李云鵬， 王 鵬， 湯漢松， 張 煒

(1. 國(guó)網(wǎng)南通供電公司,江蘇 南通 226000； 2. 江蘇凌創(chuàng)電氣自動(dòng)化股份有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

0 引言

核相工作是變電站投運(yùn)、改造擴(kuò)建及運(yùn)維檢修過(guò)程中不可或缺的重要步驟。核對(duì)電網(wǎng)相序是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核相試驗(yàn)，防止保護(hù)裝置異常動(dòng)作，避免不同相序的電源系統(tǒng)并網(wǎng)或變壓器合環(huán)時(shí)損壞電氣設(shè)備，甚至引起輸電系統(tǒng)事故[1-2]，是確保變電站順利投運(yùn)和穩(wěn)定工作的可靠保障。

早期的核相工作主要采用有線接地測(cè)量方式，在相序校核側(cè)直接人工測(cè)量電壓差或相位差，測(cè)試精度較低，操作復(fù)雜，容易造成設(shè)備損壞或發(fā)生安全事故[3]。隨著對(duì)核相準(zhǔn)確度及實(shí)施效率要求的提高，核相技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法也在不斷發(fā)展。新興的無(wú)線核相設(shè)備攜帶方便，測(cè)試操作簡(jiǎn)單，有效避免了現(xiàn)場(chǎng)的各種安全隱患，但其采用的射頻無(wú)線通信技術(shù)易受變電站高壓及電磁輻射的干擾，數(shù)據(jù)傳輸率較低，仍無(wú)法滿足輸配電網(wǎng)新建或運(yùn)維過(guò)程中對(duì)核相技術(shù)的全部需求[4-8]。特別的，隨著國(guó)內(nèi)智能變電站建設(shè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬量采樣值電纜傳輸方式逐漸被數(shù)字量光纖傳輸方式替代，變電站電氣節(jié)點(diǎn)的采樣信號(hào)在傳遞方式上發(fā)生了改變，對(duì)智能變電站的相位校核技術(shù)也提出了新的要求[9]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)字化采樣核相技術(shù)的研究報(bào)道不多，目前工程上適用于智能變電站的專用核相設(shè)備較少，采樣核相基本依靠數(shù)字化繼電保護(hù)測(cè)試儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)數(shù)字化采樣尤其是電子式互感器傳輸協(xié)議的兼容性不夠；缺乏針對(duì)性的核相功能，無(wú)法同時(shí)核對(duì)多個(gè)間隔電氣量的相位；缺乏統(tǒng)一的相位基準(zhǔn)，核相結(jié)果隨時(shí)間的波動(dòng)較大；需要外部時(shí)間同步信號(hào)接入，現(xiàn)場(chǎng)核相操作繁瑣。本文對(duì)數(shù)字化采樣的核相技術(shù)展開(kāi)討論，以期解決現(xiàn)階段智能變電站采樣核相中存在的問(wèn)題，為智能變電站的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作提供新思路。

1 分布式智能變電站核相系統(tǒng)

如圖1所示，基于分布式測(cè)點(diǎn)的智能變電站核相系統(tǒng)由一臺(tái)核相主機(jī)與若干分布式放置的采樣終端組成。核相主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算，與采樣終端交互數(shù)據(jù)且同步時(shí)鐘，同時(shí)還可直接采集變電站的站用電源作為核相的基準(zhǔn)相位。采樣終端按采樣間隔分布式的就地放置，獲取該間隔內(nèi)電子式互感器或合并單元輸出的數(shù)字化采樣，上送至主機(jī)實(shí)現(xiàn)核相。核相主機(jī)與各采樣終端間通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)方式通信數(shù)據(jù)。

圖1 智能變電站多點(diǎn)核相系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture diagram of multi point phase detection system for intelligent substation

分布式核相系統(tǒng)可同步采集變電站內(nèi)多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的電氣信息，具備完整的系統(tǒng)性相位校核功能。采用集中控制與分布采樣結(jié)合的方式，在保持被測(cè)系統(tǒng)采樣傳遞鏈路完整性的前提下，按采樣間隔劃分測(cè)試對(duì)象，就地并行實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，采樣間隔相互獨(dú)立，均可與站用電源模擬量進(jìn)行相位比對(duì)，保證了變電站內(nèi)多組電氣量同步核相時(shí)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性[10-11]。

