采样值传输（共7篇）
采样值传输 篇1
0 引言
根据IEC61850标准,数字化变电站的通信体系分为变电站层、间隔层和过程层3层。其中,过程层与间隔层设备之间的网络通信被称作过程总线通信[1]。基于网络的过程总线解决方案因其低成本的优势受到广大用户和厂家的青睐,但是采样信号、保护动作这类直接关系到变电站系统安全稳定运行的数据传输,对网络性能的要求非常苛刻,如何保证这些数据的实时性、安全性、可靠性成为过程总线应用和发展的关键[2,3,4,5]。
本文研究了一种基于采样值传输的过程总线仿真系统。该系统真实再现了过程总线采样值的传输过程,为继电保护实验提供了一个数据流量仿真测试平台。
1 过程总线简介
基于IEC61850-9-2[6]标准的变电站过程总线将取代传统变电站的二次电缆接线。过程总线采用工业以太网实现。典型过程总线结构如图1所示,间隔层与过程层之间通过总线(以太网)互联,其数字化接口——合并单元提供了采样值传输服务。采样值传输是间隔层保护、测控装置自动化运行的重要保证,是实现变电站过程总线数字化通信的基础。
过程总线为一次设备与二次装置之间相互通信的重要枢纽。在过程总线设计中,合理的工业以太网构架是非常重要的。对于不同等级的变电站应该有不同的网络结构。网络性能决定了工程配置方案的可行性。研究过程总线网络性能的方法[7,8]有3种:实测法、数学分析法和仿真法。由于数字化变电站通信网络的复杂性和不确定性,对其进行实测或做出精确的数学描述比较困难,因此选择仿真法。
2 仿真平台
2.1 仿真源
采样测量值SMV(Sampled Measured Values)报文是互感器所采集到的电压、电流信号通过合并单元数据集聚合并产生基于以太网格式的数据帧。SMV报文与采样值传输控制模块的定义有关。采样率和应用协议数据单元APDU(Application Protocol Data Unit)是决定SMV流量的关键。为了保证继电保护动作的实时性,合并单元会按照同步采样频率向间隔层保护单元发送周期性SMV报文。由于采样率大的特点,SMV实时数据流占据了过程总线的大部分流量。
IEC61850标准定义了2种采样值传输模型,即IEC61850-9-1SMV和IEC61850-9-2SMV。前者主要应用于传统变电站的点对点通信回路情况下,帧格式固定;后者应用于过程总线,其亮点在于将SMV模型映射到以太网ISO/IEC8802-3传输栈上,帧格式不固定,具有较好的可展性,更适应新的应用需求[9]。因此,本文将以IEC61850-9-2 SMV作为仿真源。
2.2 仿真平台结构
过程总线的仿真是对变电站过程层和间隔层之间的网络流量仿真,是真实再现变电站采样值传输的仿真。该仿真主要是为继电保护设备提供采样数据和影响保护动作的背景流量,并不考虑采样数据是如何获得的,因此不包括电磁式或电子式互感器采集电压、电流信号以及合并器收集该信号的过程。过程总线采样值传输仿真系统包括3个部分。
a.网络平台。变电站过程层和间隔层之间的通信网络。核心设备是支持IEEE802.1p和IEEE802.1q的工业以太网交换机。
b.流量源。为了定性、定量的分析,IEC61850定义的SMV报文应该支持采样值传输模型的配置。
c.流量控制器。用于控制和管理各路传输通道,实现基于发布者/订阅者的高速点对点(或点对多点)的通信。
2.3 仿真需求
在过程总线的测试实验中,采样数据是触发继电保护动作的根源。从仿真角度分析,只要提供采样数据给继电保护设备,即可进行测试实验。但是在间隔层的保护设备对网络数据(SMV报文)是有要求的。合并单元发送采样值报文的频率(fp)与采样率和数据集结构有关(遵循IEC61850-9-2)。对于工频为f,每周期采样率为s,采用n组APDU的数据集配置,其SMV报文的发送率计算公式为
从式(1)可知,流向间隔层网络的SMV报文是一种周期性很强的数字信号。作为保护装置的稳定输入源,采样值数据流需要满足周期性传输的时间特性要求。为了研究采样值数据流对继电保护实时数据流的影响,仿真系统还应该支持IEEE802.1p服务,为实验定性、定量地提供流量源。另外,对于分布式系统仿真,还要考虑时钟同步问题。要求仿真各路信号按照一定的节拍传输于网络,从而实现精准的同步控制。
3 开发思路
3.1 开发工具
IEC61850 SMV是基于以太网格式的采样值模型。在OSI 7层参考模型中,被映射到数据链路层和物理层。这意味着SMV传输是一种基于介质访问控制MAC(Media Access Control)地址的以太网传输。如果采用传统Socket(套接字)处理,除了应用层外,其他之下协议栈均被屏蔽,用户无法访问网络底层。而Win Pcap(Windows Packet capture)[10]网络开发包是一个免费、基于Windows平台、访问网络链路层的工业标准工具,它允许各种应用程序绕过协议捕捉并发送网络数据包。本文的开发工具需要借助Win Pcap开发包来完成采样值的传输功能。
3.2 设计思想
NPF(Netgroup Packet Filter)是Win Pcap的一个内核组件,负责处理在网络上传输的数据包。其主要功能包括发送、捕获数据以及提供用户层报文分析。在发送数据时,NPF需要将原始数据写入网络设备。应用程序会访问NPF的设备文件,将用户自定义数据包直接写入系统发送缓冲区而不需要经过协议栈。因此由用户自定义的SMV数据可以通过NPF发送到网络。在捕获数据时,底层驱动会选择一个网络接口,并通过特定的过滤器实现与用户层的交互。这对于分析数字化变电站通信网络各种报文有巨大帮助[11]。图2为Win Pcap的功能框架。
除了发送和接收功能外,采样值传输控制(SVC)也是个非常重要的模块。仿真系统的SVC分静态控制和动态控制。静态控制通过参数配置实现。主要配置参数包括传输率和数据帧。其中传输率和帧长度用于控制网络流量。帧结构中的IEEE802.1p标签用于控制流量的优先级。APDU用于控制帧长度以及数据集的结构组合。在仿真过程中,由于各种不确定因素,信号传输往往会产生波动。SVC的动态控制通过在线检测、分析、自动控制可以削弱这种波动带来的负面影响。因此,为了保证信号传输的稳定性,本文采用了高精度定时器实现SMV传输控制,同时还采用一个实时监视模块对系统进行微参量自动调控,从而使仿真效果大为改善。
4 仿真验证
对SMV源的仿真需要验证2个指标:帧格式的规范性;采样值传输的时间特性。首先要确保发送的报文格式符合IEC61850-9标准,测试工具可采用MMS(Manufacturing Message Specification)Etherea分析软件。MMS Ethereal是完全支持IEC61850标准的网络分析工具,其内核也是采用Win Pcap设计的。测试方法在发布端和订阅端分别运行MMS Ethereal,并将过滤器“Filter”设置为“iecsmv”,如果网络接口有数据到来,那么发布端和订阅端都应该能捕获到,如果报文格式符合IEC61850-9标准,该软件会显示相关信息(如:多播地址、优先级、数据集等),并统计所接收到的数据包总量,为报文建立捕获时间轴。根据数据包总量,可以验证传输过程中的丢包情况。通过比较和分析相邻报文的时标可验证采样值传输的时间特性是否满足要求。
值得注意的是,在验证发布/订阅端数据帧一致性时,订阅端可能会出现SMV帧丢失协议标签TPID(Tag Protocol Identifier)和控制信息标签TCI(Tag Control Information)的情况。而一个支持802.1Q/P应用的完整数据帧应该包含TPID和TCI标签。但是如果发布端主机连接到交换机的端口被设置成Access模式(缺省模式),那么进入Access端口的帧在转发前就会被去掉TPID和TCI标签,订阅端主机所捕获到的数据帧将不包括TPID和TCI标签,即比原始帧少了4个字节。
为了对SMV源进行验证,本文构建了基于IEC61850-9-2的采样值传输模型,并在工控机上实现了对SMV源仿真。所配置的采样值模型为IEC6180-9-2/LE[12]SMV(保护用),采样率为80点/周期,1组APDU的数据集结构。按照工频50 Hz计算,其报文传输率为4000 PPS(每秒发包数,Packets Per Second),传输流量为4 000×123 Byte/s。通过仿真实验测得各报文的时间间隔基本上相等,最大误差小于10μs,可以满足合并单元上送采样值的时间特性要求。
5 应用领域
采样值传输是实现变电站过程总线数字化通信的基础。基于采样值传输的过程总线仿真平台为数字化变电站提供了更多研究途径。其主要应用领域有如下3点。
