合并單元檢測技術(shù)探討

劉曉晟

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

0 引言

數(shù)字化變電站近年來得到了廣泛的推廣和應用，與傳統(tǒng)變電站采用電纜互聯(lián)實現(xiàn)間隔間的信息共享不同，數(shù)字化變電站的信息共享是基于以太網(wǎng)，數(shù)字化標準和數(shù)字化設備是必要條件，各種數(shù)字通道的控制和整合也必不可少。為了有效利用電子式互感器等數(shù)字設備，信號必須進行統(tǒng)一處理，因此IEC 61850等數(shù)字化變電站標準和IEC 60044－7/8等電子互感器標準均涉及到合并單元（Merging Unit，MU）。

合并單元最早出現(xiàn)于IEC 60044－8電子式電流互感器標準，是對二次轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進行時間相關(guān)的采集處理并為二次設備提供相關(guān)數(shù)據(jù)樣本的物理單元，圖1為標準定義的合并單元及系統(tǒng)框圖，其中EVTa的SC為a相電子式電壓互感器的二次轉(zhuǎn)換器，ECTa的SC為a相電子式電流互感器的二次轉(zhuǎn)換器，其它以此類推。

圖1 合并單元及系統(tǒng)

合并單元可以是現(xiàn)場互感器的一個組件或獨立單元。IEC 60044－8電子電流互感器標準指出：二次轉(zhuǎn)換器也可以從傳統(tǒng)電壓互感器或電流互感器獲取信號。因此合并單元可以不依賴電子式互感器而獨立使用，傳統(tǒng)的互感器也可以通過合并單元構(gòu)成數(shù)字化系統(tǒng)。合并單元的獨立使用，使得數(shù)字化變電站的發(fā)展有更大的靈活性，包含合并單元的測量系統(tǒng)如圖2所示，其中PC為一次轉(zhuǎn)換器，其可以是電子式互感器或傳統(tǒng)互感器；SC為二次轉(zhuǎn)換器。

圖2 包含合并單元的測量系統(tǒng)

1 合并單元技術(shù)要求

合并單元是數(shù)字化變電站數(shù)字接口的核心功能單元，涉及變電站內(nèi)甚至變電站間多種設備，是保證各類數(shù)據(jù)準確可靠的關(guān)鍵，因此對合并單元的檢測十分必要。合并單元的主要功能是同步、多路數(shù)據(jù)采集處理和標準數(shù)據(jù)輸出，對其功能提出必要的技術(shù)要求，保證檢測具有針對性。

1.1 同步

合并單元對數(shù)據(jù)進行同步采集，從而保證變電站二次設備需要的采樣數(shù)據(jù)是在同一個時間點上采得的。能否實現(xiàn)合并單元的同步，成為合并單元能否準確、可靠運行的關(guān)鍵。圖3所示為采用時鐘脈沖同步的合并單元同步原理，同步信號1為合并單元間同步的秒脈沖時鐘信號，同步信號2為合并單元向各轉(zhuǎn)換器發(fā)送的采樣信號。

圖3 合并單元的同步

同步過程為：由GPS產(chǎn)生秒脈沖同步信號1；合并單元接收同步信號1；判斷同步信號1的正確性，如信號錯誤，發(fā)出報警信號，并采用自身守時信號向各轉(zhuǎn)換器發(fā)送等間隔的同步信號2；在同步信號1正確時，向各轉(zhuǎn)換器發(fā)送等間隔同步信號2。

因此，對合并單元同步技術(shù)的檢測主要針對同步信號1的接收和同步信號2的發(fā)送。其中同步信號1有3種方式：PPS（秒脈沖）方式；IRIGB碼（直流）；IEEE 1588方式。PPS方式是同步時鐘發(fā)出每秒1次的光學或電脈沖信號；IRIG-B碼是含有年份和時間信息的碼元；IEEE 1588即網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精確定時同步協(xié)議標準，通過讀寫高精度實時時鐘（RTC）和計算時間標簽來實現(xiàn)同步。

依據(jù)IEC 60044－8等標準，對同步信號1的共性要求為：時間觸發(fā)在從低到高的脈沖上升沿；時鐘速率為每秒1個脈沖；時間準確度優(yōu)于1 μs；合并單元應作合理性檢查，時鐘信號有誤時發(fā)送報警信號。

其它技術(shù)要求：合并單元利用秒脈沖、IRIGB（DC）或IEEE 1588同步電子互感器的采樣，采樣的同步誤差不超過±1 μs；每秒第一次測量的采樣時刻應和秒脈沖的上升沿同步，對應的同步信號2在每秒內(nèi)均勻分布。

1.2 多路數(shù)據(jù)采集處理和輸出

在合并單元給多路A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送同步轉(zhuǎn)換信號后，將同時接收多路通道的輸出數(shù)據(jù)并對其有效性進行校驗，將各路采樣數(shù)據(jù)進行組幀后發(fā)送給測量、保護設備。

合并單元數(shù)據(jù)采集處理功能應通過檢測合并單元的準確性來驗證。有些數(shù)據(jù)通道間的同步采用軟件插值算法，在這種情況下，即使時間信號完全準確，插值點與實際值仍會存在誤差，對于線性插值來說，最大誤差的估計值為：

