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)同步是實現(xiàn)信息全網(wǎng)共享的重要前提，IEC 61850標準將對時同步要求劃分為5級，分別用T1～T5表示，合并單元輸出的采樣信號應達到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)采樣點非均勻地分布在整個信號周期上，導致采樣精度達不到T4級別。本文從該影響因素出發(fā)，解決因采樣時間間隔非等分而導致的同步采樣精度降低問題。

1 合并單元同步方案

合并單元實現(xiàn)兩個作用：（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)字信號按標準格式上傳至間隔層網(wǎng)絡。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。為實現(xiàn)合并單元的兩個功能，可將合并單元設計為同步功能模塊、數(shù)據(jù)處理功能模塊及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡通信模塊。

同步功能模塊是實現(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。從目前的技術及裝置來看，同步采樣的實現(xiàn)方法主要有兩種：（1）合并單元接收變電站統(tǒng)一授時裝置信號，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的時鐘信號轉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)字信號上打上時間戳，在合并單元裝置內通過插值算法計算出同一時間戳下的各電子互感器的采樣值，從而實現(xiàn)同步采樣。

2 采樣時間同步系統(tǒng)

2.1 采樣時間同步系統(tǒng)結構

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現(xiàn)保護、測量、計量的基礎，變電站時間同步由電子互感器的采樣時序、站內統(tǒng)一對時系統(tǒng)兩部分構成。由于IEC 61850未規(guī)定同步采樣方案，從目前已投運的智能變電站來看，電子互感器的A/D采樣時序多采用分頻/倍頻技術，站內統(tǒng)一對時系統(tǒng)多采用GPS+IEEE 1588對時、B碼對時。實際工程中的采樣時間同步系統(tǒng)主要存在對時系統(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，導致采樣數(shù)據(jù)的時序存在差異。

2.2 時鐘同步系統(tǒng)設計

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

3 軟件補償技術

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

3.1 同步誤差與補償

被測的周期信號在0～N個均勻時刻進行交流采樣，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。

設周期差值ΔT=2π-NTs，ΔT≠0時存在誤差，一個周期內采樣點數(shù)為N，假設第一個采樣點的位置在α處，則α處的各離散點電壓值為：uk=Umcos（Tsk+α）（k=0，1，2，…，N-1），代入式（1）可得電壓的實部為：

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

令補償系數(shù)λ=，于是式（4）可以表示為：Um′=λUm。

將處理過的測量值除以補償系數(shù)λ或λ2便可得到高精度的同步值。

3.2 軟件補償技術仿真驗證

使用交流電壓信號ut=Umcos ωt進行仿真，設定電壓頻率按照0.1 Hz遞增，采樣點數(shù)N=25，軟件補償法前后電壓幅值的相對誤差如圖1所示，未進行補償?shù)南鄬φ`差是補償后的10倍以上，因此該軟件補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 軟件補償前后的誤差仿真對比

4 結語

本文針對智能變電站采樣值同步的各個環(huán)節(jié)提出了合并單元同步方案；在分析采樣時間同步系統(tǒng)的基礎上，構建了時間同步系統(tǒng)的設計；提出一種軟件補償法，解決了因工頻信號頻率波動使采樣點非均勻分布在信號周期上而導致采樣精度下降的問題，結果表明，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。