CN103792419B

CN103792419B - 实现模拟量与数字量混合接入的同步采样方法

Info

Publication number: CN103792419B
Application number: CN201410075378.8A
Authority: CN
Inventors: 刘益青; 王林先; 高伟聪
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: CN103792419A

Abstract

一种适用于智能变电站数字化保护的模拟量、数字量混合接入的同步采样方法。智能变电站数字化保护装置存在电磁式互感器的模拟量输入和合并单元的数字量输入同时直接接入的情况。本方法以数字化保护装置内部产生的可调整时间间隔的采样脉冲为基准，一方面启动保护装置内置的AD模块，对模拟量输入进行AD转换；一方面依据额定延时，确定数字量输入数据帧的插值时刻，通过拉格朗日插值方法计算出数字量输入对应采样脉冲时刻的一次系统电气量，从而实现数字量输入与模拟量输入的同步采样。采样脉冲的时间间隔可根据实时测量的信号频率调整，实现等角度采样，以减小频谱泄露。

Description

实现模拟量与数字量混合接入的同步采样方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，具体涉及一种适用于智能变电站数字化保护的模拟量、数字量混合接入的同步采样方法。

背景技术

电力系统继电保护系统用于电网发生故障时快速地、有选择性地切除故障设备，保证电网无故障部分的正常运行。继电保护系统是由互感器、保护装置、二次回路等多个部分组成的有机整体，其中保护装置构成整个系统的核心。互感器用于将一次系统的高电压、大电流变换为二次信号，二次信号可以是电磁式互感器输出的模拟量也可以是电子式互感器、光互感器输出的数字量。无论采用哪种类型的互感器，保护装置必须依据一次系统同一时刻的电气量进行逻辑判断，因此继电保护系统必须要解决的关键问题之一就是数据同步。

采用微处理器的数字化保护装置只能处理数字信号，因此整个继电保护系统需要配置专用的A/D转换模块，完成模拟量到数字量的转换。采用电磁式互感器时，A/D转换模块位于数字化保护装置内部；采用电子式互感器、光互感器时，A/D转换模块位于互感器内，并通过合并单元将数字量（SV，SampledValues）发送给数字化保护装置。

继电保护系统只接入电磁式互感器时，数据同步由保护装置的A/D转换模块保证；只接入电子式互感器、光互感器时，数据同步由合并单元及保护装置共同保证，一般采用固定延时的点对点数据链路传输SV，通过数据插值的方法实现数据同步。

但是在智能变电站的建设过程中，往往会遇到继电保护系统同时接入电磁式互感器和电子式互感器、光互感器（含合并单元）的情况。例如：变压器各侧不同电压等级使用不同类型的电流互感器；母线差动保护不同间隔使用不同类型的电流互感器；低压馈线保护使用电磁式电流互感器，同时需接收母线电压合并单元发送的数字量。

在这种模拟量与数字量混合接入的继电保护系统中，目前的解决方案通常是增加模拟量输入的合并单元将电磁式互感器模拟量输出转换为数字量后接入保护装置。之后的数据同步采用与只接入电子式互感器、光互感器时相同，即采用数据插值方式实现数据同步。

现有技术方案需要增加模拟量输入的合并单元，不但影响数据采集的精度，增加数据传输延时，而且增加了继电保护系统的复杂性，减低了可靠性和可维护性。

发明内容

为克服现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种适用于智能变电站数字化保护的模拟量、数字量混合接入的同步采样方法。该方法可实现不同类型的互感器直接接入数字化保护装置，在保护装置内部依据可调时刻的本地脉冲、采用数据插值方法实现多类型数据源的同步。

本发明采用的具体技术方案如下：

数字化保护的模拟量、数字量混合接入同步采样方法，包括如下步骤：

（1）电子式互感器、光互感器以固定不变的采样率f ₁Hz，定时启动内置的AD转换模块，合并单元以同样的速率将AD转换后的数字量，按照IEC61850-9-2标准格式组成SV采样值帧，并通过点对点的光纤链路发送给数字化保护装置。

