谈电力物联网下的采样共享方式

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摘要:为解决现有采样共享方式存在的局限性，提出了多频采样、定周期采样和有效值输出等多种采样共享方式。研制了新型合并单元样机，验证了采样共享方案的可行性。提出的采样共享方案有利于变电站二次设备的进一步集成，有利于解决电力物联网建设中基础数据的共享问题。

关键词:电力电子化;高频采样;采样共享;次同步振荡;数字化采样

引言

随着电网规模的不断发展，分布式能源、直流控制装置和无功补偿装置等大规模接入，我国电网已经发展成为超大规模电网。特别是可再生能源的大规模开发利用给电网引入了大量的新型电力电子装备，电网的各个环节呈现出明显的电力电子化特征。2019年国家电网有限公司把“三型两网”［1］的建设提升到了战略高度。三型两网中的两网指的是“坚强智能电网”和“泛在电力物联网”。“坚强智能电网”通过特高压电网进行电力的大规模、长距离稳定输送，解决三北和西南地区的清洁能源消纳问题，通过智能配电网支撑间歇性分布式电源的有效并网。因此随着三型两网的建设，电网的电力电子化特征将更加明显。电网的电力电子化使得电网产生了宽频振荡等新的电能质量问题［2－4］。为了应对这些新问题，新研制了宽频测量装置［5］，增强了电能质量的监测功能。宽频测量装置要求采样率不低于12．8kHz，电能质量要求采样率不低于25．6kHz，因此现有合并单元的4kHz的采样率［6］，已经不能满足“坚强智能电网”的建设需求。“三型两网”中的“泛在电力物联网”要求电力系统“源—网—荷—储”各环节末梢，能够支撑数据采集和具体业务开展［7］。电流、电压数据是电力系统最重要的基础数据之一，也是电力系统众多业务得以开展的重要数据基础。随着“三型两网”建设的深入，必将有更多的设备和更多的业务需要采集电网的电流、电压数据。因此如何高效地提供电流电压采样数据的共享性，是边、端设备首先要考虑的重要问题，也是整个“三型两网”建设的要解决的基本问题之一。

1现有采样共享方式的局限性

模拟量采样时，测量装置通过并联方式共享电压互感器的二次侧电压，通过串联方式共享电流互感器的二次侧电流。保护、自动化和计量专业对电流测量精度、测量范围的要求不同。保护要求测量范围宽，测量精度要求相对较低。计量专业要求测量精度高，测量范围要求相对较低。自动化专业的要求则介于两者之间。因此同一路电流通常需要三个电流互感器，专业内通过串联方式共享数据，专业之间则相互独立。因为专业内通过串联方式共享电流数据，任何一个串联装置发生故障，都将影响其他装置的正常运行。同时无论是电压互感器还是电流互感器都有带载能力限制，超过其带载能力，所有测量装置的测量精度都会受到影响。智能变电站通过合并单元把采样数据转化成数字信号，再通过光纤或过程层网络发送给间隔层装置。因此间隔层测量装置故障，不会再影响其他装置的采样。但是合并单元自身故障或过程层交换机故障时，将影响所有测量装置的采样。为了减小合并单元和交换机故障的影响程度，合并单元和过程层网络通常按双套配置。采样数字化虽然增加了合并单元、过程层网络等设备，但是任何设备都可以通过过程层网络获取采样数据，采样数据共享的方便性有了很大提升。常规采样时共享的是模拟量信息，采样由测量装置各自实现，因此测量装置可以按自身的专业要求灵活设计采样频率。而智能变电站利用合并单元把采样数字化之后，输出固定采样率(通常为4kHz)的数字采样序列，测量装置只能被动的接授此采样率，并按此采样率设计自身功能。4kHz的采样率虽然能满足电力系统中的保护、测控和PMU等常见装置的测量要求，但是无法满足所有装置，如宽频测量装置要求采样率不低于12．8kHz，电能质量要求采样率不低于25．6kHz。

