張言蒼
(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司,江蘇 南京 210032)
目前,國(guó)內(nèi)的智能變電站已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段。全站信息數(shù)字化是智能變電站的特征,采樣數(shù)字化是變電站全站信息數(shù)字化的基礎(chǔ),而采樣數(shù)據(jù)的同步是數(shù)字采樣技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)??玳g隔繼電保護(hù)的各間隔中,可能同時(shí)存在數(shù)字采樣和傳統(tǒng)采樣,輸電線路本端保護(hù)和對(duì)端保護(hù)可能分別采用數(shù)字采樣和傳統(tǒng)采樣,新的應(yīng)用對(duì)采樣數(shù)據(jù)同步提出了新的要求。采樣同步是繼電保護(hù)正確反應(yīng)故障的基礎(chǔ),是保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的變電站二次設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)。然而,因?yàn)橛布芈吩O(shè)計(jì)問(wèn)題、采樣同步的原理和算法問(wèn)題、軟件的設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題等,合并單元(MU)數(shù)據(jù)同步在變電站運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)問(wèn)題,已引起多起繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)。因此現(xiàn)階段很有必要進(jìn)一步研究精度更高、更可靠的變電站采樣同步技術(shù)[1-2]。
根據(jù)智能變電站不同的采樣數(shù)據(jù)傳輸方式,采樣同步的方法也不盡相同。目前智能變電站主要采用網(wǎng)絡(luò)傳輸和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸2種方式,其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式應(yīng)用較為廣泛,技術(shù)較為成熟。網(wǎng)絡(luò)傳輸方式目前處于新一輪研究和試點(diǎn)應(yīng)用階段。本文將著重介紹網(wǎng)絡(luò)采樣場(chǎng)合下的采樣同步方法,分析目前常用采樣同步方法各自存在的問(wèn)題,并提出一種新型網(wǎng)絡(luò)采樣同步技術(shù)。
傳統(tǒng)變電站交流信號(hào)由電力系統(tǒng)互感器二次線圈通過(guò)電纜輸送到繼電保護(hù)控制室,繼電保護(hù)裝置內(nèi)的小互感器進(jìn)行再次傳變,經(jīng)過(guò)濾波和A/D芯片采集,形成數(shù)字量,保護(hù)再對(duì)數(shù)字采樣值進(jìn)行算法和邏輯的處理。每塊A/D芯片的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)命令由微控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng),多路A/D芯片幾乎在同一時(shí)間執(zhí)行轉(zhuǎn)換,繼電保護(hù)裝置采集到的電流、電壓等信號(hào)形成的數(shù)字量天然同步。
智能變電站中保護(hù)裝置的A/D采樣環(huán)節(jié)前移到模擬輸入式合并單元或者電子式互感器上,開(kāi)關(guān)場(chǎng)到保護(hù)室采用數(shù)字報(bào)文傳輸采樣信號(hào)。數(shù)字采樣需要進(jìn)行同步,同步方式與數(shù)據(jù)的傳輸方式密切相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的數(shù)據(jù)同步方式主要采用計(jì)數(shù)器同步,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式的數(shù)據(jù)同步方式主要采用插值同步[3-4]。
文中均以模擬式互感器輸入的合并單元為數(shù)據(jù)源為例展開(kāi)討論,電子式互感器輸入合并單元的同步方法與之相同,不再贅述。
1.2.1 采樣同步基本原理
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣方式主要采用插值同步方案。繼電保護(hù)裝置接收每臺(tái)合并單元發(fā)送的離散采樣點(diǎn),記錄其采樣點(diǎn)到達(dá)的時(shí)間,根據(jù)每臺(tái)合并單元延時(shí)分別進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后的采樣點(diǎn)一般不是在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)由合并單元產(chǎn)生的,此時(shí)需要繼電保護(hù)裝置進(jìn)行插值方式的重采樣,將多臺(tái)合并單元的采樣點(diǎn)同步到同一時(shí)刻[5-6]。
