基于插值算法的智能變電站優(yōu)化設(shè)計(jì)

【摘要】智能變電站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)模擬采樣變?yōu)閿?shù)字化采樣，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理過程中可能存在不同步的問題，需要使用插值算法對來自不同裝置的采樣值進(jìn)行同步處理。根據(jù)現(xiàn)場工作實(shí)際情況提出了插值算法的幾種實(shí)施方案：基于FT3、IEC61850-9-2規(guī)約傳輸?shù)牟蓸又悼梢岳貌逯邓惴▽?shí)現(xiàn)跨間隔合并單元數(shù)據(jù)采集同步；在智能變電站系統(tǒng)中光纖縱差保護(hù)中，基于鎖相環(huán)技術(shù)的插值算法可以靈活、可靠地完成的不同間隔間的采樣同步。

【關(guān)鍵詞】智能變電站；插值；同步；采集系統(tǒng)；優(yōu)化

引言

智能變電站中電氣設(shè)備的智能化、共享化以及程序化是現(xiàn)代智能化變電站的顯著特征。智能化變電站有其相應(yīng)的不同于傳統(tǒng)變電站的顯著特點(diǎn)，具體的有以下幾種方式：（1）原來的銅芯電纜被大量的光纖代替，實(shí)現(xiàn)了沉重的金屬導(dǎo)線被輕便的光纖替換，進(jìn)行大量的減少系統(tǒng)中元件的數(shù)量：（2）數(shù)字化的信息可以共享并且不會像電纜一樣老化，具有很高的可靠性和永久性；（3）數(shù)字化的信息可以通過交換機(jī)傳輸?shù)礁鱾€(gè)接收端，實(shí)現(xiàn)多元化廣域化，為將來的站域間保護(hù)的實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文章主要是通過討論采用的裝置或者是系統(tǒng)的冗余來提高數(shù)字化變電站系統(tǒng)的可靠性和安全性。這種情況下，電氣設(shè)備模擬量及開關(guān)量的采集將由原來的電纜集中連接的方式轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信息的傳送和共享，在數(shù)字化信息傳送過程中采樣延時(shí)是否一致是一個(gè)有待解決的問題。變電站內(nèi)設(shè)備一旦安裝，將不再增加預(yù)算，我們必須不改變原有設(shè)備的基礎(chǔ)上解決此問題。利用插值算法，以程序注入接收端設(shè)備的方式保證數(shù)據(jù)采集達(dá)到同步化。此種方案費(fèi)用低、可操作性強(qiáng)，有效提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性。把幾種插值算法進(jìn)行對比，并提出在智能化變電站中的最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)方案。

1、插值算法原理

根據(jù)香農(nóng)定理，倘若采樣角頻率 大于模擬信號最高角頻率的2 倍，該模擬信號可以由其樣本完全恢復(fù)出來，我們把這種情況稱為重建。

1.1零階插值算法

零階插值算法又稱為零階保持插值。在這種插值算法中，樣本值一直保持有效性，直到獲得下一個(gè)樣本。

1.2一階插值算法

由于零階插值算法的輸出量能保證不連續(xù)性，采用高階插值的方法是解決的有效方式，通過最小二乘法在樣本值上獲得相應(yīng)的插值處理數(shù)據(jù)。三次樣條插值也可以保證輸出信號本身及其導(dǎo)數(shù)保持連續(xù)，且具有波形平滑的特點(diǎn)，但是運(yùn)算量巨大且功耗大并不適用于繼電保護(hù)、測控等精密系統(tǒng)。

