第24卷第1期 电网技术 VoL 24 No.I 2000年1月 Pow er System Technology Jan.2000 文章编号：1000-3673(2000)01-001903 高精度交流采样远动终端的研制 张涛，张忠理 (北京哈德威四方保护与控制设备有限公司，北京100085) DEVELOPMENT OF A HIGH ACCURACY AC SAMPLING RTU DEVICE ZHANG Tao,ZHANG Zhongi (Hathaway Sifang Protection and Control Co.,Ltd.,Beijing 100085,China) ABSTRACT:The design of softw are and hardw are for a high 交流采样的要求，进行软件算法改进。 accuracy AC sampling remote term inal unit(RTU)device is present ed in this paper.In the hardw are,the Voltage-Fre- 变电站自动化系统己逐步走向按间隔配置， quency-Converter(VFC)and high-performance CPU chip is RTU也逐步向分散布置过渡.本文将介绍一种交流 used,the influence of harmonics and frequency on the accura- cy of measurement is considered and can be adaptively correct- 采样RTU的软、硬件设计。该RTU在硬件上采用 ed by softw are.The measurement accuracy for U,I.P.Q VFC和单片机技术，并提供LONWORKS网络接 reaches the accuracy level of 0.5%.Besides,an interface for LON WORKS netw ork is equipped in the RT U.so it can be 口，可方便地联网。软件设计上针对影响精度的各种 easily interconnedted. 原因，通过算法进行补偿或修正。 KEY WORDS:remote terminal unit(RTU);voltage-frequen- cy converter:AC sampling 2硬件构成 摘要：介绍了一种高精度交流采样远动终端的软、硬件设计， 该远动终端硬件上采用压频转换(VFC)技术与高性能单片 RTU硬件主要由4部分组成：交流变换器模块 机实现交流采样，软件上考虑了谐波、频率对测量精度的影 VFC模块，CPU模块，通信模块。 响，并可自适应修正，使电压、电流、有功、无功测量精度都达 2.1交流变换器模块 到0.5级要求.该远动终端还带有LONWORKS网络接口， 交流变换器有电流变换器和电压变换器两种。 便于联网。 设计变换器时应使其具有线性度好（小于0.1%）、角 关键词：交流采样：远动终端：压频转换 移小（小于0.29的特性。其作用是将电压、电流互感 中图分类号：TM764 文献标识码：A 器二次侧强电信号变换成VFC所需要的弱电信号， 同时起隔离和抗干扰作用。 1 引言 2.2VFC模块 随着变电站自动化水平的不断提高，变电站己 VFC模块是将输入模拟量变化成为脉冲频率 经逐步向无人或少人值班过渡，站内设备如交流采 随输入模拟量幅值大小变化的脉冲量。脉冲量送至 样RTU在精度上和可靠性方面均应满足要求。 CPU模块计数器中计数，以实现模数转换。本RTU 压频转换(VFC)技术已广泛应用于各类微机保 采用第三代VFC芯片(VFC110),其电压频率特性 护，其可靠性己经得到广大继电保护用户认可。采用 的线性范围为04MHz,比一般保护用的VFC的线 VFC技术和单片机的主要硬件是提高RTU可靠性 性范围宽得多，因而模数转换精度也相应地得到提 的一条捷径。 高。 交流采样RTU和微机保护，在频率变化及叠 2.3PU模块 加谐波对精度影响方面的要求是不同的。交流采样 CPU模块采用总线不出芯片的16it单片机。 RTU在频率波动和叠加谐波情况下，要求测量精度 单片机片内集成多个定时器/计数器，其中一个由软 误差变化不超过变差范围。而微机保护可基本不考 件设置为采样定时器，其余设为计数器。采样定时器 虑频率变化影响，并滤除谐波分量。微机保护测量对 确定CPU的采样周期T(采样频率f=1/T), 精度的要求远低于远动终端交流采样的精度要求。 CPU每隔T,响应一次定时器中断，在中断服务程 因此，有必要在微机保护硬件基础上，根据远劫终端序甲读取各计数器的数值，将两相邻采样间隔计数
