CN109061535A - 一种同步相量采样误差的校正装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种同步相量采样误差的校正装置，包括基于SoPC的处理器系统及可编程逻辑控制器，处理器系统的双CPU中分别对应设置有采样误差计算模块与采样误差平滑模块，可编程逻辑控制器中设置有采样模块及相量计算模块，采样误差计算模块用于根据采样模块采集的数据及相量计算模块计算的数据计算采样误差，采样误差平滑模块用于根据采样误差计算平滑补偿因子，根据平滑补偿因子调整采样模块的参数。利用可编程片上系统内部的高速互联，实现对FPGA在采样中存在的采样误差进行实时平滑，可用于实现电力系统动态条件下的同步相量高精度测量和高速计算，有效的解决强波动电源‑强随机负荷场景下智能电网状态的快速、准确感知问题。
Description
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，特别涉及一种同步相量采样误差的校正装置。
背景技术
大规模分布式能源接入配电网，电动汽车充电负荷快速增长，用户供需互动日益频繁，使得配电网出现双向化、智能化、电力电子化等新特征，配电网的源、网、荷具有更强的时空不确定性，呈现出常态化的随机波动和间歇性，现有的同步相量测量技术难以解决强波动电源-强随机负荷场景下智能配电网状态快速、准确感知问题。
离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)算法是应用最广泛的同步相量计算方法。在实际中，电力系统的频率并不是固定不变的，大规模分布式电源接入、负载失衡、系统故障等都会引起频率的变化。DFT算法在非工频频率下，会出现非同步采样误差即频谱泄露现象，使同步相量计算精度降低。
目前，有相关文献对非同步采样误差进行分析及从时域角度对非整周期采样的误差进行分析，实际应用中同步相量测量主要为整周期的同步采样。如公开号为“CN102902879A”名称为“一种基于FPGA硬件DFT递推的同步相量计算方法”提出，耗时较长的递推DFT运算由FPGA完成，但未涉及对采样误差的处理。
目前同步相量测量装置普遍采用DSP/CPU+FPGA的嵌入式系统，由于DSP或CPU与FPGA是两个相互独立的系统，受制于二者之间的通信瓶颈，无法进行实时传输。因此对FPGA在采样中存在的采样误差不能进行实时校正，造成同步相量测量误差的积累，限制了同步相量测量精度的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同步相量采样误差的校正装置，用于解决现有技术中同步相量测量精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种同步相量采样误差的校正装置，包括基于SoPC的处理器系统及基于SoPC的可编程逻辑控制器，所述处理器系统的双CPU中分别对应设置有采样误差计算模块与采样误差平滑模块，所述可编程逻辑控制器中设置有采样模块及相量计算模块，所述采样误差计算模块用于根据所述采样模块采集的数据及相量计算模块计算的数据计算采样误差，所述采样误差平滑模块用于根据所述采样误差计算平滑补偿因子，根据所述平滑补偿因子调整所述采样模块的参数。
为了对数据进行滤波，所述可编程逻辑控制器中还设置有滤波模块，所述滤波模块用于对所述采样模块采集的数据进行滤波。
作为对滤波模块的进一步限定，所述滤波模块为FIR滤波模块。
作为对相量计算模块的进一步限定，所述相量计算模块为FFT相量计算模块。
进一步地，所述处理器系统与所述可编程逻辑控制器通过AXI互联系统连接。
作为对采样误差平滑模块的进一步限定，所述采样误差平滑模块采用滑动方差最小的方法计算所述平滑补偿因子。
进一步地，所述采样模块、滤波模块、相量计算模块对应设置有不同的IP。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种同步相量采样误差的校正装置，包括基于SoPC的处理器系统及可编程逻辑控制器，处理器系统的双CPU中分别对应设置有采样误差计算模块与采样误差平滑模块，可编程逻辑控制器中设置有采样模块及相量计算模块，采样误差计算模块用于根据采样模块采集的数据及相量计算模块计算的数据计算采样误差，采样误差平滑模块用于根据采样误差计算平滑补偿因子，根据平滑补偿因子调整采样模块的参数。利用可编程片上系统内部的高速互联，实现对FPGA在采样中存在的采样误差进行实时平滑，可用于实现电力系统动态条件下的同步相量高精度测量和高速计算，有效的解决了强波动电源-强随机负荷场景下智能电网状态的快速、准确感知问题。
附图说明
图1为本发明的基于SoPC的实时平滑同步相量采样误差架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
一种同步相量采样误差的校正装置，包括可编程片上系统(System onProgrammable Chip，SoPC)的处理器系统及可编程逻辑控制器，处理器系统的双CPU中分别对应设置有采样误差计算模块与采样误差平滑模块，可编程逻辑控制器中设置有采样模块及相量计算模块，采样误差计算模块用于根据采样模块采集的数据及相量计算模块计算的数据计算采样误差，采样误差平滑模块用于根据采样误差计算平滑补偿因子，根据平滑补偿因子调整采样模块的参数。
本实施例的可编程逻辑控制器中还设置有滤波模块，滤波模块与采样模块连接；其中，滤波模块为FIR滤波模块；相量计算模块为FFT相量计算模块；而且可编程逻辑控制器中的采样模块、滤波模块、相量计算模块对应设置有不同的IP。
本实施例的处理器系统与可编程逻辑控制器通过AXI互联系统连接；采样误差平滑模块采用滑动方差最小的方法计算平滑补偿因子。
具体的，如图1所示，可编程片上系统(System on Programmable Chip，SoPC)，包括在SoPC的处理器系统(Processing System，PS)中的双CPU中分别设置采样误差计算模块和采样误差平滑模块，采用滑动方差最小的方法对实时计算出的采样误差进行毫秒级实时平滑；在可编程逻辑(Programmable Logic，PL)中基于IP(Intellectual Property)软核设置高速采样模块、FIR滤波器模块和FFT相量计算模块，各模块之间通过符合AMBA规范的AXI互联系统实现纳秒级高速互联。
