第30卷第2期 电力系统自动化 Vol.30 No.2 72 2006年1月25日 Automation of Electric Power Systems Jan.25,2006 WAMS中PMU的完整周期抗混迭同步采样方法 王克英，季坤1，蔡泽祥 (1.华南理工大学电力学院、广东省广州市510640：2.安徽省电力公司合肥供电公司.安徽省合肥市230022) 摘要：基于全球定位系统(GPS)的同步相量测量装置(PMU)是广域测量系统(WAMS)的重要组 成部分。提出一种基于GPS同步时钟和数字信号处理器(DSP)以及高速AVR单片机的双CPU 同步相量测量装置：利用DSP的一个输入捕获单元捕获GPS秒脉冲并同步到32位高精度定时 器，控制每个周期采样的起始时刻，利用另一个输入捕获单元捕获频率并把相应的采样周期传送给 16位定时器的周期寄存器控制该完整周期的采样间隔，从而建立了完整周期抗混迭同步采样方 法，避免了因频率变化而引起的采样混迭现象；利用DSP的高精度时钟配合同步信号源以提高同 步时钟的可靠性。 关键词：数字信号处理器；全球定位系统；相量测量装置；频率跟踪测量；同步采样 中图分类号：TM933.3;TM73 0 引言 迭现象：也满足了一个数据窗内采样周期完整性和 自适应调整采样率的同步采样要求，为递推DFT算 基于全球定位系统(GPS)的相量测量单元 法提供了完整精确同步的原始数据。 (PMU)的成功研制，已使同步相量测量技术应用于 电力系统各个方面1~1。尤其是基于PMU的广域 1 PMU结构原理 测量系统(WAMS)能实现广域电网运行状态的实 同步相量测量单元结构原理如图1所示。 时同步测量，借助于高速通信网络还可将测得的相 量数据实时传送至控制中心，为实现全局型的稳定 电力信号 电压互感器电 流互感器 50Hz带通被波器 性控制创造了条件.) PMU在WAMS中起到了原始数据采集、同步 抗混选滤波器 AD转换 相量计算和同步相量发送的作用，因此PMU在测 PS 量精度、同步性、实时性、可靠性上要求更高。IEEE 1344-1995标准对PMU的抗混叠滤波、锁相、采 AVR TMS320F2812 单片机 处理器 样脉冲的触发、采样频率、相量的时间标签、被测频 异地同步时钟 率变化引起的同步采样误差、相角误差允许范围、数 显示 USB CAN以太网 据传输格式等方面做了限定1。基于GPS和锁相 相最测景中心 PMU 动模实验 环(PLL)的相角测量装置已经研制出来，但这种基 全网稳定控制 WAMS 区城电网工况 于PLL硬件锁相的频率跟踪与测量的误差较大，从 T控机 区城分析控制 而大大影响了同步相量测量的精度)。同时，很多 PMU设计方案采用单一的通信方式不能适应各种 图1PMU结构原理 Fig.1 Schematic diagram of PMU structure 现场要求。 传统的定间隔递椎离散傅里叶变换(DFT)算 来自电压互感器/电流互感器二次侧的电压、电 法是假定频率不变情况下进行数据采集，其采集的 流信号经交流输人单元变换隔离后，变为适合微机 数据不能反映完整周期的相量信息，因此相量结果 处理的小信号，再经抗混迭滤波器滤除频率超过奈 受频率影响很大。本文利用数字信号处理器(DSP) 奎斯特频率的谐波和杂散干扰，以同时启动频率信 高精度输人捕获的两级特性，在精确同步信号源与 号跟踪测量，其中50Hz带通滤波器用于消除非基 实时频率跟踪测量的情况下，提出了完整周期抗混 频干扰，以提高频率测量的精度。异地同步的实现 迭同步采样方法，使采样间隔能在当前周期和下一 是根据GPS输出的秒脉冲(PPS)和来自频率跟踪 周期之间实时控制，避免了因频率变化而引起的混 与测量的信号，经DSP内部的输人捕获单元产生满 枚稿日期：2005-05-30：修回日期：2005-09-05。 足时间同步和频率同步要求的异地同步采样信号， 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
