基于微功率无线的三相同步录波技术方案及其低功耗设计

2020-12-09李绍文

浙江电力 2020年11期

李绍文，许健

（1.长沙医学院信息工程学院，长沙 410083；2.威胜信息技术股份有限公司，长沙 410083）

0 引言

10 kV 配电网故障录波功能已经成为配电网系统短路、接地故障等过程分析的关键手段之一[1-3]。暂态录波型故障指示器作为故障定位有效的辅助手段，越来越为国家电网有限公司所认可。但仍受制于低功耗[4-7]、取电能力[8-10]和三相同步录波[11-12]等关键技术的发展水平，其中三相同步录波技术是核心技术之一，其精度直接影响零序合成的精度，最终影响故障分析的结果。考虑到10 kV 配电网的安全性，基于微功率无线的三相同步录波技术适合应用在暂态录波型故障指示器中。目前，故障同步录波主要有2 种方案。一种是基于高精度授时模块和高精度守时晶振的同步录波方案[13-14]，该方案采用高精度GPS 模块给控制芯片提供绝对时间信息，并根据这个同步的绝对时间信息来控制交流采样。该方案实现成本高，且难以实现低功耗设计。另一种是通过授时协议的同步录波方案[15-18]，该方案通过协议计算各种延时来实现绝对时间同步，进而控制交流采样。该方案过度依赖通信，软件处理逻辑相对复杂。以上2 种方案都是根据绝对的时间信息对采样点计数进行清零处理，并通过高精度的守时晶振来保证对时后的采样同步的。本文设计了一种基于微功率无线的低功耗三相同步录波技术方案，通过对比相邻2 次对时之间的采样位置信息，计算出B 相、C 相相对于A 相的采样计数偏移，并逐步微调B 相、C 相的采样间隔来同步于A 相采样，最终实现了A，B，C 三相同步录波。

1 基于微功率无线的三相同步录波技术方案

1.1 具体方案

如图1 所示，在终端无线对时后，A，B，C三相各自保存当前采样点位置信息。在实际开发过程中，以芯片外设RTC（实时时钟）来控制ADC（模拟数字转换器）采样周期，故采样点位置信息由采样点当前计数值和对应时刻RTC 计数寄存器计数值2 部分组成。以32.768 kHz 晶振为例，一个RTC 计数寄存器的最小时间单元TickRTC为30.52 μs，若采样点间隔为244.16 μs（8×30.52 μs），以A 相为例，其位置信息计算为：

图1 总体技术方案流程

式中： A（N）为A 相位置信息；CNTRTC_Tick为RTC计数寄存器的计数值；CNTADC为ADC 的采样点计数值。B 相、C 相位置信息计算同理。在A 相计算采样点位置信息后，周期性计算相邻2 次对时的采样点位置信息差值：

B 相、C 相位置信息差值的计算同理。在A相获得采样点位置信息差值后，通过无线把采样点位置信息差值A（N）Diff发送给B 相、C 相。在B相接收到A 相的采样点位置信息差值后，同时计算B 相采样点位置信息差值相对于A 相采样点位置信息差值的初始偏移：

如图2 所示，在B（N）与B（N+1）之间，要使得B 相采样点位置与A 相的采样点位置逐步同步，则需要连续调整BA（N）Diff/TickRTC个采样点，直到B（N）在时间轴上逐步逼近A（N）。C 相处理方式与B 相一致。一般情况下，在对时周期为5 s的间隔内，由于晶振频偏的存在，B 相采样点位置距离A 相同一采样点位置最大偏移不会超过一个采样点间隔，即244.16 μs，那么其最大调整次数不会超过8 次，所需要的同步收敛时间小于2 ms（8×244.14 μs）。

图2 B 相采样点调整时序

A，B，C 三相接收到无线对时后，以A 相采样点位置为对比，B 相、C 相通过对比计算相邻2 次对时周期的采样位置信息偏差，获得初始的同步偏移值，并通过逐步调整自己的采样点间隔，在采样时间轴上逐步逼近A 相，使其同步于A 相。从软件实现上来看，B 相、C 相处理逻辑和A 相处理逻辑不一致，软件设计相对复杂，无线通信次数也相应增加。但是，以RTC 最小时间单元作为调整时间单元，采用逐步逼近的调整方式，其三相录波同步精度高。

1.2 方案同步性能影响因素

（1）晶振频率。以晶振频率32.768 kHz 为例，其RTC 计数寄存器的最小时间单元为30.52 μs，以此晶振作为RTC 时钟来源来控制ADC 触发周期。由此可知，在同步调整的过程中，其最小同步调整间隔为30.52 μs。从软件处理逻辑上考虑，理论上能达到的最高同步处理精度为61.04 μs（2个最小同步调整间隔）。可见，晶振频率越高，其同步调整的精度越高，三相同步误差就越小；但当晶振频率达到一定极限值时，其最终同步效果会受到软件处理耗时及硬件响应的限制。