a.实时性测试。IEC61850标准根据变电站各类信息的轻重缓急特点将报文分为快速报文、中速报文和低速报文。为了确保这些报文在过程总线传输的实时性(尤其是继电保护数据流),需要验证各类报文在指定的网络流量下是否满足被IED接收的时延要求。而仿真平台可以为该实验验证提供一个稳定、可控的网络流量环境。通过设置报文的优先级、VLAN、传输率等指标参数,定性、定量地生成实验所需的标准数据。
b.设备功能验证。为了验证过程总线各个工作站的协同工作能力,以及各个设备的分布式功能,往往需要大量的调试工作,例如设备功能验证。而仿真平台支持用户自定义的SMV模型,在设备的功能测试中,可以根据装置的配置文件定义相关的SMV模型[13],并通过仿真平台向网络装置发送采样数据,然后根据装置的动作反应和日志记录来验证设备功能的正确性。
c.网络瓶颈测试。当变电站二次设备与一次装置之间通过过程总线(以太网)实现信息交换时,网络瓶颈便成为制约工业化进程的一大难题。考察一套网络系统的可靠性及其适应未来的可扩展性,就必须找到一个量化的性能指标。而网络吞吐量是衡量过程总线的一大性能指标。仿真平台正好提供了一个基于发布者/订阅者的点对点传输机制,为吞吐量测试提供了实现途径[14]。
6 结语
在数字化变电站中,过程总线通信需要进行相当长的实验论证,特别是通信网络的性能测试以及整个系统的可靠性分析和设计。基于采样值传输的过程总线仿真系统采用NPF组件设计,工作在数据链路层,可以定性、定量地产生各种各样的采样值数据,为继电保护实验提供了稳定的电压、电流信号。同时,应用于网络性能测试,可以有效查找各种工业网络瓶颈,验证各种保护方案,从而为过程总线的可行性分析及其工程部署提供参考依据。
摘要：为验证基于IEC61850-9-2过程总线的继电保护方案,提出一种基于采样值传输的过程总线仿真系统。仿真系统包括网络平台、流量源和流量控制3个部分。系统底层采用网络数据包过滤器(NPF)内核组件设计,配置高精度定时器,工作在数据链路层,可定性、定量地产生采样值报文,为继电保护实验提供稳定的电压、电流信号。为了对采样值及其传输控制进行验证,构建了基于IEC61850-9-2/LE的采样值传输模型,并在工控机上实现了对信号源的仿真,验证了采样值数据完全符合标准。
关键词：IEC61850-9-2,变电站,过程总线,采样值,仿真
采样值传输 篇2
IEC 61850采用面向对象分析的方法, 通过对现实世界的具体对象进行虚拟、抽象、封装等手段, 建立了完整的变电站的信息模型。IEC 61850标准要求独立应用功能和通信, 标准化两者之间的中性点接口, 并在变电站自动化系统的组件之间需要进行数据交换。由于发送的IEC 61850-9-1标准数据是点对点的通信方式, 不能被各个合并单元之间共享[1,2];而且IEC 61850-9-2标准既没有规定个体是实体或产品, 也不强制计算机系统中的实体以及接口实现[3]。因此IEC 61850-9-2标准中要求合并单元必须实现灵活配置, 需要设备支持基于TCP/IP传输的MMS协议栈[3]。所以, 本文采用面向对象自我描述的方法, 使得合并单元能够直接从网络获取配置信息, 以此来降低人工配置信息的成本和人工配置的出错率;同时采样值报文可以满足不同用户和制造商传输不同信息对象和应用功能发展的要求, 提高了IED设备间互操作性, 增强了合并单元配置的灵活性。
1 合并单元的信息模型
合并单元 (MU) 作为电子式互感器、智能一次设备、传统互感器与智能二次设备的中间环节[4], 接收一次设备的信号, 并验证、汇总采样的数据, 采用通信的形式向变电站的间隔层传递数字采样合并值[5]。所以, 合并单元作为变电站过程层数字化的一种实现方式[5], 其在IEC 61850标准下的信息模型的研究具有现实意义。
变电站自动化通信系统模型的层次结构包括服务器 (Server) 、逻辑设备 (LD) 、逻辑节点 (LN) 、数据对象 (DO) 和数据属性 (DA) 等部分[8]。服务器用于封装逻辑节点和数据, 外界可通过其提供的接口进行访问。逻辑设备是一种虚拟设备, 用来汇集有关的逻辑节点和数据集[6], 在本文中具体指合并单元 (MU) 。
以MU的A相电流采样值为例, 构成合并单元的信息模型, 如图1所示。其中MU1是MU对应的逻辑设备的实例;phsa TCTR表示A相保护电流逻辑节点;逻辑节点TCTR表示电流互感器, 后缀1为测量用, 不带后缀1为保护用。电流/电压互感器逻辑节点的数据以采样值信息和额定相电流/电压信息为主, 则Amp表示采样值电流信息, 是此逻辑节点的强制数据;ARtg表示额定相电流信息, 是可选数据[7]。
A相保护电流的采样值phsaTCTR.Amp作为数据对象, 它的数据属性包括测量值 (instMag) 、q (品质) 、t (时标) 、units (单位) 、sVC (比例系数) 等, 信息模型的任何操作归根到底就是数据属性的读写操作。数据属性的操作根据用途的不同, 其功能约束FC (Functional Constraint) 也不同, 如数据属性的值可读但不可写的测量值功能约束 (MX) , 数据属性的值可读写且写入后立即生效的配置信息功能约束 (CF) [8]。
2 信息模型属性的映射
信息模型的属性有4个不同层次的语义空间, 这4个语义空间必须完整映射到虚拟制造设备 (VMD) , 并通过与之对应的MMS服务实现对实际设备的控制。IEC 61850对象与MMS对象的映射关系如图2所示, 其中VMD的产品信息等特定资源存放在Domain (域) 中;各种抽象变量存储在Named Variable (命名变量) 中。由于能够存储结构化变量, 信息模型属性中的LN、DO和DA都映射到了Named Variable[9]。Domain和Named Variable都是VMD的对象子集。
若确定了所述的信息模型属性的映射对象, 就可以确定MMS服务是与信息模型通信服务相对应的。由于MSVCB的属性是以数据对象及其属性的形式存在, 故其映射为VMD中的Named Variable。而与Named Variable对应的MMS读服务为Read, 则G e t M S V C B V a l u e s应映射为M M S的R e a d ; 与Named Variable对应的MMS写服务为Write, 故Set MSVCBValues应映射成MMS的Write。
3 合并单元的传输模型
3.1 采样值传输的一般模型
采样值传输是合并单元最主要的功能服务, 采样值传输过程由发布方的采样值控制SVC决定, 可以选用多路采样值控制块 (MSVCB) 和单路采样值控制块 (USVCB) [8], 前者采用组播的传输方式, 后者采用单播的传输方式。MSVCB通信功能包括Send MSVMessage (采样值传输) 、Get MSVCBValues (控制块属性读取) 和Set MSVCBValues (控制块属性设置) [8]。合并单元引用的采样值传输模型就是采用MSVCB, 以多路广播采样值 (MSV) 报文格式单向发送采样值, 不需要回复确认, 能够有效地利用信道的带宽。另外, 由于具有良好的实时性, 发布方和订阅方能够动态接入或退出。
采样值的传输可以采用IEC 61850-9-1/2 标准。IEC 61850-9-1标准只能支持Send MSVMessage传输服务, 无法提供Get (Set) MSVCBValues的通信服务, 也不支持ASCI服务, 采样值报文格式固定, 内容仅含采样值, 而没有采样值的状态品质等信息。因此IEC 61850-9-1不能满足过程总线的通信要求。
IEC 61850-9-2标准支持以下3种服务功能:
(1) Send MSVMessage服务, 映射到数据链路层中, 可实现采样值数据帧发送; (2) Get MSVCBValues服务, 映射到MMS中, 可以读取采样值控制块值; (3) Set MSVCBValues服务, 映射到MMS中可设置采样值控制块值。但IEC 61850-9-2要求达到外部可视特性及其一致性, 在工程应用中较难得到满足。
3.2 基于IEC 61850-9-2标准的采样值传输模型
采样值传输包括采样值报文传输和采样值控制块读/写[10]。采样值报文传输基于ISO/IEC 8802-3规定的数据链路层映射[3], 以太网方式进行传输。采样值报文传输虽然简单但是实时性强, 故采用FPGA实现。采样值控制块读/写基于IEC 61850-8-1规定的制造报文规范 (MMS) 映射[3], 可以对采样值的传输属性 (例如采样频率、数据集等) 进行控制, 实现对采样值传输模型的灵活配置。采样值传输模型如图3所示。
采样值控制模块实现复杂, 可以采用ARM系统。因此, 本文采用ARM+FPGA结构的合并单元方案, 对基于IEC 61850-9-2标准的采样值传输模型作详细说明。