文章编号: 1000-3673( 2000) 01-0019-03 高精度交流采样远动终端的研制 张 涛, 张忠理 ( 北京哈德威四方保护与控制设备有限公司, 北京 100085) DEVELOPMENT OF A HIGH ACCURACY AC SAMPLING RTU DEVICE ZHANG Tao, ZHANG Zhong-li ( Hathaway Sifang Protection and Control Co. , Ltd. , Beijing 100085, China) ABSTRACT: The design of softw are and har dw are for a hig h accuracy AC sampling r emo te term inal unit ( RTU ) device is pr esent ed in this paper. In the har dw are, the Voltage-Frequency-Converter ( VFC) and hig h-perfo rmance CPU chip is used, the influence of harmonics and frequency on the accuracy of measurement is co nsider ed and can be adaptiv ely corr ected by softw are. The measurement accuracy for U, I, P, Q reaches the accur acy level of 0. 5% . Besides, an interface for LONWORKS netw or k is equipped in the RT U, so it can be easily interconnected. KEY WORDS: r emote terminal unit( RTU) ; voltage-frequency conv erter; AC sampling 摘要: 介绍了一种高精度交流采样远动终端的软、硬件设计, 该远动终端硬件上采用压频转换( VFC) 技术与高性能单片 机实现交流采样, 软件上考虑了谐波、频率对测量精度的影 响, 并可自适应修正, 使电压、电流、有功、无功测量精度都达 到0. 5级要求。该远动终端还带有 LONWORKS 网络接口, 便于联网。 关键词: 交流采样; 远动终端; 压频转换 中图分类号: T M764 文献标识码: A 1 引言 随着变电站自动化水平的不断提高, 变电站已 经逐步向无人或少人值班过渡, 站内设备如交流采 样 RT U 在精度上和可靠性方面均应满足要求。 压频转换( VFC) 技术已广泛应用于各类微机保 护, 其可靠性已经得到广大继电保护用户认可。采用 VFC 技术和单片机的主要硬件是提高 RT U 可靠性 的一条捷径。 交流采样 RTU 和微机保护, 在频率变化及叠 加谐波对精度影响方面的要求是不同的。交流采样 RT U 在频率波动和叠加谐波情况下, 要求测量精度 误差变化不超过变差范围。而微机保护可基本不考 虑频率变化影响, 并滤除谐波分量。微机保护测量对 精度的要求远低于远动终端交流采样的精度要求。 因此, 有必要在微机保护硬件基础上, 根据远动终端 交流采样的要求, 进行软件算法改进。 变电站自动化系统已逐步走向按间隔配置, RTU 也逐步向分散布置过渡。本文将介绍一种交流 采样 RTU 的软、硬件设计。该 RT U 在硬件上采用 VFC 和单片机技术, 并提供 LONWORKS 网络接 口, 可方便地联网。软件设计上针对影响精度的各种 原因, 通过算法进行补偿或修正。 2 硬件构成 RTU 硬件主要由4部分组成: 交流变换器模块, VFC 模块, CPU 模块, 通信模块。 2. 1 交流变换器模块 交流变换器有电流变换器和电压变换器两种。 设计变换器时应使其具有线性度好( 小于0. 1%) 、角 移小( 小于0. 2°) 的特性。