卷 年 电 力 系 统 自 动 化 , 中 的完整周 期抗混 迭 同步采样 方法 王 克英 ‘ , 季 坤 ‘ · , 蔡泽 祥 ‘ 华南理工 大学 电力学 院 , 广东省 广州 市 。 安 徽 省 电力公 司合 肥供 电公 司 , 安 徽省合肥 市 。。 摘要 基 于 全球 定位 系统 的 同 步相 量 测 量 装 置 是 广 域 测 量 系统 的 重 要 组 成部分 。 提 出一 种 基 于 同 步 时钟 和 数 字信 号 处 理 器 以 及 高速 单 片机 的 双 同步相 量 测 量装 置 利 用 的 一 个 输 入 捕 获 单 元 捕 获 秒 脉 冲 并 同 步到 位 高精 度 定 时 器 , 控 制每 个周期 采样 的 起 始 时刻 , 利 用 另 一 个输入捕 获 单元捕 获 频 率并把 相应 的 采样 周期传送给 位 定 时 器 的 周 期 寄存 器 控 制 该 完 整 周 期 的 采 样 间 隔 , 从 而 建 立 了 完 整 周 期 杭 混 迭 同 步采 样 方 法 , 避 免 了 因频 率 变化 而 引起 的 采 样 混 迭 现 象 利 用 的 高精 度 时钟 配 合 同 步信 号 源 以 提 高 同 步 时钟 的 可 靠性 。 关键词 数 字信 号 处理 器 全球 定位 系统 相 量 测 量 装置 频 率跟踪 测 量 同 步采样 中图分 类号 引言 基 于 全 球 定 位 系 统 的 相 量 测 量 单 元 的成功研制 , 已使 同步相量 钡少量技术应 用 于 电力 系统各个方 面 , 一 刁 。 尤 其是 基 于 的广域 测量 系统 能实 现 广 域 电 网运 行 状 态 的实 时同步测 量 , 借助 于 高 速通 信 网络 还 可将 测 得 的相 量数据实 时传送 至控 制 中心 , 为实 现 全 局 型 的稳 定 性控制创造 了条件孙刘 。 在 中起 到 了原 始数据 采集 、 同步 相量计 算 和 同步相量 发送 的作 用 , 因此 在 测 量精度 、 同步性 、 实时性 、 可靠性 上 要 求 更 高 。 一 标 准对 的抗 混 叠 滤 波 、 锁 相 、 采 样脉 冲的触发 、 采样 频 率 、 相 量 的 时 间标 签 、 被 测频 率变化 引起 的同步采样误差 、 相 角误差允许 范 围 、 数 据传 输 格 式 等 方 面做 了 限定困 。 基 于 和 锁 相 环 的相 角 测 量 装 置 已 经 研 制 出来 , 但 这 种基 于 硬件锁相 的频率跟踪与测量 的误 差 较 大 , 从 而大大影 响 了 同步相量 测 量 的精 度川 。 同时 , 很 多 设计方案采用单 一 的通 信方 式 不 能适 应各 种 现场要求 。 传统 的定 间隔 递 推 离 散傅 里 叶 变 换 算 法是假定 频率不变情 况 下 进 行 数据 采集 , 其 采集 的 数据不 能反 映完整周 期 的相 量信 息 , 因此 相 量 结 果 受频率影 响很 大 。 