下面对各个模块的功能进行介绍：
PL中的FFT相量计算模块，通过高速互联系统将计算出的相量数据以及相量传输的时间间隔实时传送给采样误差平滑模块；相量数据包括电压相量数据和电流相量数据。PL中的FIR滤波器模块用于对采样模块采集的数据进行滤波，以去除谐波。
采样误差计算模块结合原始采样数据和计算出的相量数据计算采样误差。采样误差计算模块实时计算出采样误差，并通过互联系统实时传送给采样误差平滑模块。采样误差实时平滑模块用于根据采样误差采用滑动方差最小的方法计算出实时平滑补偿因子，避免了过调造成的相量数据值的抖动。其中，平滑补偿因子的计算过程为：
PL中的高速采样模块在将t0时刻的采样数据发送给滤波器模块已进行实时相量计算的同时，会将采样数据进行一定时间的储存。PL中的相量计算模块依据预设的频率等系统数据进行实时的同步相量计算和上送，此次计算的同步相量计算结果记为p0。PS中的采样误差计算模块根据系统实时测频结果对相量计算的采样窗进行自适应的匹配，并对t0时刻的采样数据进行相量计算，计算出的结果记为p1。Δ＝p1-p0为t0时刻的同步相量计算误差。误差的来源为采样频率与电力系统信号的频率不匹配。PS中的采样误差平滑模块根据误差值计算出需要调整的采样周期值，并换算到PL中高速采样模块对应时钟的分频值。举例说明：
t1时刻计算的误差为Δ1＝p1-p0；平滑补偿因子L1＝F(Δ1)。
t2时刻计算的误差为Δ2＝p2-p1；平滑补偿因子L2＝F((Δ1+Δ2)/2)。
t3时刻计算的误差为Δ3＝p3-p2；平滑补偿因子L3＝F((Δ1+Δ2+Δ3)/3)。
若从t4时刻开始进行滑动方差处理，t4时刻计算的误差为Δ4＝p4-p3；平滑补偿因子L4＝F((3×L3-L1+Δ4)/3)，以该方法可计算出t5时刻的误差及平滑补偿银子，以此类推，tn时刻计算的误差为Δn＝pn-pn-1；对应的平滑补偿因子Ln＝F((3×Ln-1-Ln-3+Δn)/3)。
采样误差平滑模块获得需要实时平滑的补偿因子后，通过在每个整秒时刻利用ZYNQ芯片在线调整PL中高速采样模块的定时器参数，即在当前时钟周期传入PL的配置寄存器后，下一个时钟周期(约20ns后)PL即会按照新的采样周期进行采样，实现对高速采样模块的采样间隔进行实时配置。
综上，利用可编程片上系统内部的高速互联，实现对FPGA在采样中存在的采样误差进行实时平滑，可用于实现电力系统动态条件下的同步相量高精度测量和高速计算。根据GB-T-26862-2011电力系统同步相量测量装置检测规范和DL-T-280-2012电力系统同步相量测量装置通用技术条件的规定，传统的同步相量测量装置，对相位/相角的测量误差为0.5°，采用本方法后，对相位/相角的测量误差减小到了0.05°，有效的解决了强波动电源-强随机负荷场景下智能电网状态的快速、准确感知问题。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种同步相量采样误差的校正装置，其特征在于，包括基于SoPC的处理器系统及基于SoPC的可编程逻辑控制器，所述处理器系统的双CPU中分别对应设置有采样误差计算模块与采样误差平滑模块，所述可编程逻辑控制器中设置有采样模块及相量计算模块，所述采样误差计算模块用于根据所述采样模块采集的数据及相量计算模块计算的数据计算采样误差，所述采样误差平滑模块用于根据所述采样误差计算平滑补偿因子，根据所述平滑补偿因子调整所述采样模块的参数。
2.根据权利要求1所述的同步相量采样误差的校正装置，其特征在于，所述可编程逻辑控制器中还设置有滤波模块，所述滤波模块用于对所述采样模块采集的数据进行滤波。
3.根据权利要求2所述的同步相量采样误差的校正装置，其特征在于，所述滤波模块为FIR滤波模块。
4.根据权利要求1所述的同步相量采样误差的校正装置，其特征在于，所述相量计算模块为FFT相量计算模块。
5.根据权利要求1所述的同步相量采样误差的校正装置，其特征在于，所述处理器系统与所述可编程逻辑控制器通过AXI互联系统连接。
6.根据权利要求5所述的同步相量采样误差的校正装置，其特征在于，所述采样误差平滑模块采用滑动方差最小的方法计算所述平滑补偿因子。
7.根据权利要求2所述的同步相量采样误差的校正装置，其特征在于，所述采样模块、滤波模块、相量计算模块对应设置有不同的IP。
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Effective date of registration: 20190509 Address after: No. 1298 Xu Jie Avenue, Xuchang, Henan Province Applicant after: Xuji Group Co., Ltd. Applicant after: Xuji Electric Co., Ltd. Applicant after: Xuchang Xuji Software Technology Co., Ltd. Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company Address before: No. 1298 Xu Jie Avenue, Xuchang, Henan Province Applicant before: Xuji Group Co., Ltd. Applicant before: Xuji Electric Co., Ltd. Applicant before: Xuchang Xuji Software Technology Co., Ltd. Applicant before: State Grid Corporation of China |
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| GR01 | Patent grant | ||
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