考慮智能變電站現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程層設(shè)備的分布情況，整站同步核相測(cè)試時(shí)，核相主機(jī)與采樣終端間放置的距離可能較遠(yuǎn)，若兩者間采用有線方式通信，不僅增加了核相時(shí)通信線路的鋪設(shè)成本，還加大了人力開(kāi)銷(xiāo)，不利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)施。采用無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)核相主機(jī)與各采樣終端的數(shù)據(jù)通信及時(shí)鐘同步，系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)潔，測(cè)試方法靈活，不依賴于被測(cè)系統(tǒng)的區(qū)域化數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可覆蓋變電站內(nèi)所有采樣間隔，提高整站核相工作的效率。

2 核相系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

核相系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采樣終端采用精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)的中央處理器(PowerPC)與現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)雙處理器架構(gòu)。PowerPC微處理器開(kāi)發(fā)靈活，對(duì)外圍元器件的支持性較好[12]，主要負(fù)責(zé)核相系統(tǒng)的相位數(shù)據(jù)分析，時(shí)鐘同步算法及人機(jī)接口交互；FPGA可編程門(mén)陣列實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具備硬件級(jí)的多路數(shù)據(jù)并發(fā)處理能力[13]，用于系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘及任務(wù)中斷的維護(hù)，對(duì)數(shù)字化采樣數(shù)據(jù)鏈路的編解碼，以及各類(lèi)IO模塊的驅(qū)動(dòng)。核相主機(jī)采用與采樣終端類(lèi)似的硬件方案，但移除了光纖以太網(wǎng)和光纖串口的接收控制模塊，并增加了對(duì)站用電源模擬量采集的AD轉(zhuǎn)換模塊。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure diagram

核相系統(tǒng)的無(wú)線通信方案采用2.4 G的WIFI無(wú)線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)。與GPRS、RF433等電力系統(tǒng)常用的無(wú)線通信方式相比，WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式的傳輸速度快，覆蓋范圍較廣，在傳輸信號(hào)偏弱或存在信號(hào)干擾的情況下能自動(dòng)調(diào)整通信帶寬[14-15]，可有效保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，更適合變電站現(xiàn)場(chǎng)核相測(cè)試的需要。

核相系統(tǒng)采用單向數(shù)據(jù)接收的離線測(cè)試模式，不具備向被測(cè)系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)的能力，杜絕了對(duì)變電站原始采樣信息的影響。核相系統(tǒng)內(nèi)部采用經(jīng)無(wú)線保護(hù)訪問(wèn)第2版-高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(WPA2-AES)算法加密的以太網(wǎng)傳輸安全機(jī)制，同時(shí)結(jié)合點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)媒體介入控制層(MAC)鎖定的局域網(wǎng)加入策略，保證了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

核相系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。以核相主機(jī)時(shí)鐘作為整個(gè)核相系統(tǒng)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，核相開(kāi)始后，由核相主機(jī)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，各采樣終端接收到時(shí)鐘信號(hào)后，與核相主機(jī)交互數(shù)據(jù)，完成核相系統(tǒng)的時(shí)鐘同步，同步后的采樣終端將實(shí)時(shí)采集的采樣數(shù)據(jù)打上時(shí)標(biāo)并上送至核相主機(jī)。核相主機(jī)可采集站用電源作為整個(gè)核相系統(tǒng)的物理相位基準(zhǔn)，其余的數(shù)字化采樣值均參照該基準(zhǔn)確定相位。核相主機(jī)根據(jù)各間隔采樣值的上送時(shí)間，對(duì)電氣信號(hào)進(jìn)行二次采樣，同時(shí)對(duì)數(shù)字化采樣傳輸延遲進(jìn)行補(bǔ)償，最后計(jì)算出每個(gè)采樣值通道與模擬量基準(zhǔn)通道的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)全站系統(tǒng)核相。

圖3 核相系統(tǒng)軟件流程Fig.3 Software flow of the phase detection system

3 數(shù)字化分布式核相的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 FT3采樣自適應(yīng)傳輸