2、具體應(yīng)用方案

線性插值算法的核心是如何確定式t值，之后的運(yùn)算過程很簡單，下面就幾種情況加以說明。

2.1不同設(shè)備的采樣數(shù)據(jù)通過插值算法保證采樣裝置之間的數(shù)據(jù)滿足同步性，此種做法是目前使用電子式互感器時(shí)的有效途徑，間隔的合并單元把不同相別提供的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行同步化處理，是最有效的模式?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列器件（FPGA）由于具有快速性、并行性等諸多優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣同步性中得到了廣泛應(yīng)用。但是從裝置應(yīng)用層到物理層都要實(shí)現(xiàn)同步化，對于設(shè)備廠家來說，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，并且不同廠家設(shè)計(jì)理念的差異更加大了任務(wù)的困難性。因此，目前廣泛采用的是基于IEC61850-9-2的模式，并作如下約定：

a.通信方式采用點(diǎn)對點(diǎn)把交換機(jī)排除在外實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步性優(yōu)化；

b.各間隔合并單元數(shù)據(jù)發(fā)送的抖動時(shí)間小于10μs。

滿足以上條件，IED設(shè)備便可利用IEC的61850-9-2模式完成采樣數(shù)據(jù)之間的插值同步，并且不增大設(shè)備的計(jì)算量有效降低了設(shè)備功耗。

2.2光纖縱差保護(hù)的采樣同步

采樣時(shí)刻調(diào)整法是以往的光線差動保護(hù)保證兩端數(shù)據(jù)同步的有效的廣泛的手段。兩端裝置一端是主裝置一端是從裝置，主端裝置內(nèi)部存在產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘，從端裝置利用頻率跟蹤算法保證與主端裝置時(shí)鐘一致。由于采用同一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘作為時(shí)鐘源，因此保證了主端與從端的系統(tǒng)時(shí)鐘一致，從而完成了采樣數(shù)據(jù)的同步化。但是，智能化化變電站中，模擬量采樣來源于電子式互感器，便不能再利用于主端裝置的系統(tǒng)時(shí)鐘作為時(shí)鐘源，采用插值算法把最初的模擬數(shù)據(jù)采集與主端系統(tǒng)時(shí)鐘點(diǎn)保持一致，這樣就消除了采樣延時(shí)的缺陷。針對不同情況，采用相應(yīng)的方案優(yōu)化采樣的同步化。若合并單元到IED裝置之間采用發(fā)送間隔抖動時(shí)間小于10μs的IEC61850-9-2作為連接模式時(shí)，保護(hù)裝置可以采用插值的算法完成數(shù)據(jù)的同步，保證數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。趟若合并單元到保護(hù)裝置之間雖然使用了IEC61850-9-2規(guī)約，但是不對數(shù)據(jù)采集的抖動時(shí)間做任何限制，就要通過鎖相環(huán)算法來保證保護(hù)裝置對合并單元采樣時(shí)鐘的同步。

3、結(jié)論

在實(shí)際應(yīng)用中，采用間隔時(shí)間抖動小的簡單串行規(guī)約，采用線性插值方案可以滿足變電站中的大部分功能的應(yīng)用；即使采用IEC61850-9-2，只要發(fā)送抖動時(shí)間小于10μs，也能滿足各個(gè)間隔保護(hù)裝置采樣同步性的要求；基于鎖相環(huán)的采樣處理模式完全可以滿足光纖縱差保護(hù)的采樣要求，同時(shí)也不需要對合并單元的上送數(shù)據(jù)做其他要求，變速率插值的使用中，一定要解決好頻率混疊的問題，防止波形失真[1]，在目前的情況下得到的廣泛的使用；插值算法在實(shí)際工程中也得以廣泛使用，涵蓋各個(gè)電壓等級。

參考文獻(xiàn)

[1]徐廣輝，李友軍，王文龍，熊慕文.數(shù)字化變電站IED采樣數(shù)據(jù)同步插值的設(shè)計(jì).電力系統(tǒng)自動化，2009，

[2]OPPENHEIM A V，WILLSKY A S. Signals and systems[M].2nd ed. Englewod Cliffs，USA：Prentice鄄Hall，Inc，1997：376鄄380.

作者簡介

趙守信（1986-），男，河南濮陽人，安徽省電力公司滁州供電公司變電檢修班，助理工程師。

董國慶（1989-），男，安徽天長人，安徽電力公司滁州供電公司變電運(yùn)維班值班員，助理工程師。