CN103424733B - 一种数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法 - Google Patents

Abstract

一种数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法，该方法是基于正弦曲线的插值方法，包括：对电能信息采样数据中的采样点序号进行判断，捕捉丢帧发生的采样点；记录最新的采样点值作为插值所用的样本值；当周波采样点数为80个点，每次丢失1个采样点信息时，采用中值内插法对样本值进行处理；当周波采样点数为256个点，每次丢失8个采样点信息时，采用递推外插法对样本值进行处理，计算需要补入的目标采样点值。本发明中，由于电网基波是正弦曲线，而且采样点间隔固定，周波采样点数已知，可以采用正弦曲线拟合的方法进行插值，可靠性高。该方法的计算量和所需的数据存储空间都很小，很好地满足具体的工程应用。

Description

一种数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法

技术领域

本发明涉及数字化变电站电能计量数据处理领域，尤其是应用于数字量输入电能计量信息采样点丢失数据的修正方法。

背景技术

近年来在IEC61850标准规范下的数字化变电站发展迅猛，其用光电传感器代替传统的电磁式互感器，如图1所示，数字化变电站采用电子式电流互感器、电子式电压互感器采集电流电压数据，合并单元用于将电流电压采样值同步组合打包成IEC61850报文，通过交换机发送至数字化电能表，对电能的测量精度更高，测量范围更广，且减少了由于传输受干扰而引入的误差。由于传统电能表不能对IEC61850数据包中的数据进行提取和处理，因此产生了基于IEC61850的数字化电能表的需求。

数字化变电站内电能计量技术在模拟量采集方式上有了巨大变化，相比于传统变电站，新型数字化变电站内模拟量采样实现全数字量化后通过光纤线路传输，能为变电站内的数字化电能表提供准确、可靠的数据来源。量化后的采样值数据经过封装后按照标准的以太网帧格式进行传输。

但是由于采样数据通过网络进行传输，无法避免地会发生丢帧情况，这将造成采样点数据丢失，给电能计量带来误差。为了提高误差精度，需要对丢失信息进行处理。数字化电能表由采样值数据驱动，实时性要求很高，因此处理方法的设计既要考虑精度也要考虑计算资源。现常用的处理方法主要有线性插值、二次拉格朗日插值、曲线拟合等方法。线性插值计算量较小，但在理论上存在较大误差；二次拉格朗日插值的基本多项式多变，插值点较多时具有数值不稳定的特点；而曲线拟合则计算量较大，需要大量计算资源，不适合嵌入式开发的电能计量装置。

发明内容

本发明的目的是针对数字量输入电能信息采样点丢失时如何进行修正的问题，提出一种数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法。

本发明的技术方案是：

一种数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法，该方法是基于正弦曲线的插值方法，包括以下步骤：

（1）、对电能信息采样数据中的采样点序号进行判断，捕捉丢帧发生的采样点；

（2）、记录最新的采样点值作为插值所用的样本值；

（3）、当周波采样点数为80个点，每次丢失1个采样点信息时，采用中值内插法对样本值进行处理，计算需要补入的目标采样点值，进行补入修正；

当周波采样点数为256个点，每次丢失8个采样点信息时，采用递推外插法对样本值进行处理，计算需要补入的目标采样点值，进行补入修正。

本发明的电能信息采样数据采用下述方式获取：电子式电压、电流互感器进行采样后，通过同步时钟在合并单元内将电流、电压采样值组合打包，组合后的采样值数据包通过光纤网络进行传输，采样值为等间隔有序数据。

本发明的步骤（1）具体包括：当接收到一个采样点数据包后，首先更新、存储最新的采样点数据作为样本；同时，计算当前采样点与前个记录采样点的序号差值，判断是否发生丢帧，如果没有丢帧，继续接收采样点数据包；如果丢帧，查看丢失的数据帧中包含采样点个数，序号差值是1就是丢1个采样值，序号差值是8就是丢8个采样值。

本发明的步骤（3）中，采用中值内插法对样本值进行处理具体为：采用下述公式计算得到漏点采样值，

$y_n=\frac{y_{n-1}+y_{n+1}}{2\cos \frac{\mathrm{\π}}{40}}$

其中，周波采样点数为80，n-1、n、n+1表示采样点序号，n为n-1和n+1的中值，y_n为该中值点上的采样值即漏点采样值，y_n-1和y_n+1分别为该漏点采样值前后采样点的采样值。

本发明的步骤（3）中，采用递推外插法对样本值进行处理具体为：采用下述公式计算得到漏点采样值，

$y_n=2\cos \frac{\mathrm{\π}}{128}{y}_{n-1}-y_{n-2}$

其中，周波采样点数为256，n-2、n-1、n表示采样点序号，y_n-2和y_n-1分别为第一个漏点采样值之前的两个采样点的采样值，经过递推使用该公式计算丢失数据帧中的所有采样点值。

本发明的有益效果：

本发明中，由于电网基波是正弦曲线，而且采样点间隔固定，周波采样点数已知，可以采用正弦曲线拟合的方法进行插值。经过数学分析可以证明，该算法在理论上不存在误差；而实际情况下，则存在谐波分量带来的噪声误差以及采样值精度造成的计算误差，但是这些对整个插值的效果影响很小，可以忽略不计。同时，该方法的计算量和所需的数据存储空间都很小，很好地满足具体的工程应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2中值内插算法示意图。