本 文利用数字信 号处 理器 高精度输人捕获 的两 级 特 性 , 在 精 确 同步信 号 源 与 实时频率跟踪测量 的情 况 下 , 提 出 了完 整 周 期抗 混 迭 同步采样方法 , 使采 样 间隔 能 在 当前 周 期 和 下 一 周期之 间实时控制 , 避 免 了 因频 率 变化 而 引起 的混 迭现象 也满足 了一 个 数 据 窗 内采样 周期 完 整性 和 自适 应调整采样率的 同步采 样要求 , 为递推 算 法提供 了完整精确 同步 的原始数据 。 结构原 理 同步相量测量单元结构原理如 图 所示 。 电力信号 电压互感器傀 带通旅波器 流互感器 抗混迭滤波器 月〕转换 按键 设置 单片机 处理器 液晶 显示 动模实验 下控机 区域分析控翻 图 结构原 理 理 收稿 日 期 肠 一 。 一 修 回 日 期 饰 一 一 肠 。 来 自电压互感 器 电流互感器 二次侧 的电压 、 电 流信号经交 流输人 单元 变换 隔离后 , 变 为适 合微 机 处理 的小信号 , 再经 抗 混 迭滤 波器 滤 除频 率超过奈 奎斯 特频率 的谐波 和 杂 散 干扰 , 以 同时启 动频率信 号跟踪测量 , 其 中 带 通 滤 波器 用 于 消除非 基 频 干扰 , 以 提 高频 率测 量 的精 度 。 异 地 同步 的实现 是根据 输 出 的秒 脉 冲 和 来 自频 率跟 踪 与测量 的信号 , 经 内部 的输人 捕 获单元产 生满 足 时 间同步和频 率 同步 要求 的异地 同步采样信号
·研制与开发·王克英，等WAMS中PMU的完整周期抗混迭同步采样方法 73 用以启动A/D转换器完成A/D转换；DSP根据变 TMS320F2812内部高速定时器，在1个PPS内，其 间隔的DFT算法，每出现一个新的数据窗计算一次 单步计时精度可达6.67ns,每隔1s被GPS的PPS 被测量信号的基波分量。然后利用GPS接收器串 信号同步一次，保证振荡器输出的脉冲信号的前沿 口提供的时间信息和采样顺序编号给计算结果置以 与GPS时钟同步，去除累计误差，最大限度地使采 全网统一的“时间标签”，并将计算结果连同其时间 样时钟与GPS时钟同步。 标签按照通信协议的要求，经CAV总线或以太网 在硬件设计上，利用DSP的输入捕获单元 接口按帧格式实时送往数据中心，以便调度中心根 Capturel来接收PPS信号。从捕获单元输人引脚 据扩展等面积准则(EEAC)的紧急控制框架理论、 处发生跳变到所选用的定时器的计数值被锁存之间 综合能量管理系统(EMS)实现电力系统广域动态 的延时响应仅需要2个CPU时钟周期，即(2× 监测和广域稳定控制。 6.67)ns,大大提高了PPS捕获的精度。此外当由 TMS320F2812是TI公司TMS320C2000系列 于电磁干扰或意外情况使得GPS失灵时，利用GPS 最新、功能强大、适用于数字控制的32位浮点运算 串行时间数据对1PPS脉冲信号进行锁定以提高秒 DSP芯片，具有完美的性能和较佳的外设接口8] 脉冲捕获端口的对时抗干扰能力，即未收到GPS串 时钟可达150MHz,单指令周期为6.67ns,支持动 行时间数据的1个PPS无效，此时以DSP内部 态的PLL比例调节技术，具有高精度的捕获端口， CPUTimer0控制的高精度时钟整秒启动A/D转 大大提高了频率信号跟踪以及GPS的PPS信号捕 换，提高了PMU的抗干扰能力，避免了因GPS偶 获的精度。 然运行偏差或由天气原因造成卫星信号丢失导致相 AVR单片机是精简指令集(RISC)单片机，具 位测量产生偏差。 有1MIPS/MHz的高速处理能力，而且具有高速同 2.2频率信号跟踪测量 步串行接口(SPI),当采用16MHz晶振时具有 在相量测量过程中，频率变化对同步采样的误 4Mbit/s的通信能力]，DSP作为主机把采集的实 差影响很大，它关系到采样间隔和采样周期的变化， 时数据、接收的GPS时间标签以及经计算得到的基 给DFT算法带来误差，因此应该控制采样间隔准确 波分量等数据通过SPI传送给从机AVR单片机： 地跟踪系统频率的变化。