數位化過程層接口處理算法的製作方法

2023-07-21 15:55:56

專利名稱：數位化過程層接口處理算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力系統在數位化變電站過程層數字式保護裝置過程層 接口處理上的算法。屬於電力系統數位化變電站技術領域。
技術背景電力系統發生故障時一次側暫態電流的非周期分量會引起常規電磁式電流互感器(TA)飽和，使其二次側電流波形畸變，影響繼電保護快速準確判別 故障，不能更好地滿足快速性、靈敏性、選擇性和可靠性的要求。電子式電 流/電壓互感器(ECT/EVT)由於動態範圍大、頻帶寬、體積小、重量輕等而引 起人們的極大興趣，其研究與發展十分迅速。近幾年，基於Rogovski空心線 圈的電流互感器已經逐漸實用化，由於這種互感器的輸出信號比較微弱，且 其所處環境的電磁幹擾嚴重，故一般需要就地A/D轉換，並通過光纜進行數 字信號傳輸。這就涉及到互感器與二次保護控制設備的接口問題。電子式互 感器與保護設備的接口主要有2種方式(1) 將其輸出的數位訊號重新轉換為低壓模擬量，此時保護設備無需改 動，其A/D轉換器依舊保留；(2) 將其輸出直接與帶數字式接口的保護設備相連，此時保護設備上的 隔離變壓器和A/D轉換器均可省略。無論從系統可靠性還是技術發展角度考慮，第2種方式更具優勢和革新 意義，針對電子式互感器與保護、測控設備的接口，國際電工委員會制定了 IEC 60044-7/8和IEC 61850-9等標準。這些標準均定義了接口的重要組成部分一一合併單元，並嚴格規範了它與保護及測控設備的接口方式。合併單元 發送給保護、測控設備的報文內主要包括了各路電流、電壓量及其有效性標 志。此外還添加了一些反映開關狀態的二進位輸入信息和時間標籤信息。在與二次保護控制設備的通信網絡上，IEC 61850-9-1採用了目前佔主流地位的 乙太網。但是，對於保護裝置來說，合併單元MU可以看作是一個數據源，按照 IEC61850-9-1標準，合併單元MU的數據採樣率與保護裝置所要求的採樣率往 往不等，如MU中的採樣率厶為每周波80點、100點、200點等，而現在成 熟的保護裝置中的採樣率為每周波12、 24、 32點等，兩者間大多為非整數倍 關係，無法通過簡單抽點方式來完成；另外，也沒有一種插值方法，可以很 好地使用現有的保護軟體代碼以及各種成熟保護算法，移植工作較大，需要 尋找一種合式的插值方法，以無縫實現原有AD轉換器的功能。另外，接口較 為複雜，合併單元發送乙太網數據包時存在時延抖動，並且始終節拍不同步； 合併單元給出的數據都是一個等間隔採樣的數據，而直接進行DFT或FFT運 算的話，可能會出現頻譜洩漏現象。對某些類型的裝置，如變壓器差動、母 差保護等，由於輸入通道相當多， 一個數字接口有可能帶寬不夠，需要多個 接口來完成，使合併單元間連接複雜。 發明內容為解決上述問題，本發明的目的在於提供一種實現數位化保護測控裝置 的IEC 61850-9-1數位化過程層接口處理算法，實現接口的自適應;滿足精確 的電能質量分析要求；降低合併單元間連接的複雜性；並實現多數字接口數 據同步。合併單元將採樣數據包定時的通過乙太網發送到保護裝置中去。從保護裝置的角度來看，要通過定時採樣得到合併單元的數據，合併單元可以看作 是一個數據源。合併單元的晶振與保護處理器不是同一個晶體振蕩器，並且 採樣的時間點與合併單元的數據點時刻並不相等，因此需要通過保護數據採 集來將數據進行整形與插值，供保護與測量使用。為實現上述發明目的，本發明是採取以下的技術方案來實現的 一種數位化過程層接口處理算法，其特徵在於當保護裝置的定時採樣脈衝到來時，保護裝置接受到最新採樣點x(n)，每次回溯一個固定的時間常數TB，保證在乙太網丟包時也能正確的插值出插值y(k)，所述的時間常數TB的 時間長度等於N個乙太網包的時間間隔；設軟體鎖相環(PLL)平均後兩個數據點的時間間隔是r，,，採樣脈衝回溯時間常數TB後與軟體鎖相環(PLL) 中的x(n-2)採樣點脈衝時間間隔是&，則採用線性插值有J point前述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於所述的N個時間間隔， 根據需要而定，並考慮一定的邊界裕度，保證當合併單元發送乙太網包丟包 個數小於N個時，也能正確插值採樣。前述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於使用和傳統模擬量採集 接口具有相同的保護處理接口的基於電.子互感器的數字接口 。它可以使數字 化接口保護和傳統接口裝置使用相同的保護處理軟體。