基于分布式測點的智能變電站核相系統(tǒng)

李云鵬， 王 鵬， 湯漢松， 張 煒

(1. 國網(wǎng)南通供電公司,江蘇 南通 226000； 2. 江蘇凌創(chuàng)電氣自動化股份有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

0 引言

核相工作是變電站投運、改造擴(kuò)建及運維檢修過程中不可或缺的重要步驟。核對電網(wǎng)相序是電力系統(tǒng)安全運行的前提，通過現(xiàn)場核相試驗，防止保護(hù)裝置異常動作，避免不同相序的電源系統(tǒng)并網(wǎng)或變壓器合環(huán)時損壞電氣設(shè)備，甚至引起輸電系統(tǒng)事故[1-2]，是確保變電站順利投運和穩(wěn)定工作的可靠保障。

早期的核相工作主要采用有線接地測量方式，在相序校核側(cè)直接人工測量電壓差或相位差，測試精度較低，操作復(fù)雜，容易造成設(shè)備損壞或發(fā)生安全事故[3]。隨著對核相準(zhǔn)確度及實施效率要求的提高，核相技術(shù)的實現(xiàn)方法也在不斷發(fā)展。新興的無線核相設(shè)備攜帶方便，測試操作簡單，有效避免了現(xiàn)場的各種安全隱患，但其采用的射頻無線通信技術(shù)易受變電站高壓及電磁輻射的干擾，數(shù)據(jù)傳輸率較低，仍無法滿足輸配電網(wǎng)新建或運維過程中對核相技術(shù)的全部需求[4-8]。特別的，隨著國內(nèi)智能變電站建設(shè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬量采樣值電纜傳輸方式逐漸被數(shù)字量光纖傳輸方式替代，變電站電氣節(jié)點的采樣信號在傳遞方式上發(fā)生了改變，對智能變電站的相位校核技術(shù)也提出了新的要求[9]。

國內(nèi)外對數(shù)字化采樣核相技術(shù)的研究報道不多，目前工程上適用于智能變電站的專用核相設(shè)備較少，采樣核相基本依靠數(shù)字化繼電保護(hù)測試儀來實現(xiàn)，對數(shù)字化采樣尤其是電子式互感器傳輸協(xié)議的兼容性不夠；缺乏針對性的核相功能，無法同時核對多個間隔電氣量的相位；缺乏統(tǒng)一的相位基準(zhǔn)，核相結(jié)果隨時間的波動較大；需要外部時間同步信號接入，現(xiàn)場核相操作繁瑣。本文對數(shù)字化采樣的核相技術(shù)展開討論，以期解決現(xiàn)階段智能變電站采樣核相中存在的問題，為智能變電站的現(xiàn)場測試工作提供新思路。

1 分布式智能變電站核相系統(tǒng)

如圖1所示，基于分布式測點的智能變電站核相系統(tǒng)由一臺核相主機(jī)與若干分布式放置的采樣終端組成。核相主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計算，與采樣終端交互數(shù)據(jù)且同步時鐘，同時還可直接采集變電站的站用電源作為核相的基準(zhǔn)相位。采樣終端按采樣間隔分布式的就地放置，獲取該間隔內(nèi)電子式互感器或合并單元輸出的數(shù)字化采樣，上送至主機(jī)實現(xiàn)核相。核相主機(jī)與各采樣終端間通過無線以太網(wǎng)方式通信數(shù)據(jù)。

圖1 智能變電站多點核相系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture diagram of multi point phase detection system for intelligent substation

分布式核相系統(tǒng)可同步采集變電站內(nèi)多個測試節(jié)點的電氣信息，具備完整的系統(tǒng)性相位校核功能。采用集中控制與分布采樣結(jié)合的方式，在保持被測系統(tǒng)采樣傳遞鏈路完整性的前提下，按采樣間隔劃分測試對象，就地并行實現(xiàn)信號采集，采樣間隔相互獨立，均可與站用電源模擬量進(jìn)行相位比對，保證了變電站內(nèi)多組電氣量同步核相時的實時性與準(zhǔn)確性[10-11]。

考慮智能變電站現(xiàn)場過程層設(shè)備的分布情況，整站同步核相測試時，核相主機(jī)與采樣終端間放置的距離可能較遠(yuǎn)，若兩者間采用有線方式通信，不僅增加了核相時通信線路的鋪設(shè)成本，還加大了人力開銷，不利于現(xiàn)場測試的實施。采用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)核相主機(jī)與各采樣終端的數(shù)據(jù)通信及時鐘同步，系統(tǒng)架構(gòu)簡潔，測試方法靈活，不依賴于被測系統(tǒng)的區(qū)域化數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可覆蓋變電站內(nèi)所有采樣間隔，提高整站核相工作的效率。