实验证明：系统剧烈振荡 AVR单片机采用通用串行总线(USB)接口把这些 时PMU的测量误差增大，而小干扰时情况要好得 实时数据传送给就地上位机（工控机）；就地上位机 多，其关键问题仍然在于如何实现动态频率下的高 根据区域电网运行工况，基于部分能量函数法的原 精度跟踪与测量。若能有效抑制PMU在信号 理进行局部切机或甩负荷控制以保证区域系统暂态 滤波、频率跟踪等方面的频偏误差，就不会增加 稳定性，也可利用PMU的同步功角数据启动并计 DFT算法的误差。 算暂态稳定判据，进行故障录波。同时，AVR单片 采用PLL电路跟踪系统频率的理论误差较大， 机利用液晶显示器实时显示数据和波形，以便在不 因此基于GPS与PLL的PMU的相角测量理论精 配置就地上位机时组成最小监测单元。 度偏低]。本文采用软硬件相结合的测频方法：电 力信号经50Hz带通滤波器消除非基频千扰后，再 2异地同步采样 经方波变换电路接入DSP的捕获单元2，每个捕获 2.1异地采样的同步时钟 单元都具有一个专用的2级FIFO栈（顶层栈FIFO 在相量测量中主要是利用GPS的高精度协调 和底层栈FBOT):且2级FIFO栈中存放的总是相 世界时间(UTC)给相量加上一个绝对时标。由 邻2次最新捕获的计数值，该过程不仅能自动进行 GPS卫星同步到UTC的PPS信号的精度在92% 取舍，不占用CPU开销，而且精度很高，不影响 的时间内不低于0.5μs,在99.9%的时间内不低于 DFT的误差；另外，频率信号的跟踪测量采用中断 1.14s,基本满足IEEE1344标准1给出的14s精 方式进行，不影响主程序的采样计算，也能使频率动 度要求。这个信号可以根据频率测量所反映的周期 态实时跟踪。 被DSP的150MHz时钟倍频（用32位的 2,3完整周期抗混迭同步采样 CPUTimer0(来实现)为】个PPS内每个周期的零 完整周期抗混迭同步采样是指工频周期T、采 时刻采样点的时钟信号，用来作为每个周期首个采 样间隔Td、采样点数N严格满足T=VTpenod。 样触发信号；每个周期的其余采样点同步信号则根 本文利用DSP的事件管理器A的高精度两级输人 据频率测量信号确定的采样间隔由通用定时器的周 捕获单元Capture22测量工频周期T,然后计算采样 期寄存器实现。32位CPUTimer0属于 间隔Tid,并将采样间隔装载到通用定时器 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
· 研 制 与开 发 · 王 克英 , 等 中 的完整 周期抗混 迭 同步采样方法 用 以启 动 转换 器完成 转换 根 据 变 间隔的 算法 , 每 出现一个新 的数据 窗计算一 次 被测量信号 的基 波 分量 。 然 后 利 用 接 收 器 串 口 提供 的时 间信息 和采样顺序编号 给计算结果置 以 全 网统一 的 “ 时间标 签 ” , 并将 计算结 果 连 同其 时 间 标签按 照通 信协 议 的 要 求 , 经 总线 或 以 太 网 接 口 按 帧格式实时送往 数据 中心 , 以 便 调 度 中心 根 据扩展 等面 积 准 则 的 紧 急 控 制 框 架 理论 、 综合能量管 理 系统 实 现 电 力 系统 广 域 动 态 监测 和广域稳定控制 。 是 公 司 系列 最新 、 功能强 大 、 适 用 于 数 字控 制 的 位 浮 点 运 算 芯 片 , 具 有 完 美 的性 能 和 较 佳 的外 设 接 口 川 。 