前述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於計算用的採樣速率小於 合併單元數據採樣速率。前述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於與頻率跟蹤配合。本發明的有益效果是本發明使用與傳統採集接口具有相同使用接口的數字接口，可以與傳統採集接口使用相同的保護處理軟體；另外，在本發明 中使用軟體鎖相環(PLL)鎖相技術，配合頻率跟蹤，使時鐘節拍同步，消除 時延抖動問題，並可滿足精確的電能質量分析要求；只要保證計算用的採樣 速率小於合併單元數據採樣速率，均可自由接入，實現接口的自適應。同時， 本發明可以實現接口的模塊化，降低合併單元連接的複雜性。本發明的算法 處理安全可靠、處理正確。


圖1是本發明在數位化過程層的應用實施例圖； 圖2是傳統模擬量採集接口示意圖； 圖3是基於電子互感器的數字接口示意圖； 圖4為本發明插值採樣原理圖；圖5為本發明數字接口採用的軟體鎖相環(PLL)鎖相原理圖； 圖6為本發明軟體鎖相環(PLL)的狀態轉換示意圖； 圖7是本發明頻率測量模塊的原理圖；圖8是本發明基於頻率測量的自適應採樣技術原理圖；圖9是本發明多接口應用示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作具體的介紹。圖1是本發明在數位化過程層的應用實施例圖。對於保護裝置來說，合併單元MU可以看作是一個數據源，按照IEC61850-9-1標準，合併單元MU的 數據採樣率與保護裝置所要求的採樣率往往不等，如MU中的採樣率力為每 周波80點、100點、200點等，而現在成熟的保護裝置中的採樣率為每周波 12、 24、 32點等，兩者間大多為非整數倍關係，無法通過簡單抽點方式來完成；另外，為了使用現有的保護軟體代碼以及各種成熟保護算法，把移植工作減到最小，需要尋找一種合式的插值方法，以無縫實現原有AD轉換器的功能。圖2是傳統模擬量採集接口示意圖；圖3是基於電子互感器的數字接口 示意圖。如圖2與圖3所示的傳統模擬量採集接口與基於電子互感器的數字 接口的區別傳統的模擬量採集接口必須配置相應的裝置小PT、CT和相應的濾波迴路， 送入AD轉換器進行模數轉換。為與原來模塊相兼容，須保證使用的插值方法 和AD轉換器具有相同的接口。這樣，就可以(1) 、兩者具有相同的使用接口，它可以使數位化接口保護和傳統接口 裝置使用相同的保護處理軟體。(2) 、實現了接口的自適應。只需要保證計算用的採樣速率小於合併單 元數據採樣速率，就能正常工作。即對於採用每周波32點計算的保護或測控 裝置，無論過程時40、 80、 100、 200點每周波，均可自由接入，正常工作。(3) 、配合頻率跟蹤，可以滿足精確的電能質量分析要求。電能質量分 析要求精確的頻率跟蹤和每周波採樣點的2冪次，和各通道的同步採樣，本 接口可以滿足上述要求。 '圖4為本發明插值採樣原理圖，如圖所示，當保護裝置的定時採樣脈衝 到來時，保護裝置接受到最新採樣點x(n)，每次回溯一個固定的時間常數TB， 保證在乙太網丟包時也能正確的插值出插值y (k)，所述的時間常數TB的時間 長度等於N個乙太網包的時間間隔；設軟體鎖相環(PLL)平均後兩個數據點的時間間隔是r。。int，採樣脈衝回溯時間常數TB後與軟體鎖相環(PLL)中的X(n-2)採樣點脈衝時間間隔是&，則採用線性插值有J point圖5為本發明數字接口採用的軟體PLL鎖相原理圖。因為合併單元MU與保護裝置不是同一個晶振，合併單元MU將數據包定 時的通過乙太網發送到保護裝置中來，為了保持兩個時鐘節拍的同步，同時 消除合併單元發送乙太網數據包的時延抖動問題，採用了軟體鎖相環(PLL)鎖相技術。在數字接口中有兩個中斷信號定時採樣中斷(Sample—Interrupt)和 乙太網包接收中斷(ETHReceive_Interrupt)。定時採樣中斷的周期即為採樣 時間間隔&。每次中斷到來時啟動一個硬體計數器，中斷到來時重新裝載計 數周期並開始遞減計數。在IEC60044-7/8規定的ASDU中有一個包計數器，它按每個採樣點遞增， 達到每周波採樣點數值的時候迴繞。在乙太網包接收中斷服務中，判斷是否 是0包到達若是，將0包到達標誌置1: zero—packet—flag二l，並記錄當前硬體計數器的值~一 。在定時採樣中斷中，維護兩個計數器 一個是與乙太網0包對應的計數器(sigCounter)，周期(sigPeriod)為兩個0包之間的時間間隔T柳，由 IEC60044-7/8中對ASDU包計數器的定義，^^應當約為20ms。 0包間總的數 據個數為 *'-1 ，計數器當前計數值為五nf 。