一種合并單元的精度自動(dòng)校正系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

宋彥鋒　徐云松　沈　沉　楊　芳　朱建斌

(許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌　461000)

?

一種合并單元的精度自動(dòng)校正系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

宋彥鋒徐云松沈沉楊芳朱建斌

(許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌461000)

為了提高合并器精度、簡(jiǎn)化通道校正的復(fù)雜度，研發(fā)了一種電力系統(tǒng)合并單元(MU)的精度自動(dòng)校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和合并單元裝置。上位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)校正指令的發(fā)送、校正結(jié)果的計(jì)算和檢測(cè)等功能。裝置需要完成各個(gè)通道有效數(shù)據(jù)的采集和控制，并根據(jù)上位機(jī)命令對(duì)各通道數(shù)據(jù)備份區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。校正過(guò)程是通過(guò)調(diào)取相應(yīng)的校正算法模塊實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的通過(guò)手動(dòng)修改參數(shù)的通道校正過(guò)程相比，自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)極大地提高了通道的校正效率和校正精度，減小了校正誤差，且校正過(guò)程更加簡(jiǎn)單易行。

電力系統(tǒng)智能變電站合并單元采集通道自動(dòng)校正傅里葉算法精度校正遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用協(xié)議

0　引言

在如今的電力系統(tǒng)中，過(guò)程層負(fù)責(zé)完成電力運(yùn)行電氣量的實(shí)時(shí)檢測(cè)、運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)、操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)，就是常說(shuō)的模擬量、開(kāi)關(guān)量采集，控制命令的執(zhí)行。過(guò)程層設(shè)備包括光電互感器、合并單元和智能終端。合并器與互感器的輸出相連，并完成與一些跨間隔合并器的數(shù)據(jù)傳輸[1-3]。

合并單元是電流、電壓互感器的接口裝置。隨著數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)的推廣和工程建設(shè)，對(duì)合并單元的功能和性能要求越來(lái)越高。與此同時(shí)，對(duì)帶有常規(guī)電磁式互感器接口的合并器數(shù)據(jù)采集處理功能的要求也越來(lái)越高。本文中提到的合并器都為具備常規(guī)采樣功能的合并器。

由于合并器裝置中，采集板卡的精度和板卡本身及所處的裝置環(huán)境都有關(guān)系，所以在合并器出廠(chǎng)和投運(yùn)之前都需要校正采集通道的參數(shù)，以提高合并器的精度，并將參數(shù)固化。傳統(tǒng)的方式是依次對(duì)采集板的每個(gè)通道進(jìn)行零漂、幅值和相位校正。每個(gè)通道要分別進(jìn)行零漂校正，工作量大且容易遺漏。校正系數(shù)時(shí)，分別對(duì)各通道按整數(shù)增減系數(shù)，容易造成大偏差，精度不高。分別對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行相位校正，使得各個(gè)通道相位的一致性不高。整個(gè)校正過(guò)程中，人工干預(yù)的地方較多，出錯(cuò)的幾率大[4-6]。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的調(diào)試人員，用傳統(tǒng)的方法校正通道參數(shù)，校正一臺(tái)10通道的裝置至少需要花費(fèi)20min，既耗時(shí)又費(fèi)力。

為了解決上述校正存在的弊端，自動(dòng)校正系統(tǒng)充分利用了合并器裝置CPU的計(jì)算能力，將整個(gè)校正過(guò)程全部通過(guò)裝置的CPU自動(dòng)完成，實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)校正的功能。通過(guò)上位機(jī)的一個(gè)指令按鍵，能夠自動(dòng)、快速、精確地完成整個(gè)校正過(guò)程，大大提高了調(diào)試人員的工作效率[7-9]。

1　精度自動(dòng)校正原理

1.1算法實(shí)現(xiàn)原理

傅里葉變換是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中一種很重要的信號(hào)分析方法：任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)序或信號(hào)，都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅里葉變換算法利用直接測(cè)量到的原始信號(hào)，以累加方式來(lái)計(jì)算該信號(hào)中不同正弦波信號(hào)的頻率、振幅和相位。傅里葉變換將原來(lái)難以處理的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成了易于分析的頻域信號(hào)(信號(hào)的頻譜)，可以利用一些工具對(duì)這些頻域信號(hào)進(jìn)行處理、加工[10-11]。

