電力物聯(lián)網(wǎng)下的采樣共享方式探討

陳桂友 , 程立

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，分布式能源、直流控制裝置和無功補(bǔ)償裝置等大規(guī)模接入，我國電網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為超大規(guī)模電網(wǎng)。特別是可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用給電網(wǎng)引入了大量的新型電力電子裝備，電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出明顯的電力電子化特征。2019年國家電網(wǎng)有限公司把“三型兩網(wǎng)”[1]的建設(shè)提升到了戰(zhàn)略高度。三型兩網(wǎng)中的兩網(wǎng)指的是“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”和“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”。“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”通過特高壓電網(wǎng)進(jìn)行電力的大規(guī)模、長距離穩(wěn)定輸送，解決三北和西南地區(qū)的清潔能源消納問題，通過智能配電網(wǎng)支撐間歇性分布式電源的有效并網(wǎng)。因此隨著三型兩網(wǎng)的建設(shè)，電網(wǎng)的電力電子化特征將更加明顯。電網(wǎng)的電力電子化使得電網(wǎng)產(chǎn)生了寬頻振蕩等新的電能質(zhì)量問題[2-4]。為了應(yīng)對這些新問題，新研制了寬頻測量裝置[5]，增強(qiáng)了電能質(zhì)量的監(jiān)測功能。寬頻測量裝置要求采樣率不低于12.8 kHz,電能質(zhì)量要求采樣率不低于25.6 kHz,因此現(xiàn)有合并單元的4 kHz的采樣率[6]，已經(jīng)不能滿足“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的建設(shè)需求。

“三型兩網(wǎng)”中的“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”要求電力系統(tǒng)“源—網(wǎng)—荷—儲”各環(huán)節(jié)末梢，能夠支撐數(shù)據(jù)采集和具體業(yè)務(wù)開展[7]。電流、電壓數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，也是電力系統(tǒng)眾多業(yè)務(wù)得以開展的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的深入，必將有更多的設(shè)備和更多的業(yè)務(wù)需要采集電網(wǎng)的電流、電壓數(shù)據(jù)。因此如何高效地提供電流電壓采樣數(shù)據(jù)的共享性，是邊、端設(shè)備首先要考慮的重要問題，也是整個“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的要解決的基本問題之一。

1 現(xiàn)有采樣共享方式的局限性

模擬量采樣時，測量裝置通過并聯(lián)方式共享電壓互感器的二次側(cè)電壓，通過串聯(lián)方式共享電流互感器的二次側(cè)電流。保護(hù)、自動化和計(jì)量專業(yè)對電流測量精度、測量范圍的要求不同。保護(hù)要求測量范圍寬，測量精度要求相對較低。計(jì)量專業(yè)要求測量精度高，測量范圍要求相對較低。自動化專業(yè)的要求則介于兩者之間。因此同一路電流通常需要三個電流互感器，專業(yè)內(nèi)通過串聯(lián)方式共享數(shù)據(jù)，專業(yè)之間則相互獨(dú)立。因?yàn)閷I(yè)內(nèi)通過串聯(lián)方式共享電流數(shù)據(jù)，任何一個串聯(lián)裝置發(fā)生故障，都將影響其他裝置的正常運(yùn)行。同時無論是電壓互感器還是電流互感器都有帶載能力限制，超過其帶載能力，所有測量裝置的測量精度都會受到影響。

