(yàn)。主變保護(hù)以A相（所有顯示以A相電流為基準(zhǔn)，另外幅值基本沒(méi)有任何變化故不再體現(xiàn)）為例顯示如表1所示。

表1 高低壓側(cè)A相電流電壓角度

由于低壓側(cè)為容性負(fù)載（低壓側(cè)只帶了電容器）所以電流應(yīng)滯后電壓90°如表1而實(shí)際上按照向量低壓側(cè)電流滯后低壓側(cè)電壓300°-224°=76°；所以，產(chǎn)生了90°-76°=14°的角差。

圖3 實(shí)際接線示意圖

對(duì)以上問(wèn)題分析如下，主變低壓側(cè)存在電流電壓角差不對(duì)的問(wèn)題，主要是由于A公司MU和B公司MU的采樣值延時(shí)不一致導(dǎo)致，目前主變低壓側(cè)各個(gè)運(yùn)行裝置的延時(shí)分布情況如圖4所示。

圖3中的963us為A公司MU發(fā)送IEC60044-8報(bào)文中自帶的延時(shí)參數(shù)（并不是實(shí)際物理延遲時(shí)間），1740us為A公司MU采樣值的實(shí)際延時(shí)參數(shù)，1574us為B公司MU報(bào)文中自帶實(shí)際物理發(fā)送延時(shí)參數(shù)，2351us為B公司MU發(fā)送電壓采樣值的實(shí)際延時(shí)參數(shù)。

1）電壓滯后問(wèn)題解析

低壓側(cè)電壓延時(shí)T1：2351us = 1574us+ 1740us– 963us。

高壓側(cè)電壓延時(shí)T2：1074us。

2）單間隔電流電壓角差解析

理論計(jì)算：

低壓側(cè)電壓實(shí)際延時(shí)T1：2351us。

低壓側(cè)電流實(shí)際電流延時(shí)T2：1574us。

由于為360°對(duì)應(yīng)的時(shí)間為0.02s=20000us。

所以電流電壓對(duì)應(yīng)角差：（2351us – 1574us）×1.8°/100 = 14°與實(shí)際角差吻合。

3）高低壓側(cè)電流角差解析

對(duì)于主變差動(dòng)由于高低壓側(cè)接線為星角-11點(diǎn)鐘接線高低壓側(cè)理論角差應(yīng)為：IHA=0°，ILA=210°。

主變顯示角度如表1為：IHA=0°，ILA=224°。

高低壓側(cè)電流理論與實(shí)際角差為224°-210°= 14°。

理論計(jì)算角差為：（1574-1074）×1.8°/100=9°。

由于解決電壓滯后問(wèn)題時(shí)，低壓側(cè)通道采樣值角度提前了（2351 – 1074）×1.8/100 = 23°，所以實(shí)際顯示角差應(yīng)為23°-9°= 14°，與實(shí)際顯示角差相吻合。

根據(jù)以上分析，出現(xiàn)角差的原因?yàn)锽公司MU實(shí)際送至主變的采樣值電流電壓存在14°角差。

4）解決方法

如圖4所示，A公司主變保護(hù)自己從母線MU獲取母線電壓，只從只從B公司MU獲取電流信號(hào)。該方案涉及以下四個(gè)方面的修改：

圖4 更改后接線示意圖

（1）增加A公司MU至A公司主變的光纜；

（2）更改A公司MU的延時(shí)參數(shù)（以實(shí)際延時(shí)1740us為基準(zhǔn)）并增加至主變的通信鏈路；

（3）更改B公司MU需程序，以適應(yīng)A公司MU的實(shí)際延時(shí)時(shí)間參數(shù)，并進(jìn)行插值計(jì)算；

（4）更改A公司主變數(shù)據(jù)集中器的同步時(shí)刻點(diǎn)，以不同MU的電流、電壓最遲延遲時(shí)間為參考點(diǎn)插值同步。

通過(guò)插值同步算法后主變保護(hù)顯示值如表2完全滿足差動(dòng)保護(hù)要求。

表2 高壓側(cè)、低壓側(cè)A相電流電壓角度值

4 結(jié)論

綜上所述，從以上工程實(shí)踐中可以看出，線性插值同步算法雖然簡(jiǎn)單、導(dǎo)數(shù)不連續(xù)。但是，在選取得當(dāng)插值點(diǎn)時(shí)完全能夠滿足變電站對(duì)采樣精度的要求。同時(shí)該方案還適用于IEC61850-9-2的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案，也同樣適用于跨間隔的母差等保護(hù)。

[1]曹團(tuán)結(jié),陳建玉,黃國(guó)方.基于IEC 61850-9的光纖差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)同步方法.

[2]喬洪新,黃少鋒,劉勇.基于二次插值理論的電子式互感器數(shù)據(jù)同步研究.

[3]徐光輝,李友軍,王文龍,熊慕文.數(shù)字化變電站IED采樣數(shù)據(jù)同步插值的設(shè)計(jì).

[4]IEC6044-7 Instrument transformers:Part 7.

[5]IEC6044-8 Instrument transformers:Part 8.

[6]王洪帥,徐青山,袁宇波,等.智能變電站非對(duì)稱式光纖差動(dòng)保護(hù)同步性測(cè)試方法 .

The research and engineering practice base on linear and synchronization interpolation about smart grid

GAO Zhen-dong，XU Yong-jin，NI Wei-dong，SHAO Can-hui

采用電子式互感器IED繼電保護(hù)設(shè)備可靠性依賴于采樣的同步性，本文論述了采樣值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)插值線性同步算法，插值算法能夠滿足保護(hù)以及測(cè)量等變電站系統(tǒng)的精度要求。結(jié)合某變電站主變保護(hù)插值成功的方案，根據(jù)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的插值方案達(dá)到事半功倍的效果。

電子式互感器；線性插值；FPGA；工程實(shí)踐

高振東（1979-），男，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及智能水電廠自動(dòng)化。

TM64

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1009-0134(2013)01(下)-0106-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).30

2012-08-08