适用于合并单元的等间隔采样控制与同步方法

DOI:１０．７５００/AEPS２０１４０８１２００７适用于合并单元的等间隔采样控制与同步方法周华良１,郑玉平２,姜　雷１,胡　国１,王志鸿２(１．国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市２１１１０６;２．南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏省南京市２１１１０６)摘要:智能变电站中合并单元的采样同步直接影响测控与保护设备的可靠性.文中从合并单元的相关技术需求和实际问题出发,提出了一种严格保证等间隔采样控制与同步的优化方法,此方法通过实时测量同步误差来修正同步采样周期.在首先保证采样周期均匀等分的基础上,动态地补偿本地采样时刻的偏差,实现每个采样时刻的精确控制与同步.测试结果表明所提方法使合并单元可靠地实现了采样同步.关键词:合并单元;同步采样;等间隔;动态控制;智能变电站收稿日期:２０１４Ｇ０８Ｇ１２;修回日期:２０１４Ｇ１０Ｇ１４.０　引言合并单元(MU)同步采样技术是智能变电站的关键技术之一.目前MU内部的采样同步主要采用２种方式[１],即MU给电子式互感器的采样器提供采样脉冲;MU对异步采样值进行重采样处理.不同MU的同步则依赖外部同步对时.无论何种方式,对数据处理时刻都有同步精确度要求[２Ｇ４].工程中存在以下情形对MU的同步精确度产生不利影响:①MU首次接入外部对时同步信号;②MU失去外部对时同步信号后再次获得;③MU正常运行过程中外部对时同步信号的质量发生变化.因此,必须解决外部对时同步信号改变时MU的对策问题.文献[５]提及了外部对时信号中断再次接入后MU解决采样时刻偏差的一种方法.文献[６]针对外部对时信号异常时MU的采样时刻偏差问题提出了一种解决思路.本文综合考虑以上情形,提出一种适应外部对时同步信号变化的动态控制方法,此方法通过实时测量同步误差来修正同步采样周期.在首先保证采样周期均匀等分的基础上,动态地补偿本地采样时刻的偏差,既保证了MU的采样同步性能,又增强了MU对外部对时同步信号变化的实时跟踪.１　采样同步分析目前在智能变电站中,MU与电子式互感器的接口有异步和同步２种方式.同步方式下MU需要向电子式互感器提供采样脉冲,电子式互感器在采样脉冲的控制下进行模拟量采样,此方式下MU仅需获得采样延时与通道传输延时便可得知真实的采样时刻,实现采样同步;异步方式下不同的电子式互感器按照同一采样频率进行采样并主动上送采样值报文,MU接收不同电气间隔的采样值后通过软件重采样方法实现采样同步.为使MU实现采集器间采样的同步功能,且采样同步精度小于±１μs,数据采样的脉冲必须由全站统一的秒脉冲锁定,每秒第１次测量的采样时刻应与秒脉冲的上升沿同步,且后续采样点的时标在每秒内应均匀分布[１].MU完成不同电气间隔的采样值同步后,将所有采样值合并发送给保护、测控、计量、录波等设备使用,合并采样值报文输出协议采用IEC６００４４Ｇ７/８或IEC６１８５０Ｇ９Ｇ２.由于多种原因,间隔层设备往往会对MU提供的采样值进行重采样[７Ｇ１０],以保护设备为例,MU的采样值输出接口采样率为４０００Hz,即每周期采样８０点,而保护的采样点数为每周期２４点即可满足采样精度[１１],其应用算法也基于此实现,所以需要对MU的采样值进行重采样.这样MU的报文发送间隔出现较大离散值会影响间隔层设备采样值的正确性.鉴于此原因,相关国家标准对合并单元的采样值报文发送间隔离散值提出了明确要求:供继电保护装置使用的采样值输出接口,MU采样值发送间隔离散值应不大于１０μs;供电气测量仪器使用的采样值输出接口,MU采样值发送间隔离散值应不大于１μs[１,１２Ｇ１３].根据上述分析,MU内部需要基于同步采样脉冲机制实现重采样功能.同步采样脉冲通过锁定外部秒脉冲,并在秒脉冲上升沿时刻进行同步,并在１s内均匀分布.同步采样脉冲始终处于动态调整的状态之中,存在以下３种情形.