網(wǎng)絡(luò)采樣方式主要采用計(jì)數(shù)器同步,或稱外同步方式。由多臺(tái)合并單元完成同步,繼電保護(hù)設(shè)備僅需要依據(jù)相同序號(hào)歸并多臺(tái)合并單元數(shù)據(jù)。
1.2.2 不測(cè)量精確延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)采樣同步方法
單端電氣量保護(hù)僅需要合并單元數(shù)據(jù)同步,可以不測(cè)量精確延時(shí)。其中采用網(wǎng)絡(luò)方式接收合并單元采樣時(shí),多臺(tái)合并單元接入同步信號(hào),所有合并單元的采樣時(shí)刻全部與同步時(shí)鐘秒脈沖時(shí)刻對(duì)齊。經(jīng)過(guò)交換機(jī)傳輸,保護(hù)控制裝置接收到各臺(tái)合并單元報(bào)文,但是不記錄報(bào)文到達(dá)的時(shí)刻,而是根據(jù)報(bào)文的采樣序號(hào),將多臺(tái)合并單元序號(hào)相同的報(bào)文同步在一起。
1.2.3 測(cè)量精確延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)采樣同步方法
多端電氣量保護(hù)不僅將多臺(tái)合并單元的采樣同步到同一時(shí)刻,還需要精確測(cè)量數(shù)據(jù)的延時(shí)。多端電氣量保護(hù)典型的裝置如輸電線路光纖差動(dòng)保護(hù)。其中采用組網(wǎng)方式接收合并單元采樣,與上述不測(cè)量延時(shí)的方法類似。不同點(diǎn)在于繼電保護(hù)裝置必須接入相同的同步源,獲得所有合并單元的采樣時(shí)刻,從而計(jì)算精確的采樣延時(shí)[7-9]。
目前變電站采樣方法存在可靠傳輸和信息共享之間的矛盾。網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值有利于信息共享,減少設(shè)備端口和光纖數(shù)量,但過(guò)度依賴交換機(jī)和同步時(shí)鐘源,可靠性得不到保障。
引起以上矛盾的主要原因是報(bào)文在交換機(jī)中延時(shí)不確定。針對(duì)此問(wèn)題,交換機(jī)廠家已逐漸展開(kāi)智能變電站專用交換機(jī)的研究,主要采用了交換延時(shí)可測(cè)和固定延時(shí)交換2種新技術(shù)方案。
使用以上2種專用交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)采樣,等同于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式,并能擺脫點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖直連的束縛。但是上述2種交換機(jī)還處于研究和試驗(yàn)階段,同時(shí)也存在一定的問(wèn)題,如用于計(jì)算交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)的軟硬件模塊存在不穩(wěn)定的問(wèn)題,一旦延時(shí)測(cè)不準(zhǔn),則會(huì)引起總體延時(shí)錯(cuò)誤,影響繼電保護(hù)正確動(dòng)作。為了提高網(wǎng)絡(luò)采樣的可靠性,目前急需研究一種可以保證經(jīng)過(guò)交換機(jī)傳輸?shù)牟蓸友訒r(shí)總體趨于穩(wěn)定的新技術(shù),避免交換延時(shí)頻繁大幅度抖動(dòng)導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。
合并單元均具有守時(shí)功能,但是保護(hù)控制裝置一般不具備守時(shí)功能,網(wǎng)絡(luò)采樣時(shí)如果同步丟失將導(dǎo)致無(wú)法精確測(cè)量和補(bǔ)償整體延時(shí),從而導(dǎo)致保護(hù)功能閉鎖。本文提出一種新的算法,其通過(guò)優(yōu)化繼電保護(hù)裝置同步算法來(lái)提高采樣同步的容錯(cuò)處理能力。
繼電保護(hù)裝置引入基于鎖相環(huán)(PLL)的報(bào)文到達(dá)時(shí)刻預(yù)測(cè)算法,同步時(shí)鐘異常時(shí),網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值可以使用類似于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣的插值同步方法。下文簡(jiǎn)稱該方法為PLL算法。正常運(yùn)行時(shí)采樣的同步和整體延時(shí)測(cè)量依賴于計(jì)數(shù)器同步方式,繼電保護(hù)設(shè)備同時(shí)記錄每臺(tái)合并單元的每個(gè)報(bào)文到達(dá)時(shí)刻,利用報(bào)文預(yù)測(cè)到達(dá)繼電保護(hù)設(shè)備的時(shí)刻與報(bào)文從合并單元發(fā)出的時(shí)刻相比較,得到交換機(jī)傳輸延時(shí),并計(jì)算交換機(jī)平均傳輸延時(shí)。這里采用預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)刻而不是實(shí)際到達(dá)時(shí)刻,原因在于預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)刻相對(duì)于實(shí)際經(jīng)過(guò)交換機(jī)的到達(dá)時(shí)刻更穩(wěn)定,波動(dòng)更小。同時(shí)系統(tǒng)還要計(jì)算下一幀報(bào)文的預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)刻并不斷修正預(yù)測(cè)時(shí)刻。最后利用交換機(jī)平均延時(shí)與合并單元延時(shí)之和作為插值同步的依據(jù)。該方法的總體流程如圖1所示。