时钟可达 , 单指令 周 期 为 , 支持 动 态 的 比例调 节 技术 , 具 有 高精 度 的捕 获 端 口 , 大大提高 了频率信号 跟 踪 以 及 的 信号 捕 获 的精度 。 单 片 机 是精 简 指 令 集 单 片 机 , 具 有 的高速处理能力 , 而且具有 高速 同 步 串 行 接 口 , 当 采 用 晶 振 时 具 有 的通 信能力川 。 作 为 主机把采集 的实 时数据 、 接收 的 时间标签 以 及 经 计算 得 到 的基 波分量等数据 通 过 传送 给从 机 单 片 机 单 片机 采用 通 用 串行 总线 接 口 把 这 些 实时数据传送 给就地 上 位 机 工 控 机 就 地 上 位 机 根据 区域 电网运行 工 况 , 基 于 部 分能 量 函 数法 的原 理进行局 部切机或甩 负荷控制 以保证 区 域 系统 暂态 稳定性 , 也 可 利用 的 同步功 角数 据 启 动 并 计 算暂态稳定 判据 , 进行 故 障录 波 。 同时 , 单 片 机利用液 晶显示 器 实 时显 示 数 据 和 波 形 , 以 便 在 不 配置 就地上位机 时组成最小监 测单元 。 异地 同步采样 异地 采样 的 同步 时钟 在相量测量 中主 要 是 利 用 的 高 精 度 协 调 世界时 间 给 相 量 加 上 一 个 绝 对 时 标 。 由 卫星 同步 到 的 信 号 的精 度 在 的时 间内不低于 。 衅 , 在 的时 间 内不 低于 拜 , 基本 满足 标 准二飞给 出 的 拌 精 度要求 。 这个信号可 以根据频率测 量 所 反 映 的周期 被 的 时 钟 倍 频 用 位 的 来实现 为 个 内每 个 周 期 的零 时刻采样点 的时钟信号 , 用来 作 为每个 周 期 首 个 采 样触发信号 每个周 期 的其余 采 样 点 同步信号 则根 据频 率测量信号确定 的采样 间隔 由通用定 时器 的周 期 寄 存 器 实 现 。 位 属 于 内部 高速定 时器 , 在 个 内 , 其 单步计 时精度可 达 , 每 隔 被 的 信号 同步一 次 , 保 证 振 荡器 输 出的脉 冲信号 的前 沿 与 时钟 同步 , 去 除 累计 误 差 , 最 大 限度 地 使 采 样时钟与 时钟 同步 。 在 硬 件 设 计 土 , 利 用 的 输 人 捕 获 单 元 来接收 信 号 。 从 捕 获 单 元输 人 引脚 处 发生跳 变 到所选 用 的定 时器 的计数值被锁存之 间 的延 时 响 应 仅 需 要 个 时 钟 周 期 , 即 , 大 大提 高 了 捕 获 的精 度 。 此 外 当 由 于 电磁 干扰或 意外情 况使得 失灵 时 , 利用 串行 时间数据对 脉 冲信号进 行锁定 以 提 高秒 脉冲捕获端 口 的对 时抗干扰 能力 , 即未收 到 串 行 时 间 数 据 的 个 无 效 , 此 时 以 内 部 控 制 的 高 精 度 时 钟 整 秒 启 动 转 换 , 提高 了 的抗 干扰 能 力 , 避 免 了 因 偶 然运 行偏差或 由天 气原 因造成卫 星 信号丢失 导致相 位测量 产生偏 差 。 频 率信 号跟踪测 量 在相 量 测量 过 程 中 , 频 率变化 对 同步 采样 的误 差 影 响很 大 , 它关 系到采样 间隔和采样周期 的变化 , 给 算法带来误 差 , 因此应该控制采样 间隔准确 地跟踪 系统频率 的 变化 。 实 验 证 明 系统 剧烈 振 荡 时 的测 量 误 差 增 大 , 而 小 干扰 时情 况 要好 得 多 , 其关键 间题仍然 在 于 如何 实 现 动 态频 率下 的高 精度跟 踪 与 测 量 ’叼 。 