智能變電站線性插值同步性研究及工程實踐

高振東，許永金，倪維東，邵燦輝

（南京河海南自水電自動化有限公司，南京 210032）

智能變電站線性插值同步性研究及工程實踐

高振東，許永金，倪維東，邵燦輝

（南京河海南自水電自動化有限公司，南京 210032）

0 引言

由于電子式互感器具有體積小、精度高、抗干擾能力強、不飽和、可靠、集成、低碳、環(huán)保等特點，近年來得到了大力推廣和應用，電子式互感器的應用和智能變電站的建設不可避免的要接入不同間隔、不同廠家的IED設備。使得間隔層IED設備的各個通道的采樣數據，不可避免的存在不同步的問題，基于FPGA的插值同步算法由于FPGA（可編程門陣列）具有快速性、可并行性、延時固定性等特點通過軟件的方式實現采樣同步，并且同步后二次采樣數據能夠滿足IEC6044-8等標準的精度要求。

1 插值算法及其原理

根據香農定理，信號的重建是對樣本進行插值的過程，即，從離散的樣本中，用數學的方法確定連續(xù)信號。

其系統(tǒng)圖如圖1所示，Xa(t)為模擬信號，Ya(t)為重建數據，P（t）為采樣函數。

圖1 插值系統(tǒng)圖

假設模擬信號經過理想采樣得到，則理想插值數據公式為：

其中，xa(nT)為離散采樣值，xa(t)為模擬信號，T為采樣周期。

式（1）由于是理想采樣信號可以完全重建，然而在實際應用中采樣回路很難達到理想的采樣效果，所以采用軟件插值算法是一種比較理想的處理方式。

2 線性插值算法

假設我們已知坐標（x0，y0）與（x1，y1），要得到[x0，x1]區(qū)間內某一位置x在直線上的y值。根據圖2中所示，我們得到：

假設方程兩邊的值為α，那么這個值就是插值系數—從x0到x的距離與從x0到x1距離的比值。由于x值已知，所以可以從公式得到α的值：

這樣，在代數上就可以表示成為：

圖2 插值算法圖

這樣通過α就可以直接得到 y。實際上，即使x不在x0到x1之間并且α也不是介于0到1之間，這個公式也是成立的。

由此，可得出線性插值可以插出連續(xù)信號，其精度隨著插值點的密度（即x1–x0）無限趨近于零時，越接近于實際的采樣值。而采樣頻率的增加，會占用CPU更多的資源等，成本可能會有所增加，所以選則合適的采樣頻率，同樣能夠滿足變電站的需要。

3 某變電站主變保護插值同步工程實踐

2010年12月安徽某220kV變電站在空載沖擊變壓器5次后，進行帶負荷向量試驗。主變保護以A相（所有顯示以A相電流為基準，另外幅值基本沒有任何變化故不再體現）為例顯示如表1所示。

表1 高低壓側A相電流電壓角度

由于低壓側為容性負載（低壓側只帶了電容器）所以電流應滯后電壓90°如表1而實際上按照向量低壓側電流滯后低壓側電壓300°-224°=76°；所以，產生了90°-76°=14°的角差。

圖3 實際接線示意圖

對以上問題分析如下，主變低壓側存在電流電壓角差不對的問題，主要是由于A公司MU和B公司MU的采樣值延時不一致導致，目前主變低壓側各個運行裝置的延時分布情況如圖4所示。

圖3中的963us為A公司MU發(fā)送IEC60044-8報文中自帶的延時參數（并不是實際物理延遲時間），1740us為A公司MU采樣值的實際延時參數，1574us為B公司MU報文中自帶實際物理發(fā)送延時參數，2351us為B公司MU發(fā)送電壓采樣值的實際延時參數。

1）電壓滯后問題解析

低壓側電壓延時T1：2351us = 1574us+ 1740us– 963us。

高壓側電壓延時T2：1074us。

2）單間隔電流電壓角差解析

理論計算：

低壓側電壓實際延時T1：2351us。

低壓側電流實際電流延時T2：1574us。

由于為360°對應的時間為0.02s=20000us。

所以電流電壓對應角差：（2351us – 1574us）×1.8°/100 = 14°與實際角差吻合。

3）高低壓側電流角差解析

對于主變差動由于高低壓側接線為星角-11點鐘接線高低壓側理論角差應為：IHA=0°，ILA=210°。

主變顯示角度如表1為：IHA=0°，ILA=224°。

高低壓側電流理論與實際角差為224°-210°= 14°。

理論計算角差為：（1574-1074）×1.8°/100=9°。

由于解決電壓滯后問題時，低壓側通道采樣值角度提前了（2351 – 1074）×1.8/100 = 23°，所以實際顯示角差應為23°-9°= 14°，與實際顯示角差相吻合。

根據以上分析，出現角差的原因為B公司MU實際送至主變的采樣值電流電壓存在14°角差。

4）解決方法

如圖4所示，A公司主變保護自己從母線MU獲取母線電壓，只從只從B公司MU獲取電流信號。該方案涉及以下四個方面的修改：

圖4 更改后接線示意圖

（1）增加A公司MU至A公司主變的光纜；

（2）更改A公司MU的延時參數（以實際延時1740us為基準）并增加至主變的通信鏈路；

（3）更改B公司MU需程序，以適應A公司MU的實際延時時間參數，并進行插值計算；

（4）更改A公司主變數據集中器的同步時刻點，以不同MU的電流、電壓最遲延遲時間為參考點插值同步。

通過插值同步算法后主變保護顯示值如表2完全滿足差動保護要求。

表2 高壓側、低壓側A相電流電壓角度值

4 結論

綜上所述，從以上工程實踐中可以看出，線性插值同步算法雖然簡單、導數不連續(xù)。但是，在選取得當插值點時完全能夠滿足變電站對采樣精度的要求。同時該方案還適用于IEC61850-9-2的點對點方案，也同樣適用于跨間隔的母差等保護。

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[3]徐光輝,李友軍,王文龍,熊慕文.數字化變電站IED采樣數據同步插值的設計.

[4]IEC6044-7 Instrument transformers:Part 7.

[5]IEC6044-8 Instrument transformers:Part 8.

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The research and engineering practice base on linear and synchronization interpolation about smart grid

GAO Zhen-dong，XU Yong-jin，NI Wei-dong，SHAO Can-hui

采用電子式互感器IED繼電保護設備可靠性依賴于采樣的同步性，本文論述了采樣值點對點插值線性同步算法，插值算法能夠滿足保護以及測量等變電站系統(tǒng)的精度要求。結合某變電站主變保護插值成功的方案，根據各方案的優(yōu)缺點，選擇合適的插值方案達到事半功倍的效果。

電子式互感器；線性插值；FPGA；工程實踐

高振東（1979-），男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)及智能水電廠自動化。

TM64

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1009-0134(2013)01(下)-0106-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2013.01(下).30

2012-08-08