其作用是将电压、电流互感 器二次侧强电信号变换成 VFC 所需要的弱电信号, 同时起隔离和抗干扰作用。 2. 2 VFC 模块 VFC 模块是将输入模拟量变化成为脉冲频率 随输入模拟量幅值大小变化的脉冲量。脉冲量送至 CPU 模块计数器中计数, 以实现模数转换。本 RT U 采用第三代 VFC 芯片( VFC110) , 其电压频率特性 的线性范围为0～4M Hz, 比一般保护用的 VFC 的线 性范围宽得多, 因而模数转换精度也相应地得到提 高。 2. 3 CPU 模块 CPU 模块采用总线不出芯片的16bit 单片机。 单片机片内集成多个定时器/ 计数器, 其中一个由软 件设置为采样定时器, 其余设为计数器。采样定时器 确定 CPU 的采样周期 Ts ( 采样频率 f s = 1/ T s ) , CPU 每隔 T s 响应一次定时器中断, 在中断服务程 序中读取各计数器的数值, 将两相邻采样间隔计数 第24卷 第1期 2000年1月 电 网 技 术 Pow er System Technology Vol. 24 No . 1 Jan. 2000
20 Pow er System Technology Vol.24 No.1 值相减即为该输入量瞬时采样值。交流采样须考虑 对式(2)在零点附近展开成幂级数，并截去高 13次以下的谐波，为避免高次谐波频率混叠，RTU 次项可得 采样率定为1800Hz,即每周采样36点数据。 1 f=4KT-4城E十 2.4通信模块 S2 (3) 经过量化，可得频率的基本公式为 通信模块上的LON WORKS单片机集成了很 f=50-16(S1/S2) (4 强的计算机网络功能，可以通过片外的网络驱动器 当频率为50Hz时，这两组系数h(n)、h2(n)对 直接联至高速数据通信网。每个RTU是网络上的 一个接点，由挂在网络上的网络主站进行规约解释， 应于U()的相应采样值间隔正好为90°。当频率变 化时，对应于U()的采样值间隔就会偏离90°，且可 并通过标准远动规约（如CDT、SC1801等）与远方调 由式(4)计算出频率值。如果在新的频率下调整采 度通信。 样率，使h(n、hz(n)对应于U(m的相应采样值间 3软件功能及算法 隔为90°，那么式(4④)仍然成立，这时在新采样频率 3.1频率算法 下，频率计算值仍为50Hz。换句话说，频率不为 频率是电力系统安全运行的重要指标，频率变 50Hz时按式(4)计算频率，根据计算频率值，只需 进行一次调整采样率即可使新采样率下的计算频率 化是影响交流采样精度的重要因素。准确测量频率， 再进行频率修正，是保证测量精度能满足要求的必 为50Hz.反之，当计算频率为50Hz时，则无需调整 要条件。采用VFC技术实行AID变换，由于采样率 采样率。虽然不同频率下计算出的频率都为50Hz, 不能太高，因此不能用单片机通过波形过零点时刻 但是这时的采样率与真正50Hz所对应的采样率的 来计算频率，为此本文介绍一种利用采样值计算频 初值是不同的。 3.2电压、电流功率算法 率的新方法。 假设采样电压信号为一正弦电压，在电压采样 交流采样需要电压、电流的真有效值，因此需用 期间电压保持不变，系统频率也不迅速改变，系统电 均方根计算电压、电流有效值。均方根算法中己考虑 压信号采样值可写作： 谐波分量在有效值中的成分，计算公式如式(5)~ (8),式中U(6)、I(为电压、电流的采样值： U(n)=Um sin2Tf (To+nT's) 式中Um为电压峰值：f为系统频率：Ts为采样周 U= 1,U N台 (5) 期。 选用两组系数h(n)、h2(n),分别用这两组系数 I= 计算出一个U()的线性组合值 形 (6 S1= ∑a(mU() P= = ·N (7) S2= 会t国 S=U·I Q= 072-P2 (8) 式中N的大小及hi(n)、hz(n)的值与采样率有关， 3.3小信号输入时电压电流功率算法 当采样率为200Hz时，N=7 VFC产生量化误差的一个原因是在每次采样 h(n=-1,01,0.1,0.-1 读数时可能多读或少读一个脉冲数。当小信号输入 h2(n=0,-1,0,2,0,-1,0 时，由于采样间隔中的计数值差值较小，则一个脉冲 当采样率大于200Hz时，{h()}与(ha(m)}中 数误差对整个计算值影响将很大。为减小这种影响， 非零值和其对应的时间间隔不变，只是增加了零的 可采用多个采样间隔的计数器差值（差值相应增大） 个数则 做为采样值，并通过傅氏算法计算U、I、P、Q值，这 S2=2 cos2Tf KT. (1) 时不考虑谐波的影响。如果在一个周期T内采样N 对50Hz系统，KT,=5ms 次，则 合in:wwwenki.net 2 2T 1994-20rral Electror(2)Publishing House.g