圖1 報(bào)文預(yù)測(cè)同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of message prediction and synchronization system
圖1中描述的同步系統(tǒng)主要分為3個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié),其中涉及到合并單元的采樣率,都以目前最為常見(jiàn)的采樣率4000 Hz為例進(jìn)行計(jì)算。
a.預(yù)測(cè)下一幀報(bào)文到達(dá)時(shí)刻環(huán)節(jié)。
該環(huán)節(jié)在系統(tǒng)運(yùn)行期間持續(xù)計(jì)算,其算法見(jiàn)式(1)、(2)。
其中,n為不斷遞增的采樣點(diǎn)數(shù);tpn+1為保護(hù)裝置預(yù)測(cè)下一幀報(bào)文的到達(dá)時(shí)刻;tn為保護(hù)裝置記錄當(dāng)前報(bào)文的到達(dá)時(shí)刻;T=250 μs;ΔTds為平均預(yù)測(cè)修正量;k取常數(shù)1;tpn為預(yù)測(cè)當(dāng)前幀到達(dá)時(shí)刻;q為修正比例系數(shù),用于控制預(yù)測(cè)修正的幅度。
b.交換機(jī)平均延時(shí)計(jì)算環(huán)節(jié)。
該環(huán)節(jié)在系統(tǒng)接入的同步信號(hào)正常時(shí)持續(xù)計(jì)算,同步信號(hào)丟失后停止計(jì)算。交換機(jī)平均延時(shí)計(jì)算方法如式(3)、(4)所示。
其中,Td為交換機(jī)平均延時(shí);tpn為預(yù)測(cè)當(dāng)前幀到達(dá)時(shí)刻;t′n為報(bào)文從合并單元發(fā)出的時(shí)刻;Tppsn為同步時(shí)鐘的1 s等分4000份后每個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)刻;TMUDelay為合并單元延時(shí)。
c.測(cè)量總體延時(shí)并插值計(jì)算環(huán)節(jié)。
該環(huán)節(jié)在系統(tǒng)丟失同步信號(hào)后啟動(dòng)??傮w延時(shí)計(jì)算公式見(jiàn)式(5)。
其中,TdTotal為采樣數(shù)據(jù)總體延時(shí),等于交換機(jī)平均延時(shí)和合并單元延時(shí)之和。依據(jù)該總體延時(shí)對(duì)合并單元采樣值進(jìn)行插值處理。
上述方法與數(shù)字電路中的硬件鎖相回路原理類似。方法所得到的報(bào)文到達(dá)時(shí)刻預(yù)測(cè)和修正效果見(jiàn)圖2。可見(jiàn),tpn+1的預(yù)測(cè)報(bào)文到達(dá)時(shí)刻根據(jù)tpn報(bào)文的預(yù)測(cè)到達(dá)和實(shí)際到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行了修正。
圖2 基于鎖相環(huán)報(bào)文落點(diǎn)預(yù)測(cè)和修正Fig.2 Message arrival time prediction and correction based on PLL
a.頻率偏差。
由式(1)可知,影響合并單元報(bào)文預(yù)測(cè)和修正到達(dá)時(shí)刻的因素是T和ΔTds。
其中T理論值為250 μs,但在失去同步信號(hào)情況下,晶振的誤差會(huì)導(dǎo)致頻率偏差,最終影響T的數(shù)值大小。在同步信號(hào)接入時(shí),保護(hù)裝置可以測(cè)得本裝置與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率偏差,從而在失去同步信號(hào)后對(duì)預(yù)測(cè)下一幀報(bào)文到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行進(jìn)一步修正。最終經(jīng)過(guò)式(1)修正形成式(6)。其中T′是未接入對(duì)時(shí)情況下,保護(hù)裝置頻率偏差對(duì)于每次采樣節(jié)拍的影響數(shù)值。
目前國(guó)內(nèi)各廠家合并單元均具備良好的頻率偏差特性以滿足守時(shí)需求,可以達(dá)到2.5×10-5以內(nèi),即每百萬(wàn)單位偏差25個(gè)單位。
當(dāng)合并單元與保護(hù)裝置丟失同步信號(hào),每一個(gè)采樣節(jié)拍因頻率偏差特性可能導(dǎo)致的最大誤差如式(7)所示。
其中,Δt為每個(gè)采樣節(jié)拍最大誤差;Δ為每秒晶振最大頻率偏差;F為常數(shù)4000。根據(jù)式(7),以晶振典型頻率偏差取 1×10-5為例計(jì)算,Δt為 0.005 μs。