數(shù)字化采樣包括電子式互感器采樣和合并單元采樣兩類(lèi)，與合并單元發(fā)送的IE C61850-9以太網(wǎng)采樣值不同，電子式互感器的采樣傳輸基于IEC 60044-8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱FT3協(xié)議)，不同廠家或型號(hào)的電子式互感器，輸出的數(shù)字化采樣在采樣頻率、編碼方式，傳輸波特率及數(shù)據(jù)集長(zhǎng)度等方面都可能不同[16-17]。如何兼容各種FT3采樣信息的接收，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化核相的技術(shù)難點(diǎn)。

如圖4所示，自適應(yīng)的FT3采樣接收步驟為：

圖4 FT3協(xié)議自適應(yīng)傳輸策略Fig.4 Adaptive transmission strategy for FT3 protocol

(1) 編碼方式判定。根據(jù)曼碼與非曼碼的編碼區(qū)別，對(duì)于同步編碼(曼碼)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)伴隨同步時(shí)鐘，物理層信號(hào)的最大變位時(shí)間Tcmax等于同步時(shí)鐘的周期Tsc；對(duì)于異步編碼(非曼碼)，數(shù)據(jù)信息中不含同步時(shí)鐘，物理層信號(hào)的最大變位時(shí)間Tcmax不超過(guò)一幀報(bào)文的傳輸時(shí)間Tfrm。由于Tfrm遠(yuǎn)大于Tsc，通過(guò)檢測(cè)物理層信號(hào)的最大變位時(shí)間Tcmax，可確定傳輸信號(hào)的編碼方式，即：

(1)

式中：Tcmax為傳輸信號(hào)的最大變位時(shí)間；K為變位判定閥值，一般取同步編碼方式下最大同步時(shí)鐘周期的2倍。

(2) 波特率檢測(cè)。FT3協(xié)議鏈路層傳輸前須準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈省Ｍㄟ^(guò)原始信號(hào)的最小變位時(shí)間Tcmin設(shè)定數(shù)據(jù)的傳輸波特率，按該波特率持續(xù)監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性?？紤]接收時(shí)鐘的抖動(dòng)及發(fā)送與接收時(shí)鐘的時(shí)域偏移，計(jì)算信號(hào)變位時(shí)間的范圍，若被監(jiān)測(cè)信號(hào)的變位時(shí)間越限，則認(rèn)為當(dāng)前設(shè)定的波特率不正確，重新檢測(cè)信號(hào)波特率。波特率監(jiān)測(cè)判據(jù)如下：

(2)

式中：Tc為信號(hào)的實(shí)際變位時(shí)間；Tbr為設(shè)定波特率對(duì)應(yīng)的變位時(shí)間；Tclk為系統(tǒng)時(shí)鐘的周期；Tclkjit為系統(tǒng)時(shí)鐘的抖動(dòng)值。

(3) 鏈路層傳輸。FT3協(xié)議的鏈路層包括起始符、有效數(shù)據(jù)、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)校驗(yàn)碼三部分，可采用相同的鏈路解析機(jī)制。由特定的幀起始符(0x0564)開(kāi)始一幀鏈路傳輸，按固定的數(shù)據(jù)塊字節(jié)長(zhǎng)度接收數(shù)據(jù)，在每個(gè)數(shù)據(jù)塊的末尾接收CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)所有數(shù)據(jù)塊接收完畢，結(jié)束本幀鏈路傳輸，返回等待下幀數(shù)據(jù)的起始符。

(4) 應(yīng)用層解析及校驗(yàn)。鏈路層數(shù)據(jù)開(kāi)始接收后，同步解析對(duì)應(yīng)的報(bào)文類(lèi)型碼，由類(lèi)型碼確定接收?qǐng)?bào)文的協(xié)議類(lèi)型及數(shù)據(jù)集長(zhǎng)度，并采用對(duì)應(yīng)的應(yīng)用層解析方案。當(dāng)接收到CRC校驗(yàn)碼時(shí)，進(jìn)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)校驗(yàn)，確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