对于Send MSVMessage服务, MSVCB不断地查询采样值, 即TCTR和TVTR中由数据集公共数据类SAV派生而来的数据对象和数据属性 (如图3中数据对象的A相电流采样值LD1/phsa TCTR.Amp) , 只要采样值发生变化, 就立刻刷新发送缓冲, 向外广播/组播发送采样值 (SMV) 报文。网络上的节点将接收到的MSV报文后放在接收缓存中。订阅者需要获得采样数据, 并查询在接收缓存中是否有需要的数据 (Request) , 返回需要更新的数据 (Response+) 。
对于Set MSVCBValues服务, 客户机通过Set MSVCBValues服务向ARM发送设置控制请求, ARM从数据缓冲区中获得采样频率、数据集等信息, 设置发布者控制模块的属性。设置完之后ARM向客户机发送设置控制响应。如图3中对控制块属性的设置:Name=MSVCB1;Ref=MU1/LLN0.MSVCB1;Msv TD=1;Dat Set=MU1/LLN0.DS1;Smp Rate=48。
对于Get MSVCBValues服务, 客户机从ARM的配置文件中获得MSVCB实例的语义路径作为服务对象, 发起MMS的read服务。在ARM接收到检索的MSVCB路径名、功能约束或获得数据值的请求报文后, 首先由通信映射程序将读指示服务的服务原语识别为Get MSVCBValues.Request和MSVCB的实例名, 然后, 由相应的Get MSVCBValues.Request服务的应用程序访问内存数据库中的MSVCB实例, 读取数据集的数据对象及其数据属性值 (如数据对象中A相电流的采样值LD1/phsa TCTR.Amp和额定相电流LD1/phsa TCTR.ARtg等信息) 。最后执行结果以Get MSVCBValues.Response服务的形式反馈给通信映射程序, 并映射为MMS的读响应服务。
采样值控制块读/写服务的实现要映射到MMS的Read/Write服务, 故要求设备能够支持基于TCP/IP传输的MMS协议栈。由于IEC 61850-9-1仅支持底层传输的网络驱动程序有很大变动, 相关设备的大量系统资源将被占用, 工程实现有较大难度, 不能明确凸显IEC 61850标准过程层总线通信的优势。但IEC 61850-9-2既没有规定个体是实体或产品, 也不强制计算机系统中的实体以及接口实现。因此, 本文将通过预配置采样值控制块, 进行IEC 61850-9-2采样值传输, 突出IEC 61850-9-2通道配置灵活、互操作性高的特点。
本文将12路采集信号 (7路电流量和5路电压量) 预配置为Phs Meas1和Phs Meas2这2个数据集, Phs Meas1包括4路保护值, Phs Meas2包括8路测量值, 由MSVCB01和MSVCB02两个采样控制块分别传输。MSVCB01负责4路保护值的传输, MSVCB02负责8路测量值的传输, 传输频率为800点/s, 采集1个点, 发送5个保护数据包。在IEC 61850-9-2帧格式中的以太网类型Ethertype默认为0x88BA, 以太网类型PDU的应用标识APPID默认为0x4000, 采样值控制块sv ID固定, 根据工程需要预配置采样值数据集, 实现采样值数据集面向工程实际间隔灵活配置的同时避免了MMS映射的实现困难[11]。
4 合并单元信息的灵活配置
上位机将配置信息经FTP方式发送到合并单元中, 合并单元通过对配置信息的读取, 对采集频率等相关信息进行灵活设置。合并单元信息的灵活配置对采样值的传输模型没有影响, 只对传输的参数进行更改。配置信息的内容包括采样频率、各相的额定电压和额定电流、每帧报文中的采样值的个数、IEC 61850-9-2的目的地址和源地址、采样值传输延时需要进行补偿的角度等。
当上位机对合并单元的配置信息进行更改, 通过Set MSVCBValues服务对相关信息进行重新设置;合并单元发送报文的格式不发生改变, 但是发送报文的内容将作出相应的更改。同时, 还可以通过Get MSVCBValues服务从配置信息中读取相关数据参数, 利用读取的数据进行采样值标定、SMV包序号计算以及采样值延时补偿等相关处理。
合并单元在完成这些处理之后, 将相关信息 (主要是电子式互感器的电压、电流采样值及其附加信息) 按照IEC 61850-9-2标准的帧打包发送给上位机/其他IED设备。上位机/其他IED设备接收合并单元发送的报文, 可以用相关软件对接收到的报文进行解析, 从而获得报文中发生变化的各种采样值信息和配置信息, 实现对合并单元信息的灵活设置, 进而增强IED设备间的互操作性。
本文通过Packet Cap网络报文分析软件对合并单元发出的采样值报文进行解析, 图4为Packet Cap对合并单元发送的IEC 61850-9-2采样值报文的解析界面。
从图中可看到合并单元所发出的IEC 61850-9-2采样值报文中所包含的采样值信息和配置信息;可看出合并单元发送的采样值报文符合IEC 61850-9-2标准。该报文中包含1个ASDU, 合并单元的ID识别码为SEUEE_MU001, 配置版本号为1, 并与时间同步信号实现同步采样, 由于一个APDU中只包含了1个ASDU, 所以在4 k Hz的采样频率下, IEC 61850-9-2采样值报文的发送频率为4 k Hz。Packet Cap作为专门解析变电站报文的软件, 还具有分析采样值报文内部包含的各通道的实时采样值并将采样值以波形的方式还原出来的功能, 从图4可以看出各通道的实时采样值。
另外, 当合并单元接收采样值数据的线路相序发生变化 (不是固定的A-B-C, 也可能是C-B-A) 时, 也可以通过更改配置信息中输入通道的顺序, 使得合并单元获得正确的各相电流电压数据。
5 结语
面向智能变电站的信息描述数字化、信息采集集成化、信息传输网络化的发展要求, 本文深入地分析了面向对象自我描述的合并单元, 通过预配置采样值控制模块, 进行基于IEC 61850-9-2标准的采样值传输。同时还结合合并单元信息的灵活配置, 分析了其对采样值传输参数的影响, 验证了信息配置的正确性, 突出了IEC 61850-9-2通道配置灵活、互操作性高的特点, 对于工程实践具有参考借鉴意义。
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采样值传输 篇3
差动保护具有原理简单、动作速度快、可靠性高等优点,同时差动保护也存在实施难度较大的缺点,尤其对于输电线路,差动保护需要同时获取线路两端的采样数据,而且要解决两端采样数据同步的问题。近年来,电子式互感器(Electronic Instrument Transformer)因其良好的性能,已经开始在电力系统中获得广泛应用,电子式互感器已经从研发阶段逐渐进入到了实用阶段电子式互感器的应用改变了传统继电保护装置的电气量采集方式[1,2,3]。文献[4]提出了一种光纤差动采样同步方法,但此方法依赖于变电站的同步时钟源,大大降低了继电保护的可靠性;文献[5]提出了一种解决基于采样值(Sampled Value,SV)直采方式,一侧是传统变电站、另一侧是数字化变电站差动保护同步方案,在两侧均为智能变电站或采样SV组网方式的情况下并不适用。
本文阐述了智能变电站中组网传输采样值的系统结构,分析了基于组网方式传输采样值的电子式互感器采样时序及站内采样同步的关键技术,在此基础上提出了一种基于组网传输采样值的纵联光纤差动保护同步方案,并对采样同步误差进行了分析,最后给出了具体的实施方案。
1 基于电子式互感器的采样系统
1.1 组网传输采样值系统结构
智能变电站的数据源来自电子式互感器,经合并单元(Merging Unit,MU)同步处理后发送给间隔IED[6]。MU到保护装置之间采用IEC61850规约传输数字量采样值,为以太网报文,其传输方式可采用组网传输模式或点对点传输模式[7]。组网模式是指,MU将处理之后的采样值报文发送至过程层网络,间隔层IED设备从过程层网络获取所需要的采样数据。
图1为一种基于组网传输采样值方式的变电站自动化系统结构。综合接口单元完成的功能主要有:采集安装点的模拟量信息和开关量信息;对信息进行简单处理;与间隔层设备上传信息接收来自间隔层设备的命令信息;据接收的命令信息执行跳、和开关的操作。
1.2 基于电子式互感器的采样系统
为设计纵联光纤差动保护采样同步方案,首先要对基于电子式互感器的采样系统进行深入的研究。基于电子式互感器的采样系统,其采样流程为:电子式互感器对模拟量信号进行采集,输出的数字量采样信号经过合并单元数据同步之后供保护装置使用。采样时序如图2所示。