2 核相系統(tǒng)實現(xiàn)方案

核相系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采樣終端采用精簡指令集架構(gòu)的中央處理器(PowerPC)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)雙處理器架構(gòu)。PowerPC微處理器開發(fā)靈活，對外圍元器件的支持性較好[12]，主要負(fù)責(zé)核相系統(tǒng)的相位數(shù)據(jù)分析，時鐘同步算法及人機(jī)接口交互；FPGA可編程門陣列實時性強(qiáng)，具備硬件級的多路數(shù)據(jù)并發(fā)處理能力[13]，用于系統(tǒng)內(nèi)部時鐘及任務(wù)中斷的維護(hù)，對數(shù)字化采樣數(shù)據(jù)鏈路的編解碼，以及各類IO模塊的驅(qū)動。核相主機(jī)采用與采樣終端類似的硬件方案，但移除了光纖以太網(wǎng)和光纖串口的接收控制模塊，并增加了對站用電源模擬量采集的AD轉(zhuǎn)換模塊。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure diagram

核相系統(tǒng)的無線通信方案采用2.4 G的WIFI無線局域網(wǎng)傳輸技術(shù)。與GPRS、RF433等電力系統(tǒng)常用的無線通信方式相比，WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸方式的傳輸速度快，覆蓋范圍較廣，在傳輸信號偏弱或存在信號干擾的情況下能自動調(diào)整通信帶寬[14-15]，可有效保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕m合變電站現(xiàn)場核相測試的需要。

核相系統(tǒng)采用單向數(shù)據(jù)接收的離線測試模式，不具備向被測系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)的能力，杜絕了對變電站原始采樣信息的影響。核相系統(tǒng)內(nèi)部采用經(jīng)無線保護(hù)訪問第2版-高級加密標(biāo)準(zhǔn)(WPA2-AES)算法加密的以太網(wǎng)傳輸安全機(jī)制，同時結(jié)合點對多點媒體介入控制層(MAC)鎖定的局域網(wǎng)加入策略，保證了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

核相系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。以核相主機(jī)時鐘作為整個核相系統(tǒng)的時間標(biāo)準(zhǔn)，核相開始后，由核相主機(jī)發(fā)送時鐘信號，各采樣終端接收到時鐘信號后，與核相主機(jī)交互數(shù)據(jù)，完成核相系統(tǒng)的時鐘同步，同步后的采樣終端將實時采集的采樣數(shù)據(jù)打上時標(biāo)并上送至核相主機(jī)。核相主機(jī)可采集站用電源作為整個核相系統(tǒng)的物理相位基準(zhǔn)，其余的數(shù)字化采樣值均參照該基準(zhǔn)確定相位。核相主機(jī)根據(jù)各間隔采樣值的上送時間，對電氣信號進(jìn)行二次采樣，同時對數(shù)字化采樣傳輸延遲進(jìn)行補(bǔ)償，最后計算出每個采樣值通道與模擬量基準(zhǔn)通道的相位關(guān)系，實現(xiàn)全站系統(tǒng)核相。

圖3 核相系統(tǒng)軟件流程Fig.3 Software flow of the phase detection system

3 數(shù)字化分布式核相的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 FT3采樣自適應(yīng)傳輸

數(shù)字化采樣包括電子式互感器采樣和合并單元采樣兩類，與合并單元發(fā)送的IE C61850-9以太網(wǎng)采樣值不同，電子式互感器的采樣傳輸基于IEC 60044-8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(以下簡稱FT3協(xié)議)，不同廠家或型號的電子式互感器，輸出的數(shù)字化采樣在采樣頻率、編碼方式，傳輸波特率及數(shù)據(jù)集長度等方面都可能不同[16-17]。如何兼容各種FT3采樣信息的接收，是實現(xiàn)數(shù)字化核相的技術(shù)難點。

如圖4所示，自適應(yīng)的FT3采樣接收步驟為：

圖4 FT3協(xié)議自適應(yīng)傳輸策略Fig.4 Adaptive transmission strategy for FT3 protocol

(1) 編碼方式判定。根據(jù)曼碼與非曼碼的編碼區(qū)別，對于同步編碼(曼碼)，數(shù)據(jù)傳輸時伴隨同步時鐘，物理層信號的最大變位時間Tcmax等于同步時鐘的周期Tsc；對于異步編碼(非曼碼)，數(shù)據(jù)信息中不含同步時鐘，物理層信號的最大變位時間Tcmax不超過一幀報文的傳輸時間Tfrm。由于Tfrm遠(yuǎn)大于Tsc，通過檢測物理層信號的最大變位時間Tcmax，可確定傳輸信號的編碼方式，即：

(1)