值相减即为该输入量瞬时采样值。交流采样须考虑 13次以下的谐波, 为避免高次谐波频率混叠, RTU 采样率定为1800Hz, 即每周采样36点数据。 2. 4 通信模块 通信模块上的 LONWORKS 单片机集成了很 强的计算机网络功能, 可以通过片外的网络驱动器 直接联至高速数据通信网。每个 RT U 是网络上的 一个接点, 由挂在网络上的网络主站进行规约解释, 并通过标准远动规约( 如 CDT 、SC1801等) 与远方调 度通信。 3 软件功能及算法 3. 1 频率算法 频率是电力系统安全运行的重要指标, 频率变 化是影响交流采样精度的重要因素。准确测量频率, 再进行频率修正, 是保证测量精度能满足要求的必 要条件。采用 VFC 技术实行 A / D 变换, 由于采样率 不能太高, 因此不能用单片机通过波形过零点时刻 来计算频率, 为此本文介绍一种利用采样值计算频 率的新方法。 假设采样电压信号为一正弦电压, 在电压采样 期间电压保持不变, 系统频率也不迅速改变, 系统电 压信号采样值可写作: U( n) = U m sin2f ( T 0+ nT S ) 式中 U m 为电压峰值; f 为系统频率; TS 为采样周 期。 选用两组系数 h1( n) 、h2( n) , 分别用这两组系数 计算出一个 U( n) 的线性组合值 S1 = N n= 1 h1 ( n) U( n) S2 = N n= 1 h2 ( n) U( n) 式中 N 的大小及h1 ( n) 、h2( n) 的值与采样率有关, 当采样率为 200Hz 时, N = 7 h1 ( n) = - 1, 0, 1, 0, 1, 0, - 1 h2 ( n) = 0, - 1, 0, 2, 0, - 1, 0 当采样率大于 200Hz 时, { h1( n) } 与{ h2 ( n) } 中 非零值和其对应的时间间隔不变, 只是增加了零的 个数, 则 S1 S2 = 2 cos2f K T s ( 1) 对 50 Hz 系统, K T s = 5 ms f = 1 2K T s arccos S1 2S2 ( 2) 对式( 2) 在零点附近展开成幂级数, 并截去高 次项可得 f = 1 4K T s - 1 4K Ts × S1 S2 ( 3) 经过量化, 可得频率的基本公式为 f = 50 - 16( S1 / S2) ( 4) 当频率为 50 Hz 时, 这两组系数 h1( n) 、h2 ( n) 对 应于 U( n) 的相应采样值间隔正好为 90°。当频率变 化时, 对应于U( n) 的采样值间隔就会偏离90°, 且可 由式( 4) 计算出频率值。如果在新的频率下调整采 样率, 使 h1 ( n) 、h2( n) 对应于 U( n) 的相应采样值间 隔为 90°, 那么式( 4) 仍然成立, 这时在新采样频率 下, 频率计算值仍为 50Hz。换句话说, 频率不为 50Hz 时按式( 4) 计算频率, 根据计算频率值, 只需 进行一次调整采样率即可使新采样率下的计算频率 为 50 Hz。反之, 当计算频率为 50 Hz 时, 则无需调整 采样率。虽然不同频率下计算出的频率都为 50 Hz, 但是这时的采样率与真正 50Hz 所对应的采样率的 初值是不同的。 3. 2 电压、电流功率算法 交流采样需要电压、电流的真有效值, 因此需用 均方根计算电压、电流有效值。均方根算法中已考虑 谐波分量在有效值中的成分, 计算公式如式( 5) ～ ( 8) , 式中 U( k) 、I( k) 为电压、电流的采样值: U = 1 N N k= 1 U 2 ( k) ( 5) I = 1 N N k= 1 I 2 ( k) ( 6) P = N k= 1 U( k) I( k) / N S = U I ( 7) Q = U 2 I 2 - P 2 ( 8) 3. 3 小信号输入时电压电流功率算法 VFC 产生量化误差的一个原因是在每次采样 读数时可能多读或少读一个脉冲数。当小信号输入 时, 由于采样间隔中的计数值差值较小, 则一个脉冲 数误差对整个计算值影响将很大。为减小这种影响, 可采用多个采样间隔的计数器差值( 差值相应增大) 做为采样值, 并通过傅氏算法计算 U、I、P、Q 值, 这 时不考虑谐波的影响。如果在一个周期 T 内采样 N 次, 则 UI = 2 N N k= 1 U( k) sin 2k N 20 Pow er System Technology Vol. 24 No. 1