2采样数据共享技术总体方案

考虑到数字采样方式扩展的简易性，仍然采用数字采样通过过程层网络供享的方案。如图1所示，由合并单元采集电力系统中的电流和电压信息并转换成数字采样信号。数字采样信号发送到过程层网络上，测量装置通过过程层网络获取所需的采样数据，或者合并单元通过光纤直接把数字采样信号发送给测量装置。通过合并单元的统一采集，所有测量装置都可以共享电流、电压采样数据。不同类型的测量装置对采样率有不同的需求，因此合并单元可以输出多种采样率的采样数据。使用装置较多的，如4kHz、12．8kHz的采样数据直接发送到过程层网络中。任何测量设备都可以直接从网络上获取相应采样数据。对于那些采样率很高且只有很少装置使用的采样数据则通过光纤直接发送给测量装置，避免高采样率数据造成过程层网络堵塞。

3采样数据共享实现方案

3．1采样频率

调研现有测量装置发现:采样率主要有保护、测控和PMU等装置采用的4kHz;宽频测量装置、电能质量等装置采用的12．8kHz、25．6kHz。综合考虑现有大多数装置的需求和对过程层网络负载的影响，拟采用4kHz、12．8kHz和25．6kHz三种基础采样率。这三种基础采样率已经能够满足大部分已知业务的需要。将来新研制的测量装置可以此为参考选择合适的采样率。对于现有装置，如果此三种基础频率不能满足要求，本方案提供了一种定制化方案。如果三种基础采样率为所需采样率的整次倍时，可以通过抽点方式提供所需的采样数据。如所需的采样率为6．4kHz，则可以通过采样率为12．8kHz的基础采样数据每两点抽取一点的方法获得。考虑到抽点率过低时，更易产生频谱混叠，因此不建议通过抽点方式获得较低频率的采样数据。同时考虑到嵌入式装置实现的简便性，暂时也不考虑其他采样率的采样数据。

3．2定频采样与定周期采样

现有合并单元提供固定频率的采样数据，即每秒钟按等间隔固定采样4000次、25600次等。固定频率采样无需关注信号本身的频率，按固定频率采样，按固定频率发送数据，实现较为简单。还有另外一种采样方式叫定周期采样，即按被采样信号的周期，每周期等间隔采样固定点数，比如每周期固定采样80个点。定频采样与定周期采样的区别如表1所示。从表1可以看出:如被采样信号为50Hz时，定频采样和定周期采样的采样率相同;如被采样信号的频率低于50Hz时，定周期采样的采样率低于定频采样的采样率;如被采样信号的频率高于50Hz时，定周期采样的采样率高于定频采样的采样率。测量装置使用合并单元发送过来的定频采样数据直接计算有效值时，计算结果会出现严重错误。如表2所示，频率为49Hz，有效值为1000的正弦信号，使用定频采样数据直接计算有效值，在不同时刻计算结果出现了不同程度的漂动。因此测量装置接收合并单元的定频采样数据后，一般先进行插值重采样，得到定周期采样值之后再开展其他业务功能的分析计算。为了保证测量精度，通常需要三阶或四阶插值。这无疑加重了测量装置的计算负载。为了减轻测量装置的计算负载，本方案除了提供定频采样数据之外，还提供定周期采样数据。测量装置可以使用定周期数据直接计算分析，从而把更多的计算资源放在业务功能上，而不是放在原始采样点的处理上。使用定周期采样之后，采样间隔随着信号的频率而改变，通过采样序号无法准确识别采样时刻。为了测量装置能准确获取采样时刻，在采样数据帧中增加一个通道专门发送采样时间。采样时间只发送秒以下的时间部分，以μs为单位，最小0μs，最大999999μs。采样序号的功能仍然保留，接收方以采样序号作为是否丢帧的判断依据。

3．3有效值

对于很多测量装置来说，真正有用的是信号的有效值、角度和频率三个量，如测控的同期功能、PMU的输出都只关心信号基波的有效值、角度和频率。同时信号的频率可通过式(1)计算得到。式中:ω为在经过时间t信号旋转的角度。为了进一步减轻测量装置的负载，本方案提供了信号有效值和角度的输出。综合考虑网络负载和实际使用对象的需求，选择了1kHz作为有效值和角度的输出频率。信号角度是个相对量，为了更准备地分析信号，选择频率为50Hz的信号作为角度计算的参考相量，并且规定峰值过零点时，参考相量的角度为0度。参考相量角度为0度时的波形如图2所示。全波有效值是指包含基波和谐波在内的信号有效值。通常电力系统中测控装置输出的有效值即为信号的全波有效值。全波有效值混合了基波和谐波信息，无法从电流和电压的全波有效值计算得到全波功率值。考虑到测控装置的实际使用情况，本方案除了输出电流、电压的基波有效值和角度之外，还输出电流、电压的全波有效值和功率全波有效值。无论是测控装置还是PMU装置，甚至计量装置都可以从中获益，减少计算量。