傅里葉變換是一種特殊的積分變換。它能將滿(mǎn)足一定條件的某個(gè)函數(shù)表示成正弦基函數(shù)的線(xiàn)性組合或積分。本系統(tǒng)校正所用到的算法如下：

(1)

(2)

式中:N為周期采樣點(diǎn)數(shù)；Hc[i]和Hs[i]為求取的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的傅里葉系數(shù)。

當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)為80點(diǎn)時(shí)，傅里葉系數(shù)公式為：

(3)

(4)

一般情況下，為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，先形成不同周期采樣點(diǎn)數(shù)的傅里葉系數(shù)表；計(jì)算時(shí)查表，以避免重復(fù)計(jì)算傅里葉系數(shù)。

系數(shù)相量算法公式如下：

(5)

(6)

根據(jù)基波有效值就可以得到本通道的真實(shí)數(shù)字輸出值，將真實(shí)數(shù)字輸出值和本通道的額定數(shù)字輸出值進(jìn)行比較，就能得到本通道的系數(shù)。額定數(shù)字輸出值與通道類(lèi)型有關(guān)，具體的映射關(guān)系如表1所示。根據(jù)基波實(shí)部和虛部的運(yùn)算，可以得到通道相位值；與指定的基準(zhǔn)通道的相位比較，就能知道當(dāng)前通道相對(duì)于基準(zhǔn)通道的相位偏移值。

表1　額定輸入/輸出映射表

1.2自動(dòng)校正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

自動(dòng)校正系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和合并單元裝置。

上位機(jī)工具利用以太網(wǎng)連接和遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(remote procedure call,RPC)協(xié)議技術(shù)對(duì)裝置內(nèi)部相應(yīng)的內(nèi)存變量進(jìn)行修改和讀取，實(shí)現(xiàn)調(diào)試人員對(duì)通道自動(dòng)校正過(guò)程的控制；根據(jù)裝置反饋的數(shù)據(jù)，對(duì)校正過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)察和判斷，實(shí)現(xiàn)校正結(jié)果的固化。

合并單元裝置部分主要實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、自動(dòng)校正等功能。

自動(dòng)校正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1　自動(dòng)校正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理圖

為了實(shí)現(xiàn)圖1所示的功能，裝置內(nèi)部需要運(yùn)行兩個(gè)任務(wù)：通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)和通道校正任務(wù)，如圖2所示。

圖2　自動(dòng)校正系統(tǒng)裝置端實(shí)現(xiàn)示意圖

通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)的作用是為每個(gè)采集通道準(zhǔn)備單獨(dú)的存儲(chǔ)區(qū)域、采集有效的通道數(shù)據(jù)，并與通道校正任務(wù)交互信息。

通道校正任務(wù)的作用是利用通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)準(zhǔn)備好的通道數(shù)據(jù)，按照不同的算法，分別實(shí)現(xiàn)通道的零漂、系數(shù)和相位校正。

2　自動(dòng)校正系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

合并器裝置實(shí)現(xiàn)的通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)用于完成各個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集工作，并保證采集到的數(shù)據(jù)為連續(xù)有效的完整周期波形數(shù)據(jù)。采集任務(wù)負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)分別儲(chǔ)存在各個(gè)通道的數(shù)據(jù)備份區(qū)內(nèi)。當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到校正需要的點(diǎn)數(shù)(校正精度要求越高，需要采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)越多)之后，自動(dòng)停止該通道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，并向通道校正任務(wù)傳遞數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)。

整個(gè)過(guò)程不需要外部干涉，只要通道存儲(chǔ)區(qū)沒(méi)有數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)無(wú)效，任務(wù)就會(huì)自主完成采集數(shù)據(jù)工作。通道存儲(chǔ)區(qū)的大小可以通過(guò)配置文件進(jìn)行設(shè)置。

