王智，楊茂濤，楊靜，孟卓，唐璐

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心(計(jì)量中心)，長(zhǎng)沙 410000；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

0 引 言

智能變電站是銜接智能電網(wǎng)輸-變-配-用等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)施[1-2]。合并單元是智能變電站中屏蔽互感器異構(gòu)性的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，能夠完成電壓、電流互感器輸出信號(hào)的合并和數(shù)字化傳輸，實(shí)現(xiàn)信息采集與感知。合并單元的準(zhǔn)確性直接影響智能變電站甚至智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-5]。

實(shí)際工作中，合并單元校驗(yàn)主要以互感器校驗(yàn)檢定規(guī)程或標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，一般整體測(cè)量和分析互感器與合并單元的綜合誤差，尚未建立單獨(dú)針對(duì)合并單元校驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家電網(wǎng)公司于2017年制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化計(jì)量系統(tǒng)檢測(cè)規(guī)范：合并單元》，為合并單元性能檢測(cè)提供了依據(jù)[6-7]。文獻(xiàn)[6]提出了一種分別獨(dú)立對(duì)電子式互感器、合并單元進(jìn)行誤差測(cè)試及溯源的方法。為了克服頻譜泄漏的影響，文獻(xiàn)[7]提出一種基于加Hanning和Blackman窗插值FFT的算法用于合并單元校驗(yàn)中的信號(hào)分析。文獻(xiàn)[8]提出一種基于ARM+FPGA+ADC的合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)，并采用了基于定頻采樣高精度幅值和相位算法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。文獻(xiàn)[9]為提高合并單元測(cè)試的通信報(bào)文處理能力和同步性，提出了一種基于FPGA+DSP的光數(shù)字量校準(zhǔn)方案。文獻(xiàn)[10]采用Hilbert變換實(shí)現(xiàn)相位微差算法，建立了合并單元校驗(yàn)溯源系統(tǒng)。這些工作有力地推動(dòng)了合并單元校驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。但是，隨著智能變電站技術(shù)的不斷發(fā)展，合并單元已經(jīng)同時(shí)具備繼保和測(cè)量功能，如何在不停電前提下，運(yùn)用一套合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)中同時(shí)完成繼保和測(cè)量功能的校驗(yàn)，是實(shí)際應(yīng)用中面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

因此，文中采用STM32微處理器和FPGA+DDS的硬件方案，運(yùn)用GPS定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間同步模擬信號(hào)，提出基于最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正的比差和角差計(jì)算方法，建立合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)，完全保障合并單元的各項(xiàng)性能指標(biāo)及其輸入至保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量裝置的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而確保在發(fā)生保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量裝置輸出數(shù)據(jù)誤差過大時(shí)，能夠快速判斷變電站過程層和間隔層設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)。測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性和有效性。

1 合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示。

圖1 合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)硬件功能框圖

采用STM32微處理器和FPGA+DDS的硬件方案，設(shè)計(jì)的合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)包括6個(gè)模塊。

(1)微處理器控制模塊：以ARM平臺(tái)STM32的7系列微處理器為系統(tǒng)核心，STM32微處理器通過SPI與FPGA通信，F(xiàn)PGA直接連接數(shù)字分頻DDS芯片。STM32微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、計(jì)算和控制，并實(shí)現(xiàn)IEC61850報(bào)文組包和解析。FPGA實(shí)時(shí)測(cè)量輸出電量并計(jì)數(shù)，且控制電壓電流量程切換和保護(hù)電路等。DDS產(chǎn)生同步信號(hào)，用于同步整個(gè)系統(tǒng)采樣和輸出。

(2)標(biāo)準(zhǔn)源模塊：由24位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC)接收STM32微處理器的數(shù)字信號(hào)并轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，經(jīng)過精密運(yùn)放的功率放大，再由電壓/電流隔離輸出變壓器同步輸出特定波形，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)源模塊電路功能框圖

(3)標(biāo)準(zhǔn)表模塊：對(duì)合并單元輸入端的模擬電量進(jìn)行采集測(cè)定，通過I/V和V/V轉(zhuǎn)換電路將電壓和電流統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為低電壓。一方面用于標(biāo)準(zhǔn)源模塊的反饋穩(wěn)壓，一方面送入32位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)進(jìn)行精密采樣。其電路詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)表模塊電路功能框圖

