引 言
隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的廣泛應用，基于GPS的實時相量測量裝置PMU(Phase Measurement Unit)很好地解決了電力系統(tǒng)廣域空間同步測量的問題，并形成了電網廣域測量系統(tǒng)WAMS(Wide Area Measurement System)。PMU在全網統(tǒng)一的時間坐標系下(通過接收GPS的同步時鐘信號)，對電力系統(tǒng)不同節(jié)點的電壓和電流進行同步采樣，通過數(shù)據處理生成各節(jié)點電壓、電流的正序相量，由GPS給每個相量打上時間標簽，然后將這些信息實時傳送到控制中心。控制中心在統(tǒng)一的時標下，根據各個PMU的測量信息對電力系統(tǒng)的狀態(tài)進行分析，進行全電網的穩(wěn)定控制、事故預警等。
本文提出的PMU構成方案，充分利用了數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)的集成資源，采用雙CPU結構，以GPS秒脈沖為同步時鐘信號，結合高速14位A／D芯片進行采樣，并以USB 2．0接口、CAN總線接口和以太網接口相結合的通信方式實現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據傳輸。軟件沒計采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，保證了裝置的實時性和可靠性。
1 PMU的構成與硬件實現(xiàn)
作為WAMS的關鍵組成部分，實時性和可靠性是最重要的，因此PMU的設計也應以此為依據。PMU的原理框圖如圖1所示。
來自PT／CT二次側的電信號經前置濾波，變?yōu)檫m合DSP處理的小信號。然后，根據GPS輸出的同步時鐘秒脈沖
(PPS)經DSP(No．2)內部的捕獲單元產生滿足時間同步和頻率同步要求的異地同步采樣信號，啟動A／D轉換。DSP(No．1)根據變間隔的遞歸離散傅里葉變換(DFT)算法，每出現(xiàn)一個新的采樣數(shù)據窗計算一次被測量信號的基波分量，然后利用GPS給相量信息加上全網統(tǒng)一的“時間標簽”。
DSP(No．1)與DSP(No．2)之間采用同步串行接口(SPI)，實現(xiàn)無縫接口連接。DSP(No．2)利用液晶顯示器實時顯示數(shù)據和波形，以便在不必配置本地上位機時組成最小的監(jiān)測單元。USB接口接本地上位機，同時也可以作為擴展口留作本地數(shù)據的攜帶轉移。通過CAN總線和工業(yè)以太網相結合的方式實現(xiàn)PMU與控制中心的數(shù)據傳輸。下面就關鍵的幾個部分加以詳述。
1.1 相量數(shù)據采集模塊
PMU的核心CPU采用TI公司的TMS320LF2407A(簡稱為“2407A”)芯片。主要原因在于其體積小，處理速度快，適于快速傅里葉(FFT)運算，并且片內集成了CAN、SPI等總線控制器，適于控制系統(tǒng)。
A／D采樣電路是相量數(shù)據采集模塊的重要組成部分之一，同步相量測量對于A／D轉換部分的精度有著較高的要求。IEEE-1344和C37規(guī)范提供了如下公式，用于計算實際所需的A／D轉換有效位數(shù)：
式中：Minimum resolution為所需A／D轉換的最小有效位數(shù)，F(xiàn)s為模擬量最大變動倍數(shù)，Emin為幅度計算的精度要求。
電力系統(tǒng)中電壓的最大變動倍數(shù)通常在1．5倍以內，而電流的動態(tài)范圍卻很大，輕載運行時可能為額定值的10％，短時過載時可能為額定值的2～3倍，而故障時將可能達到額定值的40倍?？紤]到在故障情況下的相量測量并不是非常有意義(故障情況下的相量計算結果將出現(xiàn)相角的跳變，與實際系統(tǒng)不吻合)，因此，IEEE規(guī)定了電流測量的有效范圍為額定負載的10％至額定負載的3倍，F(xiàn)S-30，當Emin=1％時，A／D轉換有效位數(shù)為13．05位。
