智能變電站相位檢測技術(shù)分析

劉海峰，楊丹

(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007;2. 國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙410007)

智能變電站典型的特征是IEC61850 通訊規(guī)約及電子式互感器的應(yīng)用，由于電子式互感器的采樣數(shù)字化，使得智能變電站數(shù)據(jù)接入方式出現(xiàn)了變化，基于常規(guī)電磁式互感器的二次核相技術(shù)不再適用于智能變電站，需要對智能變電站二次核相的技術(shù)體系進(jìn)行系統(tǒng)的研究，制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。文章對智能變電站和常規(guī)綜合自動(dòng)化變電站(以下簡稱綜自站)的技術(shù)體系進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，在此基礎(chǔ)上研究了智能變電站二次核相的關(guān)鍵問題、功能需求和算法原理，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方式。

1 常規(guī)綜自站和智能變電站對比分析

1.1 電磁式互感器和電子式互感器

電磁式互感器基于電磁感應(yīng)原理工作，電壓互感器并聯(lián)在一次系統(tǒng)中，電流互感器串聯(lián)在一次系統(tǒng)中。一次側(cè)的大電流和高電壓通過電磁感應(yīng)原理感應(yīng)到二次側(cè)，變?yōu)橐粋€(gè)小電流和小電壓。一般電流二次側(cè)額定值為1 A 或5 A，電壓二次側(cè)額定值一般為57.735 V 或100 V，二次側(cè)為模擬量值，通過二次電纜進(jìn)行傳輸。但電磁式互感器內(nèi)置鐵芯，本身體積比較大，而且存在電磁飽和的問題，還存在二次電流回路開路和二次電壓回路短路的危險(xiǎn)。

電子式互感器從傳感頭有無電源的角度分為無源電子式互感器和有源電子式互感器。無源電子式互感器常指光電流互感器和光電壓互感器，是一種采用“光學(xué)傳感+光纖傳輸”模式的互感器;有源電子式互感器傳感頭部分需要提供工作電源，其傳變常采用羅格夫斯基(Rogowski)線圈傳變電流、電容分壓傳變電壓，其傳感基于電氣原理，是一種“電氣傳感+光纖傳輸”模式的互感器。

有源電子式互感器采用的依舊是電磁感應(yīng)原理，只是由于取消了鐵芯，采用了空心線圈，使得互感器不易飽和，傳感線性度比較好。電壓互感器采用分壓原理將高電壓變?yōu)榈碗妷?，?shí)際二次側(cè)采樣值依然是模擬量，通過互感器的信號(hào)調(diào)理電路將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

無源電子式互感器傳感頭采用光學(xué)器件，如光纖陀螺或磁光玻璃。電流互感器基于法拉第磁光效應(yīng)，平面偏振光通過帶磁性的物體時(shí)，其偏振光將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，該現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)，如圖1，2。

圖1 法拉第磁光效應(yīng)原理圖

圖2 無源電子式電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖

光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光，然后入射到法拉第旋光材料(如重火石磁光玻璃)的閉合路徑內(nèi)，當(dāng)它出射時(shí)，線偏振光攜帶法拉第效應(yīng)所引起的偏振面旋轉(zhuǎn)信息，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強(qiáng)度H 沿偏振光通過材料路徑的線積分。

式中 V 為磁光材料的Verdet 常數(shù)。根據(jù)安培環(huán)路定理:

對于長的直導(dǎo)線有:

式中 I 為通過載導(dǎo)體的電流;R 為載流導(dǎo)體半徑。

代入式(1)可得

可見，偏轉(zhuǎn)角度θ 與被測電流I 成正比，利用渥拉斯頓棱鏡實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的檢測。渥拉斯頓棱鏡可將此線偏振光分解為振動(dòng)方向互相垂直的2 束光，分別測量這2 束光的光強(qiáng)，即可檢出偏振面旋轉(zhuǎn)的角度大小，從而實(shí)現(xiàn)電流的測量。

電壓互感器基于波克爾效應(yīng)，當(dāng)強(qiáng)電場施加于有光穿行的各向異性晶體(或稱壓電晶體)時(shí)，所引起的感生雙折射的折射率正比于該電場的強(qiáng)度，這種效應(yīng)稱為Pockels 電光效應(yīng)。如圖3。

圖3 波克爾效應(yīng)原理示意圖

發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)過起偏器后為線性偏振光，在外加電壓作用下，線偏振光經(jīng)電光晶體(如BGO 晶體)后發(fā)生雙折射，雙折射后2 個(gè)光束的相位差與外加電壓U 的關(guān)系:

