智能變電站系統(tǒng)同步方案

【摘要】對于智能化變電站而言，采用組網(wǎng)模式接入SMV采樣值是實現(xiàn)智能變電站數(shù)據(jù)采集的模式之一。其中采樣值同步技術(shù)是智能變電站需要考慮的重要技術(shù)問題。本文針對該技術(shù)進行了詳細的介紹，并應用于實際產(chǎn)品，取得了很好的效果。

【關(guān)鍵詞】智能化變電站；SMV；采樣同步

基于裝置電源功率限制及整機發(fā)熱等考慮，SMV點對點傳輸方案應用受到一定的限制，因此SMV組網(wǎng)模式仍是智能變電站采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇x方案。智能變電站采用組網(wǎng)模式接入SMV采樣值，采樣值同步是智能變電站需要考慮的重要技術(shù)問題。為滿足保護及測量精度要求，保護裝置要求交流量的角度誤差不大于3°，對應50Hz系統(tǒng)頻率的時間為（1/6）ms，考慮±誤差和可靠系數(shù)，要求采樣值同步精度應不大于50us；計量裝置要求時間同步精度控制在1us以內(nèi)；線路保護縱差保護要求時間精度誤差應在4us以內(nèi)。

采樣值同步包括信號同步采集及接收處理同步兩部分。

1.同步采集

采用組網(wǎng)模式接入SMV采樣值，要求數(shù)據(jù)采集/合并單元同步采集。目前國內(nèi)外普遍采用光PPS脈沖、光IRIG-B碼或IEC-1588同步對數(shù)據(jù)采集/合并單元進行同步。

1.1同步采集誤差分析

采樣值同步采集要求精度控制在1us以內(nèi)。對于同一個變電站內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元，所有數(shù)據(jù)采集單元接收同步時鐘源的同步信號進行同步。同步誤差主要由以下部分引入：（1）同步時鐘源或數(shù)據(jù)采集單元的同步誤差：這里需要控制同步誤差在0.1us，并且誤差不可累積；（2）采集裝置的采集誤差：裝置的同步誤差不可避免，但兩個誤差累計不超過0.2us，且誤差不累積，系統(tǒng)的計量及保護不受影響；對于程序和分頻引入的誤差，需要考慮算法優(yōu)化。

1.2降低誤差方案

1.2.1裝置同步誤差處理

考慮現(xiàn)場采用脈沖/IRIG-B脈沖同步，若滿足0.1us精度要求，需要同步裝置的硬件設(shè)計與信號模式協(xié)同考慮。

同步時鐘源接收GPS裝置信號輸入并輸出同步脈沖。同步信號輸入一般采用電信號，因此信號采集回路需要采用高精度光耦、電阻等器件，降低采集回路誤差影響。為降低信號輸出回路誤差，采用FPGA直接對輸入信號譯碼后控制光脈沖信號輸出，規(guī)避CPU處理的時間誤差。為降低晶振離散誤差對裝置同步精度的影響，同步時鐘源可以采用高精度晶振（或帶補償?shù)木д瘢┙档途д裾`差。

數(shù)據(jù)采集單元接收同步信號進行同步采集。同步信號采用光脈沖信號，信號采集回路設(shè)計需要簡單可靠，由光串口接入后直接引入FPGA鎖存并處理，可以將采集誤差降至最低?；诔杀究紤]，數(shù)據(jù)采集單元不宜采用太高規(guī)格的晶振，因此需要通過軟件補償降低晶振誤差。采集單元在有同步信號時，統(tǒng)計晶振誤差：