b.交換機(jī)延時(shí)不確定導(dǎo)致誤差。
ΔTds為另一項(xiàng)影響預(yù)測(cè)和修正效果的主要因素。從式(2)可以看出,ΔTds的數(shù)值穩(wěn)定程度取決于交換機(jī)傳輸延時(shí)的穩(wěn)定程度。
若采用傳統(tǒng)的同步方法,在網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值時(shí)遇到同步時(shí)鐘丟失,若直接采用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟蓸又颠M(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)插值同步計(jì)算,交換機(jī)延時(shí)抖動(dòng)會(huì)對(duì)采樣值造成誤差,以交換機(jī)延時(shí)20 μs為例,其導(dǎo)致的有效值比差為±0.024%,相位誤差為±21.6′,若交換機(jī)延時(shí)出現(xiàn)異常突變,可能的浮動(dòng)范圍達(dá)到(500±200)μs,這會(huì)導(dǎo)致報(bào)文錯(cuò)序,數(shù)據(jù)無(wú)效閉鎖保護(hù)[10-12]。若采用PLL算法,對(duì)每一個(gè)序號(hào)報(bào)文都進(jìn)行到達(dá)時(shí)刻預(yù)測(cè)和修正,則在裝置的數(shù)據(jù)緩沖范圍內(nèi),異常突變的交換機(jī)延時(shí)不會(huì)影響報(bào)文到達(dá)時(shí)刻預(yù)測(cè)和修正結(jié)果。
a.PSW-618F交換機(jī)延時(shí)數(shù)據(jù)。
采用PSW-618F工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為交換設(shè)備,同時(shí)接入4臺(tái)合并單元,運(yùn)行1 h,通過(guò)在保護(hù)裝置上運(yùn)行的延時(shí)測(cè)量功能測(cè)得以下數(shù)據(jù),如圖3所示。
圖3 PSW-618F交換機(jī)延時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.3 Measured data of switch delay of PSW-618F
保護(hù)裝置獲取到的PSW-618F交換機(jī)延時(shí)統(tǒng)計(jì)最大值、最小值和平均值分別為 1.99、1.91、1.93 μs。
b.RSG2100交換機(jī)延時(shí)數(shù)據(jù)。
采用RSG2100工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為交換設(shè)備,同時(shí)接入4臺(tái)合并單元,運(yùn)行1 h,在保護(hù)裝置上測(cè)得延時(shí)數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4 RSG2100交換機(jī)延時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 Measured data of switch delay of RSG2100
保護(hù)裝置獲取到的RSG2100交換機(jī)延時(shí)統(tǒng)計(jì)最大值、最小值和平均值分別為 14.91、3.45、5.85 μs。
c.PSW-618F交換機(jī)上的幅值誤差和相位誤差。
采用PLL算法后,PSW-618F交換機(jī)實(shí)測(cè)的幅值誤差曲線如圖5所示,相位誤差曲線如圖6所示。表1所示為采用PLL算法和采用現(xiàn)有方法直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)插值分別產(chǎn)生的實(shí)際幅值和相位誤差比較。
圖5 PLL算法在PSW-618F上實(shí)際幅值誤差Fig.5 Amplitude error of PSW-618F measured by PLL algorithm
圖6 PLL算法在PSW-618F上實(shí)際相位誤差Fig.6 Phase error of PSW-618F measured by PLL algorithm
表1 PSW-618F實(shí)際誤差比較Table 1 Comparison of PSW-618F errors
d.RSG2100交換機(jī)上的幅值誤差和相位誤差。
采用PLL算法后,RSG2100交換機(jī)實(shí)測(cè)的幅值誤差曲線如圖7所示,相位誤差曲線如圖8所示。采用PLL算法和采用現(xiàn)有方法直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)插值分別產(chǎn)生的實(shí)際幅值和相位誤差比較結(jié)果見(jiàn)表2。
由圖7、8和表2可以看出,采用PLL算法實(shí)際產(chǎn)生的幅值誤差和相位誤差相對(duì)于現(xiàn)有方法的數(shù)據(jù)有明顯的改進(jìn)。
因測(cè)試的交換機(jī)正常工作時(shí)延時(shí)較小,分別在2 μs和10 μs附近,測(cè)試時(shí)的幅值誤差計(jì)算采用有效值幅值誤差,因而計(jì)算得到的幅值誤差普遍較小。在交換機(jī)延時(shí)出現(xiàn)異常情況下,采用現(xiàn)有方法產(chǎn)生的誤差會(huì)急劇增加,而采用PLL算法產(chǎn)生的誤差維持在正常水平,下文給出交換機(jī)異常延時(shí)情況下的誤差對(duì)比。