式中 n0為BGO 晶體的折射率;γ41為BGO 晶體的電光系數(shù);l 為BGO 晶體中的光路長度;d 為施加電壓方向的BGO 晶體厚度;λ 為入射光波長。

相位差δ 與外加電壓U 成正比，利用檢偏器將相位差δ 的變化轉(zhuǎn)換為輸出光強(qiáng)的變化，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的信號(hào)處理便可求得被測電壓。

無源電子式互感器給出的是數(shù)字信號(hào)，因此，數(shù)據(jù)采集的方式發(fā)生了根本性的變化。

1.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)化

常規(guī)綜自站由于信號(hào)是模擬量信號(hào)，因此，信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)是二次電纜，變電站需要大量的二次電纜來連接一次設(shè)備及二次設(shè)備。

智能變電站由于采樣數(shù)字化的特點(diǎn)，站內(nèi)數(shù)據(jù)的交互方式為數(shù)字信號(hào)，因而其傳輸介質(zhì)為光纖。根據(jù)傳輸點(diǎn)的模數(shù)的不同，光纖分為多模光纖和單模光纖。多模光纖允許多束光在光纖中同時(shí)傳播，從而形成模分散，這也限制了多模光纖傳輸?shù)膸捄途嚯x。單模光纖只允許1 個(gè)模式的信號(hào)傳輸，不存在模分散的問題，因此傳輸帶寬大，容量大。

智能變電站中一般保護(hù)要求點(diǎn)對點(diǎn)直接傳輸，而跨間隔信號(hào)及網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀、故障錄波等裝置允許組網(wǎng)傳輸。

傳輸規(guī)約對于SV 報(bào)文主要是FT3 和IEC61850-9-2 協(xié)議，對于開關(guān)量主要通過GOOSE 信號(hào)傳輸。FT3 協(xié)議主要用于電子式互感器和合并單元以及電壓合并單元和間隔合并單元之間數(shù)據(jù)傳輸;IEC61850-9-2 協(xié)議主要用于過程層和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換，有點(diǎn)對點(diǎn)直采和組網(wǎng)2 種傳輸方式。

1.3 采樣同步技術(shù)

常規(guī)綜自站每臺(tái)裝置所需要的模擬量信號(hào)由各臺(tái)裝置集中進(jìn)行采樣。如圖4 所示。

圖4 A/D 采樣原理圖

其中的TA 和TV 為裝置內(nèi)部的小互感器，LP為裝置內(nèi)的低通濾波回路，AD 為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。在傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置中，采樣數(shù)據(jù)的同步是由CPU 定時(shí)中斷完成。CPU 系統(tǒng)通過定時(shí)中斷發(fā)出采樣保持信號(hào)，鎖存所有需要采集的模擬量數(shù)據(jù)，順序讀取采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，從而保證同一裝置中的采樣數(shù)據(jù)是同一時(shí)刻的值。

由于電流電壓通過二次電纜以光速傳輸，二次系統(tǒng)和一次系統(tǒng)之間基本是同時(shí)的，而保護(hù)等裝置采用集中式采樣，通過定時(shí)中斷脈沖完成的采樣，其原理決定了采樣數(shù)據(jù)具有天然同步性。

但對于智能變電站，電子式互感器的采樣信號(hào)送至本間隔合并單元，然后各間隔合并單元再將電壓、電流等信號(hào)送至需要的保護(hù)及測控裝置使用。每個(gè)間隔的信號(hào)采樣是分散進(jìn)行的，而且各個(gè)間隔由于互感器及合并單元特性的差異，所用時(shí)間不完全一致。因此，數(shù)據(jù)采樣失去了天然的同步性，需依賴外部手段對不同間隔之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。

目前常用的同步方式有2 種，一種是針對FT3及點(diǎn)對點(diǎn)直接采樣的IEC61850-9-2，通過插值擬合的方式進(jìn)行同步;另一種是針對IEC61850-9-2組網(wǎng)傳播的方式，依賴于外部同步時(shí)鐘信號(hào)，通過整秒同步信號(hào)間的SampCnt 計(jì)數(shù)器來進(jìn)行同步。

