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【摘要】对于智能化变电站而言，采用组网模式接入SMV采样值是实现智能变电站数据采集的模式之一。其中采样值同步技术是智能变电站需要考虑的重要技术问题。本文针对该技术进行了详细的介绍，并应用于实际产品，取得了很好的效果。
【关键词】智能化变电站；SMV；采样同步
基于装置电源功率限制及整机发热等考虑，SMV点对点传输方案应用受到一定的限制，因此SMV组网模式仍是智能变电站采样数据传输的待选方案。智能变电站采用组网模式接入SMV采样值，采样值同步是智能变电站需要考虑的重要技术问题。为满足保护及测量精度要求，保护装置要求交流量的角度误差不大于3°，对应50Hz系统频率的时间为（1/6）ms，考虑±误差和可靠系数，要求采样值同步精度应不大于50us；计量装置要求时间同步精度控制在1us以内；线路保护纵差保护要求时间精度误差应在4us以内。
采样值同步包括信号同步采集及接收处理同步两部分。
1.同步采集
采用组网模式接入SMV采样值，要求数据采集/合并单元同步采集。目前国内外普遍采用光PPS脉冲、光IRIG-B码或IEC-1588同步对数据采集/合并单元进行同步。
1.1同步采集误差分析
采样值同步采集要求精度控制在1us以内。对于同一个变电站内数据采集单元，所有数据采集单元接收同步时钟源的同步信号进行同步。同步误差主要由以下部分引入：（1）同步时钟源或数据采集单元的同步误差：这里需要控制同步误差在0.1us，并且误差不可累积；（2）采集装置的采集误差：装置的同步误差不可避免，但两个误差累计不超过0.2us，且误差不累积，系统的计量及保护不受影响；对于程序和分频引入的误差，需要考虑算法优化。
1.2降低误差方案
1.2.1装置同步误差处理
考虑现场采用脉冲/IRIG-B脉冲同步，若满足0.1us精度要求，需要同步装置的硬件设计与信号模式协同考虑。
同步时钟源接收GPS装置信号输入并输出同步脉冲。同步信号输入一般采用电信号，因此信号采集回路需要采用高精度光耦、电阻等器件，降低采集回路误差影响。为降低信号输出回路误差，采用FPGA直接对输入信号译码后控制光脉冲信号输出，规避CPU处理的时间误差。为降低晶振离散误差对装置同步精度的影响，同步时钟源可以采用高精度晶振（或带补偿的晶振）降低晶振误差。
数据采集单元接收同步信号进行同步采集。同步信号采用光脉冲信号，信号采集回路设计需要简单可靠，由光串口接入后直接引入FPGA锁存并处理，可以将采集误差降至最低。基于成本考虑，数据采集单元不宜采用太高规格的晶振，因此需要通过软件补偿降低晶振误差。采集单元在有同步信号时，统计晶振误差：
误差+=（当前脉冲计数-预期脉冲计数） （式-1）
当误差统计达到设定的阈值时或者达到误差修正时间，对装置晶振进行修正。
1.2.2 装置同步采集处理
控制数据采集单元同步采集也就意味着控制同步采样脉冲，问题的关键在于：精确的计算采样间隔以及准确的发出采样脉冲。
（1）采样间隔确定
设同步脉冲计数T，装置采样率S，则装置采样间隔a0计算方法为：
a0=（T÷S） （式-2）
即使进行四舍五入处理，采样间隔的取整处理不可避免的引入累积误差，降低由于不能整除造成的累积误差是解决问题的关键，可以采用固定间隔修正或者实时修正中断间隔计数器来降低采样间隔偏差。
●固定间隔修正算法
固定间隔修正如下所示：
{a0、……、a0、a1、a0、……、a0、……}
设补偿周期与装置采样率相同，未补偿时预期误差x0为：
X0=T-a0×S （式-3）