图3递推外插算法示意图。

图4本发明的基于正弦曲线插值方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示，在数字化变电站中，电能计量所需的电压、电流数据是通过电子式互感器进行采样后，通过同步时钟在合并单元内将电流、电压采样值组合打包，组合后的采样值数据包使用高速可靠的光纤网络进行传输，因此，可以认为采样值为等间隔有序数据。

电压、电流值数据模型可由式(1)和式(2)表示。为了便于分析，两个数据模型经过离散化之后，可归结为式(3)。其中，N为周波采样点数，在所使用的采样值传输协议IEC61850-9-2LE中的典型值是80点/周波、256点/周波；n为采样点序号；A为幅值；y_n为采样值；为相位。

由式(3)可知，对于任意两点n₁、n₂存在满足式(4)和式(5)。

使用三角函数变换，按式(6)进行推演，得到与的代数关系。因此，在周波采样点数已知的情况下，可以根据任意两点采样值及采样点序号计算出两点中点的采样值。

根据数字化变电站采样值传输协议IEC61850-9-2LE描述，每个以太网帧会包含1个或8个采样值点。由此可知，发生一次丢帧时将丢失1个或8个采样点信息。

当周波采样点数为80个点时，每次丢失1个采样点信息，由式(6)推演结果可知，这个丢失的采样点信息可由该点前后紧邻的两个点推出。设这两个已知的采样点序号为n-1、n+1，中间丢失的采样点序号为n，n为正整数，同时N=80，通过式(6)可得式(7)。插值过程如图2所示。

$y_n=\frac{y_{n-1}+y_{n+1}}{2\cos \frac{\mathrm{\π}}{40}}---\left(7\right)$

当周波采样点数为256个点时，每次丢失8个采样点信息。由于8个点无法按式(6)进行中值内插，因此可采用递推外插的方法。假设已知两个采样点，序号为n-2、n-1，需要计算n的采样值。由式(6)可得式(8)，将N=256代入，进一步可得到式(9)。通过递推使用式(9)可将8个采样点值依次求出。插值过程如图3所示。

$y_{n-2}+y_n=2\cos \left(\frac{\mathrm{\π}(n-(n-2))}{N}\right)y_{((n-2)+n)/2}$ (8)

$=2\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}{y}_{n-1}$

$y_n=2\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}{y}_{n-1}-y_{n-2}$ (9)

$=2\cos \frac{\mathrm{\π}}{128}{y}_{n-1}-y_{n-2}$

本方法用于接收采样值后，实时判断丢帧情况并进行插值补点，整个过程依赖接收采样点数据进行驱动。当接收到一个采样点数据包后，首先更新、存储最新的采样点数据作为样本，以备用于进行插值运算；同时，计算当前点与前个记录点的序号差值，判断是否发生丢帧。如果丢失的数据帧中包含点数为1，采用式(7)计算漏点采样值，如果点数为8，采用式(9)计算各个漏点采样值，随后将计算出的采样值按序放入队列。在此过程中需要不断更新、记录最新的采样值数据。如图4所示为实现的插值方法流程图。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法，其特征是该方法是基于正弦曲线的插值方法，包括以下步骤：

(1)、对电能信息采样数据中的采样点序号进行判断，捕捉丢帧发生的采样点；

(2)、记录最新的采样点值作为插值所用的样本值；

(3)、当周波采样点数为80个点，每次丢失1个采样点信息时，采用中值内插法对样本值进行处理，计算需要补入的目标采样点值，进行补入修正；

当周波采样点数为256个点，每次丢失8个采样点信息时，采用递推外插法对样本值进行处理，计算需要补入的目标采样点值，进行补入修正。

2.根据权利要求1所述的数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法，其特征是电能信息采样数据采用下述方式获取：电子式电压、电流互感器进行采样后，通过同步时钟在合并单元内将电流、电压采样值组合打包，组合后的采样值数据包通过光纤网络进行传输，采样值为等间隔有序数据。

3.根据权利要求1所述的数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法，其特征是步骤(1)具体包括：当接收到一个采样点数据包后，首先更新、存储最新的采样点数据作为样本；同时，计算当前采样点与前个记录采样点的序号差值，判断是否发生丢帧，如果没有丢帧，继续接收采样点数据包；如果丢帧，查看丢失的数据帧中包含采样点个数，序号差值是1就是丢1个采样值，序号差值是8就是丢8个采样值。

4.根据权利要求1-3之一所述的数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法，其特征是步骤(3)中，采用中值内插法对样本值进行处理具体为：采用下述公式计算得到漏点采样值，

$y_n=\frac{y_{n-1}+y_{n+1}}{2cos\frac{\mathrm{\π}}{40}}$

其中，周波采样点数为80，n-1、n、n+1表示采样点序号，n为n-1和n+1的中值，y_n为该中值点上的采样值即漏点采样值，y_n-1和y_n+1分别为该漏点采样值前后采样点的采样值。

5.根据权利要求1-3之一所述的数字量输入电能信息采样数据丢失的修正方法，其特征是步骤(3)中，采用递推外插法对样本值进行处理具体为：采用下述公式计算得到漏点采样值，

$y_n=2cos\frac{\mathrm{\π}}{128}{y}_{n-1}-y_{n-2}$

其中，周波采样点数为256，n-2、n-1、n表示采样点序号，y_n-2和y_n-1分别为第一个漏点采样值之前的两个采样点的采样值，经过递推使用该公式计算丢失数据帧中的所有采样点值。