第24卷第1期 电。网技术 21 UR= 寄存器即可。采样周期变化后，相同输入量在采样间 N 隔内的数值也应作相应变化，则须对式(5~(8)进 1= 2 行修正。设额定频率为fN,改变后频率为f,则相应 N 公式变化为 v-f (13) 可得 U= ui+偏 (9) (14) I= +商 (10) P=f)2·∑U)·(1N (15) P= (Ue+Uib) (11) Q=f'1fw)2. 0T-p2 (16 3.5电压、电流变换器相移的影响 Q= (nl-Vsl) (12) 当电压、电流变换器相移较大时，即使单片机实 3.4同步采样和频率变化影响 现同步采样，也会使有功、无功测量精度超差。因此， 计算功率时要求单片机做到电压、电流同步采 对电压、电流变换器须进行严格筛选，使相对相移减 样，单片机每隔Ts进行一次采样，依次读取各计数 少。同时，以软件对小角度相移进行角度补偿，使有 器中的计数值。因为单片机处理速度非常快（一条读 功、无功测量精度提高。假设P、Q己算出，分析不同 指令时间约为0.5s,各路通道全部读完约为5s, 功角下的P、Q值可判断电压、电流相位需补偿日， 换算为角度小于0.1°所以采样顺序引起的相位差 rad,因日很小，则经补偿后P、Q的计算公式为 可忽略不计。也就是说，单片机可实现同步采样，满 P=P-00 足功率测量要求。 Q=Q+P0 频率变化后，将导致采样率不是频率的整数值， 必将引起量化误差增大。同时，每周实际应采样数也 4测量精度试验 不为36，按式(5~(8)计算也将引起误差。因此， 经电力部电力设备及仪表质量检验测试中心试 需调整采样周期Ts,使采样率fs为实际频率的36 验，交流采样TU达到、1、P、Q0.5级精度要求， 倍，要调整采样周期，软件只需修改单片机内部定时 有关频率影响、谐波影响的试验数据如表1所示。 表1频率影响和谐波影响的试验数据 电压 电流 有功 检测项目 输入标称值/% 无功 允许变差/% 实际 允许 实际 允许 实际 允许实际 100 45Hz 0.5 0.00 0.5 0.00 0.5 0.11 0.5 0.05 频率变化 20 45Hz 0.5 0.10 0.5 0.20 0.5 0.00 0.5 -0.10 影响 100 55Hz 0.5 -0.20 0.5 -0.20 0.5 -0.15 0.5 -0.04 20 55Hz 0.5 0.10 0.5 0.00 0.5 0.07 0.5 0.00 谐波含量基波与谐波角度 谐波影响100 20% 0° 1.0 -0.84 1.0 -0.80 1.0 -0.28 1.0 -0.27 100 20% 90° 1.0 -0.75 1.0 -0.80 1.0 -0.45 1.0 -0.12 5结语 统构成创造了前提条件。 参考文献： 采用VFC和单片机构成的交流采样RTU已 [刂杨奇逊.微机型继电保护基础[M.北京：水利电力出版社， 研制成功，该RTU硬件上采用了微机保护的成熟 1998. 技术，特别是采用总线不出芯片的单片机，使可靠性 [2)夏大洪.WGL2微机型故障录波及测距装置算法研究[D].华 北电力学院.1992.12. 和抗干扰性能得到大大提高。软件上考虑了频率、谐 波的影响并修正，同时可对功率计算结果进行小角 收稿日期：1999-0-18：改回日期：1999-129。 度相位补偿，使得该RTU测量精度能达到0.5级， 作者简介： 张涛(1971→，男，工程师，从事变电站自动化系统及电网安全 满足了原电力部远动终端入网要求。该RTU还带 自动装置的研究开发工作： 有ONWORKS接口便于联网，为分布式RTi系ubis 张男程师从事意电站自动化系统及备保 护的佛究开发工作
