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1、重采样移相技术在过程层 IED 中的应用闫志辉 胡彦民 周丽娟 马朝阳（许继电气技术中心，河南 许昌 461000）摘要：数据采集是过程层 IED 的一个主要功能，采用多路开关的采样电路会引起采样值相位偏移。文章介绍了使用插值算法的重采样移相技术，在不改变硬件的基础上，实现了对过程层 IED 采样值的相位补偿，并分析了插值算法对高次谐波 的影响。经实验验证，该算法可以达到相位的补偿效果，补偿后的相位和幅值都能够满足电子式互感器标准的精度要求。实验证明该算法具有一定的工程实用性。关键词：重采样 过程层 IED 插值算法The Application of Resample phase shift
2、er technique inprocess layer IEDYanzhihui Huyanmin Zhoulijuan Mazhaoyang（XJ Electric Technology Center，Xuchang 461000 China）Abstract：Data acquisition is a principal function of process layer IED, and the sample circuit with multi-way switch results in phase excursion of sample value. This paper intr
3、oduces the resample phase shifter technique with interpolation algorithm and analyses the algorithm on the impact of high-order harmonic. Interpolation algorithm can compensate above phase excursion without changing the hardware.By experiment test, the interpolation algorithm can achieve the effect
4、of phase compensation.Compensated phase and amplitude will be able to meet the standard of electronic transformer accuracy. The experiment shows that the algorithm has certain value in engineering application.Key words: resample technique; process layer IED; interpolation algorithm一、 概述在数字化变电站中，数据采集
5、单元和保护测控单元分别属于不同的层次，数据采集在过程层中实现，然后通过过程层网络送至间隔层，保护及测控单元从过程层网络取得采样值完成保护功能。这样就要求过程层的数据采集装置具有较高的幅值和相位精度，以满足间隔层不同装置的需要。传统的采样电路采用如图 1 所示的结构，这种结构可以节省硬件开支，但会造成通道间采样时刻的差异，假定一个通道的采样时间为 6s左右，对于一个拥有 11 个通道的系统，那么最后一个通道与第一个通道之间的采样时刻差可达 60s左右，换算为相位偏差为 1 度左右，这样的偏差对于测量单元来说，是不能容忍的。为了消除这种偏差，通常有两种做法，一种是在硬件回路中使用同步采样的方法，在
6、同一时刻进行采保，这种做法会增加硬件成本，且在成型的硬件产品上无法实现。另一种做法就是用软件对采样值进行重采样，实现相位的修正，这种方法不会增加硬件成本，易于实现 1。采保多路开关A / D通道 1通道 2通道 n采 保 模 块C P U 模 块图 1 传统采样电路结构示意图Figure 1 Traditional sampling circuit diagram通常，重采样方法一般采用插值算法，插值算法的算法简单，能够在很短的时间内完成，适合采样间隔比较短的情况 23。插值算法是函数逼近的一种最简单的方法，利用插值算法可以通过函数在有限点处的取值状况估算出该函数在其它点处的值。二、 插值算法
7、设已知区间 上的实值函数,ab在 n+1 个相异点 处的函f ,ix数值 ， =0，1， ，n，()iifL要求估算 在 中某点 的值。插,abx值法就是用一个便于计算的简单的函数 去替代 ，使得 4：f=0，1， ，n，()iixL并以 作为 的近似值。f插值算法主要包括 Lagrange 插值，Newton 插值等方法，这里使用的是Lagrange 插值，其公式为：（2-1）0()()niLxfl其中： 0()njijixl利用式 2-1 进行插值所引起的误差可用下式表示：（2-2）(1)()!nniiifRxfLx其中： 0jj在实际应用中，低次插值多项式是经常使用的。一次插值多项式即为
8、线性插值多项式，二次插值多项式的图形为抛物线，所以二次插值也称为抛物线插值法。对于重采样算法，通常取 ，采用二次插值法，从而可2n以得到抛物线插值法的计算公式。 02122 101()()xxLyy(2-3)220()误差计算公式为：(2-4)(3)012()6Rxxf假设采样的信号是频率为 50Hz 的正弦波，即 ，采样()sin)ftt频率为每周波 80 点，采样间隔为 250微秒，对每一个采样点，取其前两个点参与重采样计算，如图 2 所示，为了方便计算，我们可以取 x0 为坐标零点，这样就可以得到抛物线插值的三个点为 ，00(,)xf，61125，取 ，2(,()xfx64510把这些点