a1、补偿间隔m0及补偿次数n0计算公式如下：
上式中计算需要注意：m0计算时需要直接进行舍入操作，即缩短补偿间隔，提前补偿，保证补偿周期Tick数不存在误差。由于提前补偿处理，势必导致中断间隔偏差，并累积导致中断起始时刻误差。为降低误差影响，可以对算法进行修正：
进行如上操作后每隔补偿周期（每秒）仍有误差x1：
X1=X0-（a1-a0）×m0×n0 （式-6）
此时套用（式-4）进行二阶补偿即可。为提高精度可以继续迭代补偿，上述补偿方案最大中断间隔误差如下表所示：
表1 50M晶振/4000Hz采样率误差分析
算法 最大误差
（Tick） 最大误差
晶振误差 最大误差
相对时刻
一阶插值补偿 444 +1335 +2686
二阶插值补偿 36 +1635 +2686
实时修正 1.497 +1995 +999
●实时修正采样间隔算法。实时修正即为根据当前中断的实际偏差调整下一中断间隔。
第n个采样中断的理论相对时刻t0和实际相对时刻t1如下计算：
（式-7）中，t0的计算为浮点数计算以保证精度。根据t0和t1之间的关系确定第n个采样中断的间隔：
（式-8）中，M为设定调整阈值，一般设置建议小于1个Tick，如取0.5；a0为标准采样间隔，计算方法如（式-2）所示。需要注意的是在每个补偿周期中最后一个采样中断间隔需要特殊处理：
as=T-t1 （式-9）
保证每个补偿周期Tick数不存在误差，实时修正算法误差如上表所示。
●算法比较分析。固定间隔补偿中断间隔的算法只需要每个同步间隔（每秒）计算及设置一次，流程较清晰，但误差较大；动态调整中断间隔方法需要每个中断都要计算并设置下一中断的中断间隔，误差很小，但是整个流程控制较复杂。为保证数据采集单元采样间隔精确，选择动态调整中断间隔方案。 （2）准确发出采样脉冲
由应用程序控制采样保持的启动，由于程序流程、外设访问等因素影响将不可避免的导致采样时刻有偏差。为精确控制采样启动时刻，可以由FPGA控制采样。FPGA在每次进入超级中断时刻（或进入中断后某一特定时刻）启动采样保持，并将采样数据存储于缓冲区供应用程序读取。
由FPGA完成采样功能，还可以提高采样率而不提高软件超级中断频率，简化软件处理。
2.接收同步及数据处理
保护/测量装置接收不同数据采集单元的采样数据，需要将不同来源的数据整理成一个统一的采样序列，并根据逻辑需要对采样数据进行处理。不同原理的数据采样单元之间的采样值相位偏差补偿不在本文讨论范畴。
2.1 误差分析
保护/测量装置接收SMV报文提取采样数据，要求不丢失SMV数据，并尽可能降低接收处理数据带来的误差影响。
2.1.1 报文接收及SVCB数据同步。由于SMV网络传输影响或接收装置中断间隔抖动（如晶振误差等），可能导致接收端每中断收到SMV报文数量变化，为保证SMV数据连续性，需要足够的接收缓冲区并及时处理所有接收报文。虽然采样数据为同步采集，由于SMV网络传输影响及接收网卡缓冲处理，同时刻采样的不同SVCB不是同时接收处理，因此需要对不同的SVCB进行同步处理。
2.1.2 SMV数据处理。由于中断间隔抖动（如晶振误差等）、软件算法调整等因素，保护/测控装置的数据处理间隔可能与数据采集单元的采样间隔不一致，为兼顾接收装置的处理算法，可以进行接收重采样处理。重新采样将不可避免的引入误差：信号描述误差及插值算法误差。
2.2 降低误差方案
