第31卷第11期 继电器 Vol.31 No.11 2003年11月15日 RELAY Nov.15.2003 25 电力系统数据采样的几种同步方法 陈文进，江道灼 (浙江大学电气工程学院，浙江杭州31002 摘要：电力系统相量（包括电流、电压等）的同步采样对于电力系统继电保护、故障判断、系统稳定分析等都具 有重要意义。针对如何获得同步脉冲即如何实现同步采样这个关键问题，例举了几种同步实现方法：主站广 播对时法，基于道信信道的采样时间补偿法以及卫星授时法等，最后指出利用GS卫星授时与锁相技术相结 合的方法是种切实可行的方法。 关键词：电力系统：同步采样；全球定位系统(GS) 中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：10034897(2003)1上002505 在北美最普遍的广播方式是V,与之配套的 1引言 商用接收器和同步系统都已经比较成型。如果信号 目前电力系统中各种测控与保护装置普遍要求 传输延时时间恒定或者这一时间可以预测，那么这 交流数据量的同步采样，这对于电力系统继电保护、 套系统就可以达到±100山的精度。但是这个假 故障判断、系统稳定分析等都具有重要意义。一般， 设很难成立，所以在实际运行中只能达到几毫秒的 采样脉冲都是在装置内部时钟的控制下产生的。对 精度。 于需要异地同步采样的装置来说，由于装置内部晶 WVB(美国科罗拉多州的Fort Collins)广播是 振频率有误差，采样难以同步。而且随着电力系统 一种连续的时间基准信息通过60Hz的载波信号 的发展，对系统监控的要求越来越高，迫切要求能够 传输的方式。这种方式的主要优点是信号传输延时 实现交流数据量的异地同步采样。所以，早先在国 时间相对比较恒定而且可以事先预测。从理论上讲 外运用了一种无线电波广播对时的方法，还有一种 时间精度可以达到士50，但是由于信号受噪声和 方法是基于通信信道的采样时间补偿法来实现同步 幅度波动的影响，它的精度也只能达到几毫秒马。 采样。但是这两种方法都有自身所难以克服的弱 OMEGA使用的是很低的传输频率，一般是10 点。随着卫星与通信技术的发展，卫星授时法己经 ~14kHz,它的信号遍布全球范围。由于它使用的 由军用逐渐转为民用。其中基于全球定位系统 是最长的无线电波而使信号可以传输几千公里且传 (GS)的同步采样方法已经得到了广泛的应用，并 输时间误差只有几微秒。美国海军电子实验室(US 获得了良好的效果。本文提出的GPS与锁相技术 NEL)和美国海军研究所(USNRL)己经通过实验证明 相结合的方法.不但能够保证异地同步采样，而且还 了无论通过什么路径传输，其延时时间预测精度可 能够在系统频率变化情况下，较好地实现其交流量 以达到2-5s3。 的同步采样，并能保证全网的同步测量。 MSF是英国国家物理实验所为了使本国的时间 和UTC(Universal Time Coordinated)时间保持一致而 2主站广播对时法 建立的广播系统，由英国电信以60Hz的频率向全 为实现同步采样，主站应在同一时刻给系统中 国范围内发送英国标准时间。而DCF是由德国建 所有的测控装置一个同步时钟脉冲。按照传输的媒 立的，它的目的也是向全国范围内发送德国标准时 介不同，主站广播对时法可以有以下三种形式：AM 间，发送频率是77kHz。 调幅广播、微波传输系统和光纤传输系统口。 Loran--C传输的是脉冲信号，而且只通过地波 2.1AM调幅广播 传播信。因此它很好地解决了WWV、WWVB AM调幅广播主要有五种调幅方法：WV、 等方式由于信号可以从地波传播也可以从天空电波 WVB、OMEGA、MSF/DCF、Loam-C等。它们的调 传播而使得传输延时无法确定的问题。它的时间由 幅频率、时间代码格式、主要用途、时间精度、费用以 原子钟控制，精度最高可以达到100s9。另外Lc 及使用地点都郝不样，表L作了详细的代较ron Pub1 lis Go信号还能产售LP秒脉神信号，并以G
电力系统数据采样的几种同步方法 陈文进, 江道灼 ( 浙江大学电气工程学院, 浙江 杭州 310027) 摘要: 电力系统相量( 包括电流、电压等) 的同步采样对于电力系统继电保护、故障判断、系统稳定分析等都具 有重要意义。针对如何获得同步脉冲即如何实现同步采样这个关键问题, 例举了几种同步实现方法: 主站广 播对时法, 基于通信信道的采样时间补偿法以及卫星授时法等, 最后指出利用 GPS 卫星授时与锁相技术相结 合的方法是一种切实可行的方法。 关键词: 电力系统; 同步采样; 全球定位系统( GPS) 中图分类号: TM76 文献标识码: A 文章编号: 10034897( 2003) 11002505 1 引言 目前电力系统中各种测控与保护装置普遍要求 交流数据量的同步采样, 这对于电力系统继电保护、 故障判断、系统稳定分析等都具有重要意义。一般, 采样脉冲都是在装置内部时钟的控制下产生的。对 于需要异地同步采样的装置来说, 由于装置内部晶 振频率有误差, 采样难以同步。而且随着电力系统 的发展, 对系统监控的要求越来越高, 迫切要求能够 实现交流数据量的异地同步采样。所以, 早先在国 外运用了一种无线电波广播对时的方法, 还有一种 方法是基于通信信道的采样时间补偿法来实现同步 采样。但是这两种方法都有自身所难以克服的弱 点。随着卫星与通信技术的发展, 卫星授时法已经 由军用逐渐转为民用。其中基于全球定位系统 (GPS) 的同步采样方法已经得到了广泛的应用, 并 获得了良好的效果。本文提出的 GPS 与锁相技术 相结合的方法, 不但能够保证异地同步采样, 而且还 能够在系统频率变化情况下, 较好地实现其交流量 的同步采样, 并能保证全网的同步测量。 2 主站广播对时法 为实现同步采样, 主站应在同一时刻给系统中 所有的测控装置一个同步时钟脉冲。