智能變電站通過合并單元把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再通過光纖或過程層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給間隔層裝置。因此間隔層測量裝置故障，不會再影響其他裝置的采樣。但是合并單元自身故障或過程層交換機(jī)故障時，將影響所有測量裝置的采樣。為了減小合并單元和交換機(jī)故障的影響程度，合并單元和過程層網(wǎng)絡(luò)通常按雙套配置。采樣數(shù)字化雖然增加了合并單元、過程層網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，但是任何設(shè)備都可以通過過程層網(wǎng)絡(luò)獲取采樣數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)共享的方便性有了很大提升。常規(guī)采樣時共享的是模擬量信息，采樣由測量裝置各自實(shí)現(xiàn)，因此測量裝置可以按自身的專業(yè)要求靈活設(shè)計(jì)采樣頻率。而智能變電站利用合并單元把采樣數(shù)字化之后，輸出固定采樣率(通常為4 kHz)的數(shù)字采樣序列,測量裝置只能被動的接授此采樣率，并按此采樣率設(shè)計(jì)自身功能。4 kHz的采樣率雖然能滿足電力系統(tǒng)中的保護(hù)、測控和PMU等常見裝置的測量要求，但是無法滿足所有裝置,如寬頻測量裝置要求采樣率不低于12.8 kHz,電能質(zhì)量要求采樣率不低于25.6 kHz。

2 采樣數(shù)據(jù)共享技術(shù)總體方案

考慮到數(shù)字采樣方式擴(kuò)展的簡易性，仍然采用數(shù)字采樣通過過程層網(wǎng)絡(luò)供享的方案。如圖1所示，由合并單元采集電力系統(tǒng)中的電流和電壓信息并轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣信號。數(shù)字采樣信號發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)上，測量裝置通過過程層網(wǎng)絡(luò)獲取所需的采樣數(shù)據(jù)，或者合并單元通過光纖直接把數(shù)字采樣信號發(fā)送給測量裝置。通過合并單元的統(tǒng)一采集，所有測量裝置都可以共享電流、電壓采樣數(shù)據(jù)。

圖1 采樣共享總體方案

不同類型的測量裝置對采樣率有不同的需求，因此合并單元可以輸出多種采樣率的采樣數(shù)據(jù)。使用裝置較多的，如4 kHz、12.8 kHz的采樣數(shù)據(jù)直接發(fā)送到過程層網(wǎng)絡(luò)中。任何測量設(shè)備都可以直接從網(wǎng)絡(luò)上獲取相應(yīng)采樣數(shù)據(jù)。對于那些采樣率很高且只有很少裝置使用的采樣數(shù)據(jù)則通過光纖直接發(fā)送給測量裝置，避免高采樣率數(shù)據(jù)造成過程層網(wǎng)絡(luò)堵塞。

3 采樣數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)方案

3.1 采樣頻率

調(diào)研現(xiàn)有測量裝置發(fā)現(xiàn)：采樣率主要有保護(hù)、測控和PMU等裝置采用的4 kHz；寬頻測量裝置、電能質(zhì)量等裝置采用的12.8 kHz、25.6 kHz。綜合考慮現(xiàn)有大多數(shù)裝置的需求和對過程層網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響，擬采用4 kHz、12.8 kHz和25.6 kHz三種基礎(chǔ)采樣率。這三種基礎(chǔ)采樣率已經(jīng)能夠滿足大部分已知業(yè)務(wù)的需要。將來新研制的測量裝置可以此為參考選擇合適的采樣率。對于現(xiàn)有裝置，如果此三種基礎(chǔ)頻率不能滿足要求，本方案提供了一種定制化方案。如果三種基礎(chǔ)采樣率為所需采樣率的整次倍時，可以通過抽點(diǎn)方式提供所需的采樣數(shù)據(jù)。如所需的采樣率為6.4 kHz，則可以通過采樣率為12.8 kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)每兩點(diǎn)抽取一點(diǎn)的方法獲得。考慮到抽點(diǎn)率過低時，更易產(chǎn)生頻譜混疊，因此不建議通過抽點(diǎn)方式獲得較低頻率的采樣數(shù)據(jù)。同時考慮到嵌入式裝置實(shí)現(xiàn)的簡便性，暫時也不考慮其他采樣率的采樣數(shù)據(jù)。

3.2 定頻采樣與定周期采樣

現(xiàn)有合并單元提供固定頻率的采樣數(shù)據(jù)，即每秒鐘按等間隔固定采樣4 000次、25 600次等。固定頻率采樣無需關(guān)注信號本身的頻率,按固定頻率采樣，按固定頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)較為簡單。還有另外一種采樣方式叫定周期采樣，即按被采樣信號的周期，每周期等間隔采樣固定點(diǎn)數(shù)，比如每周期固定采樣80個點(diǎn)。定頻采樣與定周期采樣的區(qū)別如表1所示。

