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)
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。
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(dòng)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。
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。
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。
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。
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?。?/p>
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。
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
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(dòng)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。