（2）晶振频偏。在三相完全同步后，随着时间的推移，因晶振频偏的存在，其三相采样点的同步性变差。可见，晶振频偏的大小是影响三相同步的关键因素之一。晶振频偏越小，其三相采样同步性就保持得越好，所需要的终端对时间隔也就越大。

（3）前端采样硬件回路的相移。通常前端采样硬件回路通过互感器把线上电流转化成二次电流，并经由转化电路将电信号送到芯片采样端口进行采样。A，B，C 三相同时采集同一个硬件信号，用示波器观察其芯片采样端口的波形，发现不同相的采样波形依然存在同步误差。可见，该同步误差由硬件设计本身引起，后续的软件同步机制无法消除该同步误差，故在硬件设计上应严格把关，以避免前端采样硬件回路的相移。

（4）无线通信延时。由于硬件的差异，同一终端对时信号到达A，B，C 三相装置的时间不同。由于同一硬件对于相邻2 次对时信号的延时是一致的，以相邻2 次对时的采样位置信息差值作为同步调整的基础数据，可避免不同硬件对通信延时的影响。

（5）同频干扰。无线电信号在传输过程中会与另一相同或相近频率无线电信号相互干扰，致使信号畸变，进而导致接收端无法有效解析该电信号，最终导致同步失败。某一空间内同频信号越多，其三相同步失败的可能性就越大。目前，一般是通过跳频或错频的方式来解决同频干扰的问题。

（6）无线对时间隔。因晶振频偏的存在，随着时间的推移，其三相采样点的同步性变差，这就需要对A，B，C 三相实施周期性的无线对时。终端无线对时间隔越大，其最大同步误差也就越大。但无线对时的间隔需要综合考虑晶振频偏和功耗的影响。晶振频偏小，则可以适量加大无线对时间隔，从而达到降低装置功耗的目的。

综上所述，晶振频率与频偏、前端采样硬件回路的相移、同频干扰和无线对时间隔是影响三相录波同步性能的主要因素。对于单次的对时同步失败，根据同步调整机制，其同步采样点计数不会发生突变，其三相同步性误差也是一个渐变的过程。若对时间隔相对较小，在对时失败的情况下，其整体的三相同步性能仍然较好。可见，该方案对时同步失败的冗余度较好。

1.3 改善前的同步方案

如图3 所示，该方案由终端发起对时信号，A，B，C 三相在接收到无线对时信号后，对其采样点计数清零处理。若忽略三相各自接收到无线信号的延时，三相接收终端无线对时后，其对时后端采样点计数在时间上完全保持一致，达到了三相同步的目的。在终端对时时刻前端，假设A相处在N 计数采样点，由于晶振频偏的存在，B相可能处在N-1 计数采样点，当对时成功后，A相、B 相采样点计数均清零，重新开始计数，实现了对时后端的同步。但是，在对时时刻前端，B相就会缺少一个N 计数采样点，这样B 相就存在一个采样点间隔的同步误差，若采样点间隔为250 μs，则最大同步误差就会达到250 μs；若其中某一相对时失败，其采样点则完全失去同步。从软件实现上来看，该同步方案的A，B，C 三相处理逻辑一致，软件处理逻辑相对比较简单，但存在三相同步性差或完全失去同步的风险。

图3 改善前的同步方案流程

2 低功耗设计

在三相同步对时过程中，一方面要提高无线通信的成功率，另一方面要尽可能在无线通信方面降低其功耗。基于此，本文设计了一种低功耗的无线通信机制。

通常接收端无线通信模块有3 种工作模式，即接收模式、发送模式和休眠模式。若一直处在接收模式下，其功耗远高于休眠模式。为降低接收端的功耗，采用周期性唤醒的通信模式，如图4 所示。

图4 接收端通信时序

为了保证通信的成功率，发送端在发送对时信号前会有一定数量的广播唤醒帧信号，以确保唤醒接收端，进而让接收端能够及时接收到对时帧信号。发送端通信时序如图5 所示，其中t2为唤醒帧信号发送间隔。为保证接收端能被稳定唤醒，则需满足如下条件：

图5 发送端通信时序

即任意时刻的一次对时操作，发送端的唤醒帧能够超过接收端的休眠区间，到达接收端的唤醒区间，且能在接收端唤醒区间执行2 次以上。

3 测试与验证

采用晶振频率为32.768 kHz、晶振频偏为±2×10-5、RTC 触发采样、采样间隔为244.14 μs、对终端对时间隔5 s、排除前端采样硬件回路的相移影响，在暂态录波型故障指示器上应用三相同步录波技术，其装置线上测试如图6 所示。A，B，C 三相线上电流输出设置为10 A，相位差依次设置为120°，暂态录波型故障指示器对线上电流进行100 次录波，其单次录波如图7 所示，三相同步录波精度数据如表1 所示。统计100 次录波数据，发现其三相同步精度均在1.10°（对应61.04 μs）以内，与理论设计相符。表2 中给出了改进前的A，B，C 三相同步录波精度，其最大同步精度达到了4.450°，无法满足国家电网有限公司对三相同步的指标要求。