(5) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互。為適應(yīng)不同的采樣頻率，需采用動(dòng)態(tài)地址機(jī)制實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及交互。每中斷數(shù)據(jù)交互開(kāi)始后，由前次中斷最后一點(diǎn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入地址確定本次中斷接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)基地址Awb。當(dāng)一點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)接收完畢且校驗(yàn)正確后，基于Awb計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的寫(xiě)入地址Aw；當(dāng)外部系統(tǒng)請(qǐng)求讀取采樣數(shù)據(jù)時(shí)，判斷該采樣點(diǎn)傳輸是否有效，并由采樣點(diǎn)序號(hào)映射數(shù)據(jù)的讀出地址Ar，持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，直到Ar等于Aw或者外部系統(tǒng)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

3.2 基于WIFI的區(qū)域同步

采樣終端上送數(shù)據(jù)的同步性是核相的關(guān)鍵?；赪IFI的無(wú)線通信方式在變電站現(xiàn)場(chǎng)會(huì)受干擾影響，為保證不同間隔采樣數(shù)據(jù)的相位精度，須從時(shí)間標(biāo)記、樣本過(guò)濾、時(shí)鐘校正等方面考慮。

(1) 硬件級(jí)時(shí)間標(biāo)記。采樣信號(hào)由光纖接收器進(jìn)入，經(jīng)鏈路層傳輸控制后，進(jìn)入軟件應(yīng)用層，對(duì)數(shù)據(jù)接收時(shí)間的標(biāo)記包括軟件標(biāo)記和硬件標(biāo)記兩類(lèi)。軟件時(shí)標(biāo)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但準(zhǔn)確性不高，延遲抖動(dòng)較大；硬件時(shí)標(biāo)在鏈路層傳輸過(guò)程中獲取時(shí)間，不受軟件系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的影響，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，更接近實(shí)際的物理傳輸時(shí)間。對(duì)于接收時(shí)間標(biāo)記，還應(yīng)在捕獲到有效幀后，回溯至幀數(shù)據(jù)起始符首位數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)刻。

(2) 時(shí)間樣本過(guò)濾。WIFI無(wú)線同步機(jī)制受以太網(wǎng)傳輸穩(wěn)定性的影響較大，為獲取更好的同步效果，需對(duì)接收到的以太網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行組播地址過(guò)濾，只訂閱來(lái)自有效MAC地址的對(duì)時(shí)報(bào)文，降低軟件的數(shù)據(jù)處理負(fù)荷。同時(shí)對(duì)時(shí)間樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行最小值及均值化篩選，首先取每組樣本數(shù)組的最小值參與計(jì)算，避免無(wú)線信號(hào)干擾導(dǎo)致傳輸時(shí)間增大，然后通過(guò)固定時(shí)間窗的最小值樣本計(jì)算出樣本均值，并用該值對(duì)后續(xù)輸入樣本進(jìn)行篩選過(guò)濾，反復(fù)迭代計(jì)算有效的時(shí)間數(shù)據(jù)，消除傳輸距離微小變化、軟件抖動(dòng)和算法誤差等因素對(duì)傳輸時(shí)間的影響。均值化篩選計(jì)算公式如下：

(3)

(3) 頻率校正。通過(guò)測(cè)量平均路徑延時(shí)來(lái)調(diào)整主、從時(shí)鐘的頻率偏差，主時(shí)鐘以固定頻率向從時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文，從時(shí)鐘記錄到達(dá)報(bào)文的頻率，計(jì)算頻率修正系數(shù)：

(4)

從時(shí)鐘通過(guò)該頻率修正系數(shù)對(duì)自身的時(shí)鐘頻率進(jìn)行修正，為防止過(guò)調(diào)振蕩，應(yīng)采用平滑的調(diào)節(jié)方法，如下式：

(5)

式中：ft為本次校正后頻率；ft-1為前次校正后頻率；K為調(diào)節(jié)系數(shù)。

(4) 延遲校正。鎖定主、從時(shí)鐘的頻率后，利用過(guò)濾后的時(shí)間樣本數(shù)據(jù)，反復(fù)計(jì)算主、從時(shí)鐘間的延遲差并修正從時(shí)鐘，使主、從時(shí)鐘間延遲收斂，實(shí)現(xiàn)從時(shí)鐘對(duì)主時(shí)鐘的跟隨。時(shí)鐘延遲計(jì)算公式如下：

