一种合并单元的精度自动校正系统的实现

宋彦锋　徐云松　沈　沉　杨　芳　朱建斌

(许继电气技术中心，河南 许昌　461000)



一种合并单元的精度自动校正系统的实现

宋彦锋徐云松沈沉杨芳朱建斌

(许继电气技术中心，河南 许昌461000)

为了提高合并器精度、简化通道校正的复杂度，研发了一种电力系统合并单元(MU)的精度自动校正系统。该系统主要包括上位机和合并单元装置。上位机需要实现各种自动校正指令的发送、校正结果的计算和检测等功能。装置需要完成各个通道有效数据的采集和控制，并根据上位机命令对各通道数据备份区内的数据进行校正。校正过程是通过调取相应的校正算法模块实现的。与传统的通过手动修改参数的通道校正过程相比，自动校准系统极大地提高了通道的校正效率和校正精度，减小了校正误差，且校正过程更加简单易行。

电力系统智能变电站合并单元采集通道自动校正傅里叶算法精度校正远程过程调用协议

0　引言

在如今的电力系统中，过程层负责完成电力运行电气量的实时检测、运行设备的状态参数检测、操作控制执行与驱动，就是常说的模拟量、开关量采集，控制命令的执行。过程层设备包括光电互感器、合并单元和智能终端。合并器与互感器的输出相连，并完成与一些跨间隔合并器的数据传输[1-3]。

合并单元是电流、电压互感器的接口装置。随着数字化变电站自动化技术的推广和工程建设，对合并单元的功能和性能要求越来越高。与此同时，对带有常规电磁式互感器接口的合并器数据采集处理功能的要求也越来越高。本文中提到的合并器都为具备常规采样功能的合并器。

由于合并器装置中，采集板卡的精度和板卡本身及所处的装置环境都有关系，所以在合并器出厂和投运之前都需要校正采集通道的参数，以提高合并器的精度，并将参数固化。传统的方式是依次对采集板的每个通道进行零漂、幅值和相位校正。每个通道要分别进行零漂校正，工作量大且容易遗漏。校正系数时，分别对各通道按整数增减系数，容易造成大偏差，精度不高。分别对各个通道进行相位校正，使得各个通道相位的一致性不高。整个校正过程中，人工干预的地方较多，出错的几率大[4-6]。一个经验丰富的调试人员，用传统的方法校正通道参数，校正一台10通道的装置至少需要花费20min，既耗时又费力。

为了解决上述校正存在的弊端，自动校正系统充分利用了合并器装置CPU的计算能力，将整个校正过程全部通过装置的CPU自动完成，实现了一键自动校正的功能。通过上位机的一个指令按键，能够自动、快速、精确地完成整个校正过程，大大提高了调试人员的工作效率[7-9]。

1　精度自动校正原理

1.1算法实现原理

傅里叶变换是数字信号处理领域中一种很重要的信号分析方法：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅里叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。傅里叶变换将原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号(信号的频谱)，可以利用一些工具对这些频域信号进行处理、加工[10-11]。

傅里叶变换是一种特殊的积分变换。它能将满足一定条件的某个函数表示成正弦基函数的线性组合或积分。本系统校正所用到的算法如下：

(1)

(2)

式中:N为周期采样点数；Hc[i]和Hs[i]为求取的第i个数据点的傅里叶系数。

当采样点数为80点时，傅里叶系数公式为：

(3)

(4)

一般情况下，为了减轻CPU的负担，先形成不同周期采样点数的傅里叶系数表；计算时查表，以避免重复计算傅里叶系数。

系数相量算法公式如下：

(5)

(6)

根据基波有效值就可以得到本通道的真实数字输出值，将真实数字输出值和本通道的额定数字输出值进行比较，就能得到本通道的系数。额定数字输出值与通道类型有关，具体的映射关系如表1所示。根据基波实部和虚部的运算，可以得到通道相位值；与指定的基准通道的相位比较，就能知道当前通道相对于基准通道的相位偏移值。

