智能变电站重采样应用研究及其线性插值法误差分析

针对重采样环节在智能变电站应用过程中所引入的误差,分析了其在智能变电站中的具体应用场景,得到采样同步和采样频率转换两种典型方法。以线性插值算法为研究对象,通过建立矢量模型分析并结合实验验证的方法,得到线性插值幅频特性。结果表明,信号频率与插值位置是直接影响重采样精度的两个主要原因,线性插值误差对保护专业的影响可以忽略,但是对测量与计量专业的影响较大。通过提高采样率,改进同步或插值算法等办法,重采样误差可以减少甚至消除。     

考虑高次谐波影响的智能配电合并单元改进采样数据同步方法

通过合并单元进行不同电子式互感器间的采样数据同步过程中,当信号内存在谐波尤其是高次谐波时,现有方法难以准确地还原采样间隔处的数据,导致同步误差较大。针对这一问题,提出了一种改进采样数据同步方法。基于三样条插值理论,研究了采样数据的整体特征,用连续的分段三次函数描述采样点间的波形,提高了重采样精度。再根据插值算法原理与采样特征,通过归一化处理、矩阵变换、收敛性分析等方法,减小了计算量。最后通过仿真验证,该方法能够保证不高于21次谐波的重采样数据不失真,且计算时间仅为同等精度插值算法的10%左右。改进算法提高了采样数据同步精度,同时又解决了高精度插值运算量大的局限性,具有工程应用价值。     

全光纤电流互感器重采样同步算法对比研究

本文分析了线性插值算法和抛物线插值算法对电子式电流互感器重采样同步的误差影响,设计了无源电子式电流互感器重采样同步算法对比试验系统。基于全光纤电流互感器的实测数据,分别采用线性插值算法和抛物线插值算法进行重采样同步,试验结果表明:两种重采样同步算法都不影响全光纤电流互感器的噪声特性,抛物线差值算法对全光纤电流互感器准确度测试结果的影响更小。     

同步相量测量的若干关键问题

首先,阐述了非额定频率下相量的定义以及数据再同步对相量时标的要求。然后,结合数据再同步的需求分析了频率自适应采样方法在高密度的相量同步情况下的局限性;推导出一种在定间隔采样基础上能够有效消除非额定频率下离散傅里叶变换(DFT)算法产生的频率泄漏影响的相量校正算法。提出一种测试绝对相角测量精度的试验方法,并按照该方法验证了采用所提出的相量校正算法的相量测量单元(PMU)的相角测量精度。最后,通过仿真分析了基于DFT的相量算法的动态特性及其在暂态稳定控制中的适用范围。     

智能变电站数字采样下双重插值算法对高次谐波测量精度的影响

智能变电站数字化采样之后,间隔层二次设备需要对合并单元发送的SV采样数据作同步插值处理。为实时跟踪测量电力系统的运行频率,计算模块需要通过插值重构的算法进行重采样。为分析双重化插值带来的误差影响,本文详细分析了拉格朗日和牛顿插值算法的理论最大误差,对高次谐波的精度影响进行了量化分析和补偿计算。最后提出了进一步提高插值算法下高次谐波测量精度的思路和方法。     

插值算法在智能变电站中的应用

智能变电站的模拟量采集系统由传统的集中式采样变为分布式采样,需要使用插值算法对来自不同装置的采样值进行同步处理。对常用的零阶插值、一阶插值、三次样条插值算法进行了比较,指出在过采样前提下,一阶线性插值完全可以满足变电站系统的应用需求。从工程实践角度出发,结合《智能变电站继电保护技术规范》,给出插值算法的几种实施方案和细节:跨间隔采样系统中,基于FT3、IEC61850-9-2规约传输的采样值可以借助于插值算法实现数据同步;基于锁相环技术的插值算法可以灵活、可靠地实现智能变电站系统中光纤纵差保护的站间同步;采样值变速率转换过程中,必须采用数字滤波技术以防止频率混叠,推荐采用基于Remez交换算法的有限冲击响应(FIR)滤波器。     

分段线性插值法在合并单元数据同步中的应用

针对IEC60044-8标准中的同步脉冲法需要数据反馈所带来的工程实现困难、系统复杂度增大的问题,提出了基于分段线性插值法的合并单元数据同步问题的解决方案。首先建立分段线性插值函数,并基于余项函数进行误差分析。理论推导、数值分析和实验验证均表明:分段线性插值算法复杂度低、同步性好,其采样精度高于变电站国家标准要求。     