UR = 2 N N k= 1 U( k) cos 2k N II = 2 N N k= 1 I( k) sin 2k N I R = 2 N N k= 1 I( k) cos 2k N 可得 U = 1 2 ( U 2 I + U 2 R ) ( 9) I = 1 2 ( I 2 I + I 2 R) ( 10) P = 1 2 ( URI R + UI II ) ( 11) Q = 1 2 ( UI I R - UR II ) ( 12) 3. 4 同步采样和频率变化影响 计算功率时要求单片机做到电压、电流同步采 样, 单片机每隔 TS 进行一次采样, 依次读取各计数 器中的计数值。因为单片机处理速度非常快( 一条读 指令时间约为 0. 5s, 各路通道全部读完约为 5s, 换算为角度小于 0. 1°, 所以采样顺序引起的相位差 可忽略不计。也就是说, 单片机可实现同步采样, 满 足功率测量要求。 频率变化后, 将导致采样率不是频率的整数值, 必将引起量化误差增大。同时, 每周实际应采样数也 不为 36, 按式( 5) ～ ( 8) 计算也将引起误差。因此, 需调整采样周期 T S, 使采样率 f S 为实际频率的 36 倍。要调整采样周期, 软件只需修改单片机内部定时 寄存器即可。采样周期变化后, 相同输入量在采样间 隔内的数值也应作相应变化, 则须对式( 5) ～( 8) 进 行修正。设额定频率为 f N , 改变后频率为 f ′ , 则相应 公式变化为 U = f ′ f N 1 N N k= 1 U 2 ( k) ( 13) I = f ′ f N 1 N N k= 1 I 2 ( k) ( 14) P = ( f ′/ f N ) 2 N k= 1 U( k) I( k) / N ( 15) Q = ( f ′/ f N ) 2 U 2 I 2 - P 2 ( 16) 3. 5 电压、电流变换器相移的影响 当电压、电流变换器相移较大时, 即使单片机实 现同步采样, 也会使有功、无功测量精度超差。因此, 对电压、电流变换器须进行严格筛选, 使相对相移减 少。同时, 以软件对小角度相移进行角度补偿, 使有 功、无功测量精度提高。假设 P、Q 已算出, 分析不同 功角下的 P、Q 值可判断电压、电流相位需补偿 , rad, 因 很小, 则经补偿后 P ′、Q ′的计算公式为 P ′ = P- Q Q ′ = Q+ P 4 测量精度试验 经电力部电力设备及仪表质量检验测试中心试 验, 交流采样 RT U 达到 U、I、P、Q 0. 5级精度要求, 有关频率影响、谐波影响的试验数据如表1所示。 表1 频率影响和谐波影响的试验数据 检测项目 输 入 标 称 值/ % 电压 允许变差/ % 实际 电流 允许 实际 有功 允许 实际 无功 允许 实际 频率变化 影响 100 45Hz 0. 5 0. 00 0. 5 0. 00 0. 5 0. 11 0. 5 0. 05 20 45Hz 0. 5 0. 10 0. 5 0. 20 0. 5 0. 00 0. 5 - 0. 10 100 55Hz 0. 5 - 0. 20 0. 5 - 0. 20 0. 5 - 0. 15 0. 5 - 0. 04 20 55Hz 0. 5 0. 10 0. 5 0. 00 0. 5 0. 07 0. 5 0. 00 谐波影响 谐波含量 基波与谐波角度 100 20% 0° 1. 0 - 0. 84 1. 0 - 0. 80 1. 0 - 0. 28 1. 0 - 0. 27 100 20% 90° 1. 0 - 0. 75 1. 0 - 0. 80 1. 0 - 0. 45 1. 0 - 0. 12 5 结语 采用 VFC 和单片机构成的交流采样 RTU 已 研制成功, 该 RTU 硬件上采用了微机保护的成熟 技术, 特别是采用总线不出芯片的单片机, 使可靠性 和抗干扰性能得到大大提高。软件上考虑了频率、谐 波的影响并修正, 同时可对功率计算结果进行小角 度相位补偿, 使得该 RT U 测量精度能达到0. 5级, 满足了原电力部远动终端入网要求。该 RT U 还带 有 LONWORKS 接口, 便于联网, 为分布式 RTU 系 统构成创造了前提条件。 参考文献: [1] 杨奇逊. 微机型继电保护基础[ M] . 北京: 水利电力出版社, 1998. [2] 夏大洪. WGL-12微机型故障录波及测距装置算法研究[ D] . 华 北电力学院, 1992. 12. 收稿日期: 1999-10-18; 改回日期: 1999-11-29。 作者简介: 张 涛( 1971-) , 男, 工程师, 从事变电站自动化系统及电网安全 自动装置的研究开发工作; 张忠理( 1969-) , 男, 工程师, 从事变电站自动化系统及主设备保 护的研究开发工作。 第 24 卷 第 1 期 电 网 技 术 21