圖7 PLL算法在RSG2100上實(shí)際幅值誤差Fig.7 Amplitude error of RSG2100 measured by PLL algorithm
圖8 算法在RSG2100上實(shí)際相位誤差Fig.8 Phase error of RSG2100 measured by PLL algorithm
表2 RSG2100實(shí)際誤差比較Table 2 Comparison of RSG2100 errors
在正常交換延時(shí)數(shù)據(jù)中增加異常延時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試。以PSW-618F交換機(jī)為例進(jìn)行試驗(yàn),給報(bào)文施加異常的延時(shí),使其從交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)出的時(shí)間延遲,并分別進(jìn)行3組試驗(yàn)。試驗(yàn)均采用單幀突發(fā)異常報(bào)文。多幀突發(fā)異常延時(shí)和多幀緩慢變化異常延時(shí)情況均可以由單幀突發(fā)異常得到。
a.因交換機(jī)異常導(dǎo)致單采樣點(diǎn)異常延時(shí)達(dá)到100 μs;異常延時(shí)數(shù)據(jù)如圖9所示。2種算法下的誤差見(jiàn)表3。
圖9 交換機(jī)單點(diǎn)異常延時(shí)100 μsFig.9 Abnormal switch single-point with 100 μs delay
表3 100 μs延時(shí)PSW-618F實(shí)際誤差比較Table 3 Comparison of PSW-618F errors for 100 μs delay
b.因交換機(jī)異常導(dǎo)致單點(diǎn)異常延時(shí)達(dá)200 μs;異常延時(shí)數(shù)據(jù)如圖10所示。2種算法下的誤差見(jiàn)表4。
c.因交換機(jī)異常導(dǎo)致單采樣點(diǎn)異常延時(shí)達(dá)到500 μs。異常延時(shí)數(shù)據(jù)如圖11所示。2種算法下的誤差見(jiàn)表5。
圖10 交換機(jī)單點(diǎn)異常延時(shí)200 μsFig.10 Abnormal switch single-point with 200 μs delay
表4 200 μs延時(shí)PSW-618F實(shí)際誤差比較Table 4 Comparison of PSW-618F errors for 200 μs delay
圖11 交換機(jī)單點(diǎn)異常延時(shí)500 μsFig.11 Abnormal switch single-point with 500 μs delay
表5 500 μs延時(shí)PSW-618F實(shí)際誤差比較Table 5 Comparison of PSW-618F errors for 500 μs delay
由上述數(shù)據(jù)可知,在單幀100 μs和200 μs延時(shí)異常時(shí),采用PLL算法的同步技術(shù)產(chǎn)生的誤差均遠(yuǎn)小于采用現(xiàn)有方法的同步誤差。當(dāng)異常延時(shí)大于250 μs產(chǎn)生報(bào)文錯(cuò)序時(shí),采用現(xiàn)有方法會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)效,采用PLL算法則可以預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)刻,從而正常進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)插值同步。
本文提出了基于PLL原理的采樣值到達(dá)時(shí)刻預(yù)測(cè)技術(shù),使得原有網(wǎng)絡(luò)采樣模式下丟失同步時(shí)鐘后采樣數(shù)據(jù)無(wú)法同步的現(xiàn)狀轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢岳^續(xù)進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)同步;當(dāng)交換機(jī)延時(shí)出現(xiàn)異常的突變,可以將其過(guò)濾,避免造成繼電保護(hù)閉鎖等不利影響,徹底改變網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值可靠性低的技術(shù)現(xiàn)狀。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)證明,各方面誤差指標(biāo)都優(yōu)于現(xiàn)有的同步方法,完全可以滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)對(duì)于采樣值精度的要求。網(wǎng)絡(luò)采樣模式下同步技術(shù)的進(jìn)步將為全站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),將推動(dòng)智能變電站繼電保護(hù)配置方案朝著新的方向發(fā)展。