表1　额定输入/输出映射表

1.2自动校正系统实现原理

自动校正系统主要包括上位机和合并单元装置。

上位机工具利用以太网连接和远程过程调用(remote procedure call,RPC)协议技术对装置内部相应的内存变量进行修改和读取，实现调试人员对通道自动校正过程的控制；根据装置反馈的数据，对校正过程进行实时观察和判断，实现校正结果的固化。

合并单元装置部分主要实现有效数据的采集、存储、自动校正等功能。

自动校正系统实现原理如图1所示。

图1　自动校正系统实现原理图

为了实现图1所示的功能，装置内部需要运行两个任务：通道数据采集任务和通道校正任务，如图2所示。

图2　自动校正系统装置端实现示意图

通道数据采集任务的作用是为每个采集通道准备单独的存储区域、采集有效的通道数据，并与通道校正任务交互信息。

通道校正任务的作用是利用通道数据采集任务准备好的通道数据，按照不同的算法，分别实现通道的零漂、系数和相位校正。

2　自动校正系统的实现

2.1通道数据采集任务的实现

合并器装置实现的通道数据采集任务用于完成各个通道的数据采集工作，并保证采集到的数据为连续有效的完整周期波形数据。采集任务负责将采集到的数据分别储存在各个通道的数据备份区内。当存储的数据达到校正需要的点数(校正精度要求越高，需要采集的数据点数越多)之后，自动停止该通道的数据存储工作，并向通道校正任务传递数据准备信号。

整个过程不需要外部干涉，只要通道存储区没有数据或者数据无效，任务就会自主完成采集数据工作。通道存储区的大小可以通过配置文件进行设置。

2.2通道校正任务的实现

在通道数据准备好的情况下，通道校正任务可以根据上位机软件的校正命令，进行相应的通道校正，其流程如图3所示。

图3　CPU通道校正任务流程图

任务休眠一定的时间之后，开始解析上位机软件下发的校正指令。如果需要校正本通道并且该通道数据已经准备好，那么根据上位机指令包含的具体校正类型，进入相应的校正模块。

零漂校正模块流程图如图4所示。首先需要确定是否有校正本通道零漂的上位机命令、本通道校正所需的数据是否准备好。如果两者都具备条件，就可以进入通道校正的算法程序：根据本通道的备份区数据，求出本通道数据的算术平均值。然后将该数据备份区的所有点的数据值分别减去本通道算术平均值，得出每一个采样点的零漂偏移。最后再对这些计算出来的所有点的零漂偏移求算术平均值，即可得到本通道的零漂偏移值。

图4　零漂校正模块流程图

计算出零漂之后，就可以计算通道的系数和相位偏移。系数校正和相位校正首先需要确定是否有校正本通道系数或相位的上位机命令、本通道校正所需数据是否准备好。如果两者都满足，就进入通道校正的算法程序。用本通道备份区的每一个采样点数据分别减去该通道的零漂偏移值，即可得到每个采样点去除零漂偏移影响的数据值——真实采样值；将得到的所有点的真实采样数据按照傅里叶算法计算，可以得到本通道的基波波形的实部、虚部以及基波有效值。

根据基波有效值，可以得到本通道的真实数字输出，将该值和通道额定的数字输出值(见表1)进行比较，就可以得到本通道的系数。

根据基波实部和虚部，即可计算出本通道相位，再和选定的基准通道(可在上位机工具任意选定)进行比较，就可以得到相对于基准通道的相位偏移值。

这些校正的计算过程都是由合并单元自动完成的。只需要上位机发送相应的校正信号，合并单元就会自动完成对应的校正工作。所有的校正完成之后，将各通道的校正结果写入配置文件。合并单元以后每次上电，都会根据该配置文件先初始化各个通道。

3　自动校正系统的测试

自动校正系统的测试效果图如图5所示。

图5　通道校正效果示意图

如图5(a)所示，被检测信号和基准信号在幅值和相位上都有差异，我们的目的是校正被检信号，使之与基准信号重合。通过本文设计的通道自动校正系统，只需在上位机工具界面上点击零漂校正、系数校正和相位校正三个按键，就能得到如图5(b)所示的校正后的波形。由图5(b)可以看出，被检信号已经得到校正并和基准信号线重合，经实际检测验证精度满足合并器要求。