（2）数字化保护装置接收到合并单元发来的SV采样值帧，由硬件标定出精确的接收时刻，该接收时刻与电子式互感器实际采集到的一次系统电气量时刻的时间差定义为额定延时T _d；数字化保护装置将接收到的SV采样值帧进行实时解帧处理，并依次将采样值转存到存储器中，形成接收SV采样值序列，作为后续插值运算的数据源。

（3）数字化保护装置内部也设置独立的AD转换模块，AD转换的启动时刻由保护装置的采样脉冲决定；采样脉冲根据实时测量的输入信号频率，按照每整周期固定N点等时间间隔均分后发出，若实际输入信号频率为f ₂Hz，则采样间隔时间为T _s=1/(f ₂ *N)秒；AD转换的数字量结果依次转存到存储器中，形成模拟量输入采样值序列。

（4）忽略模拟信号在电缆中的传输延时，可认为步骤（3）中形成的模拟量输入采样值序列对应的采样时刻t _k，就是电磁式互感器实际采集到的一次系统电气量时刻；以此时刻为基准，确定插值时刻t ^’ _k，在步骤（2）形成的接收SV采样值序列中，通过数据插值方法，找到电子式互感器实际采集到的一次系统t _k时刻的电气量，实现数字量输入与模拟量输入的同步采样。

（5）将步骤（3）中获得的t _k时刻模拟量输入采样值与步骤（4）中获得的同时刻数字量输入采样值合并在一起，触发DSP中断，通知DSP读取同步好的采样数据，进行后续逻辑判断。

在上述步骤（3）中，采用过零检测法实时测量输入信号频率，对于电磁式互感器输入的模拟量信号采用硬件电路检测过零时刻，对于接收SV采样值序列采用软件方法检测信号过零时刻。

在上述步骤（4）中，为确定接收SV采样值序列的插值时刻，本发明采用的方法是：将数字化保护装置内部启动AD转换的采样脉冲时刻t _k，延时T _d时间后确定为SV数据同步的插值时刻t ^’ _k。数据插值得到的结果即为与模拟量输入同步的SV数字量输入数据，且都对应同时刻t _k的一次系统电气量。数据插值的方法采用拉格朗日线性插值算法。

在上述步骤（4）中，数据插值运算的执行时机选择在确定的插值时刻t ^’ _k到之后，并再次接收到SV数据时，此时进行拉格朗日插值所需的前后两帧SV数据已经准备好。

本发明的有益效果包括：

1、数字化保护装置可以同时直接接入模拟量与数字量，省去了模拟量输入的合并单元，提高了继电保护系统的可靠性和适应性。

2、使数字化保护装置最大限度的与常规微机保护兼容，只在数据输入接口做预处理，不影响核心保护逻辑，并可以实现频率跟踪，减少频谱泄露。

3、优化了数字量输入条件下进行插值同步的处理时机，缩短了数据准备时间，有利于提高数字化保护的速动性。

附图说明

图1是智能变电站混合数据源接入的典型应用示意图；

图2是同时接入电磁式互感器和SV数字量时的同步采样时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细说明，但不作为对本发明保护范围的限制，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均在本发明的保护范围内。

智能变电站混合数据源接入的典型应用如图1所示。智能变电站中变压器高、中、低3侧分别使用电子式互感器和电磁式互感器，采用电流差动原理的变压器保护装置需要采集一次系统同时刻的电流量，进行差动逻辑判断，这就要求保护装置实现模拟量与数字量混合接入的同步采样。

依照本发明方法在数字化保护装置内实现电磁式互感器模拟量与SV数字量混合接入的同步采样，继电保护系统的处理时序如图2所示，具体实现流程为：

（1）电子式互感器以4kHz频率，定时启动内置的AD转换模块，将模拟量转换为数字量。合并单元以4kHz频率，按照IEC61850-9-2标准格式组成SV帧，并通过点对点的光纤链路发送给数字化保护装置。图2中a、b时刻对应的一次系统电气量采样值，经过额定延时T _d后分别在a’、b’时刻由保护装置接收到。保护装置将接收到的SV数据帧进行实时解帧处理，并依次将采样值转存到存储器中，形成接收SV采样值序列。