采集器到合并单元之间采用IEC60044-8 FT3规约传输数字量采样值,由于FT3为串口通信,传输延时固定,电子互感器各自独立采样,并将采样的一次电流或电压数据以固定延时时间发送至MU,MU采用同步插值法完成各采集器间的采样同步[8]。
合并单元到保护装置之间采用组网模式传输采样值报文,合并单元输出的数字量采样值信号经以太网交换机共享至过程层总线,传输延时不稳定[9],所以应由过程层合并单元实现全站采样数据时间同步,间隔层保护装置仅需要对齐采样序号即可完成采样的同步。
因此,基于电子式互感器的保护装置站内采样同步包含两个关键环节:
a)合并单元的重采样同步;
b)保护装置接收采样值报文的序号同步。
图3为MU重采样同步示意图。MU记录接收到电子式互感器采样值报文的时刻,再根据电子式互感器的采样值报文额定延时对接收时刻进行修正,得出采样值报文对应一次模拟量信号的时刻,MU根据全站统一的对时信号对各电子式互感器的数字量采样值报文进行重采样同步。合并单元所发样本计数为零的采样值报文中所带数字量采样值为同步脉冲产生时刻的一次模拟量信号[10]。
当MU失去外部同步信号后采用内部时钟进行重采样,虽然与其他间隔MU之间不再同步,但仍可保证本MU内的采样数据的同步。
由于全站的过程层MU均基于同一时钟进行重采样,所以不同MU发送相同样本计数的数字量采样值是同步的。
间隔层IED设备依据MU的样本计数对各MU的采样值报文进行同步。如图4所示,间隔层IED设备仅需将接收到各MU采样值报文按照样本计数进行对齐即可完成采样同步。当检测到某个MU失去同步后,此MU采样值报文不再与其他MU进行序号对齐,按其采样值报文中的样本计数依次存储,仍可保证单间隔采样数据的同步。
1.3 MU级联采样同步
合并单元不但要对采集器的数据,某些情况下还需进行合并单元级联的采样同步。配置母线电压合并单元。母线电压合并单元可接收至少2组电压互感器数据,并支持向其他合并单元提供母线电压数据,根据需要提供电压并列功能。各间隔合并单元所需母线电压量通过母线电压合并单元转发。
如图5所示为220 k V双母线接线母线电压采集示意图。母线合并单元将电压采集器采样数据同步之后经FT3转发至间隔合并单元,间隔合并单元经过电压切换之后与电流采集器数据一起进行重采样同步。合并单元级联采样同步不需要外部对时脉冲。
2光纤差动采样同步方案
关于站间保护装置之间的采样同步方法,目前常用的有数据调整法、采样时刻调整法、时钟校正法、参考相量法以及GPS同步法等[11]。以往站间保护装置之间采样同步均在间隔层IED设备中完成,由于采用SV组网方式,采样同步本质上是在MU中完成的,且合并单元按间隔配置,所以本文提出将站间采样同步下发至合并单元中完成。
2.1 采样同步流程
常规的合并单元仅完成间隔内采样数据的同步功能,需在原合并单元功能基础之上增加独立功能模块以完成站间采样同步功能。图6为合并单元采样同步功能结构图。合并单元内部站内采样同步和站间采样同步基于同一时钟信号。由于合并单元与保护装置的采样率不尽相同,站间采样同步需进行单独重采样。其具体流程如下:
1)直接对采集器的数据进行重采样以获取所需采样频率的数据,将此数据发送给对侧保护的同时存入采样缓存区。
2)实时进行同步计算以求出两侧的采样偏差。如果对侧为常规变电站或SV直采方式时,直接调整对侧的采样时刻,完成两侧采样的同步,本文不再深入讨论。
3)将接收到的对侧采样数据也存入采样缓存区。
4)依据计算出的两端采样偏差对对侧采样值进行重采样,完成站间采样的同步。
5)将重采样之后的对侧数据以IEC61850-9-2规约发送至保护装置。
合并单元发送的本侧和对侧采样值报文相同样本计数的采样值为同一时刻本侧和对侧的采样数据。保护装置根据样本计数完成站间采样同步。
站间采样数据同步由三个部分组成:本侧数据重采样、站间采样偏差计算和对侧数据重采样同步。
2.2 本侧数据重采样
为保证MU本身功能与站间同步功能相互独立,同时保护装置与MU的采样率可能不相同,向对侧发送的采样数据独立采样。为了保证数据同步,MU重采样和站间采样同步重采样基于相同的时钟信号,同时在整秒时刻采样序号均为0。
本文站间采样同步重采样频率以1 200 Hz、MU重采样频率以4 000 Hz为例进行讨论。图7为站间采样同步重采样示意图,T1为MU重采样间隔,T2为站间同步的重采样间隔。重采样之后的采样数据和重采样时刻按序号依次存入采样缓存区,同时立即发送给对侧。
2.3 采样偏差计算
使用乒乓算法计算通道延时及站间的通道延时Td、采样偏差ΔTs、采样序号差ΔNum为
其中:y为接收前最近的并且已经发送的采样序号;x为对侧反馈的序号;N为对侧序号;t1为接收时刻与y点时刻之差;t2为对侧接收与发送时间差;T为采样时间间隔。
2.4 对侧数据重采样同步
接收到对侧采样数据后,根据其自身的采样序号、计算出的序号差ΔNum计算出与其对应的本侧采样序号,取出本侧数据的重采样时标,减去计算出的两端采样偏差ΔTs,得到对侧采样的时刻,将对侧数据和对侧采样时刻存入采样缓存区。图8为同步计算示意图。依据对侧采样时刻对其采样数据进行重采样,同步脉冲产生时刻重采样样本计数为零。重采样之后相同样本计数的本侧和对侧采样数据为相同时刻的模拟量信号。将重采样之后的对侧数据以IEC61850-9规约发送至过程层网络。图9为对侧数据重采样同步示意图。
站间采样同步功能和MU本身的功能基于同一时钟信号,当MU失去外部对时信号时,采用内部时钟工作,所以当MU失去外部对时信号时线路差动保护仍然可以正常工作。
3 同步误差分析
采样误差主要为幅值误差和相位误差。下面分别分析站间采样同步产生的幅值偏差和相位偏差。
3.1 幅值偏差
幅值误差主要取决于本侧数据和对侧数据重采样引入的误差。为了降低重采样误差,重采样均采用抛物线插值算法。图10为抛物线插值算法在各次谐波下的误差分布。由仿真可知,在工频下抛物线插值算法误差远小于0.01%,其误差对保护的影响可以忽略。
3.2 相位偏差
相位偏差主要取决于同步计算误差,为提高同步计算精度,乒乓算法中两侧的收、发时标采用FPGA记录,可保证同步计算误差在1μs之内[12]。
4 方案具体实施
站间采样同步功能仅线路间隔需要,为不影响MU本侧数据处理功能,将站间同步模块设置为合并单元的一个组件,每个组件完成两端的采样同步功能。
4.1 硬件结构
带站间同步功能的MU硬件结构如图11所示。站间采样同步功能使用独立的插件完成,本侧数据由MU完成数据对齐之后通过FT3方式发送至站间采样同步插件,其同步方法与1.3节中MU级联采样同步相同;时钟信号位于MU插件,通过背板接至站间同步插件。此硬件结构灵活,当需要双端采样同步功能时装设一个组件,当需要多端采样同步比如T型接线线路保护完成三端差动时,对应装设两个组件。
4.2 对外接口
站间采样同步组件为完成采样同步功能,不仅要对外交换采样数据,而且需要外部对其设置通信参数,同时为完成站间差动保护功能,还需要交换状态量数据。分采样数据、定值参数和状态量数据三种类型定义对外接口方式。
a)采样数据
站间采样同步插件接收MU插件本侧采样数据采用标准IEC60044-8 FT3规约,发送对侧采样数据采用标准的IEC61850规约,模拟量采样值通过IEC61850-9-2规约传输。
b)定值参数
一种面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)支持由数据集DATA-SET组织的公共数据交换,由于GOOSE报文的核心内容(DATA-SET)可自由灵活地定义,不仅可传输状态信息,还可传输定值参数信息。因此光纤通道定值及参数由保护装置通过GOOSE下发。
c)状态量数据
状态量数据交互使用GOOSE方式传输。
站间采样同步对外接口全为通用的标准接口,通用性很强,可以实现不同设备制造厂家之间的互相配合。
5 结论
本文提出一种基于组网传输采样的光纤差动保护采样数据同步新方案。该方案将光纤差动采样同步下放至合并单元中完成,首先通过乒乓算法计算出两侧采样偏差,进一步根据计算出的采样偏差和本侧重采样时标对对侧采样数据进行重采样,最终在合并单元中完成两侧采样数据的同步,并将对侧数据以IEC61850-9-2方式发送至过程层网络。合并单元本侧采样同步和两侧采样同步基于同一时钟信号,当合并单元失去外部对时信号后光纤差动保护仍然可以正常工作。通过理论分析和仿真验证可知,该方案具有较高的同步精度。该方案同步精度高、运算量小、易于实现、并具备工程应用灵活及兼容性强的优点,有着广泛推广的现实意义。
利用本方案研制的合并单元和光纤差动保护装置已在某智能变电站投运,运行情况良好。
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采样值传输 篇4