2.2.1 报文接收及SVCB数据同步。为保证SMV报文连续（不丢失数据），需要扩大接收缓冲区，考虑正常接收报文数量的1.5～2倍缓存SMV报文；接收处理模块需要将接收到的报文全部处理，需要考虑极限情况下（1.5～2倍报文数量）时CPU负载满足要求。基于数据采集单元同步采集的原则，接收端可以根据SMV报文中的采样计数器进行同步。比较接收到的所有SVCB的采样计数器，计数器偏差在容许的范围内时认为SVCB同步，否则认为该SVCB失步，不需考虑网络延迟大于1s的情况。判断为失步的SVCB中采样数据不参与装置的计算。
2.2.2 数据处理——重采样。由于每个超级中断接收到的SMV数据数量不固定，与传统保护/测量装置设计思想不一致。如果保护/测量装置每个超级中断都将“新”的SV数据全部处理，需要更改两个方面：
●幅值计算算法调整。由于采集单元的采样间隔是按照绝对时间确定的，与系统频率没有直接联系，当系统频率变化时两点采样数据间的物理夹角也会随之变化，此时需要对幅值算法进行补偿。
●保护逻辑调整。如果能够根据SMV传输的采样数据，对采样数据进行重采样处理，保证接收装置每个超级中断仅需要处理一点（或固定N点）数据，同时接收装置根据系统频率动态调整中断间隔，保证每两个中断的采样数据间的物理夹角不变化，这样计算、保护逻辑处理均可大大简化。为兼顾插值精度及计算量，考虑采用一阶拉格朗日插值。
3.方案应用情况
深圳南京自动化研究所研制的智能变电站二次保护、测控设备ARP-3600就是按照上述思想进行实现，已经在现场得到了充分的认证和用户的认可。
参考文献
[1]刘慧源.数字化变电站同步方案分析[J].电力系统自动化，2009.03：55-58
[2] 、国家电网公司企业标准.Q/GDW 383-2009-智能变电站技术导[S].2009
[3] ARP-3600变电站综合自动化技术使用说明书V1.00[Z].2010
[4] 、郑峰.基于IEC61850的智能变电站自动化系统时间同步方案研究[J].科技信息.2011.26：111-113
作者简介
张明群，1979-12，男，汉族，硕士研究生，中级工程师，研究方向：电力系统继电保护设备的研发和数字化变电站二次设计。
【关键词】智能化变电站；SMV；采样同步
基于装置电源功率限制及整机发热等考虑，SMV点对点传输方案应用受到一定的限制，因此SMV组网模式仍是智能变电站采样数据传输的待选方案。智能变电站采用组网模式接入SMV采样值，采样值同步是智能变电站需要考虑的重要技术问题。为满足保护及测量精度要求，保护装置要求交流量的角度误差不大于3°，对应50Hz系统频率的时间为（1/6）ms，考虑±误差和可靠系数，要求采样值同步精度应不大于50us；计量装置要求时间同步精度控制在1us以内；线路保护纵差保护要求时间精度误差应在4us以内。
采样值同步包括信号同步采集及接收处理同步两部分。
1.同步采集
采用组网模式接入SMV采样值，要求数据采集/合并单元同步采集。目前国内外普遍采用光PPS脉冲、光IRIG-B码或IEC-1588同步对数据采集/合并单元进行同步。
1.1同步采集误差分析
采样值同步采集要求精度控制在1us以内。对于同一个变电站内数据采集单元，所有数据采集单元接收同步时钟源的同步信号进行同步。同步误差主要由以下部分引入：（1）同步时钟源或数据采集单元的同步误差：这里需要控制同步误差在0.1us，并且误差不可累积；（2）采集装置的采集误差：装置的同步误差不可避免，但两个误差累计不超过0.2us，且误差不累积，系统的计量及保护不受影响；对于程序和分频引入的误差，需要考虑算法优化。
1.2降低误差方案
1.2.1装置同步误差处理
考虑现场采用脉冲/IRIG-B脉冲同步，若满足0.1us精度要求，需要同步装置的硬件设计与信号模式协同考虑。