１)合并单元从失步状态到再同步状态的变化过程.—６９—第３８卷　第２３期２０１４年１２月１０日Vol．３８　No．２３Dec．１０,２０１４２)合并单元从守时状态到同步状态的变化过程.３)合并单元同步状态下的实时调整.上述情形可能在授时源锁定卫星信号或主、备授时源切换时出现,对MU的同步性能产生了消极的影响,直接影响间隔层设备尤其是主保护设备[１４].因此对时信号异常时能否保持正常性能指标是考核MU性能的重要方面[１５].另外,不同厂家的合并单元进行失步到再同步的转换过程应遵循相同的时序,使采样值发送保持严格的同步[１３],这一过程中同步采样脉冲必须在规定时间内快速调整到与外部秒脉冲同步.综合上述原因,需要对同步采样脉冲的动态调整方法进行研究.２　采样控制与同步原理２．１　同步采样脉冲机制图１是秒脉冲(１PPS)时序图.GPSGPS IECC MU3D20.KK-@.6 +MU=F%U F@#L图１　秒脉冲时序图Fig．１　Diagramof１PPStiming当授时源锁定全球定位系统(GPS)卫星信号后主钟快速跟踪卫星信号,此时秒脉冲发生跳变,MU经过２s有效性确认后调整同步采样脉冲,使其在下１s与秒脉冲对齐并且在１s之间均匀分布.同步采样脉冲跟踪外部秒脉冲的示意图如图２所示..6




F6




TppsTppsTppsTppsTppsΔE
图２　同步采样脉冲示意图Fig．２　Diagramofsynchronoussamplingpulse图中:Tpps表示秒脉冲周期;ΔE表示同步采样脉冲与秒脉冲之间的偏差值.图中第１s时刻同步采样脉冲与秒脉冲同步,第３s时秒脉冲位置发生了变化,然后保持稳定状态,此时同步采样脉冲的发生时刻与秒脉冲的上升沿出现了偏差,系统进入失步状态.由于同步采样脉冲的周期直接影响MU的重采样、采样值报文发送等关键环节,不允许一次性修正同步采样脉冲,必须采用动态调整的方法,在５~６s之间循序渐进地补偿同步误差.当采样率f(其值由合并单元的应用场合决定[１],一般取４０００,８０００,１２８００Hz)确定后,其周期值根据实测Tpps均分得到,即Tsync＝Tppsf(１)式中:Tsync为同步采样脉冲的周期,单位为ns.正常状态下每一秒内的同步采样脉冲周期均由上１s秒脉冲的周期值均分得到,但在异常状态下情况会发生变化.图２中第２s内的同步采样脉冲周期使用第１s秒脉冲周期除以采样率得到.当秒脉冲位置发生变化时第２s的周期为异常值,所以第３s内的同步采样脉冲周期仍然使用最近１s有效的秒脉冲周期计算得到,考虑同步采样脉冲与秒脉冲之间的偏差值ΔE,于是式(１)变为:Tsync＝Tpps±ΔEf(２)式中:ΔE的单位为ns,±符号的取舍由ΔE决定,当ΔE＜Tsync/２,取＋,否则取－,秒脉冲稳定状态下ΔE接近０,这样可以使同步采样脉冲在调整过程中周期与期望值的偏离程度最小.式(２)中Tpps大小由晶振测量得到,由晶振的频率准确度特性可知,一般情况下Tpps的实际测量值与晶振标称值对应的１s不一致,假设晶振频率为１００MHz,其对应的１s的周期值大小为１０８ns,使用此晶振测量得到的秒脉冲周期值Tpps为:Tpps＝１０８±N(３)式中:N为正整数,N的数值大小及±符号的取舍均由晶振特性决定.将式(３)代入式(２),变为:Tsync＝１０８±N±ΔEf(４)　　将式(４)运算得到的整数部分用T表示,作为同步采样脉冲的基准周期值,单位为ns;余数部分用R表示,作为同步采样脉冲的周期补偿值,单位为ns.得到同步采样脉冲周期的一般公式为:Tsync＝T＋Rf(５)　　T与理论周期值存在误差,此误差源于晶振的频率准确度特性,且小于晶振的单位周期.若仅使用T产生同步采样脉冲,那么同步采样脉冲的实际发生时刻会逐渐偏离正确时刻,并随着采样周期的增加产生累积误差,导致实际采样值出现偏差.T与理论周期值之间的误差存在于R中,因此只要将R在１s内合理均分地补偿到T中,就可以使同步—７９—􀅰研制与开发􀅰　周华良,等　适用于合并单元的等间隔采样控制与同步方法采样脉冲的发生时刻接近于准确时刻.