1.4 GPS 對時(shí)技術(shù)

常規(guī)綜自站二次設(shè)備的運(yùn)行不依賴于外部同步時(shí)鐘，GPS 對時(shí)主要用于統(tǒng)一全站所有設(shè)備的時(shí)標(biāo)和SOE 信號(hào)的時(shí)標(biāo)，在事故分析時(shí)有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。所以對時(shí)精度要求并不高，而且GPS 時(shí)鐘失去不會(huì)影響保護(hù)裝置的運(yùn)行和動(dòng)作行為。

智能變電站中由于組網(wǎng)方式下依賴于外部GPS對時(shí)信號(hào)進(jìn)行采樣同步，所以在組網(wǎng)方式下，GPS對時(shí)精度要求很高。這樣才能降低由于不同裝置各自晶振的差異，導(dǎo)致實(shí)際采樣時(shí)間間隔誤差較大而產(chǎn)生同步采樣誤差。目前常用的對時(shí)方式有秒脈沖、IRIG-B 碼及IEEE1588 等方式，對時(shí)精度分別在10-3s 和10-9s 級(jí)別。

2 智能變電站二次核相的功能需求

通過對常規(guī)綜自站和智能變電站的技術(shù)體系的對比分析可知，智能變電站如果要實(shí)現(xiàn)二次核相，需要滿足如下功能:1)能夠提供FT3 接口，自適應(yīng)分辨通訊波特率和數(shù)據(jù)集長度;2)能夠提供IEC61859-9-2 點(diǎn)對點(diǎn)和組網(wǎng)2 種傳輸方式的接入;3)能夠接入脈沖、IGIR-B 或IEEE1588 等同步對時(shí)方式，根據(jù)點(diǎn)對點(diǎn)或組網(wǎng)的需要，進(jìn)行自適應(yīng)的同步;4)能夠?qū)?bào)文各個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，給出時(shí)間延時(shí)、有效值、相位、頻率等基本電氣參數(shù);5)能夠以任何1 個(gè)通道的模擬量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，測量出所測通道數(shù)據(jù)與相對于基準(zhǔn)通道的相位差。

3 智能變電站二次核相關(guān)鍵技術(shù)

3.1 FT3 及IEC61850－9－2 通訊協(xié)議解析

3.1.1 FT3 規(guī)約

FT3 傳輸是IEC60044-8 協(xié)議中選用的串行數(shù)據(jù)傳輸方式，采用曼徹斯特編碼，1 幀包含有效數(shù)據(jù)最大為48 字節(jié)，具備16 位CRC 校驗(yàn)〔1〕。FT3幀格式中包括3 個(gè)數(shù)據(jù)塊，考慮到為了擴(kuò)展采樣通道數(shù)，將鏈路層幀格式擴(kuò)展為4 個(gè)數(shù)據(jù)塊。最大可以配置22 個(gè)通道，通道可以自行定義，每一通道的數(shù)據(jù)采用16 位描述。

該協(xié)議數(shù)據(jù)集中包含了數(shù)據(jù)集長度、LNName，DataSetName，LDName、額定相電流、額定中性點(diǎn)電流、額定相電壓、額定延遲時(shí)間、SmpCnt (樣本計(jì)數(shù)器)和22 個(gè)模擬量通道的實(shí)時(shí)采樣值等數(shù)據(jù)。其中對于測量用ECT 和EVT，用十進(jìn)制的11585 表示互感器的額定值，對于保護(hù)用ECT 用十進(jìn)制463 表示互感器的額定值〔2〕，因此，需要用該比例因子進(jìn)行采樣值的換算。

3.1.2 IEC61850-9-2 規(guī)約〔3〕

IEC61850-9-2 報(bào)文傳輸是基于ISO/IEC 8802-3 的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，是一種以太網(wǎng)報(bào)文。通過以太網(wǎng)類型碼標(biāo)識(shí)報(bào)文的格式，通過MAC 地址和APPID 等信息識(shí)別數(shù)據(jù)來源，編碼及傳輸規(guī)則遵循以太網(wǎng)規(guī)約。為推廣IEC61850-9-2 協(xié)議，國家電網(wǎng)公司推出了更易于工程執(zhí)行的IEC61850-9-2 LE 協(xié)議。IEC61850-9-2 LE 在IEC61850-9-2 的基礎(chǔ)上，對協(xié)議支持的服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)模型、采樣率、報(bào)文格式等內(nèi)容進(jìn)行了明確約束〔4〕。