2.2通道校正任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

在通道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的情況下，通道校正任務(wù)可以根據(jù)上位機(jī)軟件的校正命令，進(jìn)行相應(yīng)的通道校正，其流程如圖3所示。

圖3　CPU通道校正任務(wù)流程圖

任務(wù)休眠一定的時(shí)間之后，開(kāi)始解析上位機(jī)軟件下發(fā)的校正指令。如果需要校正本通道并且該通道數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，那么根據(jù)上位機(jī)指令包含的具體校正類(lèi)型，進(jìn)入相應(yīng)的校正模塊。

零漂校正模塊流程圖如圖4所示。首先需要確定是否有校正本通道零漂的上位機(jī)命令、本通道校正所需的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。如果兩者都具備條件，就可以進(jìn)入通道校正的算法程序：根據(jù)本通道的備份區(qū)數(shù)據(jù)，求出本通道數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。然后將該數(shù)據(jù)備份區(qū)的所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)值分別減去本通道算術(shù)平均值，得出每一個(gè)采樣點(diǎn)的零漂偏移。最后再對(duì)這些計(jì)算出來(lái)的所有點(diǎn)的零漂偏移求算術(shù)平均值，即可得到本通道的零漂偏移值。

圖4　零漂校正模塊流程圖

計(jì)算出零漂之后，就可以計(jì)算通道的系數(shù)和相位偏移。系數(shù)校正和相位校正首先需要確定是否有校正本通道系數(shù)或相位的上位機(jī)命令、本通道校正所需數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。如果兩者都滿(mǎn)足，就進(jìn)入通道校正的算法程序。用本通道備份區(qū)的每一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分別減去該通道的零漂偏移值，即可得到每個(gè)采樣點(diǎn)去除零漂偏移影響的數(shù)據(jù)值——真實(shí)采樣值；將得到的所有點(diǎn)的真實(shí)采樣數(shù)據(jù)按照傅里葉算法計(jì)算，可以得到本通道的基波波形的實(shí)部、虛部以及基波有效值。

根據(jù)基波有效值，可以得到本通道的真實(shí)數(shù)字輸出，將該值和通道額定的數(shù)字輸出值(見(jiàn)表1)進(jìn)行比較，就可以得到本通道的系數(shù)。

根據(jù)基波實(shí)部和虛部，即可計(jì)算出本通道相位，再和選定的基準(zhǔn)通道(可在上位機(jī)工具任意選定)進(jìn)行比較，就可以得到相對(duì)于基準(zhǔn)通道的相位偏移值。

這些校正的計(jì)算過(guò)程都是由合并單元自動(dòng)完成的。只需要上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的校正信號(hào)，合并單元就會(huì)自動(dòng)完成對(duì)應(yīng)的校正工作。所有的校正完成之后，將各通道的校正結(jié)果寫(xiě)入配置文件。合并單元以后每次上電，都會(huì)根據(jù)該配置文件先初始化各個(gè)通道。

3　自動(dòng)校正系統(tǒng)的測(cè)試

自動(dòng)校正系統(tǒng)的測(cè)試效果圖如圖5所示。

圖5　通道校正效果示意圖

如圖5(a)所示，被檢測(cè)信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)在幅值和相位上都有差異，我們的目的是校正被檢信號(hào)，使之與基準(zhǔn)信號(hào)重合。通過(guò)本文設(shè)計(jì)的通道自動(dòng)校正系統(tǒng)，只需在上位機(jī)工具界面上點(diǎn)擊零漂校正、系數(shù)校正和相位校正三個(gè)按鍵，就能得到如圖5(b)所示的校正后的波形。由圖5(b)可以看出，被檢信號(hào)已經(jīng)得到校正并和基準(zhǔn)信號(hào)線(xiàn)重合，經(jīng)實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證精度滿(mǎn)足合并器要求。