表1 定頻采樣與定周期采樣對比

從表1可以看出:如被采樣信號為50 Hz時，定頻采樣和定周期采樣的采樣率相同；如被采樣信號的頻率低于50 Hz時，定周期采樣的采樣率低于定頻采樣的采樣率；如被采樣信號的頻率高于50 Hz時，定周期采樣的采樣率高于定頻采樣的采樣率。

測量裝置使用合并單元發(fā)送過來的定頻采樣數(shù)據(jù)直接計(jì)算有效值時，計(jì)算結(jié)果會出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤。如表2所示，頻率為49 Hz，有效值為1 000的正弦信號，使用定頻采樣數(shù)據(jù)直接計(jì)算有效值，在不同時刻計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了不同程度的漂動。

表2 定頻與定周期采樣計(jì)算結(jié)果對比

因此測量裝置接收合并單元的定頻采樣數(shù)據(jù)后，一般先進(jìn)行插值重采樣，得到定周期采樣值之后再開展其他業(yè)務(wù)功能的分析計(jì)算。為了保證測量精度，通常需要三階或四階插值。這無疑加重了測量裝置的計(jì)算負(fù)載。為了減輕測量裝置的計(jì)算負(fù)載，本方案除了提供定頻采樣數(shù)據(jù)之外，還提供定周期采樣數(shù)據(jù)。測量裝置可以使用定周期數(shù)據(jù)直接計(jì)算分析，從而把更多的計(jì)算資源放在業(yè)務(wù)功能上，而不是放在原始采樣點(diǎn)的處理上。使用定周期采樣之后，采樣間隔隨著信號的頻率而改變，通過采樣序號無法準(zhǔn)確識別采樣時刻。為了測量裝置能準(zhǔn)確獲取采樣時刻，在采樣數(shù)據(jù)幀中增加一個通道專門發(fā)送采樣時間。采樣時間只發(fā)送秒以下的時間部分，以μs為單位，最小0 μs，最大999 999 μs。采樣序號的功能仍然保留，接收方以采樣序號作為是否丟幀的判斷依據(jù)。

3.3 有效值

對于很多測量裝置來說，真正有用的是信號的有效值、角度和頻率三個量，如測控的同期功能、PMU的輸出都只關(guān)心信號基波的有效值、角度和頻率。同時信號的頻率可通過式(1)計(jì)算得到。

f=ω/(2πt)

(1)

式中:ω為在經(jīng)過時間t信號旋轉(zhuǎn)的角度。

圖2 參考相量為0度時的示意圖

為了進(jìn)一步減輕測量裝置的負(fù)載，本方案提供了信號有效值和角度的輸出。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和實(shí)際使用對象的需求，選擇了1 kHz作為有效值和角度的輸出頻率。信號角度是個相對量，為了更準(zhǔn)備地分析信號，選擇頻率為50 Hz的信號作為角度計(jì)算的參考相量，并且規(guī)定峰值過零點(diǎn)時，參考相量的角度為0度。參考相量角度為0度時的波形如圖2所示。

全波有效值是指包含基波和諧波在內(nèi)的信號有效值。通常電力系統(tǒng)中測控裝置輸出的有效值即為信號的全波有效值。全波有效值混合了基波和諧波信息，無法從電流和電壓的全波有效值計(jì)算得到全波功率值?？紤]到測控裝置的實(shí)際使用情況，本方案除了輸出電流、電壓的基波有效值和角度之外，還輸出電流、電壓的全波有效值和功率全波有效值。無論是測控裝置還是PMU裝置，甚至計(jì)量裝置都可以從中獲益，減少計(jì)算量。