4样机功能验证

为了验证采样数据共享技术方案的可行性，研制了新型合并单元装置样机。样机硬件划分为几个独立插件模块，包括模拟量采样插件、定频采样输出插件和定周期采样输出插件、有效值输出插件等。可以根据实际需求，选择配置不同插件。每个插件都采用FPGA+DSP的架构实现。FPGA完成高速采样、软件插值滤波和插件间数据传输等高实时性计算任务，DSP完成有效值计算、角度计算和频率测量等实时性要求较低的计算任务。样机采用19英寸4U整层标准背插式机箱。插件从装置背部插入，通过背板总线进行数据交换。背板总线包括高速串行总线(HTM)和CAN总线两种，其中HTM由FPGA直接驱动，用于传递采样值等需要高速传输的实时数据。CAN总线用于传递插件状态和报警信息等实时性要求较低的数据。模拟量采样插件按固定频率进行模拟量采样，定频采样数据通过HTM总线同步发送给定频采样输出插件、定周期采样输出插件和有效值输出插件。定频采样输出插件，收到采样数据之后，可以直接输出定频采样数据，定周期输出插件，先计算出信号频率，再根据信号频率进行插值，把定频采样数据插值为定周期采样数据进行输出。考虑到目前电子式互感器输出信号的采样率一般为4kHz，不满足高频采样的要求。因此选择模拟量互感器作为新型合并单元的输入，采样率为25．6kHz。直接采样得到的数据作为25．6kHz的基础采样数据。采样率为12．8kHz的基础采样数据由25．6kHz采样数据通过两点抽一点方式获得。采样率为4kHz的基础采样数据，由25．6kHz采样数据插值获得。25．6kHz相对于4kHz来说，采样密度足够高，使用线性插值足以保证采样精度。如有效值为57．735，频率为50Hz的正弦信号，分别使用51．2kHz、25．6kHz、12．8kHz和6．4kHz的采样率对其进行采样。然后使用线性插值插成4kHz的重采样数据，再计算其有效值及误差，结果如表3所示。从表3可以看出，当采样率为25．6kHz时，线性插值的误差可以忽略不计。

5结束语

本文技术方案充分考虑了现有变电站内采样共享方式存在的局限性，研制了新型合并单元装置样机。新型合并单元装置不改变现有智能变电站二次系统的架构，也不改变现有测量装置的功能，可以完全无缝替代现有合并单元装置。不仅新增加的高频采样数据为现有的采样数据提供了有益的补偿，同时定周期采样数据和有效值的输出为未来测量装置提供了一种新的解决思路。定周期采样数据和有效值的输出，可以大幅减少测量装置的计算负载，有利于推进测量装置的进一步集成整合。新型合并单元样机可以无缝替代现有合并单元，有利于机样的推广应用。在新能源接入较多的三北和西南地区，超/次同步振荡问题比较突出，从而对宽频测量装置和电能质量装置的需求也更强烈，这也有助于新型合并单元装置的推广利用。

参考文献:

［1］张涛，赵东艳，薛峰，等．电力系统智能终端信息安全防护技术研究框架［J］．电力系统自动化，2019，43(19):1－8．

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［3］陈刚，李鹏，袁宇波．MMC-UPFC在南京西环网的应用及其谐波特性分析．电力系统自动化，2016，40(7):121－127．

［4］谢小荣，刘华坤，贺静波，等．直驱风机风电场与交流电网相互作用引发次同步振荡的机理与特性分析［J］．中国电机工程学报，2016，36(9):2366－2372．

［5］樊陈，姚建国，常乃超，等．面向电力电子化电网的宽频测量技术探讨［J］．电力系统自动化，2019，43(16):1－8．

［6］杨剑，刘郁猷，李红斌，等．基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源方法研究［J］．电测与仪表，2019，56(21):140－146．

［7］曾鸣，杨雍琦，刘敦楠，等．能源互联网“源—网—荷—储”协调优化运营模式及关键技术［J］．电网技术，40，38(1):124－134．

作者：陈桂友 程立 单位：南京南瑞继保电气有限公司