(6)

主、從時(shí)鐘間延遲收斂后，從時(shí)鐘通過(guò)內(nèi)部的高精度恒溫晶振和軟件算法繼續(xù)維護(hù)時(shí)鐘節(jié)拍，當(dāng)監(jiān)測(cè)到與主時(shí)鐘的偏差超出閥值后，重啟時(shí)鐘同步過(guò)程。

3.3 改進(jìn)的過(guò)零相位檢測(cè)法

過(guò)零法是一種常用的信號(hào)相位差檢測(cè)方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差, 計(jì)算信號(hào)間的相位關(guān)系。過(guò)零檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于對(duì)信號(hào)的離散采集無(wú)法獲取真實(shí)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，這種相位計(jì)算方法存在一定的誤差[18]。

(7)

式中：Δt為相位補(bǔ)償時(shí)間。則信號(hào)1與信號(hào)2過(guò)零點(diǎn)的實(shí)際延時(shí)為：

(8)

圖5 改進(jìn)的過(guò)零相位檢測(cè)法Fig.5 Improved phase detection method with zero-crossing

通過(guò)補(bǔ)償后的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)延時(shí)ΔT，計(jì)算信號(hào)間相位差，可獲取更準(zhǔn)確的信號(hào)相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)不同采樣信號(hào)的相位核對(duì)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

如圖6所示對(duì)分布式核相系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Wiring diagram of the test system

通過(guò)多臺(tái)經(jīng)GPS對(duì)時(shí)的繼電保護(hù)測(cè)試儀同步輸出相同有效值和相位的電流采樣信號(hào)，其中1臺(tái)輸出模擬量，接入核相主機(jī)作為采樣基準(zhǔn)，另外3臺(tái)輸出數(shù)字量(采樣傳輸協(xié)議分別為IEC61850-9-2、DLT282同步編碼和DLT282異步編碼)，模擬3個(gè)間隔的采樣數(shù)據(jù)分別接入對(duì)應(yīng)的采樣終端。改變核相主機(jī)與采樣終端的放置位置，記錄相位測(cè)試結(jié)果。

在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，核相主機(jī)與各采樣終端放置在同一房間內(nèi)，間距約10 m，無(wú)線傳輸路徑間無(wú)阻礙。所有保護(hù)測(cè)試儀輸出數(shù)據(jù)配置為“電流有效值”5 A，“電流相位”0°，“頻率”50 Hz。以核相主機(jī)的本地采樣作為相位基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)記錄如表1所示。

表1 室內(nèi)10 m測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of indoor 10 m

在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，核相主機(jī)與各采樣終端放置在不同房間，間距約50 m，無(wú)線傳輸路徑間有墻壁阻礙。保護(hù)測(cè)試儀輸出不變，以核相主機(jī)的本地采樣作為相位基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)記錄如表2所示。

表2 室內(nèi)50 m測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of indoor 50 m

在室外進(jìn)行測(cè)試，核相主機(jī)與各采樣終端間距約200 m，無(wú)線傳輸路徑間無(wú)明顯阻礙。保護(hù)測(cè)試儀輸出不變，以核相主機(jī)的本地采樣作為相位基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)記錄如表3所示。

表3 室內(nèi)200 m測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of indoor 200 m

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在各種測(cè)試環(huán)境下，分布式核相系統(tǒng)的采樣結(jié)果穩(wěn)定，各間隔采樣的有效值誤差小于±0.1%，相位誤差小于±0.2°。核相系統(tǒng)性能可滿足智能變電站全站核相的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

智能變電站采用數(shù)字化采樣，提升變電站數(shù)據(jù)共享靈活性，但對(duì)采樣核相工作也提出新問(wèn)題。針對(duì)智能變電站采樣傳輸?shù)奶匦约罢竞讼嗉夹g(shù)的難點(diǎn)，本文提出一種基于分布式測(cè)點(diǎn)的智能變電站核相系統(tǒng)，基于WIFI無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能變電站全站間隔的同步采樣和信息匯總，可提升核相工作經(jīng)濟(jì)性與適用性，保障智能變電站建設(shè)與發(fā)展。