相量數(shù)據采集模塊的速度與精度直接影響整個相量測量系統(tǒng)的性能。要實現(xiàn)高速數(shù)據采集，除了要有高性能的A／D轉換設備，同時還需要有高速數(shù)據傳輸總線。從上述分析可以看出。同步采集卡的A／D轉換部分要求達到13位有效精度，因此必須采用14位以上的A／D芯片方能滿足要求。這部分采用14位A／D轉換芯片AD7865(采樣頻率為3200Hz)，而不用2407A芯片自帶的10位A／D，主要是考慮精度的問題；芯片AD7865為并行接口方式，而2407A的高速數(shù)據總線可以與其匹配。在進行A／D采樣時不采用多通道依次掃描的工作方式，而采用配置高速采樣/保持器的工作方式。為了保證系統(tǒng)的多路模擬輸入通道的同步采樣，首先要在模塊的前端為每個通道配置1個采樣／保持器，在采樣觸發(fā)脈沖到來時可同時對全部通道的模擬信號采樣／保持。本文采用AD783采樣／保持器來實現(xiàn)。相量的處理充分利用DSP的特性，進行遞歸DFT運算并實現(xiàn)頻率跟蹤。
1．2 GPS授時模塊
解決同步采樣脈沖產生的問題是實現(xiàn)同步相量測量單元子站的關鍵技術之一。GPS授時模塊主要負責同步采樣觸發(fā)脈沖的產生和精確的授時功能。它從GPS接收機的串行口接收數(shù)據并提取當前標準時間，同時接收GPS的秒脈沖信號(PPS)，并由DSP(No．2)的30MHz時鐘頻率倍頻，產生用于觸發(fā)A／D進行轉換的脈沖，以實現(xiàn)每周波采樣64點。高精度(1μs同步精度)的GPS時鐘源是同步相量測量技術的基礎。為了降低對GPS的依賴性，采用高精度抗干擾自同步技術，由DSP(No．2)自身高精度晶振提供相當精確的秒脈沖，在短時失去GPS信號或GPS信號受到強干擾情況下實現(xiàn)高精度授時。
1．3 數(shù)據的通信傳輸模塊
數(shù)據的通信傳輸模塊采用USB2．O技術實現(xiàn)高速度實時數(shù)據的傳輸。USB是一種新的、雙向的、同步傳輸并可熱插拔的點對點數(shù)據傳輸總線，具有同步帶寬、靈活穩(wěn)定、易于安裝等優(yōu)點。其傳輸速度最高可達480Mbps，遠高于一般的串行總線接口。傳統(tǒng)的RS-232、RS-485傳輸速度較慢，且安裝麻煩，已不能滿足此要求。PCI總線雖然速度較快，但安裝麻煩，也小易實現(xiàn)本地數(shù)據的攜帶轉移。利用USB接口傳輸速率大、時延小、差錯率極低的特點，能有效、快速地完成PMU實時測量數(shù)據高速上傳以及工控機對PMU的操作與控制。
CAN的直接通信距離最遠可達10km，通信速率最高可達1Mb／s(通信距離小于40m時)。CAN節(jié)點在自身發(fā)生錯誤時有自動關閉功能，不會影響其他節(jié)點的正常工作。由于DSP(2407A)集成有CAN模塊，所以實現(xiàn)比較方便。
針對PMU數(shù)據通信的高速、實時的特點，采用EZ-USB SX2系列的CY7C68001芯片與DSP(No．2)結合，實現(xiàn)PMU與現(xiàn)場上位機(工控機)之間測量數(shù)據的實時傳輸。另一部分是PMU與控制中心的通信。這部分采用CAN總線和工業(yè)以太網相結合的方式。
2 PMU的軟件平臺
為了提高數(shù)據采集系統(tǒng)的實時性與可靠性，采用μC／OS-II實時操作系統(tǒng)平臺，并在此平臺上開發(fā)了USB設備驅動程
序、模擬量幅值與相位計算等程序。