若 能 有 效 抑 制 在 信 号 滤 波 、 频 率 跟 踪 等 方 面 的 频 偏 误 差 , 就 不 会 增 加 算 法 的误差 。 采用 电路跟踪 系统频率的理论误差 较 大 , 因此基于 与 几 的 的相 角测 量理 论 精 度偏低 ‘叼 。 本文采用 软硬件相 结合 的测频 方 法 电 力信号经 带通 滤 波器 消 除非 基频 干扰后 , 再 经 方波变换 电路接入 的捕 获单元 , 每个捕 获 单元都具有一 个专用 的 级 栈 顶层栈 和 底层 栈 且 级 栈 中存放 的总是相 邻 次最新捕 获 的计 数值 , 该 过 程 不 仅 能 自动进 行 取 舍 , 不 占用 开 销 , 而 且 精 度 很 高 , 不 影 响 的误差 另 外 , 频 率 信号 的跟 踪 测 量 采 用 中断 方式进行 , 不 影 响主 程序的采样计算 , 也能使频率动 态实 时跟踪 。 完整周期抗混迭 同步采样 完 整周期抗 混 迭 同步 采样 是 指工 频 周 期 、 采 样 间隔 几 、 采 样 点 数 严 格 满 足 一 几 旧 。 本文利用 的事件管 理 器 的高精 度两级 输人 捕 获单元 测量 工频周期 , 然 后计算采样 间 隔 兀 。泊 , 并 将 采 样 间 隔 装 载 到 通 用 定 时 器
74 电力兼自动化 2006,30(2) Timer2的周期寄存器以实时控制每个周期的各个 间隔存人通用定时器的周期寄存器中，以实时控制 采样点（零时刻除外）：捕获端口采用中断方式进行， 采样频率。PPS同时启动32位CPUTimer0(以控 其时基以DSP的通用定时器Timerl为准，理想情 制每个周期的零时刻采样点，对于32位 况下每20ms产生一次捕获中断，为防止频率捕获 CPUTimert0,在1个PPS内理论计时精度u为 遗漏，在定时器一个满数计时内要进行2个周期捕 0.233ns,但对150MHz晶振只能精确到6.67ns, 获，则对于16位的Timerl而言其定时计数器 其硬件晶振时间还有尚可利用的资源。由于每秒同 T1CNT单步计时精度可达： 步一次，因此完全可以协同GPS作为同步信号源。 {=40000=0.610 DSP定时器的周期寄存器具有2级缓存，其暂 28 (1) 存寄存器称为映像寄存器或影子寄存器(shadow 取2次捕获值之差，即可得工频周期T(T为捕 register),在一个定时周期的任意时刻都可以把一 获单元底层栈寄存器与捕获单元顶层栈寄存器之 个新的计数值写到暂存寄存器中，但不影响当前定 差，以Timerl计数值为单位，计时精度为t1 precisom)。 时器工作，只有当前定时周期结束才把暂存寄存器 设采样点数为N,计算得出的由通用定时器 的计数值加载到周期寄存器；频率每捕获一次，产生 Timer2给出的采样间隔Tna(以Timer2计数值为 中断，计算系统频率和下一个周期的采样间隔 单位，计时精度为t2)为： Iperod,并将采样间隔装载到通用定时器Timer2的 (2) 周期寄存器，以实时控制每个周期的各个采样点（零 时刻除外)；并不影响主程序中当前周期的A/D转 式中：t2preo为控制采样间隔的通用定时器Timer2 换采样间隔和周期，因此当系统频率发生变化时，采 的单步计时精度，取值为： 样间隔能在当前周期和下一个周期之间实时控制， 20000 (3) 26N 避免了因频率变化而引起的混迭现象；也满足了一 个数据窗内采样周期完整性和自适应调整采样率的 由于int()为取整函数，pre受定时器预定标 系数的影响，不能无限制地取小，故存在一定的截断 同步采样要求。 