按照传输的媒 介不同, 主站广播对时法可以有以下三种形式: AM 调幅广播、微波传输系统和光纤传输系统[ 1] 。 2. 1 AM 调幅广播 AM 调幅广播主要有五种调幅方法: WWV、 WWVB、OMEGA、MSF/ DCF、Loran - C 等。它们的调 幅频率、时间代码格式、主要用途、时间精度、费用以 及使用地点都不一样, 表 1 作了详细的比较。 在北美最普遍的广播方式是 WWV, 与之配套的 商用接收器和同步系统都已经比较成型。如果信号 传输延时时间恒定或者这一时间可以预测, 那么这 套系统就可以达到 100 s 的精度[ 2] 。但是这个假 设很难成立, 所以在实际运行中只能达到几毫秒的 精度。 WWVB( 美国科罗拉多州的 Fort Collins) 广播是 一种连续的时间基准信息通过 60 kHz 的载波信号 传输的方式。这种方式的主要优点是信号传输延时 时间相对比较恒定而且可以事先预测。从理论上讲 时间精度可以达到 50 s, 但是由于信号受噪声和 幅度波动的影响, 它的精度也只能达到几毫秒[ 2] 。 OMEGA 使用的是很低的传输频率, 一般是 10 ~ 14 kHz, 它的信号遍布全球范围。由于它使用的 是最长的无线电波而使信号可以传输几千公里且传 输时间误差只有几微秒。美国海军电子实验室(US NEL) 和美国海军研究所(USNRL) 已经通过实验证明 了无论通过什么路径传输, 其延时时间预测精度可 以达到 2~ 5 s [ 3] 。 MSF 是英国国家物理实验所为了使本国的时间 和UTC( Universal Time Coordinated) 时间保持一致而 建立的广播系统, 由英国电信以 60 kHz 的频率向全 国范围内发送英国标准时间。而 DCF 是由德国建 立的, 它的目的也是向全国范围内发送德国标准时 间, 发送频率是 77 kHz。 Loran- C 传输的是脉冲信号, 而且只通过地波 传播信号[ 1] 。因此它很好地解决了 WWV、WWVB 等方式由于信号可以从地波传播也可以从天空电波 传播而使得传输延时无法确定的问题。它的时间由 原子钟控制, 精度最高可以达到 100 ns [ 4] 。另外 Lo ran- C 信号还能产生 1 PPS 秒脉冲信号, 并以 UTC 25 第31卷 第11期 2003年11月15日 继 电 器 RELAY Vol. 31 No. 11 Nov. 15, 2003
26 继电器 时间为基准。但是由于它本身固有的频率为100 扰，使得其性能受到很大影响。 kHz,这就注定它很容易受到同频率的载波信号的干 表1AM调幅广播的几种同步时钟信号源 Tab.I Several synchmo-clock signal sources of AM bmadcasting 类型 传输频率 时间代码格式 主要用途 时间精度 费用/KS 使用地点 WWV 25~20MHz BCD/IPPS/IRIG 时间 5ms 1 美国 WWVB 60 kHz BOD/IRIG 频率和时间 2 ms 2+ 美国/加拿大 OMEGA 10-14kHh IRIG/BCD/IPPS 航海 25μs 3 全世界 MSF/DCF 60 kHz/77 kHz IRIG-B/TTL 时间 1~10ms 3 英国/德国 Loran-C 100 kHz 1PPS 航海 100ns 3-10 北半球 2.2微波传输系统 (2)收回这个信号，测量传输延时时间： 在很多应用场合，希望通过微波从含有基准频 (3)将传输延时时间传给子站： 率和时钟源的主站向需要同步的远方子站传送时间 (4)对子站进行时间补偿。 信号。除非传输过程中有特殊装置，这种微波传输 其原理如图1所示习。其中tml,t,tm,y 系统的最高时间精度也只能达到1山。它有两种形 tm,ti+,代表主站采样脉冲序列，而tal,t2, 式：模拟微波和数字微波。模拟微波传输系统是直 t,t,t+1,…代表子站采样脉冲序列，“↑” 接通过对连续波的移相调制，使用最好的微波设备 代表采样脉冲，假设主站和子站都是同频率等间隔 才能获得1精度。而数字微波传输系统更是由 采样。在开始同步采样以前，由主站向子站发送一 于数据打包延时和数据包传送延时使得其精度只能 帧计算信号传输延时时间t的命令信息，子站收到 达到70μs。 后将命令码和子站处理延时时间tm一起传送回主 2.3光纤传输系统 站。假设从主站到子站的延时时间t山与子站到主 光纤传输系统和微波传输系统很相似，只是它 站的延时时间t2相等，t为主站收回信号的时刻， 是通过光纤来传送同步时间信号的。微波传输系统 那么就可以计算出传输延时时间： 由于单边传输和导频锁相而使信号失真和抖动，光 td=(trl-tml-tm)/2 (I) 纤传输系统很好地解决了这些问题，因而输出信号 更稳定更可靠，同步精度可以达到0.5μ四。 由此可见，AM调幅广播的几种方法在时间精 度上普遍都比较低，而且只适用于局部地区，而微波 传输系统的精度也不高，至于光纤传输系统虽精度 高，但需花巨大成本建设光纤系统。因此，这些方法 都不是最佳选择。 图1采样时间补偿法 3基于通信信道的采样时间补偿法 Fig.I Sampling time compensation method 电力系统为了使两个或多个变电站之间保持时 假设主站在tm时刻将包含传输延时时间ta和 间同步.可以从一个站（主站）向另外一个站（子站） 进行采样时间补偿的命令信息发给子站，子站收到 发送一个时间信号。这个信号包含同步时间基准信 信息的时刻是tk,那么就可以计算出子站与主站之 号和启动采样的信号等信息。传输过程中产生了一 间采样脉冲的时间差： 个延时时间。为了消除这个延时时间，也就是使子 △t=ty-(tk-td) (2) 站的采样时间基准与时间信号传输延时无关，就必 如果△t>0,表示子站采样超前主站：如果△1<0， 须在两个变电站的采样时间基准之间进行补偿。总 表示子站采样置后主站。于是我们可以对子站的下 体上基于通信信道的采样时间补偿法必须执行以下 一采样脉冲t+1)进行调整，其采样时刻为t+) 四个步骤： =(t与+T)-△t,从而实现了同步采样。 e(纱发送。个带同步时▣基准的脉冲信号nie Publishing在这果，我们假设的是在信号传输过程电，同