电压扰动信号的检测是进行电能质量分类和评估的前提,它主要用来判断采集的电气信号中是否存在扰动,对存在扰动的信号则存储并进行详细分析。检测算法不需要进行精确地计算,要求在线、实时完成,因此其执行必须速度快且简单。
目前广泛应用的时频分析方法,如文献[1]的双小波分析方法、文献[2]的小波神经网络分析方法和文献[3]的模糊辨识方法等[4,5]都可以同时获得暂态电能质量扰动信号的时域和频域信息,但其缺点是需将时域信号进行频域变换,算法复杂、时间开销大,结果缺乏直观性,实时性差。文献[6]提出了采用当前周期的电压信号与前一个周期信号之间的差值信号来进行检测,并一般按最大采样值的5%设定阈值,这样在采样信号比较小的情况下的小信号扰动将无法获得满意的效果,也由于周期性扰动信号的同一性而需采用别的方法进行判定。
本文根据正弦连续量等间隔采样特征,提出了采用两点采样值对下一点采样值进行估算及基于该估值计算与实际采样值进行比较的电能质量扰动检测快速定位方法。首先采用两点采样值对下一点采样值进行估值计算并减去实际采样值得出实际偏差信号,然后比较其偏差值落在以估算系数形成的自适应阈值范围内的情况,快速定位出采样信号的扰动起止时刻。该方法计算时只需三个采样点,且计算简单,响应速度快,线性度好,很适合在线检测装置。
1 采样值估算方法
设正常运行时电网电压可以表示为:
假定每周波等间隔采样K点,则任意连续三点的采样值可表示为:
式中:A表示基波最大值;表示采样时信号的角度;表示采样间隔角度。
分析式(2),可知第三点采样值可以用前两点采样值来推算,即:
式中:2ukiα称为估值系数,α=1-cos(-△ϕ)>0。
显然,在电网没有扰动的理想情况下三采样值满足式(4)的平衡关系,即:
2 基于估值计算的扰动信号分析
当系统受到扰动时,其式(4)的平衡关系式被破坏。接前分析,设第三个采样点后的采样值含有扰动信号,其采样点值可表示为:
式中:s(t0),s(t1)分别为扰动信号开始时的两个采样点值。以采样值估算方法,结合扰动前的式(2)采样数据,分别将式(5)的两个扰动采样数据代入式(4),有:
通过式(6)的分析可知,当采样信号遇到干扰时,可方便地提取其首值及其与第2个干扰点信号的综合值,据此可以对扰动信号的起点进行识别,同样当扰动结束时也可采用反推估值方法(即利用式(4),采用后面的两个采样数据对前面一个采样数据进行估值计算,暂称反推法),提取扰动信号的结束信号,据此形成扰动结束定位脉冲的发出条件。
3 基于自适应阈值的扰动信号快速定位
为灵敏且可靠地判定电能质量的扰动情况,考虑式(6)的实际采样值变化不可能完全理想化,为此引入一个采样值可靠系数δ(δ>0),并变换式(4)为式(7),令偏差为ξ,构成一个绝对值启动条件约束式。
当提取的扰动信号,见式(6)所示,大于δ时,启动条件满足,发出启动脉冲。
对于检测设备,δ值的大小,直接关系到它的检测灵敏性和可靠性,考虑固定阈值的判定其相对采样值幅值的线性度检测效果不好,因此令δ=2uki+1α+ε,形成基于采样信号的自适应线性阈值判定式,即:
式中:kk≥1,为可靠系数;0<ε<1,考虑采样信号为零的特例。
当启动记录后,判定什么时间扰动结束,发出一个停止定位脉冲就成为关键。基于前面的分析,当扰动结束假定恢复到原来的状态或过度到一个新的状态时(不超过原来标称电压波动的0.5%,也可由用户设定),采用反推法,提取结束时刻的扰动偏差值,当该值小于式(8)的设定阈值时,构成扰动结束负脉冲发出的必要条件。如果此后连续3点采样值与其扰动启动脉冲前的同一历史数据比较,不超过其历史数据的0.5%时,认为扰动结束,发出定位结束脉冲。否则继续采用反推法和与历史数据比较法判定结束时刻。如果上述条件不满足,按IEEE关于电磁现象与电能质量的分类中最长事件小于10 min计算[7],则一次事件最长记录10 min后自动结束。
4 仿真实验数据
设采样电压频率为50 Hz,最大值为100,每周采样为200点,取kk=1,ε=.001。图1~3给出了几种典型电压扰动情况的数据仿真实验判定分析。
图1为电压波形中分别有单一凹凸点(微小电压切口)的扰动及判定情况。扰动凹点出现在第90个采样点,扰动值为60,理想的采样值为80.168,启动正脉冲在第88点发出,扰动结束负脉冲在第93点;凸点发生在第109点,扰动值为103,理想采样值为99.911,扰动幅度为3.09%,启动正脉冲在第107点发出,扰动结束脉冲在第112点发出。
图2为发生电压连续凹陷扰动时的波形,在波形过零点附近的第296个采样点发生扰动,幅值降低到原幅值的60%,第一个扰动点值由原来的-38.72降到-23.23,扰动过程持续到579个采样点结束,持续时间38.2 ms。扰动记录启动正脉冲在第294个采样点时发出,扰动结束负脉冲在681个采样点时发出。对采样信号过零中断时,相当于在原信号上叠加了一个反方向扰动信号,同样能准确识别,不再列图。
图3为周期性陷波扰动及信号过零点扰动波形及定位脉冲。采样信号在97点产生扰动,由理想的-41.58降为-22.21,幅值下降50%,持续4个采样点(0.4 ms)时间,启动脉冲在95点发出,停止脉冲在103点发出,297点与97点一样,产生周期性扰动。而在信号过零点后384点又产生一个扰动,幅值升到原基波幅值的130%,第一个扰动点由2.039升为2.65,扰动时间持续11个采样点,其启动脉冲在382点,停止脉冲在397点,同前一样,提前2个启动,滞后3个结束。同时还分别进行了在采样信号最大值附近和过零点时叠加占基波幅值1.5%的三次谐波从零加入的平滑干扰实验,因波形畸变很小,难以清晰看出,故不在列出。
对于理想电网(标准基波运行),当每周采样200点时,相对识别精度可达0.1%(2α<0.1%),即只要扰动值大于其理想采样真实值的0.1%,就可准确识别,但过高的灵敏度也不是好事,当电网质量不高,系统本身含有谐波运行,而要检测其他扰动时,会因谐波的干扰而引起启动。此种情况下可加大可靠系数,满足质量不高电网的扰动检测。图4给出了此种情况下,采样点为每周波100点的RDTS实验故障录波图及分析判定情况。采样数据见表1所示,5次谐波占1%,9次谐波占0.5%,其他次谐波较小。考虑采样点为100时,2α<0.4%,取=5kk,ε=0.010。
从图4中可明显地看出,在正负定位脉冲之间采样信号的不光滑点。
上述方法的扰动过程判定,提前两个采样点启动记录脉冲,滞后扰动结束三个采样点发出结束脉冲,完成对扰动过程的全记录。采用该方法应注意,程序初始化设定在脉冲停止状态,只有在停止状态下才能发启动脉冲,同样在启动状态下才能发停止复位脉冲,否则在扰动持续过程中会引起重复启动或复位。
基于采样值估算的扰动信号自适应阈值判定方法其扰动信号的识别精度与其每周采样点数密切相关,当每周采样200点时,相对高质量电网,识别精度可达0.1%,即只要扰动值大于其理想采样真实值的0.1%,就可准确识别,采样频率越高,检测精度越高。对于低采样频率或含有谐波运行的电网检测,可适当放大可靠系数,降低识别精度来检测其扰动情况。
5 结语
本文提出的基于采样值估算的电能质量扰动检测定位方法简单、迅捷、线性度好,占用资源少,可满足实际工程使用中不同检测设备精度的要求,同时利用该文所述方法也可对单一扰动点数据进行移除并修正而提高其算法计算精度。
摘要：提出了采用两个采样值来推算其下一个采样点值并与实际采样值比较的暂态电能质量扰动快速定位方法。该方法首先以连续两个采样点值推算第三个采样点值,然后减去实际第三点采样值,得出无扰动情况下偏差为零的关系式。当有扰动信号发生时,形成偏差。采用估值计算中的估算系数作为判定采样信号扰动的线性自适应阈值,比较其偏差值落在阈值范围内的情况,可快速定位出采样信号的扰动起止时刻。该方法简单快捷,线性度好,可以实时在线完成。实验结果表明了该方法的正确性与有效性。
关键词：电能质量,暂态扰动检测,采样值估算,自适应阈值,电压事件
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采样值传输 篇5
在中国智能电网建设中,由于电子式互感器和合并单元(MU)的应用,各类装置和系统共享采样数据。为避免异常采样数据引起装置误动、系统误操作等情况发生,需对采样值有效性进行实时判断。
当数据窗较短时,异常采样值与系统故障时电气量正常值很难区分,有关电力系统电气量异常采样值的实时判断方法尚不多见。目前电力系统中用到的坏数据辨识方法,或者仅适用于线性系统,无法应用于以正弦波形为主要特征的电流、电压的二次采样值异常点数据的判断[1,2];或者无法科学地给出量化门槛,仅能检出少量典型异常值[3];或者计算量大,无法适应连续坏数据的检测甄别[4];或者数据窗要求较长,实时性差,无法应用于快速保护[5]。
