談電力物聯網下的采樣共享方式

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摘要:為解決現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，驗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備的進一步集成，有利于解決電力物聯網建設中基礎數據的共享問題。

關鍵詞:電力電子化;高頻采樣;采樣共享;次同步振蕩;數字化采樣

引言

隨著電網規模的不斷發展，分布式能源、直流控制裝置和無功補償裝置等大規模接入，我國電網已經發展成為超大規模電網。特別是可再生能源的大規模開發利用給電網引入了大量的新型電力電子裝備，電網的各個環節呈現出明顯的電力電子化特征。2019年國家電網有限公司把“三型兩網”［1］的建設提升到了戰略高度。三型兩網中的兩網指的是“堅強智能電網”和“泛在電力物聯網”。“堅強智能電網”通過特高壓電網進行電力的大規模、長距離穩定輸送，解決三北和西南地區的清潔能源消納問題，通過智能配電網支撐間歇性分布式電源的有效并網。因此隨著三型兩網的建設，電網的電力電子化特征將更加明顯。電網的電力電子化使得電網產生了寬頻振蕩等新的電能質量問題［2－4］。為了應對這些新問題，新研制了寬頻測量裝置［5］，增強了電能質量的監測功能。寬頻測量裝置要求采樣率不低于12．8kHz，電能質量要求采樣率不低于25．6kHz，因此現有合并單元的4kHz的采樣率［6］，已經不能滿足“堅強智能電網”的建設需求。“三型兩網”中的“泛在電力物聯網”要求電力系統“源—網—荷—儲”各環節末梢，能夠支撐數據采集和具體業務開展［7］。電流、電壓數據是電力系統最重要的基礎數據之一，也是電力系統眾多業務得以開展的重要數據基礎。隨著“三型兩網”建設的深入，必將有更多的設備和更多的業務需要采集電網的電流、電壓數據。因此如何高效地提供電流電壓采樣數據的共享性，是邊、端設備首先要考慮的重要問題，也是整個“三型兩網”建設的要解決的基本問題之一。

1現有采樣共享方式的局限性

模擬量采樣時，測量裝置通過并聯方式共享電壓互感器的二次側電壓，通過串聯方式共享電流互感器的二次側電流。保護、自動化和計量專業對電流測量精度、測量范圍的要求不同。保護要求測量范圍寬，測量精度要求相對較低。計量專業要求測量精度高，測量范圍要求相對較低。自動化專業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，專業內通過串聯方式共享數據，專業之間則相互獨立。因為專業內通過串聯方式共享電流數據，任何一個串聯裝置發生故障，都將影響其他裝置的正常運行。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據轉化成數字信號，再通過光纖或過程層網絡發送給間隔層裝置。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故障的影響程度，合并單元和過程層網絡通常按雙套配置。采樣數字化雖然增加了合并單元、過程層網絡等設備，但是任何設備都可以通過過程層網絡獲取采樣數據，采樣數據共享的方便性有了很大提升。常規采樣時共享的是模擬量信息，采樣由測量裝置各自實現，因此測量裝置可以按自身的專業要求靈活設計采樣頻率。而智能變電站利用合并單元把采樣數字化之后，輸出固定采樣率(通常為4kHz)的數字采樣序列，測量裝置只能被動的接授此采樣率，并按此采樣率設計自身功能。4kHz的采樣率雖然能滿足電力系統中的保護、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12．8kHz，電能質量要求采樣率不低于25．6kHz。

2采樣數據共享技術總體方案

考慮到數字采樣方式擴展的簡易性，仍然采用數字采樣通過過程層網絡供享的方案。如圖1所示，由合并單元采集電力系統中的電流和電壓信息并轉換成數字采樣信號。數字采樣信號發送到過程層網絡上，測量裝置通過過程層網絡獲取所需的采樣數據，或者合并單元通過光纖直接把數字采樣信號發送給測量裝置。通過合并單元的統一采集，所有測量裝置都可以共享電流、電壓采樣數據。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據。使用裝置較多的，如4kHz、12．8kHz的采樣數據直接發送到過程層網絡中。任何測量設備都可以直接從網絡上獲取相應采樣數據。對于那些采樣率很高且只有很少裝置使用的采樣數據則通過光纖直接發送給測量裝置，避免高采樣率數據造成過程層網絡堵塞。

3采樣數據共享實現方案

3．1采樣頻率

調研現有測量裝置發現:采樣率主要有保護、測控和PMU等裝置采用的4kHz;寬頻測量裝置、電能質量等裝置采用的12．8kHz、25．6kHz。綜合考慮現有大多數裝置的需求和對過程層網絡負載的影響，擬采用4kHz、12．8kHz和25．6kHz三種基礎采樣率。這三種基礎采樣率已經能夠滿足大部分已知業務的需要。將來新研制的測量裝置可以此為參考選擇合適的采樣率。對于現有裝置，如果此三種基礎頻率不能滿足要求，本方案提供了一種定制化方案。如果三種基礎采樣率為所需采樣率的整次倍時，可以通過抽點方式提供所需的采樣數據。如所需的采樣率為6．4kHz，則可以通過采樣率為12．8kHz的基礎采樣數據每兩點抽取一點的方法獲得。考慮到抽點率過低時，更易產生頻譜混疊，因此不建議通過抽點方式獲得較低頻率的采樣數據。同時考慮到嵌入式裝置實現的簡便性，暫時也不考慮其他采樣率的采樣數據。

