一種合并單元的精度自動校正系統(tǒng)的實現(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)

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一種合并單元的精度自動校正系統(tǒng)的實現(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)的精度自動校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括上位機和合并單元裝置。上位機需要實現(xiàn)各種自動校正指令的發(fā)送、校正結(jié)果的計算和檢測等功能。裝置需要完成各個通道有效數(shù)據(jù)的采集和控制，并根據(jù)上位機命令對各通道數(shù)據(jù)備份區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行校正。校正過程是通過調(diào)取相應(yīng)的校正算法模塊實現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的通過手動修改參數(shù)的通道校正過程相比，自動校準(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，且校正過程更加簡單易行。

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

0　引言

在如今的電力系統(tǒng)中，過程層負(fù)責(zé)完成電力運行電氣量的實時檢測、運行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測、操作控制執(zhí)行與驅(qū)動，就是常說的模擬量、開關(guān)量采集，控制命令的執(zhí)行。過程層設(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)字化變電站自動化技術(shù)的推廣和工程建設(shè)，對合并單元的功能和性能要求越來越高。與此同時，對帶有常規(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，所以在合并器出廠和投運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)的方式是依次對采集板的每個通道進行零漂、幅值和相位校正。每個通道要分別進行零漂校正，工作量大且容易遺漏。校正系數(shù)時，分別對各通道按整數(shù)增減系數(shù)，容易造成大偏差，精度不高。分別對各個通道進行相位校正，使得各個通道相位的一致性不高。整個校正過程中，人工干預(yù)的地方較多，出錯的幾率大[4-6]。一個經(jīng)驗豐富的調(diào)試人員，用傳統(tǒng)的方法校正通道參數(shù)，校正一臺10通道的裝置至少需要花費20min，既耗時又費力。

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

1　精度自動校正原理

1.1算法實現(xiàn)原理

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

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

(1)

(2)

式中:N為周期采樣點數(shù)；Hc[i]和Hs[i]為求取的第i個數(shù)據(jù)點的傅里葉系數(shù)。

當(dāng)采樣點數(shù)為80點時，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數(shù)的傅里葉系數(shù)表；計算時查表，以避免重復(fù)計算傅里葉系數(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數(shù)字輸出值，將真實數(shù)字輸出值和本通道的額定數(shù)字輸出值進行比較，就能得到本通道的系數(shù)。額定數(shù)字輸出值與通道類型有關(guān)，具體的映射關(guān)系如表1所示。根據(jù)基波實部和虛部的運算，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自動校正系統(tǒng)實現(xiàn)原理

自動校正系統(tǒng)主要包括上位機和合并單元裝置。

上位機工具利用以太網(wǎng)連接和遠(yuǎn)程過程調(diào)用(remote procedure call,RPC)協(xié)議技術(shù)對裝置內(nèi)部相應(yīng)的內(nèi)存變量進行修改和讀取，實現(xiàn)調(diào)試人員對通道自動校正過程的控制；根據(jù)裝置反饋的數(shù)據(jù)，對校正過程進行實時觀察和判斷，實現(xiàn)校正結(jié)果的固化。

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

自動校正系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1　自動校正系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖

為了實現(xiàn)圖1所示的功能，裝置內(nèi)部需要運行兩個任務(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　自動校正系統(tǒng)裝置端實現(xiàn)示意圖

通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)的作用是為每個采集通道準(zhǔn)備單獨的存儲區(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，分別實現(xiàn)通道的零漂、系數(shù)和相位校正。

2　自動校正系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實現(xiàn)

合并器裝置實現(xiàn)的通道數(shù)據(jù)采集任務(wù)用于完成各個通道的數(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)分別儲存在各個通道的數(shù)據(jù)備份區(qū)內(nèi)。當(dāng)存儲的數(shù)據(jù)達(dá)到校正需要的點數(shù)(校正精度要求越高，需要采集的數(shù)據(jù)點數(shù)越多)之后，自動停止該通道的數(shù)據(jù)存儲工作，并向通道校正任務(wù)傳遞數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號。

整個過程不需要外部干涉，只要通道存儲區(qū)沒有數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)無效，任務(wù)就會自主完成采集數(shù)據(jù)工作。通道存儲區(qū)的大小可以通過配置文件進行設(shè)置。

2.2通道校正任務(wù)的實現(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)上位機軟件的校正命令，進行相應(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)休眠一定的時間之后，開始解析上位機軟件下發(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)上位機指令包含的具體校正類型，進入相應(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)的所有點的數(shù)據(jù)值分別減去本通道算術(shù)平均值，得出每一個采樣點的零漂偏移。最后再對這些計算出來的所有點的零漂偏移求算術(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

計算出零漂之后，就可以計算通道的系數(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。如果兩者都滿足，就進入通道校正的算法程序。用本通道備份區(qū)的每一個采樣點數(shù)據(jù)分別減去該通道的零漂偏移值，即可得到每個采樣點去除零漂偏移影響的數(shù)據(jù)值——真實采樣值；將得到的所有點的真實采樣數(shù)據(jù)按照傅里葉算法計算，可以得到本通道的基波波形的實部、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數(shù)字輸出，將該值和通道額定的數(shù)字輸出值(見表1)進行比較，就可以得到本通道的系數(shù)。

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

這些校正的計算過程都是由合并單元自動完成的。只需要上位機發(fā)送相應(yīng)的校正信號，合并單元就會自動完成對應(yīng)的校正工作。所有的校正完成之后，將各通道的校正結(jié)果寫入配置文件。合并單元以后每次上電，都會根據(jù)該配置文件先初始化各個通道。

3　自動校正系統(tǒng)的測試

自動校正系統(tǒng)的測試效果圖如圖5所示。

圖5　通道校正效果示意圖

如圖5(a)所示，被檢測信號和基準(zhǔn)信號在幅值和相位上都有差異，我們的目的是校正被檢信號，使之與基準(zhǔn)信號重合。通過本文設(shè)計的通道自動校正系統(tǒng)，只需在上位機工具界面上點擊零漂校正、系數(shù)校正和相位校正三個按鍵，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，被檢信號已經(jīng)得到校正并和基準(zhǔn)信號線重合，經(jīng)實際檢測驗證精度滿足合并器要求。

利用自動校正工具校正之后的合并器裝置交流采樣準(zhǔn)確級如表2所示。

表2　校正后的合并單元交流采樣準(zhǔn)確級表

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

4　結(jié)束語

通過測試結(jié)果可以看到，合并單元精度自動校正系統(tǒng)的校正結(jié)果能夠滿足指標(biāo)要求，解決了傳統(tǒng)校正方法效率低和易出錯的弊端。本文設(shè)計的合并單元精度自動校正系統(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，且校正過程簡單易行，對提升合并器裝置生產(chǎn)和測試效率有很大幫助。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的傅里葉算法計算效率等方面還有很大的空間。

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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)備嵌入式軟件平臺的研究。

TH-39;TP27

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609009

修改稿收到日期：2016-03-08。