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数字化变电站合并单元自动误差校验技术及应用*王智I杨茂涛I杨静I孟卓2,唐璐2(1.国网湖南省电力供电服务中心(计量中心)，长沙410000; 2.湖南大学电气与信息工程学 院，长沙410082)摘要：合并单元的准确性直接影响数字化变电站甚至智能电网的安全稳定运行。为此，从硬件设计和算法研 究两方面着手提升合并单元误差校验准确度和实时性，详细给出了合并单元校验系统硬件设计原理，提出了 基于最小旁瓣卷积窗的频谱相位校正算法，实现了合并单元比差和角差准确估计，建立了合并单元时钟误差 校验方案，实现了时钟误差校验、守时功能测试和绝对延时计算。实验结果证明了文章设计的数字化变电站 合并单元自动误差校验系统运行稳定可靠，满足实际测量需求。关键词：合并单元；误差；校验；变电站；频谱校正中图分类号：TM935.1文献标识码：A文章编号：1001.1390(2020)00.0000-00Merging unit automatic error verification technology and its application in digital substationWang Zhi1, Yang Maotao1, Yang Jing1, Meng Zhuo2, Tang Lu2(/. Power Supply Service Center (Metric Center), State Grid Hunan Electric Power Co., Ltd., Changsha 410000, China. 2. School of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)Abstract： The accuracy of the merging unit directly affects the safe and stable operation of digital substations and even smart grids. Therefore, the accuracy and real-time performance of the merging unit error calibration are improved from two aspects of hardware design and algorithm research. The hardware design principle of the merging unit calibration system is given in detail, and the spectrum phase correction algorithm based on the minimum side lobe convolution window is proposed, which realizes the accurate estimation of the unit difference and angular difference of the merging unit. The clock error calibration scheme of merging unit is established, and the clock error check, punctual function test and absolute delay calculation are realized. The experimental results show that the automatic error calibration system of digital substation merging unit designed in this paper runs stably and reliably, and meets the actual measurement requirements.Keywords： merging unit, error, verification, substation, spectrum correction。弓I言智能变电站是衔接智能电网输-变-配-用等环节 的关键设施口2。合并单元是智能变电站中屏蔽互感 器异构性的标准设备，能够完成电压、电流互感器 输出信号的合并和数字化传输，实现信息采集与感 知。合并单元的准确性直接影响智能变电站甚至智 能电网的安全稳定运行必51。实际工作中，合并单元校验主要以互感器校验检 定规程或标准为基础，一般整体测量和分析互感器 与合并单元的综合误差，尚未建立单独针对合并单 元校验的国家标准。国网公司于2017年制定了企业 标准数字化计量系统检测规范：合并单元，为 合并单元性能检测提供了依据刀。