利用自动校正工具校正之后的合并器装置交流采样准确级如表2所示。

表2　校正后的合并单元交流采样准确级表

以上精度全部满足国家电网企业标准《模拟量输入式合并单元检测规范》[11]。

4　结束语

通过测试结果可以看到，合并单元精度自动校正系统的校正结果能够满足指标要求，解决了传统校正方法效率低和易出错的弊端。本文设计的合并单元精度自动校正系统极大地提高了通道的校正效率和校正精度，减小了校正误差，且校正过程简单易行，对提升合并器装置生产和测试效率有很大帮助。该系统在提高数据采集控制效率、优化采集任务和校正任务交互方式、提高CPU的傅里叶算法计算效率等方面还有很大的空间。

[1] 倪益民,杨宇,樊陈,等.智能变电站二次设备集成方案讨论[J].电力系统自动化,2014,38(3):194-199.

[2] 赵应兵,周水斌,马朝阳.基于IEC61850-9-2的电子式互感器合并单元的研制[J].电力系统保护与控制,2010,38(6):104-106、110.

[3] 闫志辉,周水斌,郑拓夫,等.新一代智能站合并单元智能终端集成装置研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(14):117-121.

[4] 张晓华,牛元立,何刚,等.电子式互感器采样系统固有延时测试研究[J].电测与仪表,2011,48(7): 42-45.

[5] 李英明,郑拓夫,周水斌,等.一种智能变电站合并单元关键环节的实现方法[J].电力系统自动化,2013,37(11):93-97.

[6] 范训冲,万方华,张洪.一种实现合并单元同步采样的方案[J].自动化仪表,2015,36(7): 100-102.

[7] 王忠东,李红斌,程含渺,等.模拟量输入合并单元计量性能测试研究[J].电网技术,2014,38(12):3522-3527.

[8] 唐毅,李振华,江波.基于IEC61850-9的电子式互感器现场检验系统[J].高电压技术,2014,40(8):2353-2359.

[9] 谭洪恩,胡浩亮,雷民,等.电子式互感器现场校准技术实验分析[J].高压电器,2010,36(12):2990-2995.

[10]熊元新,陈允平.离散傅里叶变换的定义研究[J].武汉大学学报(工学版)，2006，39(1)：89-91、142.

[11]国家电网公司.Q/GDW 11015-2013,模拟量输入式合并器检测规范[S].2013:14-15.

ImplementationoftheAutomaticPrecisionCorrectionSystemforMergingUnit

Inordertoimprovetheprecisionofmerger,andsimplifythecomplexityofthechannelcorrection,theprecisionautomaticcorrectionsystemofelectricpowermergingunit(MU)isresearchedanddeveloped.Thesystemmainlyconsistsofthehostcomputerandmergingunitdevice.Hostcomputerneedstocompletesendingavarietyofinstructionsforautomaticcorrections,calculatinganddetectingthecalibrationresults,etc.Thedeviceneedstoacquireandcontroleffectivelydataofeachchannel,andaccordingtothecommandsofhostcomputer,tocorrectthedatainbackupareaofeachchannel.Thecorrectionprocessiscompletedthroughcallingcorrespondingcorrectionalgorithmmodule.Comparedtothetraditionalchannelcorrectionprocesswithmanualmodifyingparameter,theautomaticcorrectionsystemgreatlyimprovesthechannelcalibrationefficiencyandprecision,anddecreasestheerrorofcalibration,aswellasthecorrectionprocessismoresimpleandeasy.

ElectricpowersystemSmartsubstationAutomaticcorrectionMergingunitAcquisitionchannelFourieralgorithmPrecisioncorrectionRemoteprocedurecall(RPC)

宋彦锋(1984—)，男，2010年毕业于中北大学电路与系统专业，获硕士学位，工程师；主要从事智能变电站设备嵌入式软件平台的研究。

TH-39;TP27

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609009

修改稿收到日期：2016-03-08。