时间为基准。但是由于它本身固有的频率为 100 kHz, 这就注定它很容易受到同频率的载波信号的干 扰, 使得其性能受到很大影响。 表 1 AM 调幅广播的几种同步时钟信号源 Tab. 1 Several synchro- clock signal sources of AM broadcasting 类型 传输频率 时间代码格式 主要用途 时间精度 费用/ K$ 使用地点 WWV 2. 5~ 20 MHz BCD/ 1PPS/ IRIG 时间 5 ms 1 美国 WWVB 60 kHz BCD/ IRIG 频率和时间 2 ms 2+ 美国/ 加拿大 OMEGA 10~ 14 kHz IRIG/ BCD/1PPS 航海 2~ 5 s 3 全世界 MSF/ DCF 60 kHz/ 77 kHz IRIG- B/TTL 时间 1~ 10 ms 3 英国/ 德国 Loran- C 100 kHz 1PPS 航海 100 ns 3~ 10 北半球 2. 2 微波传输系统 在很多应用场合, 希望通过微波从含有基准频 率和时钟源的主站向需要同步的远方子站传送时间 信号。除非传输过程中有特殊装置, 这种微波传输 系统的最高时间精度也只能达到 1 s。它有两种形 式: 模拟微波和数字微波。模拟微波传输系统是直 接通过对连续波的移相调制, 使用最好的微波设备 才能获得 1 s 精度。而数字微波传输系统更是由 于数据打包延时和数据包传送延时使得其精度只能 达到 70 s [ 2] 。 2. 3 光纤传输系统 光纤传输系统和微波传输系统很相似, 只是它 是通过光纤来传送同步时间信号的。微波传输系统 由于单边传输和导频锁相而使信号失真和抖动, 光 纤传输系统很好地解决了这些问题, 因而输出信号 更稳定更可靠, 同步精度可以达到 0. 5 s [ 2] 。 由此可见, AM 调幅广播的几种方法在时间精 度上普遍都比较低, 而且只适用于局部地区, 而微波 传输系统的精度也不高, 至于光纤传输系统虽精度 高, 但需花巨大成本建设光纤系统。因此, 这些方法 都不是最佳选择。 3 基于通信信道的采样时间补偿法 电力系统为了使两个或多个变电站之间保持时 间同步, 可以从一个站( 主站) 向另外一个站( 子站) 发送一个时间信号。这个信号包含同步时间基准信 号和启动采样的信号等信息。传输过程中产生了一 个延时时间。为了消除这个延时时间, 也就是使子 站的采样时间基准与时间信号传输延时无关, 就必 须在两个变电站的采样时间基准之间进行补偿。总 体上基于通信信道的采样时间补偿法必须执行以下 四个步骤: ( 1) 发送一个带同步时间基准的脉冲信号; ( 2) 收回这个信号, 测量传输延时时间; ( 3) 将传输延时时间传给子站; ( 4) 对子站进行时间补偿。 其原理如图 1 所示[ 5] 。其中 t m1, t m2, t m3, , t mi , t m( i + 1) , 代表主站采样脉冲序列, 而 ts1, ts2, ts3, , tsj , ts( j + 1) , 代表子站采样脉冲序列, ! ∀ # 代表采样脉冲, 假设主站和子站都是同频率等间隔 采样。在开始同步采样以前, 由主站向子站发送一 帧计算信号传输延时时间 t d的命令信息, 子站收到 后将命令码和子站处理延时时间 t m一起传送回主 站。假设从主站到子站的延时时间 t d1与子站到主 站的延时时间 t d2相等, tr1为主站收回信号的时刻, 那么就可以计算出传输延时时间: t d= ( tr1- t m1- t m) / 2 ( 1) 图 1 采样时间补偿法 Fig. 1 Sampling time compensation method 假设主站在 t mi时刻将包含传输延时时间t d 和 进行采样时间补偿的命令信息发给子站, 子站收到 信息的时刻是 trk, 那么就可以计算出子站与主站之 间采样脉冲的时间差: t= tsj - ( trk- t d) ( 2) 如果 t > 0, 表示子站采样超前主站; 如果 t< 0, 表示子站采样置后主站。于是我们可以对子站的下 一采样脉冲 ts( j + 1)进行调整, 其采样时刻为 ts( j + 1) = ( tsj + T) - t, 从而实现了同步采样。 在这里, 我们假设的是在信号传输过程中, 同一 26 继电器
陈文进，等电力系统数据采样的几种同步方法 27 线路不同方向的传输延时时间相等，但是实际上是 主要由波长不同引起，利用波长分别为1.3m和 不可能的，而且随着通信信道结构的不同而有差异。 1.5m传输40km时绝对时间误差小于100ns类 表2列出了几种信道结构的组成、影响不同方向传 型3采用了传输延时矫正的方法，因此绝对时间误 输延时时间差的主要误差因素和期望误差。类型 差可以小于1s图 1利用了两条光缆，如果两条光缆安装在同一套管 基于通信信道的采样时间补偿法己经在现场中 里，那么在传输2500km时绝对时间误差小于200ns 得到了应用，如LFP-93A型光纤电流差动保护 。☑这个误差主要是由光缆长度不对称、传输特性不 中。但是这种方法太依赖于通信信道，如果在代码 同和波长不同等原因引起。类型2和类型3利用了 传输过程中出现错误或者是通信信道中断，都将造 波长分隔多路复用(Wavelength Division Multiplex, 成不良后果；另一方面还要花巨资建设通信信道，购 WDM技术，因此共用单条光缆克服了光缆长度不 买通信终端设备。 对称这一主要误差因素。