摘 要： 介紹了同步相量" title="同步相量">同步相量測量單元" title="測量單元">測量單元，在廣域測量系統(tǒng)中實現(xiàn)對電力系統(tǒng)各個節(jié)點數(shù)據(jù)的同步采集和相量監(jiān)測。分析了利用北斗信號的必要性和可能性，設(shè)計基于ARM處理器與DSP處理器相結(jié)合的雙CPU的結(jié)構(gòu)，完成對GPS信號和北斗信號的采集和處理，實現(xiàn)PMU單元的實時數(shù)據(jù)信息采集及時標數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，與以太網(wǎng)絡(luò)連接。
關(guān)鍵詞： 同步相量測量單元；北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)；GPS；ARM
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當前，為了增強電網(wǎng)的運行安全性，廣域相量測量系統(tǒng)WAMS(Wide-Area Phase Measurement System)應運而生，WAMS系統(tǒng)中相量測量單元PMU(Phase Measurement Unit)檢測功角、頻率和電壓電流參數(shù)，是維持電網(wǎng)安全的監(jiān)控基礎(chǔ)，能夠從更高層面進行系統(tǒng)的保護和控制，且逐漸由單純的監(jiān)測和記錄向監(jiān)測與控制相結(jié)合的應用模式發(fā)展，WAMS在國內(nèi)外都得到了迅速發(fā)展[1-2]。
1 同步相量技術(shù)
同步相量技術(shù)是同步相量測量、傳輸、分析和應用技術(shù)的綜合，主要包括相量測量單元PMU、調(diào)度控制中心主站以及高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)等。PMU實時地采集發(fā)送相量同步數(shù)據(jù)，得到時空坐標下電網(wǎng)全局的動態(tài)信息是WAMS的基本核心組成部分。它的最大價值在于實時地對互聯(lián)電網(wǎng)進行廣域測量、傳送相量數(shù)據(jù)、對電力系統(tǒng)進行暫態(tài)穩(wěn)定檢測和控制，從而動態(tài)監(jiān)視分析電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供依據(jù)。
相量測量必須同時測量幅值和相角，而相角的測量必須有統(tǒng)一的參考時間。對于相量測量而言，同步時鐘即便只有1ms的偏差，也會對工頻50Hz的電力系統(tǒng)產(chǎn)生18°的誤差。如果要求保證誤差小于1°，則同步時間精度不能大于55μs。因此尋找可靠的時鐘源，確保異地被測相量的高度同步性，實現(xiàn)可靠的同步相量測量對于保障我國電網(wǎng)安全至關(guān)重要。
2 GPS在同步相量技術(shù)中的應用
隨著以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)為代表的現(xiàn)代無線電導航技術(shù)的發(fā)展，依靠衛(wèi)星導航信號中的授時功能可以實現(xiàn)PMU時間的同步化。以廣泛應用GPS粗碼(C/A碼)為例，目前市售GPS接收機提供1 PPS(Pulse Per Second)精度都可以達到1μs以內(nèi)，對于50Hz的工頻量而言，其相位誤差不超過0.018°。
雖然GPS信號準確、使用經(jīng)濟、覆蓋面廣，但用戶系統(tǒng)完全依賴GPS存在著技術(shù)風險，如GPS易于受到非故意和故意的干擾(如信道阻塞)和人為攻擊。眾所周知，美國除保證美軍能可靠地使用GPS系統(tǒng)外，從未承諾其他國家可以安全地使用。事實上取消SA（Select Available）政策除了考慮市場占領(lǐng)的因素外，很大程度上是美國 “局部屏蔽GPS信號”的技術(shù)試驗獲得成功，即在需要的時候可以局部關(guān)閉GPS信號。因此，我國不恰當?shù)厥褂肎PS必然會造成相當?shù)娘L險和影響[3]。為了緩解技術(shù)風險，必須考慮采用備用或冗余配置方法。
3 引入無源" title="無源">無源北斗應用于同步相量測量單元
北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是世界上第1個區(qū)域性衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，由位于赤道面東經(jīng)80°、140°和110.5°的3顆地球同步軌道的地球同步衛(wèi)星組成，是世界上繼美國GPS和俄羅斯GLONASS(Global Navigation Satellite System)之后第三個投入運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
3.1 使用的必要性
作為備用方案，利用廣播、電視、天文臺等的無線授時信號，覆蓋范圍有限，且信號傳播時間誤差大，精度較低，一般在毫秒級以上[4]；利用銣鐘只能作為短期備份，而采用銫鐘授時又過于昂貴，目前羅蘭C系統(tǒng)的導航覆蓋區(qū)所接收的三個臺鏈時間信息毫不相關(guān)，所有臺站之間沒有實現(xiàn)時間同步，導致該系統(tǒng)無法按GPS系統(tǒng)信號進行時間同步。