误差： 3同步相置测量算法 A-TtiprecimonN T period taprecuion (4) 可知，对于截断误差“来说，N值越大，采样间 目前常用的相量测量算法有过零检测、DT、 隔越小，其截断误差也越小。对于标准50Hz工频 卡尔曼滤波等算法。过零法的问题是过零点可能被 1个周期64点采样方案，采样周期(Timer22计数 扭曲，主要是因为谐波和噪声的干扰；卡尔曼滤波是 值)为Tr=23425,截断误差≈0.01us,这种由 线性、无偏、最小方差的实时递推滤波，但其计算量 周期误差造成的测量误差在允许的精度范围之内。 大、递推步骤多，且初始误差矩阵要经过统计计算， 对于采样间隔每单位数值的变化反映于频率的变化 在PMU中难以实现。 量为0.00003Hz。完整周期抗混迭同步采样要根 本文应用了连续数据窗的DFT计算相量的方 据系统频率的变化，调整异地同步数据窗的宽度，即 法们。其基本思想如下：一正弦信号X,每个周期 采样周期和采样间隔，异地同步脉冲由GPS的PPS 对其进行N次采样，得采样值集合{x4,=1,2,, 确定，以保证在不同系统频率偏差下都能采样到一 N),采用DFT的计算公式，其基频分量如下： 个周期的完整数据。采样脉冲发生如图2所示。 X=之x,e3 N台 (5) CPU定时器 PPS 以上是非递推DFT算法，计算量大，每个数据 D 捕获单元1 转换 要进行2N次乘法和2N-1次加法，下面的递推 通用定时器 DFT算法较为简洁。设x'是针对序列{x4,k=r, r+1,…,n十r一1}的相量，x+1是针对下一个数据 率信号 捕获单元2一PL山一周期寄存稀 窗的采样序列{xk,k=r十1，r十2，…，n十r的相量， 则x1的递推公式为： 图2同步采样 Fig.2 Synchronized sampling x+1=12 Nxs,-)e (6) 当PPS被捕获时，立即启动A/D转换，并根据 由于完整周期抗混迭同步采样方法能精确跟踪 频率信号的捕获值经动态PLL调节时钟后，将采样 频率的变化进行变间隔实时采样，因此相量信息可 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
电 力 系 玩 自 劝 快 , 的周期寄存器 以 实时 控 制 每 个 周 期 的各 个 采样点 零 时刻 除外 捕获端 口 采用 中断方式进行 , 其时基 以 的通 用 定 时器 为 准 , 理 想 情 况下 每 产 生 一 次捕 获 中断 , 为 防止频 率 捕 获 遗漏 , 在定时器一个满 数 计 时 内要 进 行 个 周 期 捕 获 , 则 对 于 位 的 而 言 其 定 时 计 数 器 单步计 时精度 可达 。 , 。 。 一 取 次捕获值之差 , 即可得工频周期 为捕 获单元底层 栈 寄存 器 与捕 获 单 元 顶 层 栈 寄存 器 之 差 , 以 计数值 为单位 , 计 时精度为 。 。 设采样 点 数 为 , 计 算 得 出 的 由 通 用 定 时 器 给 出的采样 间隔 。 以 计数值为 单位 , 计时精度为 。 。 为 、 一 了箕丫」』理纽竺 义丫 、 旧 式 中 标 为控制采样 间 隔 的通 用 定 时器 的单 步计 时精度 , 取值为 琦 , 涯一 一 由于 为取 整 函 数 , 。 受 定 时 器 预 定 标 系数 的影响 , 不 能无 限制地取小 , 故存在一定的截断 误差 产 , 。 , 。。 一 、。 。 可 知 , 对 于 截 断误 差 产 来 说 , 值越 大 , 采样 间 隔越 小 , 其截断误差 也 越小 。 