类型2的传输延时时间差 表2几种信道结构的比较 Tab.2 Comparison of some kinds of communication channel structures 类型 倍道结构 主要误差因素 期望误差 单 1光缆长度不对称 <1μs 类型1 通 2光缆传输特性不同 3波长不同 <200ns(典型) 道 4光缆长度不同 1波长不同 类型2 WDH 2光统长度不同 <100ns(典型) 多 通 道 类型3 带波长娇 波长稍徽不同 <1ns 正的DM A2 信号。接收天线使用碟形卫星天线，如果卫星移动 4卫星授时法 天线就必须跟着作调整。另外，GOES卫星使用的是 在EEE Std1344-1995中对同步时钟源提出了 468Mz的频率，它会受到地面的移动通信系统和 要求刂：“同步时钟信号必须在任何测量装置所在位 日食的干扰。鉴于这些原因，这一系统也没有得到 置保持不间断，可靠性要高于99.87%（每月间断时 广泛的应用。 间小于1小时)，同步时钟信号必须使同步采样装置 GS卫星是由美国国防部历时20多年建成的 和UTC时钟保持精度在1s的同步范围内。”按照 无线电导航系统，一共由24颗卫星组成，其时钟由 这个标准，前面叙述的两种同步方法似乎很难满足 铯原子钟控制，并向全世界发布标准UT℃时间，精 要求，因此人们利用了高精度高可靠性的卫星授时 度相当高。它的基本精度是0.2，如果通过高级 法来实现电力系统的同步采样。可以采用的同步卫 解码和处理技术这一精度还可以提高，一般情况下 星系统有两种：GOES(Geostationary Operational Envr 0.5s是可信的山。GS的初衷是用于军事领域， ronmental Satellite)卫星和GPS(Global Position System) 而若将它应用在电力系统或其它非军事领域，势必 卫星。 产生一些问题：如军用与民用时间精度要求不一样 COES卫星的主要任务是进行气象预测，特别是 和费用等。因此美国运输部和国防部联合制定了联 预测西半球的龙卷风，其次才是同步时间传送。如 邦无线电导航计划(RP),计划中承诺：在任何情况 果GOES接收器所在位置己经预先编程，那么接收 下，GPS将无偿对民用开放至少10年，除非国家处 器从时间信号中解码得出的时间与UT℃标准时间 于紧急状态，并且保证在92%的时间内精度不低于 的误差可以控制在5s之内。由于这一系统只有 0.54,在99.9%的时间内精度不低于1.1山s,这个 两颗鼻凭巴星故障都会使盖地方接收不到划每两年更新次：这个精度只条能够满足
线路不同方向的传输延时时间相等, 但是实际上是 不可能的, 而且随着通信信道结构的不同而有差异。 表2 列出了几种信道结构的组成、影响不同方向传 输延时时间差的主要误差因素和期望误差 [ 6] 。类型 1 利用了两条光缆, 如果两条光缆安装在同一套管 里, 那么在传输 2500 km 时绝对时间误差小于200 ns [。7] 这个误差主要是由光缆长度不对称、传输特性不 同和波长不同等原因引起。类型 2 和类型 3 利用了 波长分隔多路复用( Wavelength Division Multiplex, WDM) 技术, 因此共用单条光缆克服了光缆长度不 对称这一主要误差因素。类型 2 的传输延时时间差 主要由波长不同引起, 利用波长分别为 1. 3 m 和 1. 5 m 传输40 km 时绝对时间误差小于100 ns [。8] 类 型 3 采用了传输延时矫正的方法, 因此绝对时间误 差可以小于 1 ns [ 8] 。 基于通信信道的采样时间补偿法已经在现场中 得到了应用, 如 LFP- 931A 型光纤电流差动保护 中。但是这种方法太依赖于通信信道, 如果在代码 传输过程中出现错误或者是通信信道中断, 都将造 成不良后果; 另一方面还要花巨资建设通信信道, 购 买通信终端设备。 表 2 几种信道结构的比较 Tab. 2 Comparison of some kinds of communication channel structures 4 卫星授时法 在 IEEE Std 1344- 1995 中对同步时钟源提出了 要求[ 1] : ! 同步时钟信号必须在任何测量装置所在位 置保持不间断, 可靠性要高于 99. 87% ( 每月间断时 间小于 1 小时) , 同步时钟信号必须使同步采样装置 和UTC 时钟保持精度在 1 s 的同步范围内。#按照 这个标准, 前面叙述的两种同步方法似乎很难满足 要求, 因此人们利用了高精度高可靠性的卫星授时 法来实现电力系统的同步采样。可以采用的同步卫 星系统有两种: GOES ( Geostationary Operational Envi ronmental Satellite) 卫星和 GPS( Global Position System) 卫星。 GOES 卫星的主要任务是进行气象预测, 特别是 预测西半球的龙卷风, 其次才是同步时间传送。如 果GOES 接收器所在位置已经预先编程, 那么接收 器从时间信号中解码得出的时间与 UTC 标准时间 的误差可以控制在 25 s 之内。由于这一系统只有 两颗卫星, 任一卫星故障都会使一些地方接收不到 信号。接收天线使用碟形卫星天线, 如果卫星移动, 天线就必须跟着作调整。另外, GOES 卫星使用的是 468 MHz 的频率, 它会受到地面的移动通信系统和 日食的干扰。鉴于这些原因, 这一系统也没有得到 广泛的应用。 GPS 卫星是由美国国防部历时 20 多年建成的 无线电导航系统, 一共由 24 颗卫星组成, 其时钟由 铯原子钟控制, 并向全世界发布标准 UTC 时间, 精 度相当高。它的基本精度是 0. 2 s, 如果通过高级 解码和处理技术这一精度还可以提高, 一般情况下 0. 5 s 是可信的[ 1] 。GPS 的初衷是用于军事领域, 而若将它应用在电力系统或其它非军事领域, 势必 产生一些问题: 如军用与民用时间精度要求不一样 和费用等。因此美国运输部和国防部联合制定了联 邦无线电导航计划( FRP) , 计划中承诺: 在任何情况 下, GPS 将无偿对民用开放至少 10 年, 除非国家处 于紧急状态, 并且保证在 92% 的时间内精度不低于 0. 5 s, 在99. 9% 的时间内精度不低于 1. 1 s, 这个 计划每两年更新一次[ 9] 。这个精度已经能够满足 陈文进, 等 电力系统数据采样的几种同步方法 27