文献提出了一 种分别独立对电子式互感器、合并单元进行误差测 试及溯源的方法。为了克服频谱泄漏的影响，文献7 提出一种基于加Hanning和Blackman窗插值FFT的 算法用于合并单元校验中的信号分析。文献8提出 一种基于ARM+FPGA+ADC的合并单元校验系统， 并采用了基于定频采样高精度幅值和相位算法实现 高精度测量。文献9为提高合并单元测试的通信报 文处理能力和同步性，提出了一种基于FPGA+DSP 的光数字量校准方案。文献10采用Hilbert变换实 现相位微差算法，建立了合并单元校验溯源系统。 这些工作有力地推动了合并单元校验技术的开展。 但是，随着智能变电站技术的不断开展，合并单元 已经同时具备继保和测量功能，如何在不停电前提 下，运用一套合并单元校验系统中同时完成继保和 测量功能的校验，是实际应用中面临的重耍技术挑 战之一。因此，本文采用STM32微处理器和FPGA+DDS 的硬件方案，运用GPS定时信号产生时间同步模拟 信号，提出基于最小旁瓣卷积窗频谱相位校正的比 差和角差计算方法，建立合并单元校验系统，完全 保障合并单元的各项性能指标及其输入至保护、测 控、计量装置的数据的准确性和可靠性，从而确保 在发生保护、测控、计量装置输出数据误差过大时， 能够快速判断变电站过程层和间隔层设备是否处于 正常工作状态。测量实验结果验证了本文方法的准 确性和有效性。1合并单元校验系统硬件设计如图1所示。图1合并单元校验系统硬件功能框图Fig.l Hardware function block diagram of merging unit calibration system本文采用STM32微处理器和FPGA+DDS的硬 件方案，设计的合并单元校验系统包括6个模块。(1)微处理器控制模块：以ARM平台STM32 的7系列微处理器为系统核心，STM32微处理器通 过SPI与FPGA通信,FPGA直接连接数字分频DDS 芯片。STM32微处理器进行实时测量、计算和控制， 并实现IEC61850报文组包和解析。FPGA实时测量 输出电量并计数，且控制电压电流量程切换和保护 电路等。DDS产生同步信号，用于同步整个系统采 样和输出。(2)标准源模块：由24位高速数模转换芯片 (DAC)接收STM32微处理器的数字信号并转化为 模拟量输出，经过精密运放的功率放大，再由电压/ 电流隔离输出变压器同步输出特定波形，其结构如 图2所示。图2标准源模块电路功能框图Fig.2 Functional block diagram of standard source module circuits(3)标准表模块：对合并单元输入端的模拟电 量进行采集测定，通过I/V和V/V转换电路将电压 和电流统一转化为低电压。一方面用于标准源模块 的反应稳压，一方面送入32位高速模数转换芯片 (ADC)进行精密采样。其电路详细结构图如图3 所示。SI51X图3 标准表模块电路功能框图Fig.3 Functional block diagram of standard meter module circuit(4)数字及小信号通讯：合并单元的输出为SV 和GOOSE报文，是基于IEC 61850或FT3协议的以 太网或光串口通讯方式。该系统内置的网络报文通 讯工具可以对于报文信息进行翻译和解读，同时对 于报警一类的小信号进行响应。小信号同时包括带 GPS的标准时钟基准和告警信号等，以测定单元的 时钟功能。其电路详细结构图如图4所示。I报警信号i |对时信号一232 小信号处理 或 通讯工具485接口小信号 输出接口图4 数字及小信号通讯模块电路功能框图Fig.4 Circuit functional block diagram of digital andsmall signal communication module(5)标准时钟信号源模块：能够通过接收GPS 卫星信号，使用GPS定时信号产生相应的时间同步 模拟信号，产生的同步模拟信号称之为标准时钟信 号，主要分为IRIG-B码和1 pps信号两种，频率均 为1 Hzo标准时钟源输出具有以下特点，以满足合 并单元的对时需要：每秒1帧，包含100个码元， 每个码元10 ms；脉冲上升时间不超过100 ns；秒准 时沿的时间准确度优于1 RSo(6)保护模块：包括过热、过载、断路和过量 程保护。保护系统自身和外部的合并单元在各种异 常情况下不会被破坏。保护模块中大量应用到了二 极管整流，将需要被保护的信号整理为直流信号， 一方面可以消除波形的抖动对保护的影响，另一方 面增加系统的稳定性。一旦当被监控量超过阈值， 微处理器会立即停止输出，并将大量模拟或数字量 输入输出接口关闭，并显示出相应的错误代码给维 护人员提示。2最小旁瓣卷积窗频谱相位校正比差和角差计算2.1最小旁瓣卷积窗频谱相位校正算法设合并单元以采样间隔八二1/对电压或电流信 号进行采样，且信号包含2-H次谐波：Hx(Z)= x")|m =Z4sin(2 或 Z+为)(1) h=式中第次成分(A=l为基波，其余为谐波)的 幅值、频率和初相位分别为人、力和例。