利用自動(dòng)校正工具校正之后的合并器裝置交流采樣準(zhǔn)確級(jí)如表2所示。

表2　校正后的合并單元交流采樣準(zhǔn)確級(jí)表

以上精度全部滿(mǎn)足國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《模擬量輸入式合并單元檢測(cè)規(guī)范》[11]。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看到，合并單元精度自動(dòng)校正系統(tǒng)的校正結(jié)果能夠滿(mǎn)足指標(biāo)要求，解決了傳統(tǒng)校正方法效率低和易出錯(cuò)的弊端。本文設(shè)計(jì)的合并單元精度自動(dòng)校正系統(tǒng)極大地提高了通道的校正效率和校正精度，減小了校正誤差，且校正過(guò)程簡(jiǎn)單易行，對(duì)提升合并器裝置生產(chǎn)和測(cè)試效率有很大幫助。該系統(tǒng)在提高數(shù)據(jù)采集控制效率、優(yōu)化采集任務(wù)和校正任務(wù)交互方式、提高CPU的傅里葉算法計(jì)算效率等方面還有很大的空間。

[1] 倪益民,楊宇,樊陳,等.智能變電站二次設(shè)備集成方案討論[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(3):194-199.

[2] 趙應(yīng)兵,周水斌,馬朝陽(yáng).基于IEC61850-9-2的電子式互感器合并單元的研制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(6):104-106、110.

[3] 閆志輝,周水斌,鄭拓夫,等.新一代智能站合并單元智能終端集成裝置研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(14):117-121.

[4] 張曉華,牛元立,何剛,等.電子式互感器采樣系統(tǒng)固有延時(shí)測(cè)試研究[J].電測(cè)與儀表,2011,48(7): 42-45.

[5] 李英明,鄭拓夫,周水斌,等.一種智能變電站合并單元關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(11):93-97.

[6] 范訓(xùn)沖,萬(wàn)方華,張洪.一種實(shí)現(xiàn)合并單元同步采樣的方案[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(7): 100-102.

[7] 王忠東,李紅斌,程含渺,等.模擬量輸入合并單元計(jì)量性能測(cè)試研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(12):3522-3527.

[8] 唐毅,李振華,江波.基于IEC61850-9的電子式互感器現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù),2014,40(8):2353-2359.

[9] 譚洪恩,胡浩亮,雷民,等.電子式互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)分析[J].高壓電器,2010,36(12):2990-2995.

[10]熊元新,陳允平.離散傅里葉變換的定義研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006，39(1)：89-91、142.

[11]國(guó)家電網(wǎng)公司.Q/GDW 11015-2013,模擬量輸入式合并器檢測(cè)規(guī)范[S].2013:14-15.

ImplementationoftheAutomaticPrecisionCorrectionSystemforMergingUnit

Inordertoimprovetheprecisionofmerger,andsimplifythecomplexityofthechannelcorrection,theprecisionautomaticcorrectionsystemofelectricpowermergingunit(MU)isresearchedanddeveloped.Thesystemmainlyconsistsofthehostcomputerandmergingunitdevice.Hostcomputerneedstocompletesendingavarietyofinstructionsforautomaticcorrections,calculatinganddetectingthecalibrationresults,etc.Thedeviceneedstoacquireandcontroleffectivelydataofeachchannel,andaccordingtothecommandsofhostcomputer,tocorrectthedatainbackupareaofeachchannel.Thecorrectionprocessiscompletedthroughcallingcorrespondingcorrectionalgorithmmodule.Comparedtothetraditionalchannelcorrectionprocesswithmanualmodifyingparameter,theautomaticcorrectionsystemgreatlyimprovesthechannelcalibrationefficiencyandprecision,anddecreasestheerrorofcalibration,aswellasthecorrectionprocessismoresimpleandeasy.

ElectricpowersystemSmartsubstationAutomaticcorrectionMergingunitAcquisitionchannelFourieralgorithmPrecisioncorrectionRemoteprocedurecall(RPC)

宋彥鋒(1984—)，男，2010年畢業(yè)于中北大學(xué)電路與系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事智能變電站設(shè)備嵌入式軟件平臺(tái)的研究。

TH-39;TP27

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609009

修改稿收到日期：2016-03-08。