式中，N為采樣點數(shù)，n為諧波次數(shù)，n=1時為基波。IEC 60044標準規(guī)定電子式互感器的采樣頻率可取為20點/周、48點/周或80點/周等，根據(jù)式（1），N=20時基波最大采樣值誤差為1.23%，N=48時基波最大采樣值誤差為0.21%。目前一般測控裝置準確度應達到0.2%，考慮到諧波等因素的影響，采樣頻率至少為80點/周。

2 檢測方法

2.1 同步檢測

圖4為合并單元的同步信號檢測原理，標準時鐘源輸出標準同步信號1至合并單元，由標準頻率表等檢測表計對同步信號2和守時信號進行檢測，并接收報警、恢復、失效等信號。

圖4 合并單元的同步信號檢測原理

使用標準信號發(fā)生器等標準時鐘源輸出標準PPS信號至合并單元，利用PPS信號作為“閘門”信號，用高精度計數(shù)器或時間測試儀檢測同步信號2的頻率及計數(shù)，以確定采樣時間的正確性和均勻性。

使用標準信號發(fā)生器等標準時鐘源先輸出異常PPS信號，檢測是否發(fā)出報警信號，然后輸出正常PPS信號，檢測是否發(fā)出恢復信號。

針對不同的同步信號方式，還應做相應補充檢測。對于PPS和IRIG-B碼（直流）方式，都可以用查看波形的方式進行檢測。圖5為合并單元PPS輸入波形的技術(shù)要求，其中a脈沖間隔t1＞500 ms；秒準時沿為上升沿，上升時間≤100 ns。

對于IRIG-B碼（直流）方式，影響時間精度的主要因素為沿的抖動，由于時間準確度優(yōu)于1 μs，因此沿的抖動應小于200 ns。

圖5 合并單元的PPS輸入波形

對于IEEE 1588方式，檢測時仍采用圖4的方式，但同步信號1采用網(wǎng)絡方式進行傳遞。

在實際應用中，一些合并單元的同步并沒有使用采樣脈沖，而是采用軟件插值計算的方式，在這種情況下，同步信號2是插值計算的時間依據(jù)，仍要進行上述檢測。插值計算方法的準確性還應通過合并單元準確性的檢測來驗證。

此外，還應進行時鐘守時信號測試。對于工頻頻率50 Hz的情況，相位準確度要達到0.1°，則時鐘誤差應小于4 μs，即失去同步信號1后，應保證一定時間（如10 min）內(nèi)，時鐘誤差小于4 μs。測試時可用時間測試儀進行多次測量取平均值，以保證檢測準確性。

2.2 準確性檢測

2.2.1 模擬檢測法

檢測合并單元的準確性有模擬檢測法和數(shù)字檢測法兩種。模擬檢測法即采用交流標準源，輸出穩(wěn)定且準確的交流標準信號，合并單元控制二次轉(zhuǎn)換器進行采樣，由合并單元管理軟件對采樣數(shù)據(jù)進行計算，得出電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，最后將合并單元得出的各項值與標準值進行比較，得到誤差。該方法可以充分利用原有的檢測設備，在二次轉(zhuǎn)換器側(cè)輸入二次電壓、電流信號，可保證信號的穩(wěn)定，工作也容易開展。誤差計算時，可采用計算機與標準源和合并單元管理軟件直接通信的方法進行數(shù)據(jù)的自動讀取和誤差計算。

對交流標準源的要求，可參照《國家電網(wǎng)公司交流采樣測量裝置校驗方法》中的規(guī)定，考慮到合并單元等各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時延的不確定性，對標準源的穩(wěn)定性要求如表1所示。

表1 檢測合并單元的交流標準源要求

2.2.2 數(shù)字檢測法

對于無法采用模擬法進行準確性檢測的合并單元，可以采用數(shù)字法進行檢測，檢測原理如圖6所示，同步對時裝置發(fā)出同步信號后，由時鐘準確度高于合并單元的標準時鐘信號裝置產(chǎn)生獨立的時鐘信號，數(shù)字式標準源根據(jù)標準時鐘信號產(chǎn)生標準數(shù)據(jù)，接收同步信號2后將標準數(shù)據(jù)發(fā)送給合并單元進行采樣，并通過以太網(wǎng)將采樣數(shù)據(jù)傳遞至合并管理軟件進行計算，得出電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，最后將合并單元得出的各項值與標準值進行比較，得到誤差。

圖6 數(shù)字法檢測原理

為保證合并單元在信號變化時的準確性，數(shù)字式標準源輸出信號的頻率范圍應為45～55 Hz，頻率的調(diào)節(jié)單位應達到0.1 Hz，此外數(shù)字式標準源除輸出穩(wěn)定的標準信號外，還應能輸出諧波信號和“波動”信號，以檢測合并單元的計算能力。

采用數(shù)字式標準源檢測時，還可對數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時間進行檢測，計時裝置在接到秒對時信號后開始按標準時鐘信號計時，數(shù)字式標準源同步發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到合并單元發(fā)送的數(shù)據(jù)后停止計時，即得到合并單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t時間。

3 結(jié)語

隨著數(shù)字化變電站飛速發(fā)展，合并單元作為變電站數(shù)字化的核心部件，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。本文提出的模擬和數(shù)字檢測方案解決了合并單元同步、準確性、傳輸時間的延遲檢測等，為合并單元的檢測做了有益的探索。

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