28 继电器 IFEE Std1344-1995中提出的要求，14对于50Hz 兼顾系统稳定性取n=2,并取反馈传递函数 的电网相当于0.018°的电角度，也能够很好地满足 H(S)=1/N(N为采样分频系数)，则fame就可以 同步采样的要求。 实时跟踪系统频率信号f的变化进行采样。 在此理论基础上，我们提出了利用GPS与锁相 5基于GPS与锁相技术相结合的方法 技术相结合来实现采样频率自动跟踪被测系统频率 GS己经解决了不同地点启动采样时脉冲的不 变化的自适应等间隔采样，其原理如图3所示。GS 同步问题。但是如果采样频率保持恒定，而系统频 接收器采用GSU-25,它可输出1PPS、10kHz两种脉 率发生偏移时，也将使采样结果产生误差。因为目 冲和UTC时间信息。预处理电路是将互感器二次 前电力系统数据采样应用最多的数字处理算法是利 侧信号进行隔离放大后得到的三相交流信号va、vb 用离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transfom,DFT)来 ve叠加成一个复合模拟信号vf=(k1va+k2wb- 计算其频谱，即： k3w),保证锁相环工作正常。此信号再经隔直带通 X(k)= 之(ne高+ (k=0,1,N-) 滤波器滤除直流成分和谐波分量，最后经整形后输 出f1。PLL是锁相环电路，它首先对输入信号f1进 由DFT的导出过程可知，DT实际上是对采样 行N倍频并以其作为基准脉冲，然后按照每周波采 信号x()进行周期延拓，在离散时间周期信号的傅 样点数对这一基准脉冲听1进行计数，计数器计数 立叶变换后取其频域的一个周期。这就要求采样信 到设定值后获得一脉冲fmpe,由此启动采样。例如 号和系统信号严格保持同步，即采样频率是系统信 每周波采样12点时，我们可以取N为7200，并对 号频率的整数倍，否则将出现频谱泄漏，使信号DT 720g1进行计数，设置计数器2当计数到600时产生 的计算结果产生误差。为了使采样频率能够跟踪系 一个脉冲，这个脉冲就是等间隔采样脉冲fa。由 统信号频率的变化，我们引入了锁相环(PL,phase 于信号f1是随系统变化而变化的，以吖1作为基准 locked bop)电路0，它其实是一个反馈控制系统，如 获得的采样脉冲也必随系统变化而变化，从而实现 图2所示。图中fn为系统信号基频，fsample为采样 采样频率自动跟踪系统频率变化的自适应采样。 频率。 10 kHz IPQtoCPU 1PPS G(S) 样 RST 计数器1 UTC (S) (GS-25 RST 图2锁相环的反馈控制系统 计数器2 7200f Fig.2 Feedback control system of phase locked loop A/D L PLf预处理 考虑系统信号频率是渐变的，设fs=at1(t), 图3利用GPS和锁相环实现自适应采样 则其拉氏变换为fy(S)=a/S2。而由图2得反馈 Fig.3 Adaptive sampling with the combnation 控制系统的误差函数为： of GPS and phase locked loop fs(S) (S)=1+G(S)-H(S)' 设G(S)"H(S)=K· 图中的采样脉冲实际上来源于三个部分：(1)来 自GPS的秒脉冲1PPS同步校时信号pl,实现全网同 (1+STa)(1+STb) S(1+ST1)(1+ST2' 则由拉氏变换终值定理得稳 步采样：(2)基于GPS之10kHz脉冲信号经计数器1 态误差为： 计数得到的周期同步采样脉冲信号2，实现周期数 limf=liS·f(S)1= 据窗的同步采样：(3)基于锁相环输出的基准脉冲经 aSn-1 计数器2计数得到的脉冲信号p3,实现周期数据窗 s”+KI+S71+s (3) 内等间隔采样。上述三个采样脉冲在同一时刻只有 (1+ST)(1+ST2) 一个发生作用，且pl、p2两个脉冲中任一个有效时 由式3)得：当n=1时，imy=a/K;当n≥2 都会申请CPU中断，通知CPU记录整秒采样或周期 时，lim△f=0。 数据窗采样开始时刻。这样，pl、p2和p3经过与门 ”994-20i0 China Academie Journal Electronie Publis组合后就获得了我们所要的采样脉冲cnki.net
IEEE Std 1344- 1995 中提出的要求, 1 s 对于 50 Hz 的电网相当于 0. 018∃的电角度, 也能够很好地满足 同步采样的要求。 5 基于 GPS 与锁相技术相结合的方法 GPS 已经解决了不同地点启动采样时脉冲的不 同步问题。但是如果采样频率保持恒定, 而系统频 率发生偏移时, 也将使采样结果产生误差。因为目 前电力系统数据采样应用最多的数字处理算法是利 用离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform, DFT) 来 计算其频谱, 即: X ( k ) = % N- 1 n= 0 x ( n) e - j 2 N nk ( k = 0, 1, , N - 1) 由DFT 的导出过程可知, DFT 实际上是对采样 信号 x ( n)进行周期延拓, 在离散时间周期信号的傅 立叶变换后取其频域的一个周期。这就要求采样信 号和系统信号严格保持同步, 即采样频率是系统信 号频率的整数倍, 否则将出现频谱泄漏, 使信号 DFT 的计算结果产生误差。