本文采用 长度为N的2阶最小旁瓣卷积窗wd()对采样信号进 行加权，以抑制谐波成分对基波频谱的干扰W-。 其中WD()为2个相同的长度为N/2的最小旁瓣窗 wmd(M，m=0,1,，N/2-1,进行卷积后，在末尾补1 个零得到：卬d()= ,ND。*/。，7 = Q1,N-20,n = N-l其中，最小旁瓣窗WMD(2)为： st(w'md(?) = Z4COS ,根= 0,1,N/2 1(3)/=o N2 )式中 ai =0.338 946, -0.481 973 , 0.161 054, -0.018 027o 2阶最小旁瓣卷积窗d()的旁瓣峰值 电平到达了-166dB,具有优异的频谱泄漏抑制能力。 因此，加窗后获得的序列xw(n)=x(n) 的离散频谱 中，可以忽略谐波成分的干扰影响，简化为：Xn(/)W/%(/-品)，for；。,N 1(4)2J式中Wd(*)为2阶最小旁瓣卷积窗的离散傅里叶 变换；公二明分为基波频率在离散频谱中对应的归一 化位置。Xn中第/根谱线对应的相位为：(5)式中。二后-/o为非同步采样引起的偏差；4)为基 波频率在离散频谱中对应位置附近的局部最大谱线 序号。设延后L个采样点后，选择长度的为N的连续 采样点，同样采用2阶最小旁瓣卷积窗wd()进行加 权，并进行离散傅里叶变换后，得到的离散频谱为 Xng根据相位-频率的对应关系，在Xm中第/根谱 线对应的相位为：。例 + 喈+ 2 助(6)结合式错误!未找到引用源。和式(6),两段不同 起点的序列的相位差直接存在线性关系：0 =。-。=2崂 £由此可以计算出基波频率及非同步采样引起的 偏差分别为：<=A",/(2 田(8)-州/(2间(9)进而将式(10)代入式(4),可计算得到基波 幅度和初相位分别为：2Xn(/0)|4 =v ,(10)% <)-00 =argxyv(/0)-argWD(Z0-/:0) + 7r/2(11)运用上述最小旁瓣卷积窗频谱相位校正算法， 可以实现合并单元输出电压、电流离散序列频率、 幅度和初相位的准确计算，为后续比差和角差计算 机误差分析奠定基础。2.2比差和角差计算及误差分析方法合并单元输出为电压、电流瞬时值，并以数字 量的形式传输。在计量和测量功能方面，可将合并 单元视为互感器的延伸，只需计算、校验合并单元 的比差、角差。但考虑到合并单元需为智能变电站 的保护、测控、计量装置等二次设备提供数据来源, 本文设计的校验系统还进行了合并单元输出信号的 频率、相位差、功率误差分析。这样不但能验证相 对应的电压、电流之间的同步性，解决跨间隔两组 电量的不同步性超过一个整周波而无法通过稳态绝 对延时的方法检测的难题。在变电站发生量值超差 时，本文设计的系统可快速确定是否为合并单元的 稳定性能出错，从而对智能变电站的故障诊断提供 了更加便捷的手段。对合并单元的数字量进行N点的FFT运算，并 最小旁瓣卷积窗频谱相位校正算法计算得到的被校 验的合并单元电压有效值5、频率加j和初始相位角 (PUJ，电流有效值小 频率而和初始相位角9口。设校 验系统中标准表模块给出的电压和电流的幅度、频 率和初相位的真值分别为Us、加s、°us和/s、fis> (pis， 那么被校验合并单元的电压比差Ure和角差Uae、电流 比差/re和角差/ae分别为：Ure = UiUs xlOO%(10)Uae = %J.us X100%(11)9usU -UUre = SX1OO%(12)，.隈网(13)0s电压和电流的频率误差分别：。即=A.J-/usxl00%(14)fus4x00%(15)各次谐波的比差、角差和频率误差，合并单元 的功率计算误差也可以同理计算。3合并单元时钟误差校验由于合并单元存在多个环节(采样、处理、传 输等)，各环节的造成的延时各不相同，不可防止 地对合并单元输出结果产生附加的相角差，直接影 响保护装置的正确动作。因此，需要对合并单元时 钟误差进行校验，以对合并单元的延时补偿方式、 方法进行分析和调整，确保数据采样同步。根据相关标准要求，合并单元应该能接收1 pps、 IRIG-B(DC)或 GB/T 25931(IEC 61588)协议的对时信 号，合并单元正常情况下对时精度应不大于±1 gSo合并单元的时钟误差校验一般用标准时钟源对 被校验合并单元和合并单元校验系统进行授时，同 时读取被检合并单元输出的时间信号，与校验系统 读取到的标准时钟源信号进行对。参见图5,被测合 并单元经校验仪输出光B码对时信号，待对时稳定 时，然后撤掉对时信号，进行守时功能测试。在撤 销标准时钟源授时之后继续监测被检合并单元输出 的时间信号，并记录它能保持在规定范围的时间， 即为该合并单元的有效守时时间。