誤差+=（當前脈沖計數(shù)-預期脈沖計數(shù)） （式-1）

當誤差統(tǒng)計達到設(shè)定的閾值時或者達到誤差修正時間，對裝置晶振進行修正。

1.2.2 裝置同步采集處理

控制數(shù)據(jù)采集單元同步采集也就意味著控制同步采樣脈沖，問題的關(guān)鍵在于：精確的計算采樣間隔以及準確的發(fā)出采樣脈沖。

（1）采樣間隔確定

設(shè)同步脈沖計數(shù)T，裝置采樣率S，則裝置采樣間隔a0計算方法為：

a0=（T÷S） （式-2）

即使進行四舍五入處理，采樣間隔的取整處理不可避免的引入累積誤差，降低由于不能整除造成的累積誤差是解決問題的關(guān)鍵，可以采用固定間隔修正或者實時修正中斷間隔計數(shù)器來降低采樣間隔偏差。

●固定間隔修正算法

固定間隔修正如下所示：

{a0、……、a0、a1、a0、……、a0、……}

設(shè)補償周期與裝置采樣率相同，未補償時預期誤差x0為：

X0=T-a0×S （式-3）

a1、補償間隔m0及補償次數(shù)n0計算公式如下：

上式中計算需要注意：m0計算時需要直接進行舍入操作，即縮短補償間隔，提前補償，保證補償周期Tick數(shù)不存在誤差。由于提前補償處理，勢必導致中斷間隔偏差，并累積導致中斷起始時刻誤差。為降低誤差影響，可以對算法進行修正：

進行如上操作后每隔補償周期（每秒）仍有誤差x1：

X1=X0-（a1-a0）×m0×n0 （式-6）

此時套用（式-4）進行二階補償即可。為提高精度可以繼續(xù)迭代補償，上述補償方案最大中斷間隔誤差如下表所示：

表1 50M晶振/4000Hz采樣率誤差分析

算法最大誤差

（Tick）最大誤差

晶振誤差最大誤差

相對時刻

一階插值補償444+1335+2686

二階插值補償36+1635+2686

實時修正1.497+1995+999

●實時修正采樣間隔算法。實時修正即為根據(jù)當前中斷的實際偏差調(diào)整下一中斷間隔。

第n個采樣中斷的理論相對時刻t0和實際相對時刻t1如下計算：

（式-7）中，t0的計算為浮點數(shù)計算以保證精度。根據(jù)t0和t1之間的關(guān)系確定第n個采樣中斷的間隔：

（式-8）中，M為設(shè)定調(diào)整閾值，一般設(shè)置建議小于1個Tick，如取0.5；a0為標準采樣間隔，計算方法如（式-2）所示。需要注意的是在每個補償周期中最后一個采樣中斷間隔需要特殊處理：

as=T-t1 （式-9）

保證每個補償周期Tick數(shù)不存在誤差，實時修正算法誤差如上表所示。

●算法比較分析。固定間隔補償中斷間隔的算法只需要每個同步間隔（每秒）計算及設(shè)置一次，流程較清晰，但誤差較大；動態(tài)調(diào)整中斷間隔方法需要每個中斷都要計算并設(shè)置下一中斷的中斷間隔，誤差很小，但是整個流程控制較復雜。為保證數(shù)據(jù)采集單元采樣間隔精確，選擇動態(tài)調(diào)整中斷間隔方案。

（2）準確發(fā)出采樣脈沖

由應用程序控制采樣保持的啟動，由于程序流程、外設(shè)訪問等因素影響將不可避免的導致采樣時刻有偏差。為精確控制采樣啟動時刻，可以由FPGA控制采樣。FPGA在每次進入超級中斷時刻（或進入中斷后某一特定時刻）啟動采樣保持，并將采樣數(shù)據(jù)存儲于緩沖區(qū)供應用程序讀取。

由FPGA完成采樣功能，還可以提高采樣率而不提高軟件超級中斷頻率，簡化軟件處理。

2.接收同步及數(shù)據(jù)處理

保護/測量裝置接收不同數(shù)據(jù)采集單元的采樣數(shù)據(jù)，需要將不同來源的數(shù)據(jù)整理成一個統(tǒng)一的采樣序列，并根據(jù)邏輯需要對采樣數(shù)據(jù)進行處理。不同原理的數(shù)據(jù)采樣單元之間的采樣值相位偏差補償不在本文討論范疇。