为了使采样频率能够跟踪系 统信号频率的变化, 我们引入了锁相环( PLL, phase locked loop) 电路 [ 10] , 它其实是一个反馈控制系统, 如 图2 所示。图中 f sys为系统信号基频, f sample为采样 频率。 图 2 锁相环的反馈控制系统 Fig. 2 Feedback control system of phase locked loop 考虑系统信号频率是渐变的, 设 f sys= at1( t), 则其拉氏变换为 f sy s( S ) = a/ S 2。而由图 2 得反馈 控制系统的误差函数为: f ( S ) = f sys( S ) 1+ G ( S)&H ( S) , 设 G ( S )&H ( S ) = K & ( 1+ STa )( 1+ STb) S n ( 1+ ST1)( 1+ ST2) , 则由拉氏变换终值定理得稳 态误差为: limt ∋ ( f = lims∋0 [ S&f ( S) ] = lims ∋0 aS n- 1 S n + K ( 1+ STa) ( 1+ STb) ( 1+ ST1)( 1+ ST2) ( 3) 由式( 3) 得: 当 n = 1 时, limt ∋ ( f = a/ K ; 当 n )2 时, limt ∋ ( f = 0。 兼顾系统稳定性取n = 2, 并取反馈传递函数 H ( S) = 1/ N (N 为采样分频系数), 则 f sample就可以 实时跟踪系统频率信号f sys的变化进行采样。 在此理论基础上, 我们提出了利用 GPS 与锁相 技术相结合来实现采样频率自动跟踪被测系统频率 变化的自适应等间隔采样, 其原理如图 3 所示。GPS 接收器采用GSU- 25, 它可输出 1PPS、10 kHz 两种脉 冲和UTC 时间信息。预处理电路是将互感器二次 侧信号进行隔离放大后得到的三相交流信号 v a、v b、 v c 叠加成一个复合模拟信号 vf= ( k1v a + k 2v b - k 3v c ) , 保证锁相环工作正常。此信号再经隔直带通 滤波器滤除直流成分和谐波分量, 最后经整形后输 出f 1。PLL 是锁相环电路, 它首先对输入信号 f 1 进 行N 倍频并以其作为基准脉冲, 然后按照每周波采 样点数对这一基准脉冲 Nf 1 进行计数, 计数器计数 到设定值后获得一脉冲f sample , 由此启动采样。例如 每周波采样 12 点时, 我们可以取 N 为 7200, 并对 7200f 1 进行计数, 设置计数器2 当计数到600 时产生 一个脉冲, 这个脉冲就是等间隔采样脉冲 f sample。由 于信号f 1 是随系统变化而变化的, 以 Nf 1 作为基准 获得的采样脉冲也必随系统变化而变化, 从而实现 采样频率自动跟踪系统频率变化的自适应采样。 图 3 利用 GPS 和锁相环实现自适应采样 Fig. 3 Adaptive sampling with the combination of GPS and phase locked loop 图中的采样脉冲实际上来源于三个部分: ( 1) 来 自GPS 的秒脉冲 1PPS 同步校时信号p1, 实现全网同 步采样; ( 2) 基于 GPS 之 10 kHz 脉冲信号经计数器 1 计数得到的周期同步采样脉冲信号 p2, 实现周期数 据窗的同步采样; ( 3) 基于锁相环输出的基准脉冲经 计数器2 计数得到的脉冲信号 p3, 实现周期数据窗 内等间隔采样。上述三个采样脉冲在同一时刻只有 一个发生作用, 且 p1、p2 两个脉冲中任一个有效时 都会申请 CPU 中断, 通知 CPU 记录整秒采样或周期 数据窗采样开始时刻。这样, p1、p2 和 p3 经过与门 组合后就获得了我们所要的采样脉冲f sample。 28 继电器
陈文进，等电力系统数据采样的几种同步方法 29 基于上述硬件电路进行异地同步采样的启动过 [2]Phadke A G,Picket B.etal.Synchronized Sampling and Phar 程如下：首先进行初始化和接受GPS校时，且在此期 sor Measurements for Relaying and Control[J].IEEE Trans 间所有的A/D转换结果都视为无效，只有在初始化 actions on Power Delivery,1994.9(1):442-452. 结束并经GPS可靠校时后第一个GPS的IPPS秒脉 [3]Pierce Omega J A.IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine,1989,(7):4-13. 冲到达后，CPU才会开放A/D中断，并将该1PPS秒 [4]Sakahara M D.100 ns Synchronization and the Useis of Loran 脉冲所对应的A/D转换数据作为第一个有效采样 -C.Positon Locaion and Navigation Symposium,1988. 数据，从而保证了全网数据采样的同步启动。 Recond.Navigation into the 21st Century[J].IEEE PLANS 随着微电子及通讯技术的迅猛发展，目前GS 88.1988:518-522. 接收器的价格己经降到了广大用户所能接受的范围 [】高厚磊，江世芳，贺家李.数字电流差动保护中几种采 内。同时由于其体积小，性能稳定可靠，可以直接集 样同步方法去】.电力系统自动化，1996.20(9)· 成在测控装置中，而且只要配置适当的接收天线，不 [6] Masami Kihara,Atsushi Imaoka.System Configuration for 再需要别的设备和通道，因此它比广播对时法和基 Standardizing SDH-based Time and Frequency Transfer 于通信信道的采样时间补偿法更具优势，从而得到 [Z].European Frequency and Time Fonum,1996,418:465 -470. 