本文根据电力系统电气量的特点,在给出连续函数采样值有效性判断方法的基础上,得到了适用于电力系统电气量二次采样值有效性判断方法,在仅延迟2个采样点情况下,实现异常采样值的实时甄别,可满足各类保护或系统的需求。
1 采样值的3点连续有效判别法
1.1 电力系统电量波形连续性分析
根据电力系统常识,系统正常运行时,可认为系统内仅有非衰减基波分量存在,电流、电压均为连续可导的光滑曲线。在系统发生故障或有断路器操作时,由于网络结构突然改变,系统的电流、电压将重新分配,并有可能出现衰减的直流和各次谐波分量,系统内不同点处的电量值会存在不同程度的跃变,当此跃变值较大时,将使其波形曲线在此处出现间断点。如系统发生金属性接地故障时,接地点电压从近似额定值瞬时降到0 V左右,故障前后电压值跃变明显。
故电力系统电流电压可用如下通用表达式描述[6]:
f(t)=∑Aksin(kωt+θk)e-tTk+Be-tT0 (1)
式中:k为谐波次数,可以为整数或非整数;Ak为k次谐波的幅值;ω为额定角频率;Tk为k次谐波的衰减时间常数;B为直流分量幅值;T0为其衰减时间常数。
式(1)是关于时间的分段连续函数,各分段函数描述了不同时刻、不同方式下系统电流、电压状态,其中影响较大的系统网络结构或运行方式变化则表现为函数的间断点,间断点前后各段曲线方程中参数变化明显。其一阶导数存在,表达式为:
式中:
不难知道,式(2)也是分段连续的。
由此可以得到一个结论:除若干间断点外,电力系统电流、电压的波形曲线在其他任意点处连续可导,且其导数同样分段连续。
1.2 连续函数采样值有效性判别方法
电力系统电量波形分段连续可导,这一特性为判断采样值的有效与否提供了理论依据,即一般情况下,如采样值满足式(1)所描述的分段连续可导函数,或由采样值构成的曲线分段连续可导,则采样值有效。但由于电量波形的函数表达式很难实时求得,不便用其实时检验各采样值的有效性。又因采样数据为离散量,直接用离散量判断由其构成的曲线是否连续可导,进而判断出某一采样值是否有效同样存在一定困难。
根据数学知识,若函数f(x)在x点可导,则其在此点处的左、右导数存在且相等,即f-′(x)=f+′(x)。对于离散的采样数据,当采样步长充分小时,其在某点处的左、右导数可用前后相邻采样点通过前向差商和后向差商获得,即
式中:Ts为采样间隔时间。
当原始曲线在xk处可导时,有f-′(xk)≈f+′(xk)。此时若不关心导数值的具体大小,可用差分值代替差商值进行判断,对式(3)、式(4)进行简化,并得到此条件下函数在xk点处可导的条件:
Δf(xk)=f(xk+1)-f(xk) (5)
ᐁf(xk)=f(xk)-f(xk-1) (6)
|Δf(xk)-ᐁf(xk)|≤ε1 (7)
式中:Δf(xk)和ᐁf(xk)分别为f(x) 在xk点处的前向差分和后向差分;ε1可称为连续可导曲线的差分误差门槛。
这样,在已知连续可导曲线的差分误差门槛时,某连续可导曲线采样值的有效性可通过以下方法进行判断:对于任何3个相邻采样点数据,若其中间点的前向、后向差分值满足不等式(7)的要求,则它们均为有效采样值,否则必有一点采样值无效。
由于上述方法用到了3个相邻采样点数据,并依据曲线的连续可导性判断采样值的有效性,故可简称其为采样值的3点连续有效判别法。
1.3 电力系统电气量波形差分误差门槛求解方法
下面讨论式(1)的连续可导曲线的差分误差门槛ε1的求解方法。对于式(1),其任一点前向、后向差分值满足下式:
从而有
|Δf(t)-ᐁf(t)|≤∑|Ak(kωTs)2sin(kωt)|≤
(ωTs)2∑Akk2=A1(ωTs)2∑k2pk (9)
式中:pk为k次谐波和基波的幅值比。
故可令
ε1=m1A1(ωTs)2 (10)
式中:m1=∑k2pk,为可靠系数,其值由故障过程中各次谐波和基波的幅值比决定。
不难知道,对故障后不产生谐波分量、仅出现直流偏置的系统,m1=1;对谐波丰富的系统,如电铁牵引系统,极端情况下m1≈7;对于一般的高压系统,考虑各次谐波影响后,m1≈3。A1是系统电流、电压的最大基波幅值,由系统运行方式决定。为整定计算方便,A1可简单用电流、电压额定值的倍数值替代,如电流分量取20倍的额定值,电压分量取2倍的额定值。
由式(10)知,连续可导曲线的差分误差门槛ε1和采样间隔时间Ts的平方成正比,故对同一段连续可导曲线,其数据采样率越高,其差分误差门槛就越低,对噪声和异常扰动的容错率也越低。如对采样率为4 kHz的系统,当m1=3时,最大允许扰动点幅值突变量约为
1.4 采样值的带延时3点连续有效判别法
虽然由于工作原理和实现方法的不同,电力系统中各类电流电压互感器具备特有的最小精确工作点(简称最小精工门槛),但它们在最小精工门槛下的表现情况大致相同,即采样值均以背景噪声为主,幅值小,随机性强,表现出很强的非线性。为保证在此情况下采样值判断结果的有效性,当连续3点采样值均小于互感器的最小精工门槛时,可不进行采样值的有效性判断,简单认为采样数据有效。
根据电流、电压的周期性特点,当采样值长期保持不变时,则认为互感器采样回路异常。如对于采样值连续不小于满偏值一定时间(1/2周期),或在一定时间内(1/2周期)保持某一非零值(大于互感器最小精工门槛)不变,认为采样回路异常,置采样值无效。
综上所述,采取如下方法判断采样值的有效性:设置长度等于3的数据缓冲区,对移入采样值首先作大小判断,若3点采样值均小于最小精工门槛,则简单判采样值有效。否则,实时计算循环缓冲区内第2点的前向、后向差分值,判断其是否满足式(7)的要求,若满足,则3个采样点均判为有效,否则均判为无效,并置此次判断结果临时标志。若循环移出采样点曾被判有效,其值小于最大值门槛,且不是非零常数,则最终被判有效。不难知道,除第1、第2个采样点外,依次移入缓冲区的各采样点要经历3次有效性判断过程,其间正常采样值至少有一次被判有效,异常跃变采样值则不会被判有效。
由于此判断方法延迟2个采样点给出了采样值有效性的判断结果,判断过程主要依据3点连续有效判别法,故可简称其为采样值的带延时3点连续有效判别法。
2 仿真分析
现以某特高压保护装置的一段动模实验故障录波数据为仿真对象,说明采样值的带延时3点连续有效判别法的应用效果。装置采样率为1 200 Hz,采用16位双极性模数转换,允许最大采样值为32 767,电流回路二次额定值对应采样值大小为537,电压回路二次100 V对应采样值大小18 800。由于电流回路正常运行和故障时电流幅值相差较大,更具代表性,故用电流采样值分析算法对异常数据的辨识能力:取一段故障相电流采样数据,每隔50点左右分别对1~3点叠加随机值,然后用采样值的带延时3点连续有效判别法判断处理后各采样值的有效性。仿真过程中,可靠系数m1=3,最大基波幅值为20倍的额定电流值,即A1=20×537=10 810,相应的电流波形连续可导曲线的差分误差门槛ε1=2 223。
仿真结果如图1~图3所示。根据仿真结果,除个别幅值较小的扰动数据外,本算法不管对单个还是连续多个异常采样值均可以有效识别,且不存在误判现象。此方法在用于正常采样值有效性判断时,对一些幅值较大的跳跃点,如电压突变时的采样值,也表现出很强的兼容性。有关内容参见附录A。
3 结语
采样值的带延时3点连续有效判别法,可用于判别原始波形连续可导或仅有有限间断点的二次采样值的有效性,适用于继电保护等实时系统。但其对每点采样值的有效性判断,需借助其后2个点数据,对一些实时性要求更高的场合,该方法的实时性可能稍显不足。为此,作者将另文讨论一种实时性更强的判断方法。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：数据采样异常是引起电力系统误操作的主要原因,而在短数据窗下较难区分电气量的异常采样值和故障时的正常采样值。首先分析了电力系统正常运行及故障下电流、电压波形的特点,指出波形除若干间断点外在其他任意点处连续可导且导数同样分段连续,可利用这一特性判断采样值是否异常。因采样数据采样步长相对固定,波形在某点连续所要求的导数存在性,可通过与其前后相邻两点的差分获得。进一步在设定合适的差分误差门槛基础上,判断采样值是否异常,简称为采样值的3点连续有效判别法。给出了差分误差门槛的具体确定方法,分析了该方法应用中的几个具体问题,并用仿真验证了方法的可行性。
关键词：采样有效性,异常采样值,差分误差门槛,电气量波形,连续性
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采样值传输 篇6
一、奇异值分解
奇异值分解是线性代数中非常重要的一种矩阵分解。该理论的诞生已经有百余年的历史, 随着信息工程的需求和计算机技术发展, 它被广泛地应用到统计分析、信号与图像处理、系统理论和控制等领域中[2]。
二、基于奇异值分解的非带限信号采样算法