采样值报文抖动对基于线性插值理论的电子式互感器数据同步算法的影响研究

采样值报文的抖动会导致电子式互感器数据同步的插值精度出现偏差,甚至在报文抖动幅度较大时出现严重的插值错误,进而导致间隔层测控装置出现误测量或保护装置不正确动作。针对此问题,以工程中常用的线性插值算法为背景,建立了报文的抖动影响下电子式互感器数据同步的插值模型,推导了线性插值算法的插值误差;根据信号中是否包含谐波分量,分别仿真计算了稳态和暂态情况下各影响因素对线性插值算法插值精度的影响。计算结果表明:在低采样速率时,报文抖动对数据同步插值算法的影响不明显,随着采样速率的增加,报文抖动对插值算法插值精度的影响增大;插值误差的大小与报文的抖动幅度成正比。此外,报文抖动影响下谐波的波次及幅度也使线性插值算法的插值误差增大。研究结果对于分析存在报文抖动时,电子式互感器数据同步的插值精度具有重要意义。     

改进埃特金插值理论在智能变电站中的应用

分析了电子式互感器数据同步采样方面的问题,指出了二次插值理论和三次样条插值理论同步算法的不足。只有当数据采样频率较高时,才能使二次插值误差精度得到明显提高。三次样条插值的边界问题使计算过程变得复杂、计算量显著增大。提出了一种基于改进的三阶埃特金插值理论的同步算法,并对该算法的误差进行了理论分析和仿真。仿真验证结果与理论分析基本吻合。不同运行状态下,基波和各次谐波幅值及相角误差精度均满足IEC60044-8标准规定。改进后的三阶埃特金插值计算量小、精度高,在微机测量装置中易于实现,适于实际应用。     

周期电气信号测量中软件同步采样方法的研究

软件同步采样是周期电气信号微机测量中最常用的采样方式,但它采样的同步精度和时间间隔均匀程度都不够高,影响测量精度.通过对软件同步采样实现过程的分析,找出了影响采样同步和导致采样间隔不均匀的主要原因,并提出了三个相应的解决方法.方法一是在采样过程中动态调整采样时间间隔,使实际采样时刻最大限度地逼近理想均匀同步采样时刻;方法二是在采样后用线性插值方法修正采样值,使实际采样序列逼近理想的均匀同步采样序列;方法三是实时跟踪测量信号周期和校正采样周期.三种方法均具有计算量小,易于实现,实用有效的特点.对电功率和谐波测量的仿真分析结果,证实了所提方法对提高微机测量精度的有效性.     

光纤差动保护插值法数据同步的实现

采用插值法实现光纤差动保护数据同步,理论上正确可行,简单可靠,方法误差也在可接受的范围内,即使在较低的采样率下也可以满足精度要求。本文介绍了该新方法在保护装置中的实现情况。装置用DSP作为纵联光纤通信与保护功能的主处理器,满足较大计算量的要求,纵联光纤通信接口基于单片FPGA设计,通信协议采用插值法数据同步设计的HDLC协议帧。该装置已研制成功并已通过了电力部门的各项检测检验,进入了工程应用阶段。该型装置从实践上证明了插值法数据同步的正确性、可行性及优越性。     

基于电压锁相网络化采样的母线保护研究

设计一种既具备结构简单、资源共享、扩展性好等优点,又不依赖于外部全局同步系统的采样值组网传输的母线保护,在数字化变电站的建设中具有十分重要的意义。介绍了数字化变电站母线保护的采样值传输系统,描述了基于绝对延时的点对点母线保护技术,提出了一种基于电压锁相的网络化母线保护方案。利用母线电压天然的同步性能特征,通过数字锁相环及采样重插值技术,消除网络化采样对同步信号的依赖性。测试表明,基于电压锁相的网络化母线保护采样同步性好,动作快速可靠,是数字化变电站母线保护的一种新思路。     

基于电压向量的数字化母线保护电流同步方法

采样数据同步是智能变电站继电保护的关键问题。当采样数据通过过程层网络传输时,保护装置依赖于时钟源同步。提出了一种基于电压向量的数字化母线保护电流同步方案,在原有同步方案失效并导致合并单元采样失步的情况下,通过电压向量的相位差对采样数据进行同步处理,仍可保证母线保护继续投入运行。分析了同步方案的原理,介绍了同步方案的系统接线,给出了实施方案的细节:通过正序电压计算间隔采样的时间差;通过抛物线二次插值方法对采样数据进行同步处理;发生三相PT断线时需退出同步方案。RTDS数模实验结果表明同步方案可保证各种工况下母线差动保护功能的正确性,证明了同步方案的有效性和可行性。     

