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(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)PMU單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息采集及時(shí)標(biāo)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(dāng)前,，為了增強(qiáng)電網(wǎng)的運(yùn)行安全性，廣域相量測量系統(tǒng)WAMS(Wide-Area Phase Measurement System)應(yīng)運(yùn)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(jìn)行系統(tǒng)的保護(hù)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(yīng)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(yīng)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(shí)時(shí)地采集發(fā)送相量同步數(shù)據(jù)，得到時(shí)空坐標(biāo)下電網(wǎng)全局的動(dòng)態(tài)信息是WAMS的基本核心組成部分,。它的最大價(jià)值在于實(shí)時(shí)地對互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行廣域測量,、傳送相量數(shù)據(jù)、對電力系統(tǒng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定檢測和控制,，從而動(dòng)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(yùn)行提供依據(jù)。
相量測量必須同時(shí)測量幅值和相角,，而相角的測量必須有統(tǒng)一的參考時(shí)間,。對于相量測量而言，同步時(shí)鐘即便只有1ms的偏差,，也會(huì)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(shí)間精度不能大于55μs,。因此尋找可靠的時(shí)鐘源,，確保異地被測相量的高度同步性，實(shí)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(yīng)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(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,，依靠衛(wèi)星導(dǎo)航信號中的授時(shí)功能可以實(shí)現(xiàn)PMU時(shí)間的同步化。以廣泛應(yīng)用GPS粗碼(C/A碼)為例,，目前市售GPS接收機(jī)提供1 PPS(Pulse Per Second)精度都可以達(dá)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(zhǔn)確,、使用經(jīng)濟(jì)、覆蓋面廣,，但用戶系統(tǒng)完全依賴GPS存在著技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),，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(shí)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(yàn)獲得成功,，即在需要的時(shí)候可以局部關(guān)閉GPS信號。因此,，我國不恰當(dāng)?shù)厥褂肎PS必然會(huì)造成相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)和影響[3],。為了緩解技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，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(yīng)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(gè)區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)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(gè)投入運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)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(tái)等的無線授時(shí)信號,，覆蓋范圍有限，且信號傳播時(shí)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(shí)又過于昂貴,，目前羅蘭C系統(tǒng)的導(dǎo)航覆蓋區(qū)所接收的三個(gè)臺(tái)鏈時(shí)間信息毫不相關(guān)，所有臺(tái)站之間沒有實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,，導(dǎo)致該系統(tǒng)無法按GPS系統(tǒng)信號進(jìn)行時(shí)間同步,。
北斗系統(tǒng)由我國獨(dú)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(shí)服務(wù),，其范圍包括中國大陸,、臺(tái)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(wù)于核心區(qū)域的特點(diǎn)[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(bǔ)GPS的不足。
3.2 無源北斗授時(shí)精度分析
無源北斗利用三顆GEO衛(wèi)星和預(yù)設(shè)高程信息解算接收機(jī)二維位置和鐘差,。北斗系統(tǒng)和GPS用戶不同，其無源授時(shí)只要鎖住一顆可用衛(wèi)星,，即可獲得授時(shí)幀信息[6],，得到相應(yīng)衛(wèi)星傳播延時(shí)、衛(wèi)星位置,、衛(wèi)星速度及電波傳播延時(shí)等參數(shù),。整個(gè)信號從地面中心站經(jīng)衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播延時(shí)為：
其中：t1為授時(shí)幀中從地面中心站到衛(wèi)星的上行鏈路傳播延時(shí),，t2為衛(wèi)星到接收機(jī)下行鏈路傳播延時(shí)，t3為地面站,、星上轉(zhuǎn)發(fā)器和接收機(jī)中電子設(shè)備延時(shí)ε為定位誤差等效延時(shí),。根據(jù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)誤差預(yù)算，設(shè)地面中心站到衛(wèi)星的傳播延時(shí)所包括的星歷誤差為5m(等效為16.6ns）,，大氣延時(shí)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(shí)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(xiàng)后能進(jìn)一步提高授時(shí)精度,，并在位置不變時(shí)，僅鎖定觀測一顆衛(wèi)星就可進(jìn)行無源授時(shí),。
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(jī)，使用RS232或RS485接口標(biāo)準(zhǔn)的串行總線,，但MCU的數(shù)據(jù)處理能力,、多任務(wù)調(diào)度處理能力和系統(tǒng)資源利用率不夠強(qiáng)，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?yán)щy，因而限制了其算法的智能化改進(jìn),。而基于ARM的32位高性能,、廉價(jià)、低功耗RISC處理器芯片,，可以滿足PMU單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),、信息采集和時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接口通訊等功能的設(shè)計(jì)要求。