北斗系統(tǒng)由我國獨立自主研發(fā)，不受別國的控制和限制，其可用性、可依賴性和安全性更有保障。目前可提供無源二維定位和授時服務，其范圍包括中國大陸、臺灣、南沙及其周邊島嶼以及中國海、日本海、太平洋西部海域以及我國部分相鄰地區(qū)，具有集中服務于核心區(qū)域的特點[5]，能夠滿足國內(nèi)電網(wǎng)PMU分布的需要。因此，為了可靠保證相量測量的同步性，只有引入中國自主控制權(quán)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，才能有效彌補GPS的不足。
3.2 無源北斗授時精度分析
無源北斗利用三顆GEO衛(wèi)星和預設(shè)高程信息解算接收機二維位置和鐘差。北斗系統(tǒng)和GPS用戶不同，其無源授時只要鎖住一顆可用衛(wèi)星，即可獲得授時幀信息[6]，得到相應衛(wèi)星傳播延時、衛(wèi)星位置、衛(wèi)星速度及電波傳播延時等參數(shù)。整個信號從地面中心站經(jīng)衛(wèi)星到接收機的傳播延時為：
其中：t1為授時幀中從地面中心站到衛(wèi)星的上行鏈路傳播延時，t2為衛(wèi)星到接收機下行鏈路傳播延時，t3為地面站、星上轉(zhuǎn)發(fā)器和接收機中電子設(shè)備延時ε為定位誤差等效延時。根據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差預算，設(shè)地面中心站到衛(wèi)星的傳播延時所包括的星歷誤差為5m(等效為16.6ns），大氣延時誤差為5m（等效為16.6ns），則根據(jù)誤差傳播規(guī)律：
可知上行鏈路和下行鏈路傳播均方誤差均為23ns，電子設(shè)備延時為固定值，均方差可取為零，取定位誤差為25m（等效為83ns），則整體傳播的均方誤差為89ns，即不到0.1μs，精度完全可以滿足PMU同步的需要。而固定安裝的PMU位置為精確的已知信息，消除項后能進一步提高授時精度，并在位置不變時，僅鎖定觀測一顆衛(wèi)星就可進行無源授時。
4 基于ARM的同步相量測量單元方案
目前，國內(nèi)外PMU單元主要采用8位或16位單片機，使用RS232或RS485接口標準的串行總線，但MCU的數(shù)據(jù)處理能力、多任務調(diào)度處理能力和系統(tǒng)資源利用率不夠強，裝置結(jié)構(gòu)不利于系統(tǒng)的升級和改造，兼容性差，維修調(diào)試困難，因而限制了其算法的智能化改進。而基于ARM的32位高性能、廉價、低功耗RISC處理器芯片，可以滿足PMU單元的實時數(shù)據(jù)、信息采集和時標數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接口通訊等功能的設(shè)計要求。
4.1 處理單元設(shè)計
本系統(tǒng)采用Samsung Electronics公司S3C44B0X的ARM處理器與TI公司TMS320C32的DSP處理器相結(jié)合的雙CPU結(jié)構(gòu)。S3C44B0X是基于ARM7TDMI的SoC芯片，采用SAMBAII總線結(jié)構(gòu)，可工作在75MHz，擁有8KB Cache，2通道的URAT，1個IIS總線控制器，內(nèi)嵌LCD控制器，71個通用I/O口和8個外部中斷源等 [7]。TMS320C32則具有每秒6千萬次浮點數(shù)字操作（60MFLOPS）的處理能力。兩個CPU的強大的運算速度和豐富的資源，可以滿足PMU性能要求，也能使系統(tǒng)設(shè)計靈活簡便。
兩個CPU分別完成GPS信號和北斗信號的采集與處理、與以太網(wǎng)絡(luò)連接、A/D" title="A/D">A/D采樣與數(shù)據(jù)處理等各個部分功能。分別可以輸入PPS秒脈沖信號和與PPS前沿相對應的UTC絕對時間信息，由雙口RAM作為兩個CPU之間的通訊接口。利用S3C44B0X的串口0和串口1可分別接收GPS與無源北斗兩種模塊的導航電文，獲得UTC國際標準時間信息。GPS與無源北斗授時模塊同時工作，并可以分別配置以GPS模塊或北斗模塊為主時鐘，另一個為備份時鐘。通過接收兩種衛(wèi)星定位裝置提供的導航電文，S3C44B0X可以判斷出當前衛(wèi)星信號優(yōu)劣狀況，快速倒換備份授時時鐘，以選取切換合適的PPS信號。整個系統(tǒng)可靈活配置授時同步模式，從而完成GPS與無源北斗的快速切換。
時標系統(tǒng)可由CPLD實現(xiàn)。通過定時器建立內(nèi)部時鐘，完成頻率合成和時鐘分頻，獲得時標的ms及μs級數(shù)據(jù)，利用PPS信號同步時標系統(tǒng)中的內(nèi)部時鐘信號，以形成高精度的時鐘脈沖信號，從而為A/D轉(zhuǎn)換提供時鐘脈沖信息，控制數(shù)據(jù)的采集。在設(shè)計中由于無源北斗的PPS與GPS的PPS相位偏差固定，因而需對無源北斗進行零值修正，從而補償這個固定的相位偏差，做到與GPS保持一致，實現(xiàn)授時模塊的平滑切換。