另一個計數器即為鎖相環(PLL) 計數器，周期為7^，初始化為20ms,計數器當前計數值為P"」。圖6為本發明數字接口軟體鎖相環(PLL)的狀態轉換示意圖，如圖所示， 當軟體鎖相環(PLL)處於IDLE狀態(即停止狀態)時，不允許插值採樣。在有0包到達時，轉為ACTIVE狀態(即激活狀態)。為了保證採樣脈衝回溯 TB後插值成功，延時一個採樣脈衝後轉為RUNNING狀態(即工作狀態)，在此 狀態下才允許插值採樣。當所有通道插值失敗時，軟體鎖相環(PLL)要回到 IDLE狀態。在軟體鎖相環(PLL)處於RUNNING狀態時，每次0包到達後進行一次鎖 相環(PLL)周期的調整，當發現軟體鎖相環(PLL)已經嚴重失步時，軟體 鎖相環(PLL)也需要重新啟動，即回到ACTIVE狀態。圖7是本發明的數字接口頻率測量模塊的原理圖。本發明的數字接口同 時也能滿足要求頻率跟蹤的應用。採用圖4所示的頻率測量方法由於合併 單元的數據並沒有進行頻率跟蹤，因此合併單元給出的數據都是一個等間隔 採樣的數據，而直接進行DFT或FFT運算的話，可能會出現頻譜洩漏現象，因此需要根據合併單元的數據，計算出信號的頻率fo，然後調整數字保護的 採樣間隔，達到頻率跟蹤的目的。圖8為本發明數字接口採用了基於頻率測量的自適應採樣技術原理圖。 本發明直接採用乙太網包傳送過來的生數據，抽點計算。由於信號中一般含 有高次諧波，會對測量的精度產生很大的影響，因此在前置加一個帶通濾波 器，然後遞推DFT可以得到一個實際頻率和標準頻率頻差相關的信號，再經 過換算和濾波可以得到頻率值，這個方法每個採樣點都能得到一個頻率值， 即使經過多次平滑也能快速得到精確的頻率值。根據頻率測量的結果，調整 數字保護採樣的時間間隔，調整採樣定時器周期，最後能夠出一個整周期採 樣的數據。圖9為本發明實現多接口應用的示意圖。對某些類型的裝置，如變壓器 差動、母差保護等，由於輸入通道相當多， 一個數字接口有可能帶寬不夠，需要多個接口來完成。為實現接口的模塊化，降低合併器間連接的複雜性， 可以使用本文的設計實現多數字接口，在各個接口之間實現數據的同步。上述實施例不以任何形式限定本發明，凡採取等同替換或等效變換的形 式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、數位化過程層接口處理算法，其特徵在於當保護裝置的定時採樣脈衝到來時，保護裝置接受到最新採樣點x(n)，每次回溯一個固定的時間常數TB，保證在乙太網丟包時也能正確的插值出插值y(k)，所述的時間常數TB的時間長度等於N個乙太網包的時間間隔；設軟體鎖相環平均後兩個數據點的時間間隔是Tpoint，採樣脈衝回溯時間常數TB後與軟體鎖相環中的x(n-2)採樣點脈衝時間間隔是TD，則採用線性插值有
2、 根據權利要求l所述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於所述 的N個時間間隔，根據需要而定，並考慮一定的邊界裕度。
3、 根據權利要求l所述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於使用 和傳統模擬量採集接口具有相同的保護處理接口的基於電子互感器的數字接 □。
4、 根據權利要求l所述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於計算 用的採樣速率小於合併單元數據採樣速率。
5、 根據權利要求l所述的數位化過程層接口處理算法，其特徵在於與頻 率跟蹤配合。
全文摘要
本發明為一種數位化過程層接口處理算法，當保護裝置的定時採樣脈衝到來時，保護裝置接受到最新採樣點x(n)，每次回溯一個固定時間常數TB，保證在乙太網丟包時也能正確插值出插值y(k)，時間常數TB的長度等於N個乙太網包的時間間隔；設軟體鎖相環平均後兩個數據點的時間間隔是Tpoint，採樣脈衝回溯時間常數TB後與軟體鎖相環中的x(n-2)採樣點脈衝時間間隔是TD，則採用線性插值y(k)=x(n-2)+(x(n-1)-x(n-2)/Tpoint)TD。本發明使用軟體鎖相環鎖相技術，配合頻率跟蹤，使時鐘節拍同步，消除時延抖動問題，並可滿足分析要求；只要保證計算用的採樣速率小於合併單元數據採樣速率，均可自由接入。同時，本發明可以實現接口的模塊化，降低合併單元連接的複雜性。
文檔編號G08C19/16GK101226683SQ20081001887
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月29日 優先權日2008年1月29日
發明者澄 李, 袁宇波, 偉 黃 申請人:江蘇省電力試驗研究院有限公司;江蘇方天電力技術有限公司