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(duì)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(hào)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(duì)GPS信號(hào)和北斗信號(hào)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(duì)互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行廣域測量、傳送相量數(shù)據(jù)、對(duì)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(duì)于相量測量而言，同步時(shí)鐘即便只有1ms的偏差，也會(huì)對(duì)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(duì)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(hào)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(duì)于50Hz的工頻量而言，其相位誤差不超過0.018°。
雖然GPS信號(hào)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(hào)”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(hào)。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(hào)，覆蓋范圍有限，且信號(hào)傳播時(shí)間誤差大，精度較低，一般在毫秒級(jí)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(hào)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(hào)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(jí)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(hào)和北斗信號(hào)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(hào)和與PPS前沿相對(duì)應(yīng)的UTC絕對(duì)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(hào)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(hào)。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(jí)數(shù)據(jù)，利用PPS信號(hào)同步時(shí)標(biāo)系統(tǒng)中的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，以形成高精度的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，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(duì)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(hào)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(hào)提供的同步脈沖序列提供A/D轉(zhuǎn)換采樣啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生中斷信號(hào)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(hào)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(hào)，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(hào)。
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(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)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(duì)于不需要中斷處理器的外部設(shè)備，可以采用對(duì)其編寫用戶空間驅(qū)動(dòng)程序的方法。
而相對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)互有備份，整個(gè)系統(tǒng)組織構(gòu)建靈活，授時(shí)同步信號(hào)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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