式中：Tcmax為傳輸信號的最大變位時間；K為變位判定閥值，一般取同步編碼方式下最大同步時鐘周期的2倍。

(2) 波特率檢測。FT3協(xié)議鏈路層傳輸前須準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈省Ｍㄟ^原始信號的最小變位時間Tcmin設(shè)定數(shù)據(jù)的傳輸波特率，按該波特率持續(xù)監(jiān)測信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。考慮接收時鐘的抖動及發(fā)送與接收時鐘的時域偏移，計算信號變位時間的范圍，若被監(jiān)測信號的變位時間越限，則認(rèn)為當(dāng)前設(shè)定的波特率不正確，重新檢測信號波特率。波特率監(jiān)測判據(jù)如下：

(2)

式中：Tc為信號的實際變位時間；Tbr為設(shè)定波特率對應(yīng)的變位時間；Tclk為系統(tǒng)時鐘的周期；Tclkjit為系統(tǒng)時鐘的抖動值。

(3) 鏈路層傳輸。FT3協(xié)議的鏈路層包括起始符、有效數(shù)據(jù)、循環(huán)冗余校驗(CRC)校驗碼三部分，可采用相同的鏈路解析機(jī)制。由特定的幀起始符(0x0564)開始一幀鏈路傳輸，按固定的數(shù)據(jù)塊字節(jié)長度接收數(shù)據(jù)，在每個數(shù)據(jù)塊的末尾接收CRC校驗碼，當(dāng)所有數(shù)據(jù)塊接收完畢，結(jié)束本幀鏈路傳輸，返回等待下幀數(shù)據(jù)的起始符。

(4) 應(yīng)用層解析及校驗。鏈路層數(shù)據(jù)開始接收后，同步解析對應(yīng)的報文類型碼，由類型碼確定接收報文的協(xié)議類型及數(shù)據(jù)集長度，并采用對應(yīng)的應(yīng)用層解析方案。當(dāng)接收到CRC校驗碼時，進(jìn)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)校驗，確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

(5) 動態(tài)數(shù)據(jù)交互。為適應(yīng)不同的采樣頻率，需采用動態(tài)地址機(jī)制實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的存儲及交互。每中斷數(shù)據(jù)交互開始后，由前次中斷最后一點數(shù)據(jù)的寫入地址確定本次中斷接收數(shù)據(jù)的存儲基地址Awb。當(dāng)一點采樣數(shù)據(jù)接收完畢且校驗正確后，基于Awb計算數(shù)據(jù)存儲的寫入地址Aw；當(dāng)外部系統(tǒng)請求讀取采樣數(shù)據(jù)時，判斷該采樣點傳輸是否有效，并由采樣點序號映射數(shù)據(jù)的讀出地址Ar，持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，直到Ar等于Aw或者外部系統(tǒng)主動停止數(shù)據(jù)訪問。

3.2 基于WIFI的區(qū)域同步

采樣終端上送數(shù)據(jù)的同步性是核相的關(guān)鍵。基于WIFI的無線通信方式在變電站現(xiàn)場會受干擾影響，為保證不同間隔采樣數(shù)據(jù)的相位精度，須從時間標(biāo)記、樣本過濾、時鐘校正等方面考慮。

(1) 硬件級時間標(biāo)記。采樣信號由光纖接收器進(jìn)入，經(jīng)鏈路層傳輸控制后，進(jìn)入軟件應(yīng)用層，對數(shù)據(jù)接收時間的標(biāo)記包括軟件標(biāo)記和硬件標(biāo)記兩類。軟件時標(biāo)實現(xiàn)簡單，但準(zhǔn)確性不高，延遲抖動較大；硬件時標(biāo)在鏈路層傳輸過程中獲取時間，不受軟件系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的影響，實時性強(qiáng)，更接近實際的物理傳輸時間。對于接收時間標(biāo)記，還應(yīng)在捕獲到有效幀后，回溯至幀數(shù)據(jù)起始符首位數(shù)據(jù)的到達(dá)時刻。

(2) 時間樣本過濾。WIFI無線同步機(jī)制受以太網(wǎng)傳輸穩(wěn)定性的影響較大，為獲取更好的同步效果，需對接收到的以太網(wǎng)報文進(jìn)行組播地址過濾，只訂閱來自有效MAC地址的對時報文，降低軟件的數(shù)據(jù)處理負(fù)荷。同時對時間樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行最小值及均值化篩選，首先取每組樣本數(shù)組的最小值參與計算，避免無線信號干擾導(dǎo)致傳輸時間增大，然后通過固定時間窗的最小值樣本計算出樣本均值，并用該值對后續(xù)輸入樣本進(jìn)行篩選過濾，反復(fù)迭代計算有效的時間數(shù)據(jù)，消除傳輸距離微小變化、軟件抖動和算法誤差等因素對傳輸時間的影響。均值化篩選計算公式如下：

(3)

