談電力物聯(lián)網(wǎng)下的采樣共享方式

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摘要:為解決現(xiàn)有采樣共享方式存在的局限性，提出了多頻采樣、定周期采樣和有效值輸出等多種采樣共享方式。研制了新型合并單元樣機(jī)，驗(yàn)證了采樣共享方案的可行性。提出的采樣共享方案有利于變電站二次設(shè)備的進(jìn)一步集成，有利于解決電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:電力電子化;高頻采樣;采樣共享;次同步振蕩;數(shù)字化采樣

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(wú)功補(bǔ)償裝置等大規(guī)模接入，我國(guó)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(kāi)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(gè)環(huán)節(jié)呈現(xiàn)出明顯的電力電子化特征。2019年國(guó)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(guò)特高壓電網(wǎng)進(jìn)行電力的大規(guī)模、長(zhǎng)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(wèn)題，通過(guò)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(wèn)題［2－4］。為了應(yīng)對(duì)這些新問(wèn)題，新研制了寬頻測(cè)量裝置［5］，增強(qiáng)了電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)功能。寬頻測(cè)量裝置要求采樣率不低于12．8kHz，電能質(zhì)量要求采樣率不低于25．6kHz，因此現(xiàn)有合并單元的4kHz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?！叭蛢删W(wǎng)”中的“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”要求電力系統(tǒng)“源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)”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(kāi)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(kāi)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(wèn)題，也是整個(gè)“三型兩網(wǎng)”建設(shè)的要解決的基本問(wèn)題之一。

1現(xiàn)有采樣共享方式的局限性

模擬量采樣時(shí)，測(cè)量裝置通過(guò)并聯(lián)方式共享電壓互感器的二次側(cè)電壓，通過(guò)串聯(lián)方式共享電流互感器的二次側(cè)電流。保護(hù)、自動(dòng)化和計(jì)量專業(yè)對(duì)電流測(cè)量精度、測(cè)量范圍的要求不同。保護(hù)要求測(cè)量范圍寬，測(cè)量精度要求相對(duì)較低。計(jì)量專業(yè)要求測(cè)量精度高，測(cè)量范圍要求相對(duì)較低。自動(dòng)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(gè)電流互感器，專業(yè)內(nèi)通過(guò)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(guò)串聯(lián)方式共享電流數(shù)據(jù)，任何一個(gè)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(shí)無(wú)論是電壓互感器還是電流互感器都有帶載能力限制，超過(guò)其帶載能力，所有測(cè)量裝置的測(cè)量精度都會(huì)受到影響。智能變電站通過(guò)合并單元把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)光纖或過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給間隔層裝置。因此間隔層測(cè)量裝置故障，不會(huì)再影響其他裝置的采樣。但是合并單元自身故障或過(guò)程層交換機(jī)故障時(shí)，將影響所有測(cè)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(guò)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(guò)程層網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，但是任何設(shè)備都可以通過(guò)過(guò)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(shí)共享的是模擬量信息，采樣由測(cè)量裝置各自實(shí)現(xiàn)，因此測(cè)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4kHz)的數(shù)字采樣序列，測(cè)量裝置只能被動(dòng)的接授此采樣率，并按此采樣率設(shè)計(jì)自身功能。4kHz的采樣率雖然能滿足電力系統(tǒng)中的保護(hù)、測(cè)控和PMU等常見(jiàn)裝置的測(cè)量要求，但是無(wú)法滿足所有裝置，如寬頻測(cè)量裝置要求采樣率不低于12．8kHz，電能質(zhì)量要求采樣率不低于25．6kHz。