（2）保护装置采用过零检测法对电磁式互感器输入的模拟量信号进行实时频率测量，测量结果为f ₂Hz。按照每整周期固定24点采样，平均分配得到采样脉冲间隔为T _s=1/(f ₂ *24)秒。对于电力系统而言，f ₂一般在50Hz附近波动，例如测得f ₂=50.00Hz，则T _s=833.333微秒；测得f ₂=49.80Hz，则T _s=836.680微秒。

（3）保护装置按照采样间隔T _s定时启动内部独立的AD转换模块，对电磁式互感器输入的模拟量信号进行AD转换，转换后的数字量结果依次存放到存储器中，形成模拟量输入采样值序列。忽略模拟量信号在电缆中的传输延时，则该序列采样时刻与电磁式互感器实际采集到的一次系统电气量时刻相对应。

（4）图2中，保护装置在t _k时刻产生一个采样脉冲，启动AD转换，得到转换后的采样值①；以此采样时刻为基准，延时T _d时间，在t ^’ _k时刻生成虚拟的插值脉冲，t ^’ _k位于a’、b’时刻之间；根据接收到的a’和b’采样值，以及t ^’ _k时刻与a’、b’时刻的相对关系，进行拉格朗日线性插值运算，得到t ^’ _k时刻的采样值②，采样值②在b’采样值帧达到后才能计算得到；保护装置将采样值①与采样值②，组成完整的输入量采样值③，并触发DSP中断，DSP读取采样值。到此，DSP获取的采样值④即为对应t _k时刻的一次系统电气量同步采样数据，实现了数字量输入与模拟量输入的同步采样。

Claims

1.一种实现模拟量与数字量混合接入的同步采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）电子式互感器、光互感器以固定不变的采样率f ₁Hz，定时启动内置的AD转换模块，合并单元以同样的速率将AD转换后的数字量，按照IEC61850-9-2标准格式组成SV采样值帧，并通过点对点的光纤链路发送给数字化保护装置；

（2）数字化保护装置接收到合并单元发来的SV采样值帧，由硬件标定出精确的接收时刻，该接收时刻与电子式互感器实际采集到的一次系统电气量时刻的时间差定义为额定延时T _d，数字化保护装置将接收到的SV采样值帧进行实时解帧处理，将解出的采样值依次转存到存储器中，形成接收SV采样值序列；

（3）数字化保护装置每隔T _s时间间隔，产生一个采样脉冲，采样脉冲时间间隔T _s的确定方法是根据实时测量的输入信号频率f ₂Hz，按照每整周期固定N点等时间间隔均分后确定，T _s=1/(f ₂ *N)秒，采样脉冲时刻记为t _k，由采样脉冲启动内置的AD转换模块，待转换完成后读取AD转换的数字量结果，并依次转存到存储器中，形成模拟量输入采样值序列；

（4）步骤（3）中形成的采样脉冲时刻t _k，就是电磁式互感器实际采集到的一次系统电气量时刻，以此时刻为基准，确定SV数据同步的插值时刻t ^’ _k，确定t ^’ _k的方法是将数字化保护装置内部启动AD转换的采样脉冲时刻t _k延时T _d时间后确定为t ^’ _k，在步骤（2）形成的接收SV采样值序列中，通过数据插值方法，找到电子式互感器实际采集到的一次系统t _k时刻的电气量，实现数字量输入与模拟量输入的同步采样；

2.根据权利要求1所述的实现模拟量与数字量混合接入的同步采样方法，其特征在于，实时测量输入信号频率的方法采用过零检测法，对于电磁式互感器输入的模拟量信号采用硬件电路检测过零时刻，对于接收SV采样值序列采用软件方法检测信号过零时刻。

3.根据权利要求1所述的实现模拟量与数字量混合接入的同步采样方法，其特征在于，步骤（4）中数据插值方法采用拉格朗日线性插值算法。

4.根据权利要求1所述的实现模拟量与数字量混合接入的同步采样方法，其特征在于，步骤（4）中数据插值运算的执行时机选择在确定的插值时刻t ^’ _k到之后，并再次接收到SV数据时，此时进行拉格朗日插值所需的前后两帧SV数据已经准备好。