下面通过对一种非带限信号——周期狄拉克流的分析来推导基于奇异值分解的非带限信号采样算法。
设x (t) 是周期为τ的狄拉克流信号, 其表达式为:
式中Ck为狄拉克流的权值, tk为狄拉克流的位置, 则x (t) 的傅里叶变换为
对该狄拉克流信号x (t) , 取hB (t) =Bsinc (Bt) 作为采样核, 经过采样核后得到采样值yn, n=0, 1, ..., N-1, 则采样值yn是原信号x (t) 的一个充分的描述。
利用yn重建原信号x (t) 的过程如下。
(1) 通过yn确定x (t) 的傅里叶变换X[m], |m|≤M;
式中HB是hB (t) 的傅里叶变换。
(2) 利用X[m]构建Hankel矩阵X, 然后对其进行奇异值分解, 求得狄拉克流的K个位置信息
利用X[m]构建一个P×Q (P, Q≥K) 维的Hankel矩阵, 矩阵X的秩为rank (X) =K, 因此通过对Hankel矩阵X的秩的判别, 可以确定出每周期内狄拉克流信号的个数K。
根据奇异值分解的理论, X可以被分解成如下形式
其中US、SS和VS是矩阵X的K个最大奇异值分解三对组阵, 它们包含了有用信号的主要信息;Un、Sn和Vn是矩阵X的小奇异值分解三对组阵, 对于含有噪声的信号, 其加性噪声主要集中在这些小奇异值项上。
假设φ=diag (Zk) k×k, φh=φH, 显然矩阵US和VS都满足平移不变空间特性, 即
(3) 求取狄拉克流的K个权值
三、结论
本文以周期狄拉克流信号为例, 研究了一种基于奇异值分解的非带限信号采样与重建算法。它突破了Shannon采样定理中Nyquist率的限制, 是传统采样定理的一个非常有益的补充, 在宽带通信领域尤其是超宽带通信中有着广阔的应用前景。
摘要：本文借助奇异值分解技术, 研究了对狄拉克流这类特殊非带限信号的采样与重建算法。先对信号的采样点进行离散傅里叶变换, 并用生成的系数形成Hankel矩阵, 然后对Hankel矩阵进行奇异值分解, 求取狄拉克流的位置信息, 再解范德蒙方程组求得狄拉克流的权信息, 重建出原信号。该算法具有计算量小、信号恢复精确率高和抗噪声能力强的特点。
关键词：奇异值分解,非带限信号,狄拉克流,采样,重建
参考文献
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采样值传输 篇7
关键词：采样值差动保护,相量值差动保护,比率制动特性,励磁涌流,安全性,灵敏度
0 引言
在微机变压器保护中, 基于相量值的比率差动保护 (以下简称相量值差动保护) 被广泛采用, 有着丰富的运行经验。相量值差动保护的比率制动特性没有模糊区, 但会受到变压器空投和故障恢复时励磁涌流的影响。目前常通过二次谐波闭锁防止励磁涌流引起保护误动, 但在空投于变压器内部轻微故障时, 需等到二次谐波充分衰减后才能出口, 动作时间较长。采样值差动保护, 采用差流采样值多点重复判别, 其原理具有抗励磁涌流和CT饱和影响的能力, 能在空投于变压器内部轻微故障时快速出口, 但其灵敏度会受到动作模糊区的影响。
数据窗长度R、重复判断次数S值的合理选取是改善采样值差动保护安全性和灵敏度的关键技术之一, 也是目前研究的热点。文献[1-7]指出区外故障时, 符合采样值差动保护动作判据的信号的角度范围在半个周波内必须大于90°才能满足安全性要求, 但问题是S值若选定得太大, 采样值差动保护在区内故障时有可能拒动。文献[7-8]分析采样值差动保护的差流门槛值与S之间的关系。文献[9]研究采样值差动保护在变压器空投励磁涌流情况下的动作行为, 并通过动模试验数据作了分析。但因动模试验的局限性很难对算法进行全面定量的研究。
目前相关文献中均没有系统分析采样值差动保护对变压器区内故障检测的灵敏度问题。实际上为了保证采样值差动保护在区外故障、励磁涌流、CT饱和等情况下不误动, 期望S值越大越好;但若S值选取的太大, 在变压器区内轻微故障时, 会发生因满足动作判据的点数小于S, 以至于难以检测出故障的情况。研究如何确定S的取值范围, 既保证区外故障的安全性, 又保证在区内故障的灵敏度具有重要意义。
本文以区内故障时的相量模型为基础, 分析得出了采样值差动保护区外故障时具有大于相量值差动保护的制动性能、区内故障时具有高于相量值差动保护的灵敏度的条件, 并基于此确定了采样值差动保护R、S值的整定范围。进而, 本文利用EMTP搭建了变压器内部故障的简化仿真模型, 对上述确定的采样值差动保护的R、S值进行了分析和验证。
1 采样值差动保护特点与整定
相量值差动保护动作特性曲线上的启动电流、制动电流拐点值和比率系数都有其明确的含义, 能够明确整定、准确测量。采样值差动在一个数据窗内连续重复多次判断, 如果均满足保护动作判据, 保护动作。由于信号量初相角的随机性, 采样值差动保护判据存在很大的模糊区, 模糊区的存在直接影响了保护的动作精度。采样值差动保护的定值除了差流门槛定值、比率制动系数外, 还有数据窗长度R和重复判断次数S需要整定。R、S值没有明确的物理意义, 但其值的选取影响动作特性模糊区的大小。
2 采样值差动保护安全性和灵敏度的分析及S值的选取
2.1 相量值差动、采样值差动的和差制动判据
只要数据窗内全部是故障后的数据, 相量值差动保护算法的动作量和制动量都不受初相角的影响, 恒定不变。判据如下:
式中:Id、Ir为相量值差动保护中的差流、制动电流有效值;为流入变压器两侧的电流相量值;Kzp、I0为相量值差动保护的比率制动系数定值、差流门槛值。
采样值差动保护由于采样时刻不同, 各采样点之间的制动特性也不同, 因此制动特性随时间变化。判据如下:
式中:di、ri为采样值差动判据对应的差流、制动电流;Mi、Ni为流入变压器两侧电流的瞬时值;Kzs、I0为采样值差动判据对应的比率制动系数定值、差流门槛定值。
从以上判据可以看出, 两个判据的制动特性都是过原点的制动曲线, 采样值差动的所有计算都是基于采样点瞬时数据。
2.2 采样值差动保护安全性及灵敏度的分析方法
为分析差动保护的灵敏度和安全性, 本文定义了计算制动系数, 即差流和制动电流的模值比 (相量值差动) 或瞬时值比 (采样值差动) , 比率制动系数为整定值, 整定后不会变化, 瞬时值比随着系统电流的变化而变化。为了分析比较相量值差动保护和采样值差动保护的灵敏度, 利用变压器相量模型分别计算相量值差动和采样值差动的计算制动系数, 把它们同时标注到差流、制动电流平面上。
由图1可知, 在区外故障时, 相量值差动保护的模值比为常数Kpc, 不会随时间变化, 采样值差动保护的瞬时值比随时间变化, 分布在A区或B区, 其中Kzd为相量值差动整定的比率制动系数。A区的瞬时值比小于Kpc, 说明此时采样值差动保护的制动性能优于相量值差动保护, B区的瞬时值比大于Kpc, 说明此时采样值差动保护的制动性能比相量值差动保护差, 区外故障时这部分点有可能误动作。因此, 整定采样值差动的S值时, 只要S值大于落到B区中的点数, 采样值差动保护在区外故障时, 保证可靠不动作, 从而确定S值的下限[1,2,3,4]。
区内故障时, 如图2所示, 采样值差动保护落在A区内的瞬时值比大于Kpc, 此时, 采样值差动保护动作性能优于相量值差动保护, 即灵敏度比相量值差动保护高;相反, 瞬时值比落在B区的保护灵敏度低于相量值差动保护。因此, 我们只要找出最严酷的系统情况, 即在内部故障时, 半个工频周期内符合采样值差动动作判据的点最少, 求出进入A区的点个数, S的整定值只要小于A区的点数, 就能保证可靠动作, 从而确定S值的上限。
2.3 采样值差动保护区外故障时S取值范围
文献[1]已经证明, 变压器区外故障时, 采样值差动在半个工频周期内, 有1/4周波数据窗的数据可能满足动作判据, 即有N/4点有可能进入图1的B区 (N为每周波采样点数) , 所以原则上只要S>N/4就可以在变压器区外故障时防止误动作。但是, S值取得太大, 如大于图2中的A区的点数, 变压器区内故障时, 满足动作条件的点数可能小于S, 采样值差动保护可能拒动, 即灵敏度不足。所以, S值的上限值应该满足一定的条件, 必须小于各种故障条件下图2中A区中的点数。
2.4 采样值差动保护区内故障时S的取值范围
首先找出区内故障时, 差动保护最不容易动作的条件, 然后根据该条件确定图2中A区满足动作判据的点数, 只要S取值小于A区的点数就能保证采样值差动保护区内故障可靠动作。在以下分析中, 变压器的相量模型作如下简化:变压器为一个线性电感, 故障发生在变压器端部, 变压器区内、外故障时, 保护装置感受到的变压器高、低压侧电流只是相角差和幅值的不同。
2.4.1 相量值差动保护区内故障的动作条件