3．2定頻采樣與定周期采樣

現有合并單元提供固定頻率的采樣數據，即每秒鐘按等間隔固定采樣4000次、25600次等。固定頻率采樣無需關注信號本身的頻率，按固定頻率采樣，按固定頻率發送數據，實現較為簡單。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數，比如每周期固定采樣80個點。定頻采樣與定周期采樣的區別如表1所示。從表1可以看出:如被采樣信號為50Hz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50Hz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50Hz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送過來的定頻采樣數據直接計算有效值時，計算結果會出現嚴重錯誤。如表2所示，頻率為49Hz，有效值為1000的正弦信號，使用定頻采樣數據直接計算有效值，在不同時刻計算結果出現了不同程度的漂動。因此測量裝置接收合并單元的定頻采樣數據后，一般先進行插值重采樣，得到定周期采樣值之后再開展其他業務功能的分析計算。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算負載。為了減輕測量裝置的計算負載，本方案除了提供定頻采樣數據之外，還提供定周期采樣數據。測量裝置可以使用定周期數據直接計算分析，從而把更多的計算資源放在業務功能上，而不是放在原始采樣點的處理上。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確識別采樣時刻。為了測量裝置能準確獲取采樣時刻，在采樣數據幀中增加一個通道專門發送采樣時間。采樣時間只發送秒以下的時間部分，以μs為單位，最小0μs，最大999999μs。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。

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)計算得到。式中:ω為在經過時間t信號旋轉的角度。為了進一步減輕測量裝置的負載，本方案提供了信號有效值和角度的輸出。綜合考慮網絡負載和實際使用對象的需求，選擇了1kHz作為有效值和角度的輸出頻率。信號角度是個相對量，為了更準備地分析信號，選擇頻率為50Hz的信號作為角度計算的參考相量，并且規定峰值過零點時，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的信號有效值。通常電力系統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算得到全波功率值。考慮到測控裝置的實際使用情況，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，甚至計量裝置都可以從中獲益，減少計算量。

4樣機功能驗證

為了驗證采樣數據共享技術方案的可行性，研制了新型合并單元裝置樣機。樣機硬件劃分為幾個獨立插件模塊，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。可以根據實際需求，選擇配置不同插件。每個插件都采用FPGA+DSP的架構實現。FPGA完成高速采樣、軟件插值濾波和插件間數據傳輸等高實時性計算任務，DSP完成有效值計算、角度計算和頻率測量等實時性要求較低的計算任務。樣機采用19英寸4U整層標準背插式機箱。插件從裝置背部插入，通過背板總線進行數據交換。背板總線包括高速串行總線(HTM)和CAN總線兩種，其中HTM由FPGA直接驅動，用于傳遞采樣值等需要高速傳輸的實時數據。CAN總線用于傳遞插件狀態和報警信息等實時性要求較低的數據。模擬量采樣插件按固定頻率進行模擬量采樣，定頻采樣數據通過HTM總線同步發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，收到采樣數據之后，可以直接輸出定頻采樣數據，定周期輸出插件，先計算出信號頻率，再根據信號頻率進行插值，把定頻采樣數據插值為定周期采樣數據進行輸出。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。直接采樣得到的數據作為25．6kHz的基礎采樣數據。采樣率為12．8kHz的基礎采樣數據由25．6kHz采樣數據通過兩點抽一點方式獲得。采樣率為4kHz的基礎采樣數據，由25．6kHz采樣數據插值獲得。25．6kHz相對于4kHz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50Hz的正弦信號，分別使用51．2kHz、25．6kHz、12．8kHz和6．4kHz的采樣率對其進行采樣。然后使用線性插值插成4kHz的重采樣數據，再計算其有效值及誤差，結果如表3所示。從表3可以看出，當采樣率為25．6kHz時，線性插值的誤差可以忽略不計。

5結束語

本文技術方案充分考慮了現有變電站內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。新型合并單元裝置不改變現有智能變電站二次系統的架構，也不改變現有測量裝置的功能，可以完全無縫替代現有合并單元裝置。不僅新增加的高頻采樣數據為現有的采樣數據提供了有益的補償，同時定周期采樣數據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。定周期采樣數據和有效值的輸出，可以大幅減少測量裝置的計算負載，有利于推進測量裝置的進一步集成整合。新型合并單元樣機可以無縫替代現有合并單元，有利于機樣的推廣應用。在新能源接入較多的三北和西南地區，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量裝置的需求也更強烈，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