μC／OS-II是一種可移植、可裁減、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分代碼是用ANSI C編寫的，只有小部分與硬件相關的代碼是用匯編語言編寫的，易于移植。μC／OS-II功能強大，支持56個用戶仟務，支持信號量、消息郵箱、消息隊列等多種常用的進程間通信機制，可剝奪實時內核使得任務級系統(tǒng)響應時間得到最優(yōu)，而響應時間是可知的，很適合于對實時性要求比較高的系統(tǒng)?，F(xiàn)已成功應用到很多領域，其穩(wěn)定性與可靠性已經得到檢驗。2000年7月，μC／OS-II通過非常嚴格的測試，取得了美國航空管理局(FAA)的認證，說明它可用于與人性命攸關的安全重要系統(tǒng)。
TMS320LF2407滿足μC／OS-II移植的條件，TI公司提供的編譯器Code Composer也支持C語言和匯編語言開發(fā)，本文在此平臺七進行操作系統(tǒng)移植和軟件開發(fā)。μC／OS-II操作系統(tǒng)的組成義件分為3類：與處理器無關的代碼文件；與處理器有關的代碼文件，以及μC／OS-II與應用相關的設置文件。當然，移植工作完成后編寫應用程序，還應包括應用文件。移植所需要做的工作僅僅是修改部分與處理器有關的文件。這類文件包括：OS_CPU.H、0S_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C三個文件。
在本應用中，筆者建立了7個應用任務，優(yōu)先級分別為4、5、6、7、8、9、1O；同時為每個任務分配了一個消息郵箱，使用基于消息郵箱事件的通信機制進行任務間通信與任務切換。整個軟件的基本結構如圖2所示。
任務AD_Task()：DSP(N0．1)采樣電壓、電流信號。分配郵箱：pAd_Mbox。
任務DFT_Task()：DSP(No．1)進行相量遞歸DFT計算。分配郵箱：pDFT_Mbox。
任務SPI_Task()：DSP(No．1)通過SPI總線向DSP(No．2)發(fā)送相量數(shù)據和有功、無功信息。分配郵箱：pSPI_Mbox。
任務USB_Task()：DSP(No．2)通過USB總線向上位機傳送相量數(shù)據和有功、無功信息。分配郵箱：pUSB_Mbox。
任務CAN_Task()：DSP(No．2)通過CAN總線在工業(yè)以太網傳送相量數(shù)據和有功、無功信息。分配郵箱：pCAN_Mbox。
任務GPS_Task()：DSP(No．2)配合GPS的秒脈沖實現(xiàn)高精度授時功能并啟動A／D轉換。分配郵箱：pGPS_Mbox。
任務LCD_Task()：DSP(No．2)通過液晶模塊實時顯示信息。分配郵箱：pLCD_Mbox。
由上節(jié)對堆棧的分析可知，任務棧最少需要25個地址。筆者為每個任務分配了100個地址(200字節(jié))的任務?？臻g。使用函數(shù)OSTaskCreate()創(chuàng)建各任務。該函數(shù)的第三個參數(shù)為棧頂?shù)刂罚疄镺STaskStkInit()所調用。要注意，2407A的堆棧是遞增的，故應傳遞任務棧的最低地址；而又由于任務程序是采用C語言編寫的，編譯器對ARl的偏移范圍可能會超過任務棧棧頂。雖然在這種情況下ARl是可恢復的，但仍可能會影響最低地址之前的地址內容。所以筆者建議對其進行適當后移。
幅值與相角計算程序得到采樣數(shù)據后，利用離散傅里葉算法(DFT)，可分別計算出每路電壓、電流信號的幅值與相位，生成相量形式的電壓與電流數(shù)據。
結語
本文設計的PMU，硬件上采用了嵌入式微處理器DSP的雙CPU結構，軟件上采用μC／OS-II操作系統(tǒng)。通過μC／OS-II管理各個功能模塊之間的任務調度、中斷處理、信息的交互等操作，使整個系統(tǒng)具有高實時性、高可靠性、可熱插拔等特點；同時也提高了軟件開發(fā)的效率，縮短了開發(fā)周期。同步相量測量單元的研制是一個復雜的課題，其實現(xiàn)還存在很多難點。本設計只涉及其中一部分，許多通信環(huán)節(jié)及同步相量的高級應用問題還需在令后的工作中進一步完善和提高。