同步时钟源接收GPS装置信号输入并输出同步脉冲。同步信号输入一般采用电信号，因此信号采集回路需要采用高精度光耦、电阻等器件，降低采集回路误差影响。为降低信号输出回路误差，采用FPGA直接对输入信号译码后控制光脉冲信号输出，规避CPU处理的时间误差。为降低晶振离散误差对装置同步精度的影响，同步时钟源可以采用高精度晶振（或带补偿的晶振）降低晶振误差。
数据采集单元接收同步信号进行同步采集。同步信号采用光脉冲信号，信号采集回路设计需要简单可靠，由光串口接入后直接引入FPGA锁存并处理，可以将采集误差降至最低。基于成本考虑，数据采集单元不宜采用太高规格的晶振，因此需要通过软件补偿降低晶振误差。采集单元在有同步信号时，统计晶振误差：
误差+=（当前脉冲计数-预期脉冲计数） （式-1）
当误差统计达到设定的阈值时或者达到误差修正时间，对装置晶振进行修正。
1.2.2 装置同步采集处理
控制数据采集单元同步采集也就意味着控制同步采样脉冲，问题的关键在于：精确的计算采样间隔以及准确的发出采样脉冲。
（1）采样间隔确定
设同步脉冲计数T，装置采样率S，则装置采样间隔a0计算方法为：
a0=（T÷S） （式-2）
即使进行四舍五入处理，采样间隔的取整处理不可避免的引入累积误差，降低由于不能整除造成的累积误差是解决问题的关键，可以采用固定间隔修正或者实时修正中断间隔计数器来降低采样间隔偏差。
●固定间隔修正算法
固定间隔修正如下所示：
{a0、……、a0、a1、a0、……、a0、……}
设补偿周期与装置采样率相同，未补偿时预期误差x0为：
X0=T-a0×S （式-3）
a1、补偿间隔m0及补偿次数n0计算公式如下：
上式中计算需要注意：m0计算时需要直接进行舍入操作，即缩短补偿间隔，提前补偿，保证补偿周期Tick数不存在误差。由于提前补偿处理，势必导致中断间隔偏差，并累积导致中断起始时刻误差。为降低误差影响，可以对算法进行修正：
进行如上操作后每隔补偿周期（每秒）仍有误差x1：
X1=X0-（a1-a0）×m0×n0 （式-6）
此时套用（式-4）进行二阶补偿即可。为提高精度可以继续迭代补偿，上述补偿方案最大中断间隔误差如下表所示：
表1 50M晶振/4000Hz采样率误差分析
算法 最大误差
（Tick） 最大误差
晶振误差 最大误差
相对时刻
一阶插值补偿 444 +1335 +2686
二阶插值补偿 36 +1635 +2686
实时修正 1.497 +1995 +999
●实时修正采样间隔算法。实时修正即为根据当前中断的实际偏差调整下一中断间隔。
第n个采样中断的理论相对时刻t0和实际相对时刻t1如下计算：
（式-7）中，t0的计算为浮点数计算以保证精度。根据t0和t1之间的关系确定第n个采样中断的间隔：
（式-8）中，M为设定调整阈值，一般设置建议小于1个Tick，如取0.5；a0为标准采样间隔，计算方法如（式-2）所示。需要注意的是在每个补偿周期中最后一个采样中断间隔需要特殊处理：
as=T-t1 （式-9）
保证每个补偿周期Tick数不存在误差，实时修正算法误差如上表所示。
●算法比较分析。固定间隔补偿中断间隔的算法只需要每个同步间隔（每秒）计算及设置一次，流程较清晰，但误差较大；动态调整中断间隔方法需要每个中断都要计算并设置下一中断的中断间隔，误差很小，但是整个流程控制较复杂。为保证数据采集单元采样间隔精确，选择动态调整中断间隔方案。 （2）准确发出采样脉冲
由应用程序控制采样保持的启动，由于程序流程、外设访问等因素影响将不可避免的导致采样时刻有偏差。为精确控制采样启动时刻，可以由FPGA控制采样。FPGA在每次进入超级中断时刻（或进入中断后某一特定时刻）启动采样保持，并将采样数据存储于缓冲区供应用程序读取。