为此,构造不等式如下:RP≥Qi(６)式中:P为同步采样脉冲计数值,取值范围１~f;Qi为f的累加值,i＝０,１,􀆺,R.Qi的初值Q０＝f,当P＝f/R时式(６)首次成立,在基准周期T上加上１个晶振周期作为补偿,同时Q１＝Q０＋f;当P＝２f/R时式(６)再次成立;以此类推,当P＝f时式(６)第R次成立,对同步采样脉冲周期进行最后一次补偿.２．２　采样同步误差分析同步状态下,根据同步采样脉冲的控制方法,２次秒脉冲之间均匀分成R个区间,可以看出,此区间是动态变化的,每个区间宽度取决于R的取值.在每个区间的末端,同步采样脉冲的累积误差达到最大值.假设晶振频率为１００MHz,采样率f＝４０００Hz.第１~P个同步采样脉冲的理论时间总和tP为:tP＝Pf×１０９(７)式中:tP单位为ns,P＝１,２,􀆺,f/R.实际中第１~P个脉冲的实际时间总和tL为:tL＝Pf１０８±R()×１０(８)式中:tL单位为ns.第P个脉冲周期与理论值的误差σ为:σ＝tL－tP(９)式中:σ单位为ns.将式(７)和式(８)代入式(９)得:σ＝PfR×１０(１０)　　根据式(１０)可以计算出每个动态调整区间的累积误差.当P在数值上达到f/R时,累积误差达到最大值σmax＝１０ns,此时通过补偿同步采样脉冲周期消除此误差.以f＝４０００Hz,R＝４００为例,误差累积与补偿示意图如图３所示.P024101212345910111213141567868σ/ns图３　同步误差累积与补偿示意图Fig．３　Diagramofsynchronizationerroraccumulationandcompensation从第１个同步采样脉冲开始,每个周期中累积误差增加１ns,在第１０个脉冲达到最大值,此时对周期进行补偿使累积误差归零.若无补偿,则误差会随时间持续累积,并在第４０００个脉冲时达到最大值４μs.图４是同步误差补偿的仿真波形.仿真参数:晶振频率为１００MHz,f＝４０００Hz,R＝４００.图中同步采样脉冲周期的单位为１０ns,第１到９个同步采样脉冲的周期值均为２５０００,第１０个脉冲时其周期值变为２５００１,自动补偿累积误差,此后第２０个同步采样脉冲周期再次进行补偿,直至第３９９０个周期结束.由误差分析与仿真结果看出,此同步采样脉冲的动态控制方法可以保证同步采样脉冲在秒脉冲之间的等间隔均匀性,为合并单元达到高同步性能提供可靠保障.0500t/μs10001500200025002500025001250001234567891011123000.6 F6 F6@ F6 图４　同步误差补偿的仿真波形Fig．４　Simulationwaveofsynchronizationerrorcompensation２．３　补偿效果对比假设误差补偿在１s中的前P个脉冲周期中完成,前P个脉冲的实际时间总和为:tL′＝Pf×１０９±P×１０(１１)　　第P个脉冲周期同实际值的误差为:σ′＝tL′－tL(１２)　　将式(８)与式(１１)代入式(１２)得到:σ′＝Pf×１０９±P×１０－Pf１０８±R()×１０(１３)　　将P＝R代入式(１３),化简得:σ′＝R１－Rfæèçöø÷×１０(１４)　　根据式(１４)可以看出,此补偿方法的误差与R相关.R接近于０或者接近于f时误差减小,当R＝f/２时累积误差达到最大值,以f＝４０００Hz计算,累积误差最大值σmax′＝１０μs.此补偿方法在每１s中都存在同步采样脉冲的累积误差逐渐增加至最大值的过程,这一过程中采样时刻逐渐偏离正确时刻,导致实际采样值失准.与前述误差分析结—８９—２０１４,３８(２３)　果可知,本文所述的采样控制与同步方法具有很高的准确性.３　实现方案图５是合并单元同步采样脉冲发生系统结构图.此系统基于现场可编程门阵列(FPGA)实现,在FPGA内部设计秒脉冲检测、偏差检测、周期计算、动态补偿以及脉冲输出５个