(4)數(shù)字及小信號(hào)通訊：合并單元的輸出為SV和GOOSE報(bào)文，是基于IEC 61850或FT3協(xié)議的以太網(wǎng)或光串口通訊方式。該系統(tǒng)內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文通訊工具可以對(duì)于報(bào)文信息進(jìn)行翻譯和解讀，同時(shí)對(duì)于報(bào)警一類的小信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。小信號(hào)同時(shí)包括帶GPS的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘基準(zhǔn)和告警信號(hào)等，以測(cè)定單元的時(shí)鐘功能。其電路詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

(5)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源模塊：能夠通過接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，使用GPS定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)間同步模擬信號(hào)，產(chǎn)生的同步模擬信號(hào)稱之為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，主要分為IRIG-B碼和1 pps信號(hào)兩種，頻率均為1 Hz。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源輸出具有以下特點(diǎn)，以滿足合并單元的對(duì)時(shí)需要：每秒1幀，包含100個(gè)碼元，每個(gè)碼元10 ms；脈沖上升時(shí)間不超過100 ns；秒準(zhǔn)時(shí)沿的時(shí)間準(zhǔn)確度優(yōu)于1μs。

圖4 數(shù)字及小信號(hào)通訊模塊電路功能框圖

(6)保護(hù)模塊：包括過熱、過載、斷路和過量程保護(hù)。保護(hù)系統(tǒng)自身和外部的合并單元在各種異常情況下不會(huì)被破壞。保護(hù)模塊中大量應(yīng)用到了二極管整流，將需要被保護(hù)的信號(hào)整理為直流信號(hào)，一方面可以消除波形的抖動(dòng)對(duì)保護(hù)的影響，另一方面增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一旦當(dāng)被監(jiān)控量超過閾值，微處理器會(huì)立即停止輸出，并將大量模擬或數(shù)字量輸入輸出接口關(guān)閉，并顯示出相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼給維護(hù)人員提示。

2 最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正比差和角差計(jì)算

2.1 最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正算法

設(shè)合并單元以采樣間隔Ts=1/fs對(duì)電壓或電流信號(hào)進(jìn)行采樣，且信號(hào)包含2-H次諧波：

(1)

式中第h次成分(h=1為基波，其余為諧波)的幅值、頻率和初相位分別為Ah、fh和φh。文中采用長(zhǎng)度為N的2階最小旁瓣卷積窗wD(n)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，以抑制諧波成分對(duì)基波頻譜的干擾[11-15]。其中wD(n)為兩個(gè)相同的長(zhǎng)度為N/2的最小旁瓣窗wMD(m)，m=0,1,…,N/2-1，進(jìn)行卷積后，在末尾補(bǔ)一個(gè)零得到：

(2)

其中，最小旁瓣窗wMD(m)為：

(3)

式中ai=[0.338 946, -0.481 973 , 0.161 054, -0.018 027]。2階最小旁瓣卷積窗wD(n)的旁瓣峰值電平達(dá)到了-166 dB，具有優(yōu)異的頻譜泄漏抑制能力。因此，加窗后獲得的序列xw(n)=x(n)w(n)的離散頻譜中，可以忽略諧波成分的干擾影響，簡(jiǎn)化為：

(4)

式中WD(*)為2階最小旁瓣卷積窗的離散傅里葉變換；k0=Nf1/fs為基波頻率在離散頻譜中對(duì)應(yīng)的歸一化位置。

XN中第l根譜線對(duì)應(yīng)的相位為：

φ=φ1+πζ

(5)

式中ζ=k0-l0為非同步采樣引起的偏差；l0為基波頻率在離散頻譜中對(duì)應(yīng)位置附近的局部最大譜線序號(hào)。

設(shè)延后L個(gè)采樣點(diǎn)后，選擇長(zhǎng)度的為N的連續(xù)采樣點(diǎn)，同樣采用2階最小旁瓣卷積窗wD(n)進(jìn)行加權(quán)，并進(jìn)行離散傅里葉變換后，得到的離散頻譜為XN-L。根據(jù)相位-頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在XN-L中第l根譜線對(duì)應(yīng)的相位為：