由FPGA完成采样功能，还可以提高采样率而不提高软件超级中断频率，简化软件处理。
2.接收同步及数据处理
保护/测量装置接收不同数据采集单元的采样数据，需要将不同来源的数据整理成一个统一的采样序列，并根据逻辑需要对采样数据进行处理。不同原理的数据采样单元之间的采样值相位偏差补偿不在本文讨论范畴。
2.1 误差分析
保护/测量装置接收SMV报文提取采样数据，要求不丢失SMV数据，并尽可能降低接收处理数据带来的误差影响。
2.1.1 报文接收及SVCB数据同步。由于SMV网络传输影响或接收装置中断间隔抖动（如晶振误差等），可能导致接收端每中断收到SMV报文数量变化，为保证SMV数据连续性，需要足够的接收缓冲区并及时处理所有接收报文。虽然采样数据为同步采集，由于SMV网络传输影响及接收网卡缓冲处理，同时刻采样的不同SVCB不是同时接收处理，因此需要对不同的SVCB进行同步处理。
2.1.2 SMV数据处理。由于中断间隔抖动（如晶振误差等）、软件算法调整等因素，保护/测控装置的数据处理间隔可能与数据采集单元的采样间隔不一致，为兼顾接收装置的处理算法，可以进行接收重采样处理。重新采样将不可避免的引入误差：信号描述误差及插值算法误差。
2.2 降低误差方案
2.2.1 报文接收及SVCB数据同步。为保证SMV报文连续（不丢失数据），需要扩大接收缓冲区，考虑正常接收报文数量的1.5～2倍缓存SMV报文；接收处理模块需要将接收到的报文全部处理，需要考虑极限情况下（1.5～2倍报文数量）时CPU负载满足要求。基于数据采集单元同步采集的原则，接收端可以根据SMV报文中的采样计数器进行同步。比较接收到的所有SVCB的采样计数器，计数器偏差在容许的范围内时认为SVCB同步，否则认为该SVCB失步，不需考虑网络延迟大于1s的情况。判断为失步的SVCB中采样数据不参与装置的计算。
2.2.2 数据处理——重采样。由于每个超级中断接收到的SMV数据数量不固定，与传统保护/测量装置设计思想不一致。如果保护/测量装置每个超级中断都将“新”的SV数据全部处理，需要更改两个方面：
●幅值计算算法调整。由于采集单元的采样间隔是按照绝对时间确定的，与系统频率没有直接联系，当系统频率变化时两点采样数据间的物理夹角也会随之变化，此时需要对幅值算法进行补偿。
●保护逻辑调整。如果能够根据SMV传输的采样数据，对采样数据进行重采样处理，保证接收装置每个超级中断仅需要处理一点（或固定N点）数据，同时接收装置根据系统频率动态调整中断间隔，保证每两个中断的采样数据间的物理夹角不变化，这样计算、保护逻辑处理均可大大简化。为兼顾插值精度及计算量，考虑采用一阶拉格朗日插值。
3.方案应用情况
深圳南京自动化研究所研制的智能变电站二次保护、测控设备ARP-3600就是按照上述思想进行实现，已经在现场得到了充分的认证和用户的认可。
参考文献
[1]刘慧源.数字化变电站同步方案分析[J].电力系统自动化，2009.03：55-58
[2] 、国家电网公司企业标准.Q/GDW 383-2009-智能变电站技术导[S].2009
[3] ARP-3600变电站综合自动化技术使用说明书V1.00[Z].2010
[4] 、郑峰.基于IEC61850的智能变电站自动化系统时间同步方案研究[J].科技信息.2011.26：111-113
作者简介
张明群，1979-12，男，汉族，硕士研究生，中级工程师，研究方向：电力系统继电保护设备的研发和数字化变电站二次设计。