了广泛的应用。 [7 Kihara M,Imaoka A.Timing and Tme Signal Distribution in 6结论 Digial Communications Networks[C].Proc.of the 6th EFTF.1992:489-492. 通过对电力系统各种数据采样同步方式的比 [8] Imaoka A.Kihara M.Accurae Time/Frequency Transfer 较.得出利用GS与锁相技术相结合的方法，不但解 Method Using Bi-dinectional WDM Transmission[C].Paper 决了全网大范围内的同步采样问题，而且还保证了 31.the 27th PITI Applicaions and Planning Meeing,1995. 在系统频率漂移情况下，实现采样频率跟踪系统频 [9]1992 Federal Radionavigation Plan Dot-VNTSC-RSPA-92 率的自适应采样。我们己经将这一技术应用于功角 -2/Dod-4650.5.Stock No..008-047-0042-8[S]. 测量单元PMU(Phasor Measurement Unit)和馈线终端 Washington DC:U.S.Goverrment Printing Office,20402. 单元FTU(Feeder Temminal Unit)中，并取得了预期的 [10 江道灼，马进，章鑫杰.锁相环在电力系统现场测控装 置中的应用[J].继电器，2000,28(8)：43-45. 效果。这就为电力系统继电保护、故障判断、系统稳 定分析等提供了重要的数据：同时采样得到的数据 收稿日期：20021228： 修回日期：2003013 通过通信网络上传给远方调度中心后，还可为调度 作者简介： 中心的正确决策提供可靠依据。 陈文进(1975-)，男，硕士研究生，从事配电网自动化和 参考文献： 微机保护的研究与开发工作： 江道均(1960-)，男，教授，电力系统及其自动化专业： [1 IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems[S]. 主要从事HVDC微机控制技术、FACTS及其应用技术、配电 EEE Std1344.1995. 网自动化等方面的科研。 Some methods on synchronous data sampling in electric power system CHEN Wen jn JIANG Dao zhuo (Electrical Engineering College,Zhejiang Universiy,Hangzhou 310027,China) Abstrac:The synchronous sampling on phase variables(current,volage,etc)is very mportant to power system relaying praection,fault lr cation,system stability analysis,etc.How to acquire sources of synchronizing pulse,that is to say the synchronous sampling,is alw ays a cru cial problem.This paper presents some methods on synchronous sampling:broadcasting from a central location,sampling time compensation method through communication channels and broadcasting from satellites.Finally,a pracical method which combines GPS and phase locked technology is put forward. Key words:electric power system;synchronous sampling: global postion system(GPS) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
基于上述硬件电路进行异地同步采样的启动过 程如下: 首先进行初始化和接受 GPS 校时, 且在此期 间所有的 A/ D 转换结果都视为无效, 只有在初始化 结束并经 GPS 可靠校时后第一个 GPS 的 1PPS 秒脉 冲到达后, CPU 才会开放 A/ D 中断, 并将该 1PPS 秒 脉冲所对应的 A/ D 转换数据作为第一个有效采样 数据, 从而保证了全网数据采样的同步启动。 随着微电子及通讯技术的迅猛发展, 目前 GPS 接收器的价格已经降到了广大用户所能接受的范围 内。同时由于其体积小, 性能稳定可靠, 可以直接集 成在测控装置中, 而且只要配置适当的接收天线, 不 再需要别的设备和通道, 因此它比广播对时法和基 于通信信道的采样时间补偿法更具优势, 从而得到 了广泛的应用。 6 结论 通过对电力系统各种数据采样同步方式的比 较, 得出利用GPS 与锁相技术相结合的方法, 不但解 决了全网大范围内的同步采样问题, 而且还保证了 在系统频率漂移情况下, 实现采样频率跟踪系统频 率的自适应采样。我们已经将这一技术应用于功角 测量单元 PMU( Phasor Measurement Unit) 和馈线终端 单元 FTU( Feeder Terminal Unit) 中, 并取得了预期的 效果。