设区内故障时变压器两侧的电流有效值为IM、IN, IM≥IN, 相位差为ϕ。文献[1]中指出, 区外故障时, 流入变压器的电流, 经过变压器高、低压侧CT传变以后, 120°≤ϕ≤180°。对于变压器区内故障, 既要考虑CT的非线性传变, 还要考虑系统阻抗和各种故障类型, 相位差取0°≤ϕ≤110°。如果两侧电流的相位差最大为180°, 则110°≤ϕ≤120°为动作模糊区 (区内、区外故障都没有考虑这个区域) , 实际情况下很难碰到。
选用模值和制动方式时, 差流、制动电流和它们的计算制动系数如下:
式 (3) 中差流、制动电流的大小只与流入变压器电流的有效值和它们之间的相位差有关系。比值如下:
其中:为模值比, 即相量值差动计算制动系数。
从公式 (4) 可以看出, Kphasor值的大小只与变压器高、低压侧的电流幅值比和相位差有关。变压器两侧的电流幅值一定时, 相位差为0°时计算制动系数Kphasor取得最大值, 比率差动保护动作最灵敏;相位差为110°时, 情况最恶劣, 计算制动系数Kphasor取最小值。同时, 由式 (4) 可得ϕ=110°时Kphasor和z的关系, 如图3所示。当z从0 (变压器空载, 低压侧电流IN为0) 变到1时 (区内故障, 流入变压器的两侧电流幅值相等) , 可以计算出Kphasor的值, 从图中可以看出, 当z等于0时, 计算制动系数Kphasor值最大, 其值为2, 即变压器低压侧不带负荷空投的时候, 模值比最大, 比率差动元件肯定要动作。当z等于1时, 计算制动系数Kphasor值最小, 比率差动元件最难动作, 为了让区内故障比率差动元件可靠动作, 我们选择最严酷的分析条件是ϕ为110°并且变压器高、低压侧的电流幅值相等。
2.4.2 区内故障时采样值差动满足动作判据的点数
变压器两侧电流为:
式中:θ为ϖt;ω为电力系统的角频率。
差流和制动电流表达式如下:
采样值差动判据中, 差流和制动电流之比为:
式中, Kphasor为瞬时值比, 即采样值差动保护的计算制动系数。
本文研究在最不利的情况下, 采样值差动保护计算制动系数和相量值差动计算制动系数的关系, 通过确定图2中进入A区的点数来确定合适的S值。如前所述, 当ϕ为110°, z等于1时, 相量值差动保护中的计算制动系数Kphasor最小, 保护最不易动作, 这时Kphasor=1.1472, 即图2中Kpc。在这种条件下, 要求采样值差动保护可靠动作, 则Ksample≥Kphasor, 但采样值差动保护中计算制动系数受θ值的影响, 以θ为变量, 分别计算Kphasor和Ksample, 如图4所示。
图4中Kphasor为一条直线, 不受θ值的影响, 对应图2中的Kpc直线的斜率, 图中Ksample>Kphasor的部分, 对应图2中的A区, Ksample
从图中可以看出, 在该故障情况下, A区内有121/360N点满足采样值差动保护的动作条件, 也就是说θ在半个工频周期π的范围内, 在最不利的情况下, 采样值差动保护要可靠动作, 必须S≤360121N。
2.5 S、R值的最终选择
由以上分析可以看出, 区外故障时, 为了保证采样值差动保护的安全性, S>N/4, 区内最苛刻的故障条件下采样值差动保护能可靠动作, 因此, 采样值差动保护在安全性和灵敏度兼顾的情况下, R值的选取可参考文献[1], 当R比S值大3个点时, 采样值比率差动动作特性的模糊区最小, 所以当每周波24点采样, 采样值差动保护采用模值和制动时, S=16, R=19。
3 仿真分析
3.1 仿真模型的建立
为了检验以上分析, 本文使用EMTP建立了一个简化的电力系统模型, 系统参数如图5所示。
对于变压器内部故障的仿真, 采用“黑盒”仿真的原理。变压器内部故障时, 我们只对端口的电流、电压感兴趣, 所以可以简化变压器内部复杂的电磁暂态过程, 研究端口电流、电压和短路匝电流的大小是否符合实际情况。文中还需要研究变压器由于采用了匝间短路模型, 其绕组参数 (漏感抗、线圈电阻) 在正常运行时是否和非故障变压器绕组参数一致。因此, 选用三个单相变压器模型构成三相变压器模型, 设有匝间短路的变压器模型如图6所示。
高压侧绕组为Y0接线, 低压侧绕组为△接线。为了仿真变压器内部的匝间短路, 在B相的第三绕组线圈中增加了电阻和开关并联的电路 (后面分析为什么设在B相) , 如图6所示。左边为高压侧绕组, 额定电压为500 k V, 右边为低压侧绕组额定电压为230 k V, 为两个线圈串联, 额定电压分别为220 k V和10 k V, 串联电阻R是为了模拟短路匝回路中接触电阻或弧光电阻对短路匝电流的影响。当变压器正常工作时K1闭合, K2断开, 低压侧为两个线圈串联供电, 当发生匝间短路时, K2闭合, K1断开, 低压侧通过220 k V绕组供电, 10 k V绕组为短路匝绕组, 绕组电流为短路匝电流, 表示4.3%匝短路 (10/230=4.3%) 。图5中, 低压母线A相上设置接地开关, 模拟单相接地故障, 保护算法计算用数据是流过断路器B1和B2的电流, 空投试验时, 断开断路器B2, 合上断路器B1。
3.2 模型参数的检验
为了保证变压器匝间短路模型和正常绕组模型漏抗、绕组电阻的一致性, 必须对短路绕组 (图6中的W3绕组) 的参数进行归算。
式中:Rbase 230、Lbase 230为变压器正常绕组模型的绕组电阻、漏感的基准值;Rbase2、Rbase3为根据短路匝数比调整绕组额定电压后, 计算出的第二、第三绕组电阻、电感基准值;Kn、2V、3V分别为短路匝数比, 单相变压器匝间短路模型第二绕组 (图6 W2) 、第三绕组 (图6 W3) 的额定电压。
公式 (8) 中假设正常变压器模型中绕组电阻和漏感标幺值为0.002和0.08。为了检测两个模型参数是否一致, 论文在各种工况下进行了仿真, 图7为变压器空投时各侧电压、电流值, 图8为变压器区外故障时各侧电压、电流值。从中可以看出两个模型的输出电流、电压波形完全重合, 仿真表明两个模型内部参数完全相等。
3.3 采样值差动在变压器各种故障类型下的仿真
变压器的额定电流Ie=519.615 2 A, 差流门槛值整定为20%Ie, Iqd=100 A, 根据文中2.4节的分析, 采样值差动的门槛值为144.1 A。空投变压器时采样值差动保护的动作行为如表1所示。
A相电压合闸角为0°时的励磁涌流波形如图9所示。
从表1可知, 电源合闸角 (A相电压) 为0°时, A相绕组中的磁通初始角为90°, 此时的励磁涌流最大。在变压器差动保护中, 计算差流和制动电流之前通常需要转角补偿, 补偿由于变压器绕组接线方式不同造成的原、副方相电流的角度差, 因此由图9可知, 由于B、C相励磁涌流均偏向时间轴的一侧, 且大小比较接近, A相电流最大, 偏向时间轴另一侧, 通过转角补偿后, A、C相差流最大, B相差流最小, A、C相中满足采样值差动动作判据的点数最多, 分别为14、13个点, 但S=16, 所以在最大励磁涌流幅值时, 采样值差动保护能够可靠闭锁。随着合闸角的增大, 励磁涌流的幅值减少, 电源合闸角90°时最小, 这时采样值差动保护满足动作判据的点数也最少, 分别为5、6, 从表1可以看出, 当合闸角大于30°时采样值差动保护的B相满足动作判据的点数为0, 因为转角补偿后差流小于差流门槛值。
由空投变压器励磁涌流的仿真分析可知, 在三相剩磁分别为0.8, -0.4, 0.4、合闸角为0°条件下, B相差流幅值最小, B相采样值差动保护灵敏度最低, 所以匝间短路故障应该设在B相上, 其他条件不变, 研究采样值差动保护对于空投于变压器匝间故障的灵敏度。空投于B相匝间故障时, 采样值差动保护的动作行为如表2所示。
由表2可知, 当短路匝数比小于5.3%时, 采样值差动保护将检测不到B相的匝间故障, 当短路匝数大于6.3%时, 采样值差动保护有足够的灵敏度检测出故障。由于C相不含故障电流, 所以满足动作判据的点数始终不变。图10为B相4.3%匝短路时的三相电流波形。
从以上仿真分析可知, 采样值差动保护按照本文的整定方式选取R、S后, 能有效地躲过变压器空载合闸的励磁涌流。在空投于变压器内部轻微故障时, 由于没有谐波闭锁算法, 采样值差动保护可以瞬时出口, 而相量值差动保护必须等到谐波电流充分衰减后才能出口。
4 结论
本文从变压器区内故障的条件出发, 通过与相量值差动保护相比较, 推导出模值和制动的采样值差动保护S的选取或整定条件。研究表明:在半个工频周期内, 满足采样值差动保护动作判据的S最佳取值范围为如每周波24点采样时, 一般S=16, R=19。这样既能保证变压器空载合闸时保护的安全性, 也能在空投于变压器内部匝间故障时保护有较高的灵敏度。
参考文献
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