φ′=φ1+πζ+2πf1L/fs

(6)

結(jié)合式(5)和式(6)，兩段不同起點(diǎn)的序列的相位差直接存在線性關(guān)系：

Δφ=φ′-φ=2πf1L/fs

(7)

f1=Δφfs/(2πL)

(8)

ζ=l0-ΔφN/(2πL)

(9)

進(jìn)而將式(10)代入式(4)，可計(jì)算得到基波幅度和初相位分別為：

(10)

φ1=arg[XN(l0)]-arg[WD(l0-k0)]+π/2

(11)

運(yùn)用上述最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正算法，可以實(shí)現(xiàn)合并單元輸出電壓、電流離散序列頻率、幅度和初相位的準(zhǔn)確計(jì)算，為后續(xù)比差和角差計(jì)算機(jī)誤差分析奠定基礎(chǔ)。

2.2 比差和角差計(jì)算及誤差分析方法

合并單元輸出為電壓、電流瞬時(shí)值，并以數(shù)字量的形式傳輸。在計(jì)量和測(cè)量功能方面，可將合并單元視為互感器的延伸，只需計(jì)算、校驗(yàn)合并單元的比差、角差。但考慮到合并單元需為智能變電站的保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量裝置等二次設(shè)備提供數(shù)據(jù)來(lái)源，文中設(shè)計(jì)的校驗(yàn)系統(tǒng)還進(jìn)行了合并單元輸出信號(hào)的頻率、相位差、功率誤差分析。這樣不但能驗(yàn)證相對(duì)應(yīng)的電壓、電流之間的同步性，解決跨間隔兩組電量的不同步性超過一個(gè)整周波而無(wú)法通過穩(wěn)態(tài)絕對(duì)延時(shí)的方法檢測(cè)的難題。在變電站發(fā)生量值超差時(shí)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可快速確定是否為合并單元的穩(wěn)定性能出錯(cuò)，從而對(duì)智能變電站的故障診斷提供了更加便捷的手段。

對(duì)合并單元的數(shù)字量進(jìn)行N點(diǎn)的FFT運(yùn)算，并最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正算法計(jì)算得到的被校驗(yàn)的合并單元電壓有效值UJ、頻率fUJ和初始相位角φUJ，電流有效值IJ、頻率fIJ和初始相位角φIJ。設(shè)校驗(yàn)系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)表模塊給出的電壓和電流的幅度、頻率和初相位的真值分別為US、fUS、φUS和IS、fIS、φIS，則被校驗(yàn)合并單元的電壓比差URE和角差UAE、電流比差I(lǐng)RE和角差I(lǐng)AE分別為：

(12)

(13)

(14)

(15)

電壓和電流的頻率誤差分別：

2.2.1 迎接患者 核對(duì)無(wú)誤，建立有效靜脈通路，協(xié)助麻醉醫(yī)師行全麻插管、橈動(dòng)脈穿刺測(cè)壓和深靜脈穿刺等。

(16)

(17)

各次諧波的比差、角差和頻率誤差，合并單元的功率計(jì)算誤差也可以同理計(jì)算。

3 合并單元時(shí)鐘誤差校驗(yàn)

由于合并單元存在多個(gè)環(huán)節(jié)(采樣、處理、傳輸?shù)?，各環(huán)節(jié)的造成的延時(shí)各不相同，不可避免地對(duì)合并單元輸出結(jié)果產(chǎn)生附加的相角差，直接影響保護(hù)裝置的正確動(dòng)作。因此，需要對(duì)合并單元時(shí)鐘誤差進(jìn)行校驗(yàn)，以對(duì)合并單元的延時(shí)補(bǔ)償方式、方法進(jìn)行分析和調(diào)整，確保數(shù)據(jù)采樣同步。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，合并單元應(yīng)該能接收1 pps、IRIG-B(DC)或GB/T 25931(IEC 61588)協(xié)議的對(duì)時(shí)信號(hào)，合并單元正常情況下對(duì)時(shí)精度應(yīng)不大于±1 μs。