考慮IEC61850-9-2 點(diǎn)對點(diǎn)傳輸采樣值時(shí)，合并單元可能不接同步脈沖，采樣數(shù)據(jù)幀中需傳輸額定延遲時(shí)間數(shù)值，IEC61850-9-2 LE 就將額定延遲時(shí)間配置在采樣發(fā)送數(shù)據(jù)集的第1 個(gè)通道中。另外，IEC61850-9-2 采用32 位表示數(shù)據(jù)，它沒有比例因子，對于電壓量每一位表示10 mV，對于電流每一位表示1 mA〔5〕。

3.2 FT3 自適應(yīng)接收

FT3 傳輸協(xié)議采用曼徹斯特編碼(以下簡稱“曼碼”)方式，曼碼編碼規(guī)則為:編碼后數(shù)據(jù)從低位轉(zhuǎn)移到高位表示二進(jìn)制1，從高位轉(zhuǎn)移到低位表示二進(jìn)制0。

FT3 采樣光信號(hào)經(jīng)光接收硬件回路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字電平信號(hào)，常用的FT3 曼碼傳輸協(xié)議采用的數(shù)據(jù)傳輸波特率包括5 Mbit/s 和10 Mbit/s，對應(yīng)的編碼后電平數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間T/2 分別為200 ns 或100 ns。內(nèi)部軟件在判斷到當(dāng)前接收數(shù)據(jù)為曼碼后，開始檢測電平的持續(xù)時(shí)間，若該持續(xù)時(shí)間小于等于100 ns 且有效，則認(rèn)為曼碼傳輸波特率為10 Mbit/s;若持續(xù)時(shí)間大于100 ns 且小于200 ns，則認(rèn)為曼碼傳輸波特率為5 Mbit/s。

根據(jù)波特率自動(dòng)調(diào)節(jié)接收參數(shù)，同時(shí)對FT3數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。在確認(rèn)接收到的FT3 數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對其解碼，獲取FT3 數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集長度，根據(jù)其大小對FT3 數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。

3.3 軟件鎖相環(huán)技術(shù)

不同合并單元之間的時(shí)鐘晶振性能差異導(dǎo)致各自計(jì)數(shù)節(jié)拍的偏差，為保證采樣數(shù)據(jù)接收裝置與發(fā)送裝置時(shí)鐘節(jié)拍一致，可采用鎖相環(huán)技術(shù)。鎖相環(huán)技術(shù)廣泛用在信號(hào)處理、調(diào)制解調(diào)、時(shí)鐘同步、倍頻和頻率方面。鎖相環(huán)一般用模擬電路實(shí)現(xiàn)。

鎖相環(huán)實(shí)際是指自動(dòng)相位控制電路(APC)，它是利用2 個(gè)電信號(hào)的相位誤差，通過環(huán)路自身調(diào)整作用，實(shí)現(xiàn)頻率準(zhǔn)確跟蹤的系統(tǒng)，稱該系統(tǒng)為鎖相環(huán)路，通常用PLL 表示。

軟件鎖相環(huán)技術(shù)是一種用軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)。其核心是利用追蹤信號(hào)與被追蹤信號(hào)的相位差變化，形成收斂的反饋控制信號(hào)，不斷調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，保證輸出信號(hào)與被追蹤信號(hào)間的相位穩(wěn)定關(guān)系。軟件鎖相環(huán)通過數(shù)字式的計(jì)數(shù)器追蹤方法，維持1 個(gè)與被追蹤信號(hào)周期、相位不斷逼近的鎖相信號(hào)，并控制接收裝置的采樣定時(shí)中斷，可實(shí)現(xiàn)裝置間的時(shí)鐘脈沖跟隨，減少由于裝置之間時(shí)鐘誤差所引起的同步結(jié)果偏差〔5-7〕。

鎖相環(huán)的初始輸入值為250 μs，用2 個(gè)相鄰的SampCnt 為0 的2 個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間差，計(jì)算出4 kHz 采樣頻率下的采樣間隔作為反饋值，用輸入值和反饋值的時(shí)間差Δt 作為修正量，不斷修正輸入值和反饋值之間的誤差，使得輸入值能實(shí)時(shí)跟隨反饋值，作為最終重新生成采樣序列時(shí)的時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)。

3.4 逐次線性插值擬合

插值擬合重采樣技術(shù)是從一種離散數(shù)字信號(hào)采樣得到另一種離散數(shù)字信號(hào)采樣的近似計(jì)算方法，可以用專門的硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件方法實(shí)現(xiàn)。插值擬合即根據(jù)已知數(shù)據(jù)來構(gòu)造函數(shù)y=f (x)的一種簡單的近似表達(dá)式，以便于計(jì)算點(diǎn)x ≠xi，i =0，1，... n 的函數(shù)值f(ˉx)。