基于IEEE 1588的变电站过程层采样值同步技术研究

为了提高变电站过程层网络采样值的同步精度,详细分析了基于IEEE 1588精确同步协议的变电站过程层采样值同步技术的原理与实现方式。分析对比了瞬时值差动与矢量差动的采样精度,研究了同步误差对差动保护采样值精度的影响;通过分析IEEE 1588协议同步的实现过程,并与毫秒级别对时协议NTP进行对比,指出了IEEE 1588实现所涉及到的关键技术。通过分析基于IEEE 1588过程层采样值同步在实际工程应用中的实现方式,论证了IEEE 1588协议的采样精度达到亚微秒级别,能够有效减小多端同步采样的精度,对于变电站安全稳定运行具有十分重要的意义。     

基于分段插值同步化算法的谐波测量

传统的基于FFT的电力谐波测量方法由于频谱泄漏问题,在测量基频偏移信号或者频率不断波动的非稳态周期信号时存在着较大的误差。现采用一种时域插值的方法对非同步采样序列进行重新定位,依据序列的二次差商大小对信号进行分段并分别采用线性插值和Hermite插值两种算法进行二次同步化。在基频偏移固定和基频不断波动的两种情况下进行仿真计算。结果表明,分段插值同步算法能够适用于上述两种情况的谐波测量,在兼顾计算效率的同时,满足了GBT 17626.7-2008国标规定的精度要求,是一种具有实用性的方法。     

基于三次样条插值理论的电子式互感器数据同步

介绍了电子式互感器的数据同步问题,并对线性插值和二次插值的同步算法进行分析,指出线性插值算法在谐波次数高的情况下误差过大和二次插值算法在低采样频率下误差改进不明显。提出了基于三次样条插值理论的同步算法,并进行了误差的理论分析和数值仿真计算。理论误差分析表明,该算法相比较于线性插值算法和二次插值算法,误差值至少降低2个数量级;数字仿真验证显示,每周期48点采样时,稳态采样值最大误差约为输入电流最大幅值的0.000 38%,暂态采样值最大误差约为输入电流最大幅值的0.005%,采样值误差均降低2个数量级以上。在包含基频量和高次谐波电量的二次设备中,该算法可降低各采样点的相对误差,方法误差精度均可满足IEC60044标准规定的电子式互感器的误差要求,即稳态测量精度0.2级和暂态分量最大瞬时值误差小于±1%。     

基于插值同步预处理的Hilbert无功功率测量

针对电网信号频率波动情况下,非同步采样造成频谱泄漏,引起无功功率计算误差的问题,提出一种基于数据预处理的Hilbert无功功率计算方法。即首先使用改进Rife算法实时估计电网中的频率,然后利用插值运算进行数据同步化,最后使用Hilbert变换得到准确的无功功率。在对信号频率测量基础上,对于插值算法,经仿真对比研究,Hermite插值算法达到了比较理想的数据同步化效果。继而对基于Hilbert的无功功率测量方法进行分析,并构建了电弧炉负载仿真模型,作为无功源。仿真结果表明,在电网信号频率波动以及含谐波的情况下,相对于常规的无功功率计算方法,基于插值同步预处理的Hilbert法明显提高了无功功率计算的精度。     

基于电压突变量的差动保护同步方法研究

随着基于无线通道的配网差动保护被引入配电网,需要解决的关键技术之一即是两端故障数据的同步问题。基于保护启动时刻电压突变量的同步方法可以在不增加额外设备的情况下实现数据同步,但对该方法的同步精度和适用范围尚缺乏必要的理论分析和验证。通过叠加原理研究了多相故障情况下基于电压突变量的差动保护同步原理,并进一步分析了故障启动门槛、采样频率、故障初始角、谐波和各侧装置采样时刻不同对同步误差的影响,并进行了相关模拟仿真测试。结果表明,取5%的电压额定值作为启动门槛,采用每周波240点采样,能确保各侧装置在线路多相故障时启动时刻的同步误差小于30°,从而满足配网差动保护的同步要求。     

一种提高数据同步精度的自适应插值算法

研究了电子式互感器采样不同步时数字化智能电子设备(IED)的数据同步问题。在推导一阶Lagrange插值算法精确误差公式的基础上,计算了内、外2种插值方法的瞬时和相量误差,以及对继电保护和测量的影响。传统减小误差的算法只涉及采样率,而一阶Lagrange插值算法与采样率和采样偏移时间都相关。通过研究误差随采样偏移时间变化的规律,用最小二乘法以抛物线方程拟合复杂误差轨迹方程,在限定误差的前提下简化了分析。在此基础上,提出了一种自适应调整插值基准时刻的算法,经分析验证该算法可以有效降低误差。