2.1 誤差分析

保護/測量裝置接收SMV報文提取采樣數(shù)據(jù)，要求不丟失SMV數(shù)據(jù)，并盡可能降低接收處理數(shù)據(jù)帶來的誤差影響。

2.1.1 報文接收及SVCB數(shù)據(jù)同步。由于SMV網(wǎng)絡(luò)傳輸影響或接收裝置中斷間隔抖動（如晶振誤差等），可能導致接收端每中斷收到SMV報文數(shù)量變化，為保證SMV數(shù)據(jù)連續(xù)性，需要足夠的接收緩沖區(qū)并及時處理所有接收報文。雖然采樣數(shù)據(jù)為同步采集，由于SMV網(wǎng)絡(luò)傳輸影響及接收網(wǎng)卡緩沖處理，同時刻采樣的不同SVCB不是同時接收處理，因此需要對不同的SVCB進行同步處理。

2.1.2 SMV數(shù)據(jù)處理。由于中斷間隔抖動（如晶振誤差等）、軟件算法調(diào)整等因素，保護/測控裝置的數(shù)據(jù)處理間隔可能與數(shù)據(jù)采集單元的采樣間隔不一致，為兼顧接收裝置的處理算法，可以進行接收重采樣處理。重新采樣將不可避免的引入誤差：信號描述誤差及插值算法誤差。

2.2 降低誤差方案

2.2.1 報文接收及SVCB數(shù)據(jù)同步。為保證SMV報文連續(xù)（不丟失數(shù)據(jù)），需要擴大接收緩沖區(qū)，考慮正常接收報文數(shù)量的1.5～2倍緩存SMV報文；接收處理模塊需要將接收到的報文全部處理，需要考慮極限情況下（1.5～2倍報文數(shù)量）時CPU負載滿足要求。基于數(shù)據(jù)采集單元同步采集的原則，接收端可以根據(jù)SMV報文中的采樣計數(shù)器進行同步。比較接收到的所有SVCB的采樣計數(shù)器，計數(shù)器偏差在容許的范圍內(nèi)時認為SVCB同步，否則認為該SVCB失步，不需考慮網(wǎng)絡(luò)延遲大于1s的情況。判斷為失步的SVCB中采樣數(shù)據(jù)不參與裝置的計算。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理——重采樣。由于每個超級中斷接收到的SMV數(shù)據(jù)數(shù)量不固定，與傳統(tǒng)保護/測量裝置設(shè)計思想不一致。如果保護/測量裝置每個超級中斷都將“新”的SV數(shù)據(jù)全部處理，需要更改兩個方面：

●幅值計算算法調(diào)整。由于采集單元的采樣間隔是按照絕對時間確定的，與系統(tǒng)頻率沒有直接聯(lián)系，當系統(tǒng)頻率變化時兩點采樣數(shù)據(jù)間的物理夾角也會隨之變化，此時需要對幅值算法進行補償。

●保護邏輯調(diào)整。如果能夠根據(jù)SMV傳輸?shù)牟蓸訑?shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進行重采樣處理，保證接收裝置每個超級中斷僅需要處理一點（或固定N點）數(shù)據(jù)，同時接收裝置根據(jù)系統(tǒng)頻率動態(tài)調(diào)整中斷間隔，保證每兩個中斷的采樣數(shù)據(jù)間的物理夾角不變化，這樣計算、保護邏輯處理均可大大簡化。為兼顧插值精度及計算量，考慮采用一階拉格朗日插值。

3.方案應用情況

深圳南京自動化研究所研制的智能變電站二次保護、測控設(shè)備ARP-3600就是按照上述思想進行實現(xiàn)，已經(jīng)在現(xiàn)場得到了充分的認證和用戶的認可。

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作者簡介

張明群，1979-12，男，漢族，碩士研究生，中級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)備的研發(fā)和數(shù)字化變電站二次設(shè)計。