4.1 處理單元設(shè)計(jì)
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(gè)IIS總線控制器,，內(nèi)嵌LCD控制器,，71個(gè)通用I/O口和8個(gè)外部中斷源等 [7],。TMS320C32則具有每秒6千萬次浮點(diǎn)數(shù)字操作（60MFLOPS）的處理能力。兩個(gè)CPU的強(qiáng)大的運(yùn)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(jì)靈活簡便。
兩個(gè)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(gè)部分功能。分別可以輸入PPS秒脈沖信號和與PPS前沿相對應(yīng)的UTC絕對時(shí)間信息,，由雙口RAM作為兩個(gè)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(dǎo)航電文，獲得UTC國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息,。GPS與無源北斗授時(shí)模塊同時(shí)工作,，并可以分別配置以GPS模塊或北斗模塊為主時(shí)鐘，另一個(gè)為備份時(shí)鐘,。通過接收兩種衛(wèi)星定位裝置提供的導(dǎo)航電文,，S3C44B0X可以判斷出當(dāng)前衛(wèi)星信號優(yōu)劣狀況，快速倒換備份授時(shí)時(shí)鐘,，以選取切換合適的PPS信號,。整個(gè)系統(tǒng)可靈活配置授時(shí)同步模式，從而完成GPS與無源北斗的快速切換,。
時(shí)標(biāo)系統(tǒng)可由CPLD實(shí)現(xiàn),。通過定時(shí)器建立內(nèi)部時(shí)鐘，完成頻率合成和時(shí)鐘分頻,，獲得時(shí)標(biāo)的ms及μs級數(shù)據(jù),，利用PPS信號同步時(shí)標(biāo)系統(tǒng)中的內(nèi)部時(shí)鐘信號，以形成高精度的時(shí)鐘脈沖信號,，從而為A/D轉(zhuǎn)換提供時(shí)鐘脈沖信息,，控制數(shù)據(jù)的采集。在設(shè)計(jì)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(jìn)行零值修正,，從而補(bǔ)償這個(gè)固定的相位偏差，做到與GPS保持一致,，實(shí)現(xiàn)授時(shí)模塊的平滑切換,。
TMS320C32與S3C44B0X之間的通訊數(shù)據(jù)流量大，實(shí)時(shí)性要求高,，所以采用雙端口RAM IDT71342,，使得雙機(jī)可以快速地進(jìn)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(shí)刻的精確時(shí)標(biāo)信息，將運(yùn)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(shí)時(shí)顯示相應(yīng)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(dòng)態(tài)范圍很大,，短時(shí)過載時(shí)可能達(dá)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(dòng)信號,，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷信號送出采樣結(jié)果。但應(yīng)注意,，在工程實(shí)際中會(huì)因電網(wǎng)的頻率抖動(dòng)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(shí)鐘的頻率跟蹤外部電網(wǎng)抖動(dòng)和外部同步脈沖相結(jié)合的方式進(jìn)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(shí)現(xiàn),，用于收發(fā)緩沖,，全雙工運(yùn)行時(shí)速率可達(dá)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(shí),，當(dāng)有正常的數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí),，RTL8019AS會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，Samsung S3C44BOX處理器在中斷處理程序中處理相應(yīng)數(shù)據(jù),。
此外也可根據(jù)需要,，利用CAN（Controller Area Network）總線擴(kuò)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(yīng)用中需注意到為減少現(xiàn)場環(huán)境的電磁干擾，電路中應(yīng)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(dāng)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(shí)也可以方便地實(shí)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(wù)系統(tǒng)內(nèi)核,，建立交叉編譯環(huán)境,，根據(jù)硬件系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)程序的方法,。
而相對內(nèi)核空間驅(qū)動(dòng)程序,，要提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，需增加實(shí)時(shí)內(nèi)核" title="實(shí)時(shí)內(nèi)核">實(shí)時(shí)內(nèi)核控制[9],，在實(shí)時(shí)內(nèi)核中嵌入中斷模擬器,，使系統(tǒng)在實(shí)時(shí)內(nèi)核的控制下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的可搶占性,。μCLinux的控制信號都需先交給實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行處理,，內(nèi)核及硬件中斷的地方實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)內(nèi)核控制。若中斷標(biāo)志為非實(shí)時(shí)任務(wù),，則設(shè)置等候處理標(biāo)志,；若是運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)，則實(shí)時(shí)內(nèi)核保存完μCLinux現(xiàn)場后立即運(yùn)行該任務(wù),。實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)之間可通過共享內(nèi)存進(jìn)行通訊,，共享內(nèi)存需提供鎖機(jī)制，使某一進(jìn)程向共享內(nèi)存中寫數(shù)據(jù)時(shí),，限制其他進(jìn)程寫入該區(qū)域,。實(shí)時(shí)μCLinux體系結(jié)構(gòu)如圖2。
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????? 本文在基于ARM芯片的強(qiáng)大功能基礎(chǔ)上,，將GPS與北斗兩種衛(wèi)星信號同時(shí)用于PMU裝置的方案,，可方便擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)各種智能算法。同步信號互有備份,，整個(gè)系統(tǒng)組織構(gòu)建靈活,，授時(shí)同步信號可靠性高，有著良好的發(fā)展應(yīng)用前景,。但同步相量測量裝置的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的過程,，很多具體問題還需要在今后的工作中進(jìn)一步研究和完善,。
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