4 樣機(jī)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采樣數(shù)據(jù)共享技術(shù)方案的可行性，研制了新型合并單元裝置樣機(jī)。樣機(jī)硬件劃分為幾個獨(dú)立插件模塊，包括模擬量采樣插件、定頻采樣輸出插件和定周期采樣輸出插件、有效值輸出插件等?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需求，選擇配置不同插件。每個插件都采用FPGA+DSP的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。FPGA完成高速采樣、軟件插值濾波和插件間數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀邔?shí)時性計(jì)算任務(wù)，DSP完成有效值計(jì)算、角度計(jì)算和頻率測量等實(shí)時性要求較低的計(jì)算任務(wù)。

樣機(jī)采用19英寸4U整層標(biāo)準(zhǔn)背插式機(jī)箱。插件從裝置背部插入，通過背板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。背板總線包括高速串行總線(HTM)和CAN總線兩種，其中HTM由FPGA直接驅(qū)動，用于傳遞采樣值等需要高速傳輸?shù)膶?shí)時數(shù)據(jù)。CAN總線用于傳遞插件狀態(tài)和報(bào)警信息等實(shí)時性要求較低的數(shù)據(jù)。模擬量采樣插件按固定頻率進(jìn)行模擬量采樣，定頻采樣數(shù)據(jù)通過HTM總線同步發(fā)送給定頻采樣輸出插件、定周期采樣輸出插件和有效值輸出插件。定頻采樣輸出插件，收到采樣數(shù)據(jù)之后，可以直接輸出定頻采樣數(shù)據(jù)，定周期輸出插件，先計(jì)算出信號頻率，再根據(jù)信號頻率進(jìn)行插值，把定頻采樣數(shù)據(jù)插值為定周期采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。

考慮到目前電子式互感器輸出信號的采樣率一般為4 kHz，不滿足高頻采樣的要求。因此選擇模擬量互感器作為新型合并單元的輸入，采樣率為25.6 kHz。直接采樣得到的數(shù)據(jù)作為25.6 kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。采樣率為12.8 kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)由25.6 kHz采樣數(shù)據(jù)通過兩點(diǎn)抽一點(diǎn)方式獲得。采樣率為4 kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，由25.6 kHz采樣數(shù)據(jù)插值獲得。25.6 kHz相對于4 kHz來說，采樣密度足夠高，使用線性插值足以保證采樣精度。如有效值為57.735，頻率為50 Hz的正弦信號，分別使用51.2 kHz、25.6 kHz、12.8 kHz和6.4 kHz的采樣率對其進(jìn)行采樣。然后使用線性插值插成4 kHz的重采樣數(shù)據(jù)，再計(jì)算其有效值及誤差，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，當(dāng)采樣率為25.6 kHz時，線性插值的誤差可以忽略不計(jì)。

表3 性線插值計(jì)算誤差

5 結(jié)束語

本文技術(shù)方案充分考慮了現(xiàn)有變電站內(nèi)采樣共享方式存在的局限性，研制了新型合并單元裝置樣機(jī)。新型合并單元裝置不改變現(xiàn)有智能變電站二次系統(tǒng)的架構(gòu)，也不改變現(xiàn)有測量裝置的功能，可以完全無縫替代現(xiàn)有合并單元裝置。不僅新增加的高頻采樣數(shù)據(jù)為現(xiàn)有的采樣數(shù)據(jù)提供了有益的補(bǔ)償，同時定周期采樣數(shù)據(jù)和有效值的輸出為未來測量裝置提供了一種新的解決思路。定周期采樣數(shù)據(jù)和有效值的輸出，可以大幅減少測量裝置的計(jì)算負(fù)載，有利于推進(jìn)測量裝置的進(jìn)一步集成整合。

新型合并單元樣機(jī)可以無縫替代現(xiàn)有合并單元，有利于機(jī)樣的推廣應(yīng)用。在新能源接入較多的三北和西南地區(qū)，超/次同步振蕩問題比較突出，從而對寬頻測量裝置和電能質(zhì)量裝置的需求也更強(qiáng)烈，這也有助于新型合并單元裝置的推廣利用。