最簡單的插值擬合算法是線性插值算法。理想條件下，可以認(rèn)為在足夠小的時(shí)間內(nèi)的采樣信號(hào)波形近似于直線，如圖5。

圖5 線性插值原理

假設(shè)已知采樣時(shí)刻T0與T1對應(yīng)的采樣值分別為Y0，Y1，當(dāng)ΔT=T1-T0足夠小時(shí)，采樣曲線段Y0Y1在誤差允許范圍內(nèi)無限接近為1 條直線，對直線段Y0Y1采用線性插值算法，可計(jì)算出任意時(shí)刻Ts對應(yīng)采樣值Ys的近似值Ys′，且ΔT 越小，計(jì)算結(jié)果越精確。

為提高采樣的精度，可以采用逐次線性插值擬合方法，通過2 個(gè)線性插值擬合和結(jié)果再進(jìn)行1 次插值計(jì)算，即采用2 階差商的方式。

3.5 采樣序列號(hào)同步方式

對于IEC61850-9-2 組網(wǎng)傳輸方式的SV 信號(hào)，需要外接同步信號(hào)采用采樣計(jì)數(shù)器同步。合并單元和測試裝置需接入由同一個(gè)時(shí)鐘源發(fā)出的同步對時(shí)信號(hào)，同步脈沖到達(dá)時(shí)采樣點(diǎn)對應(yīng)的采樣計(jì)數(shù)器編號(hào)會(huì)清零，之后隨著每一幀報(bào)文的到達(dá)依次累加，直至下一個(gè)同步信號(hào)到達(dá)后清零重新計(jì)數(shù)或滿一個(gè)周期后翻轉(zhuǎn)清零。測試裝置通過采樣計(jì)數(shù)器相同的序列號(hào)將各組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的同步。

4 智能變電站二次核相的實(shí)現(xiàn)方式

利用軟件鎖相環(huán)技術(shù)將核相裝置與被測裝置的時(shí)鐘脈沖鎖定。當(dāng)核相裝置內(nèi)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，再根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的傳輸模式分別進(jìn)行同步處理。對于FT3、點(diǎn)對點(diǎn)IEC61850-9-2 模式，由于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延穩(wěn)定，利用報(bào)文中自帶的通道延時(shí)參數(shù)，對各裝置分別進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，再采用逐次線性插值擬合同步對各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行插值重采樣;對于組網(wǎng)IEC61850-9-2 模式，由于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延不穩(wěn)定，需將核相裝置接入同步脈沖信號(hào)，使用采樣計(jì)數(shù)器序列號(hào)來進(jìn)行同步。

5 結(jié)束語

文章針對智能變電站二次核相的需求，綜合對比分析了常規(guī)綜自站和智能變電站技術(shù)體系的區(qū)別，分析了智能變電站二次核相需要用的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了其實(shí)現(xiàn)的具體方式，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。

〔1〕IEC 60044-8 Instrument Transformers-Part 8:Electronic Current Transformers〔S〕. 2002.

〔2〕Q / GDW 441 — 2010 智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范〔S〕. 北京:中國電力出版社，2010，14-21.

〔3〕DL/T860.92—2006 IEC61850-9-2 變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng) 第9-2 部分:特定通信服務(wù)映射(SCSM)通過ISO/IEC 8802-3的采樣值〔S〕. 北京:中國電力出版社，2004.

〔4〕 UCA International Users Group. Implementation Guideline for Digital Interface to Instrument Transformers Using IEC 61850-9-2〔Z〕. 2006.

〔5〕江道灼，馬進(jìn)，章鑫杰. 鎖相環(huán)在電力系統(tǒng)現(xiàn)場測控裝置中的應(yīng)用〔J〕. 繼電器，2000，28 (8):43-45，52.

〔6〕單長虹，孟憲元. 基于FPGA 的全數(shù)字鎖相環(huán)路的設(shè)計(jì)〔J〕.電子應(yīng)用技術(shù)，2001 (9):59-60.

〔7〕李澄，袁宇波，羅強(qiáng). 基于電子式互感器的數(shù)字保護(hù)接口技術(shù)研究〔J〕. 電網(wǎng)技術(shù)，2007，31 (9):84-87.