TMS320C32與S3C44B0X之間的通訊數(shù)據(jù)流量大，實時性要求高，所以采用雙端口RAM IDT71342，使得雙機可以快速地進行數(shù)據(jù)交換，從而大大提高了微處理器和DSP芯片的并行處理能力。S3C44B0X讀入雙口RAM數(shù)據(jù)后，打上采樣時刻的精確時標信息，將運算結(jié)果傳送到網(wǎng)絡(luò)通訊接口，也可利用液晶顯示器實時顯示相應的相量信息、功角數(shù)據(jù)和波形,構(gòu)成最小監(jiān)測單元。
雖然S3C44B0X內(nèi)部集成了10位A/D，但位數(shù)較少，且輸入信號范圍幅度較窄，僅為0V～2.5V。而電力系統(tǒng)中電流的動態(tài)范圍很大，短時過載時可能達到額定值的數(shù)倍以上，故A/D采樣采用外部A/D芯片，利用GPS或北斗信號提供的同步脈沖序列提供A/D轉(zhuǎn)換采樣啟動信號，當轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷信號送出采樣結(jié)果。但應注意，在工程實際中會因電網(wǎng)的頻率抖動而造成信號的頻譜泄漏。因此為保證采樣的同步精度，可在采樣觸發(fā)環(huán)節(jié)引入鎖相環(huán)電路，利用CPU內(nèi)部時鐘的頻率跟蹤外部電網(wǎng)抖動和外部同步脈沖相結(jié)合的方式進行采樣。PMU結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
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4.2 網(wǎng)絡(luò)接口
本裝置的以太網(wǎng)功能采用含有16KB的RAM的 RTL8019AS來實現(xiàn)，用于收發(fā)緩沖，全雙工運行時速率可達到10Mb/s。S3C44B0X采用的μCLinux系統(tǒng)中內(nèi)嵌完整的TCP/IP通訊協(xié)議，只需在RTL8019AS的初始化程序中設(shè)置好緩沖區(qū)的位置和中斷模式，配置發(fā)送數(shù)據(jù)的物理層地址的源地址、口地址、數(shù)據(jù)包類型以及發(fā)送的數(shù)據(jù)，在同步層中傳輸采用同步相量數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議IEEE1344。接收時，當有正常的數(shù)據(jù)包到達時，RTL8019AS會產(chǎn)生一個中斷信號，Samsung S3C44BOX處理器在中斷處理程序中處理相應數(shù)據(jù)。
此外也可根據(jù)需要，利用CAN（Controller Area Network）總線擴展芯片和CAN總線收發(fā)器，構(gòu)建CAN總線構(gòu)成高速、可靠的子站局域網(wǎng)。在應用中需注意到為減少現(xiàn)場環(huán)境的電磁干擾，電路中應采用DC/DC和光耦器件，隔離總線收發(fā)器和外部的干擾信號。
4.3 系統(tǒng)軟件
DSP程序中相當一部分程序段可采用匯編指令編程，這樣可以精確控制程序段指令執(zhí)行的周期，使同步精度有可靠的保證，同時也可以方便地實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信號的DFT算法。而在S3C44B0X中，則可采用移植片內(nèi)μCLinux（Micro-Control-Linux）嵌入式多任務系統(tǒng)內(nèi)核，建立交叉編譯環(huán)境，根據(jù)硬件系統(tǒng)進行裁剪[8]。由于μCLinux嵌入式操作系統(tǒng)不具備MMU，用戶程序需要直接訪問物理地址，對于不需要中斷處理器的外部設(shè)備，可以采用對其編寫用戶空間驅(qū)動程序的方法。
而相對內(nèi)核空間驅(qū)動程序，要提高系統(tǒng)運行的實時性，需增加實時內(nèi)核" title="實時內(nèi)核">實時內(nèi)核控制[9]，在實時內(nèi)核中嵌入中斷模擬器，使系統(tǒng)在實時內(nèi)核的控制下運行，實現(xiàn)任務調(diào)度的可搶占性。μCLinux的控制信號都需先交給實時內(nèi)核進行處理，內(nèi)核及硬件中斷的地方實現(xiàn)實時內(nèi)核控制。若中斷標志為非實時任務，則設(shè)置等候處理標志；若是運行實時任務，則實時內(nèi)核保存完μCLinux現(xiàn)場后立即運行該任務。實時任務和非實時任務之間可通過共享內(nèi)存進行通訊，共享內(nèi)存需提供鎖機制，使某一進程向共享內(nèi)存中寫數(shù)據(jù)時，限制其他進程寫入該區(qū)域。實時μCLinux體系結(jié)構(gòu)如圖2。
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????? 本文在基于ARM芯片的強大功能基礎(chǔ)上，將GPS與北斗兩種衛(wèi)星信號同時用于PMU裝置的方案，可方便擴展實現(xiàn)各種智能算法。同步信號互有備份，整個系統(tǒng)組織構(gòu)建靈活，授時同步信號可靠性高，有著良好的發(fā)展應用前景。但同步相量測量裝置的實現(xiàn)是一個復雜的過程，很多具體問題還需要在今后的工作中進一步研究和完善。
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