(3) 頻率校正。通過測量平均路徑延時來調(diào)整主、從時鐘的頻率偏差，主時鐘以固定頻率向從時鐘發(fā)送同步報文，從時鐘記錄到達(dá)報文的頻率，計算頻率修正系數(shù)：

(4)

從時鐘通過該頻率修正系數(shù)對自身的時鐘頻率進(jìn)行修正，為防止過調(diào)振蕩，應(yīng)采用平滑的調(diào)節(jié)方法，如下式：

(5)

式中：ft為本次校正后頻率；ft-1為前次校正后頻率；K為調(diào)節(jié)系數(shù)。

(4) 延遲校正。鎖定主、從時鐘的頻率后，利用過濾后的時間樣本數(shù)據(jù)，反復(fù)計算主、從時鐘間的延遲差并修正從時鐘，使主、從時鐘間延遲收斂，實現(xiàn)從時鐘對主時鐘的跟隨。時鐘延遲計算公式如下：

(6)

主、從時鐘間延遲收斂后，從時鐘通過內(nèi)部的高精度恒溫晶振和軟件算法繼續(xù)維護(hù)時鐘節(jié)拍，當(dāng)監(jiān)測到與主時鐘的偏差超出閥值后，重啟時鐘同步過程。

3.3 改進(jìn)的過零相位檢測法

過零法是一種常用的信號相位差檢測方法，通過監(jiān)測信號過零點的時間差, 計算信號間的相位關(guān)系。過零檢測法實現(xiàn)簡單，但由于對信號的離散采集無法獲取真實的過零點時刻，這種相位計算方法存在一定的誤差[18]。

(7)

式中：Δt為相位補(bǔ)償時間。則信號1與信號2過零點的實際延時為：

(8)

圖5 改進(jìn)的過零相位檢測法Fig.5 Improved phase detection method with zero-crossing

通過補(bǔ)償后的信號過零點延時ΔT，計算信號間相位差，可獲取更準(zhǔn)確的信號相位關(guān)系，實現(xiàn)不同采樣信號的相位核對。

4 實驗測試

如圖6所示對分布式核相系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗證。

圖6 測試系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Wiring diagram of the test system

通過多臺經(jīng)GPS對時的繼電保護(hù)測試儀同步輸出相同有效值和相位的電流采樣信號，其中1臺輸出模擬量，接入核相主機(jī)作為采樣基準(zhǔn)，另外3臺輸出數(shù)字量(采樣傳輸協(xié)議分別為IEC61850-9-2、DLT282同步編碼和DLT282異步編碼)，模擬3個間隔的采樣數(shù)據(jù)分別接入對應(yīng)的采樣終端。改變核相主機(jī)與采樣終端的放置位置，記錄相位測試結(jié)果。

在室內(nèi)進(jìn)行測試，核相主機(jī)與各采樣終端放置在同一房間內(nèi)，間距約10 m，無線傳輸路徑間無阻礙。所有保護(hù)測試儀輸出數(shù)據(jù)配置為“電流有效值”5 A，“電流相位”0°，“頻率”50 Hz。以核相主機(jī)的本地采樣作為相位基準(zhǔn)，實驗記錄如表1所示。

表1 室內(nèi)10 m測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of indoor 10 m

在室內(nèi)進(jìn)行測試，核相主機(jī)與各采樣終端放置在不同房間，間距約50 m，無線傳輸路徑間有墻壁阻礙。保護(hù)測試儀輸出不變，以核相主機(jī)的本地采樣作為相位基準(zhǔn)，實驗記錄如表2所示。

表2 室內(nèi)50 m測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of indoor 50 m

在室外進(jìn)行測試，核相主機(jī)與各采樣終端間距約200 m，無線傳輸路徑間無明顯阻礙。保護(hù)測試儀輸出不變，以核相主機(jī)的本地采樣作為相位基準(zhǔn)，實驗記錄如表3所示。

表3 室內(nèi)200 m測試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of indoor 200 m

由實驗數(shù)據(jù)可知：在各種測試環(huán)境下，分布式核相系統(tǒng)的采樣結(jié)果穩(wěn)定，各間隔采樣的有效值誤差小于±0.1%，相位誤差小于±0.2°。核相系統(tǒng)性能可滿足智能變電站全站核相的要求。

5 結(jié)語

智能變電站采用數(shù)字化采樣，提升變電站數(shù)據(jù)共享靈活性，但對采樣核相工作也提出新問題。針對智能變電站采樣傳輸?shù)奶匦约罢竞讼嗉夹g(shù)的難點，本文提出一種基于分布式測點的智能變電站核相系統(tǒng)，基于WIFI無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)智能變電站全站間隔的同步采樣和信息匯總，可提升核相工作經(jīng)濟(jì)性與適用性，保障智能變電站建設(shè)與發(fā)展。