这就为电力系统继电保护、故障判断、系统稳 定分析等提供了重要的数据; 同时采样得到的数据 通过通信网络上传给远方调度中心后, 还可为调度 中心的正确决策提供可靠依据。 参考文献: [ 1] IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems[ S ] . IEEE Std 1344. 1995. [ 2] Phadke A G, Pickett B, etal. Synchronized Sampling and Pha sor Measurements for Relaying and Control[J] . IEEE Trans actions on Power Delivery, 1994, 9( 1) : 442- 452. [3] Pierce Omega J A. IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine , 1989, ( 7) : 4- 13 . [ 4] Sakahara M D. 100 ns Synchronization and the Users of Loran - C. Position Location and Navigation Symposium, 1988. Record. Navigation into the 21st Century[ J] . IEEE PLANS ∗ 88. 1988: 518- 522. [ 5] 高厚磊, 江世芳, 贺家李. 数字电流差动保护中几种采 样同步方法[ J] . 电力系统自动化, 1996, 20( 9) . [ 6] Masami Kihara, Atsushi Imaoka. System Configuration for Standardizing SDH - based Time and Frequency Transfer [ Z] . European Frequency and Time Forum, 1996, 418: 465 - 470. [ 7] Kihara M, Imaoka A. Timing and Time Signal Distribution in Digital Communications Networks[ C ] . Proc. of the 6th EFTF, 1992: 489- 492. [ 8] Imaoka A, Kihara M. Accurate Time/ Frequency Transfer Method Using Bi- directional WDM Transmission[ C] . Paper 31, the 27th PTTI Applications and Planning Meeting, 1995. [ 9] 1992 Federal Radionavigation Plan Dot- VNTSC- RSPA- 92 - 2/ Dod- 4650. 5, Stock No. 008- 047- 0042- 8[ S] . Washington DC: U. S. Government Printing Office, 20402. [ 10] 江道灼, 马进, 章鑫杰. 锁相环在电力系统现场测控装 置中的应用[J] . 继电器, 2000, 28( 8) : 43- 45. 收稿日期: 20021228; 修回日期: 20030113 作者简介: 陈文进( 1975- ) , 男, 硕士研究生, 从事配电网自动化和 微机保护的研究与开发工作; 江道灼( 1960- ) , 男, 教授, 电力系统及其自动化专业; 主要从事 HVDC 微机控制技术、FACTS 及其应用技术、配电 网自动化等方面的科研。 Some methods on synchronous data sampling in electric power system CHEN Wenjin , JIANG Daozhuo ( Electrical Engineering College, Zhejiang University,Hangzhou 310027, China) Abstract: The synchronous sampling on phase variables( current, voltage, etc) is very important to power system relaying protection, fault lo cation, system stability analysis, etc. How to acquire sources of synchronizing pulse, that isto say the synchronous sampling , is always a cru cial problem. This paper presents some methods on synchronous sampling : broadcasting from a central location, sampling time compensation method through communication channels and broadcasting from satellites. Finally, a practical method which combines GPS and phase locked technology is put forward. Key words: electric power system; synchronous sampling; global position system( GPS) 陈文进, 等 电力系统数据采样的几种同步方法 29