GPS天线合并单元校验仪工-A被测合并单元光B码对时电或者光PPS图5对时、守时误差校验原理Fig.5 Timing and punctuality error calibration principle例如用20 M标准时钟去测量被测合并单元送过 来的PPS信号，计数得到P个脉冲，那么误差二(1孑/20 M)*l 000 000(|is)o在合并单元的绝对延时计算时，合并单元校验 系统分别输出频率为力和f2的标准模拟电压，用最 小旁瓣卷积窗频谱相位校正算法计算进行分析，得 到电压角差为Uaei和UAE2,那么被校验合并单元的固 定延时为：= 一0AE2 xl00%(16)f 一九4实验及结果本文首先通过三相标准功率源产生含有谐波的 电压信号，通过数据采集卡采集后，运用最小旁瓣 卷积窗频谱相位校正算法进行计算分析，验证算法 的有效性；然后开展合并单元实际应用，计算比差、 角差，测试合并单元时钟误差。实验中使用的三相标准功率源为深圳科陆生产 的CL303B,其电压输出稳定度为10 ppm,采样频 率为2.5 kHz,离散傅里叶变换的长度为512,基波 频率设置为50.1 Hz。基涉及谐波实验参数及幅度与 初相位计算误差如表1所示。表1中所列的幅度和 相位参数均为0.01级标准表所测结果。表1基波谐波实验参数及幅度与初相位计算误差Tab.l Fundamental harmonic experiment parameters,amplitude and initial phase calculation errors基波或谐波 次数幅度 (V)相对误差基波或谐波初相位 (rad)相对误差 (%)(%)次数1st221.5+0.021st1.45-0.203rd5.02-0.053rd2.21+0.665th3.05-0.055th1.47-0.527th2.07-0.067th1.29+0.839lh1.10+0.089th2.95-0.9611th0.24-0.1211th2.24+ 1.01运用所开发的合并单元校验系统对湖南省某变 电站合并单元进行测试。实际测试接线如图6所示。 在1小时的传输延时测试中，最大传输延时为1 762.1 叫最小传输延时为1 761.52，传输延时变差为0.599 976 |iSo图6对时、守时误差校验原理Fig.6 Principle of checking time and punctuality errors额定电流的百分数为100%时，某变电站合并单元电压通道30次测量的校验误差平均结果如表2所示。不同负载电流情况下，合并单元A相电流通道校验误差如表3所示。表2某变电站合并单元电压通道校验误差Tab.2 Calibration error of voltage channel of a mergingunit in a substation量限相别比差()角差0A-0.011+0.1220/gkVB-0.010+0.1().1 / V3kVC-0.010+0.2A-0.016+0.1110/gkVB-0.017+0.2().1/ 瓜 VC-0.017+0.2表3某变电站合并单元A相电流通道校验误差Tab.3 Phase A current channel calibration error of amerging unit in a substation检定点 比差角差(。比差偏差相差偏差(%)(%)(%)120-0.022-2.5310.000 20.154 9100-0.036-1.8580.001 00.181 780-0.038-1.3500.001 20.148 260-0.040-1.3030.001 40.063 85()-0.033-0.825().002 40.081 840-0.0240.1880.002 50.070 220-0.0212.3630.004 40.035 25-0.0523.7240.020 30.453 0经过现场测试和功能验证，本文所设计的合并 单元校验系统对合并单元的比差、角差等的校验或 监测功能到达了国网企标的要求。5结束语针对智能变电站对合并单元校验的迫切需求， 本文设计可同时完成继保和测量功能校验的合并单 元校验系统。本文提出基于最小旁瓣卷积窗频谱相 位校正的比差和角差计算方法，设计的系统采用 STM32微处理器和FPGA+DDS的硬件方案，运用 GPS定时信号产生时间同步模拟信号实现合并单元 校验功能。本文的工作为解决跨间隔两组电量的不 同步性超过一个整周波而无法通过稳态绝对延时的 方法检测难题提供新的途径，对智能变电站的故障 诊断提供了更加便捷的手段。参考文献1徐文佳，赵伟，肖勇，等.数字化变电站中实现电压电流同步的合并 单元J.电测与仪表,2015, 52(1): 1-7.Xu Wenjia, Zhao Wei, Xiao Yong, et al. 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