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(jiǎn)易性，仍然采用數(shù)字采樣通過(guò)過(guò)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(hào)。數(shù)字采樣信號(hào)發(fā)送到過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)上，測(cè)量裝置通過(guò)過(guò)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(guò)光纖直接把數(shù)字采樣信號(hào)發(fā)送給測(cè)量裝置。通過(guò)合并單元的統(tǒng)一采集，所有測(cè)量裝置都可以共享電流、電壓采樣數(shù)據(jù)。不同類型的測(cè)量裝置對(duì)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4kHz、12．8kHz的采樣數(shù)據(jù)直接發(fā)送到過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)中。任何測(cè)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(duì)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(guò)光纖直接發(fā)送給測(cè)量裝置，避免高采樣率數(shù)據(jù)造成過(guò)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(cè)量裝置發(fā)現(xiàn):采樣率主要有保護(hù)、測(cè)控和PMU等裝置采用的4kHz;寬頻測(cè)量裝置、電能質(zhì)量等裝置采用的12．8kHz、25．6kHz。綜合考慮現(xiàn)有大多數(shù)裝置的需求和對(duì)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響，擬采用4kHz、12．8kHz和25．6kHz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(lái)新研制的測(cè)量裝置可以此為參考選擇合適的采樣率。對(duì)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(shí)，可以通過(guò)抽點(diǎn)方式提供所需的采樣數(shù)據(jù)。如所需的采樣率為6．4kHz，則可以通過(guò)采樣率為12．8kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)每?jī)牲c(diǎn)抽取一點(diǎn)的方法獲得?？紤]到抽點(diǎn)率過(guò)低時(shí)，更易產(chǎn)生頻譜混疊，因此不建議通過(guò)抽點(diǎn)方式獲得較低頻率的采樣數(shù)據(jù)。同時(shí)考慮到嵌入式裝置實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)便性，暫時(shí)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4000次、25600次等。固定頻率采樣無(wú)需關(guān)注信號(hào)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(jiǎn)單。還有另外一種采樣方式叫定周期采樣，即按被采樣信號(hào)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(gè)點(diǎn)。定頻采樣與定周期采樣的區(qū)別如表1所示。從表1可以看出:如被采樣信號(hào)為50Hz時(shí)，定頻采樣和定周期采樣的采樣率相同;如被采樣信號(hào)的頻率低于50Hz時(shí)，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(hào)的頻率高于50Hz時(shí)，定周期采樣的采樣率高于定頻采樣的采樣率。測(cè)量裝置使用合并單元發(fā)送過(guò)來(lái)的定頻采樣數(shù)據(jù)直接計(jì)算有效值時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤。如表2所示，頻率為49Hz，有效值為1000的正弦信號(hào)，使用定頻采樣數(shù)據(jù)直接計(jì)算有效值，在不同時(shí)刻計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了不同程度的漂動(dòng)。因此測(cè)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(kāi)展其他業(yè)務(wù)功能的分析計(jì)算。為了保證測(cè)量精度，通常需要三階或四階插值。這無(wú)疑加重了測(cè)量裝置的計(jì)算負(fù)載。為了減輕測(cè)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(cè)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(hào)的頻率而改變，通過(guò)采樣序號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別采樣時(shí)刻。為了測(cè)量裝置能準(zhǔn)確獲取采樣時(shí)刻，在采樣數(shù)據(jù)幀中增加一個(gè)通道專門(mén)發(fā)送采樣時(shí)間。采樣時(shí)間只發(fā)送秒以下的時(shí)間部分，以μs為單位，最小0μs，最大999999μs。采樣序號(hào)的功能仍然保留，接收方以采樣序號(hào)作為是否丟幀的判斷依據(jù)。

3．3有效值

對(duì)于很多測(cè)量裝置來(lái)說(shuō)，真正有用的是信號(hào)的有效值、角度和頻率三個(gè)量，如測(cè)控的同期功能、PMU的輸出都只關(guān)心信號(hào)基波的有效值、角度和頻率。同時(shí)信號(hào)的頻率可通過(guò)式(1)計(jì)算得到。式中:ω為在經(jīng)過(guò)時(shí)間t信號(hào)旋轉(zhuǎn)的角度。為了進(jìn)一步減輕測(cè)量裝置的負(fù)載，本方案提供了信號(hào)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(duì)象的需求，選擇了1kHz作為有效值和角度的輸出頻率。信號(hào)角度是個(gè)相對(duì)量，為了更準(zhǔn)備地分析信號(hào)，選擇頻率為50Hz的信號(hào)作為角度計(jì)算的參考相量，并且規(guī)定峰值過(guò)零點(diǎn)時(shí)，參考相量的角度為0度。參考相量角度為0度時(shí)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(hào)有效值。通常電力系統(tǒng)中測(cè)控裝置輸出的有效值即為信號(hào)的全波有效值。全波有效值混合了基波和諧波信息，無(wú)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(cè)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(wú)論是測(cè)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(gè)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(gè)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(shí)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(cè)量等實(shí)時(shí)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(guò)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(dòng)，用于傳遞采樣值等需要高速傳輸?shù)膶?shí)時(shí)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(shí)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(guò)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(hào)頻率，再根據(jù)信號(hào)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?？紤]到目前電子式互感器輸出信號(hào)的采樣率一般為4kHz，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25．6kHz。直接采樣得到的數(shù)據(jù)作為25．6kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。采樣率為12．8kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)由25．6kHz采樣數(shù)據(jù)通過(guò)兩點(diǎn)抽一點(diǎn)方式獲得。采樣率為4kHz的基礎(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，由25．6kHz采樣數(shù)據(jù)插值獲得。25．6kHz相對(duì)于4kHz來(lái)說(shuō)，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50Hz的正弦信號(hào)，分別使用51．2kHz、25．6kHz、12．8kHz和6．4kHz的采樣率對(duì)其進(jìn)行采樣。然后使用線性插值插成4kHz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25．6kHz時(shí)，線性插值的誤差可以忽略不計(jì)。

5結(jié)束語(yǔ)

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(cè)量裝置的功能，可以完全無(wú)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(shí)定周期采樣數(shù)據(jù)和有效值的輸出為未來(lái)測(cè)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(cè)量裝置的計(jì)算負(fù)載，有利于推進(jìn)測(cè)量裝置的進(jìn)一步集成整合。新型合并單元樣機(jī)可以無(wú)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(wèn)題比較突出，從而對(duì)寬頻測(cè)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。

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作者：陳桂友 程立 單位：南京南瑞繼保電氣有限公司