合并單元的時(shí)鐘誤差校驗(yàn)一般用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源對(duì)被校驗(yàn)合并單元和合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)，同時(shí)讀取被檢合并單元輸出的時(shí)間信號(hào)，與校驗(yàn)系統(tǒng)讀取到的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源信號(hào)進(jìn)行對(duì)。參見圖5，被測(cè)合并單元經(jīng)校驗(yàn)儀輸出光B碼對(duì)時(shí)信號(hào)，待對(duì)時(shí)穩(wěn)定時(shí)，然后撤掉對(duì)時(shí)信號(hào)，進(jìn)行守時(shí)功能測(cè)試。在撤銷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源授時(shí)之后繼續(xù)監(jiān)測(cè)被檢合并單元輸出的時(shí)間信號(hào)，并記錄它能保持在規(guī)定范圍的時(shí)間，即為該合并單元的有效守時(shí)時(shí)間。

圖5 對(duì)時(shí)、守時(shí)誤差校驗(yàn)原理

例如使用20 M標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘去測(cè)量被測(cè)合并單元送過來(lái)的PPS信號(hào)，計(jì)數(shù)得到P個(gè)脈沖，則誤差=(1-P/20 M)*1 000 000(μs)。

在合并單元的絕對(duì)延時(shí)計(jì)算時(shí)，合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)分別輸出頻率為f1和f2的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓，用最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正算法計(jì)算進(jìn)行分析，得到電壓角差為UAE1和UAE2，則被校驗(yàn)合并單元的固定延時(shí)為：

(18)

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

文中首先通過三相標(biāo)準(zhǔn)功率源產(chǎn)生含有諧波的電壓信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集后，運(yùn)用最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正算法進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證算法的有效性；然后開展合并單元實(shí)際應(yīng)用，計(jì)算比差、角差，測(cè)試合并單元時(shí)鐘誤差。

實(shí)驗(yàn)中使用的三相標(biāo)準(zhǔn)功率源為CL303B，其電壓輸出穩(wěn)定度為10 ppm，采樣頻率為2.5 kHz，離散傅里葉變換的長(zhǎng)度為512，基波頻率設(shè)置為50.1 Hz。基波及諧波實(shí)驗(yàn)參數(shù)及幅度與初相位計(jì)算誤差如表1所示。表1中所列的幅度和相位參數(shù)均為0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)結(jié)果。

表1 基波諧波實(shí)驗(yàn)參數(shù)及幅度與初相位計(jì)算誤差

運(yùn)用所開發(fā)的合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)湖南省某變電站合并單元進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際測(cè)試接線如圖6所示。在1 h的傳輸延時(shí)測(cè)試中，最大傳輸延時(shí)為1 762.1 μs,最小傳輸延時(shí)為1 761.5 μs，傳輸延時(shí)變差為0.599 976 μs。

圖6 對(duì)時(shí)、守時(shí)誤差校驗(yàn)原理

額定電流的百分?jǐn)?shù)為100%時(shí)，某變電站合并單元電壓通道30次測(cè)量的校驗(yàn)誤差平均結(jié)果如表2所示。不同負(fù)載電流情況下，合并單元A相電流通道校驗(yàn)誤差如表3所示。·

表2 某變電站合并單元電壓通道校驗(yàn)誤差

表3 某變電站合并單元A相電流通道校驗(yàn)誤差

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和功能驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)合并單元的比差、角差等的校驗(yàn)或監(jiān)測(cè)功能達(dá)到了國(guó)網(wǎng)企標(biāo)的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)智能變電站對(duì)合并單元校驗(yàn)的迫切需求，文章設(shè)計(jì)可同時(shí)完成繼保和測(cè)量功能校驗(yàn)的合并單元校驗(yàn)系統(tǒng)。提出基于最小旁瓣卷積窗頻譜相位校正的比差和角差計(jì)算方法，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用STM32微處理器和FPGA+DDS的硬件方案，運(yùn)用GPS定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)間同步模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)合并單元校驗(yàn)功能。文中的工作為解決跨間隔兩組電量的不同步性超過一個(gè)整周波而無(wú)法通過穩(wěn)態(tài)絕對(duì)延時(shí)的方法檢測(cè)難題提供新的途徑，對(duì)智能變電站的故障診斷提供了更加便捷的方法。