9、代入式 2-3 可以求得该采样点重采样后的值，并由式 2-4 可以得到抛物线插值重采样引起的误差为： 5|()|2.310niRx由式 2-2 可以看出，对于给定的坐标点，频率越高，计算误差越大。同样，可以计算出 13 次谐波的计算误差。 213|()|5.0niRxx 0 x 1 x 2xf ( x 0 )f ( t )f ( x 1 )f ( x 2 )f ( x )t图 2 重采样示意图Figure 2 Schematic Resampling由上面的误差计算可知重采样引起的基本误差符合 IEC60044-8 标准中附录 C 对电子互感器的要求 5。三、 程序实现重采样移相技术主要用于数
10、字化变电站中过程层设备，目前常用的采样频率为每周 80 点，采样间隔只有250s。在过程层智能设备中，CPU 还要担负其它的功能，例如开入信号的采集，继电器开出的驱动，这些功能对实时性的要求也比较高，所以就要求重采样算法实现简单，耗时小。根据式 2-1，只要图 2 中的 x 的坐标给定，那么抛物线插值的系数也就可以算出来了。在过程层智能设备的重采样中，由于每个通道的采样延时可以确定，其重采样的坐标也就是固定的，所以我们在程序初始化的时候把所有的系数都计算好，而不在重采样的过程中每次重新计算系数，从而可以节省大量的计算时间。由于在重采样计算中，要用到前两次的采样值，所以至少要保留前两次采样的原始
11、值用于重采样计算，这样 IED 最初两次的采样就不能进行重采样了。重采样的流程图如图 3 所示。入口取最新采样值指针出口是否前两次采样 ？记录采样次数通道号为 1通道号为 1还有通道 ？采样值放入缓冲区取修正系数取三点的采样值 0()niLxfl重采样值放回缓冲区采样值放入缓冲区通道号加 1还有通道 ？通道号加 1是否是否否是图 3 重采样流程图Figure 3 Resampling flowchart四、 结论利用上述的理论及程序流程，在过程层 IED 中实现了重采样移相。该IED 有 10 个交流通道，通道采样延时约为 6s。在额定值范围内，使用同样的硬件，对使用和不使用重采样技术的软件分
12、别进行试验。把 10 个通道的输入都接到同一个信号源上，这样以第一个通道的采样结果为标准，可以计算出各通道的相位偏差。下面分别施加基波1000mV，3 次谐波 500mV，13 次谐波200mV 电压对使用和不使用重采样的软件进行了比较。试验结果如表 1-表3 所示，其中幅值的单位为 mv，相位的单位为度。表 1 基波Table 1 Fundamental 重采样 不使用重采样通道号幅值 相位 幅值 相位1 1000.7 0 1000.4 02 1000.5 -0.054 1000.2 0.033 1000.3 -0.002 1000.1 0.1764 1000.8 -0.079 1000.1
13、 0.1975 999.9 -0.001 1000.5 0.3646 1000.4 -0.013 999.9 0.4567 1000.5 -0.017 999.9 0.5438 1000.1 -0.02 1000.7 0.6349 1000.7 -0.008 1000.3 0.73510 1000.2 0.008 1000.8 0.846表 2 3 次谐波Table 2 3rd harmonic重采样 不使用重采样通道号幅值 相位 幅值 相位1 499.1 0 499.5 02 499.5 -0.16 499.8 0.3363 499.6 -0.009 500 0.6824 499.3 -0.
14、084 499.9 0.9085 499 -0.114 499.9 1.1736 499.8 -0.121 500.6 1.4577 499.9 -0.125 500.6 1.9578 498.9 -0.132 499.8 2.149 499 -0.116 499.9 2.44510 499.9 -0.204 500.8 2.644表 3 13 次谐波Table 3 13th harmonic重采样 不使用重采样通道号幅值 相位 幅值 相位1 199.9 0 199.3 02 199.2 -0.264 199.5 1.4313 198.5 -0.61 199.5 2.4774 197.8 -0
15、.983 199.1 3.5015 197.4 -1.218 199.1 4.8666 197.7 -0.93 199.8 6.2477 197 -1.227 199.4 7.7468 196.4 -1.233 199.3 8.9329 195.6 -1.621 199.1 9.53810 195.8 -1.707 199.5 10.841经过比较，使用重采样移相技术可以实现对相位误差的修正，修正结果可以保证基波相位偏差在 10 分以内，3 次谐波相位偏差在 20 分以内，13次谐波相位偏差在 2 度以内。同时，重采样算法对采样值的影响也在要求的精度范围之内，从实验数据中可以看出，重采样后基波
16、的误差在 0.2%以内，3 次谐波的误差也在 0.2%以内，而 13 次谐波的误差也不超过 2%，满足数字化变电站对采样值的要求。试验证明，在过程层 IED 中使用重采样移相技术可以达到修正采样值相位的目的，修正后的精度可以满足IEC60044-8 标准中附录 C 中对电子互感器的要求，从而可以在不改变硬件结构的情况下，保证过程层 IED 的采样值精度。参考文献：1 刘青松一种交流采样的补偿算法J 电力系统及其自动化学报, 1999Liuqingsong. A Compensation Method For A.C.Sampling J Proceedings Of The CSU-EPSA ,1999.2 张秀丽，李萍，陆光华高精度软件同步采样算法J电力系统及其自动化学报, 2005,(04)Zhangxiuli,Liping,Luguanghua. High-accuracy Method for