对 于 标 准 工 频 个周期 点 采 样 方 案 , 采 样 周 期 计 数 值 为 。 , 截断误差 产七 拜 , 这 种 由 周期误差造 成的测 量 误差 在 允 许 的精 度 范 围之 内 。 对 于采样 间隔每单位数值 的变化反 映于频率的变化 量为 。 完 整周期抗 混 迭 同步采样 要根 据系统频率 的变化 , 调整异地 同步数据 窗 的宽度 , 即 采样周期和采样 间隔 , 异地 同步脉 冲由 的 确定 , 以保证在不 同系统 频率 偏 差 下 都 能 采 样 到一 个周期 的完整数据 。 采样 脉 冲发生 如 图 所示 。 间隔存人通用定 时 器 的周 期 寄存器 中 , 以 实 时控 制 采样 频 率 。 同 时 启 动 位 以 控 制 每 个 周 期 的 零 时 刻 采 样 点 , 对 于 位 , 在 个 内 理 论 计 时 精 度 拌 为 , 但 对 晶振 只能精确到 , 其硬件 晶振 时 间还有 尚可利用 的资源 。 由于每秒 同 步一 次 , 因此完全可 以 协 同 作 为同步信号源 。 定时器 的周 期寄存器 具 有 级 缓存 , 其暂 存 寄存 器 称 为 映 像 寄 存 器 或 影 子 寄 存 器 , 在一个 定 时周期 的任意 时 刻都可 以 把一 个新 的计数值写到暂存寄存器 中 , 但不 影 响 当前定 时器工作 , 只 有 当前 定 时周 期 结束 才 把 暂存寄 存器 的计数值加载 到周期寄存器 频率每捕获一 次 , 产生 中 断 , 计 算 系 统 频 率 和 下 一 个 周 期 的 采 样 间 隔 、 , 并 将采 样 间 隔装 载 到通 用 定 时 器 的 周 期 寄存器 , 以 实时控制每个周期 的各个采样点 零 时刻 除外 并 不 影 响 主程 序 中当前 周 期 的 转 换采样 间隔和周期 , 因此 当系统频率发生 变化时 , 采 样 间隔能在 当前周 期 和下 一 个 周 期之 间实 时控 制 , 避 免 了因频率变 化 而 引起 的混 迭 现 象 也 满 足 了 一 个数据窗 内采样周期完整性 和 自适应 调 整采样率的 同步采样要求 。 同步相 测 且 算法 目前常用 的相 量 测 量 算 法 有 过 零 检 测 、 、 卡尔曼滤波等算法 。 过零法 的问题是过零点可 能被 扭 曲 , 主要是 因为谐 波和 噪声的干扰 卡尔曼滤波是 线性 、 无偏 、 最小方 差 的实 时递 推 滤 波 , 但 其计算 量 大 、 递推步骤多 , 且 初 始误 差 矩 阵要 经 过统 计计 算 , 在 中难 以实现 。 本文应用 了连 续数 据 窗 的 计算 相 量 的方 法口 ’〕 。 其基本思 想 如 下 一 正 弦信 号 , 每个 周 期 对其进行 次采样 , 得采样值集合 二 , 一 , , … , , 采用 的计算公式 , 其基频 分量如下 艺 一“ 赘 采 样 控 转换 制 逻 辑 叔率信号 周期寄存器 图 同步采样 如 幻 以 上是非递推 算 法 , 计算 量 大 , 每个 数据 要进行 次 乘法 和 一 次 加 法 , 下 面 的递 推 算法 较 为 简 洁 。 设 是 针 对 序 列 , , , … , 十 一 的相 量 , ‘ 是 针 对 下 一 个数 据 窗 的采样 序列 , 一 十 , , … , 的相量 , 则 叶‘ 的递推公式为 汁 一 二 已组资卫 十 附 万一 一 一 当 被捕获时 , 立 即启 动 转换 , 并 根 据 频率信号的捕获值经 动态 调 节时钟 后 , 将 采 样 由于完 整周期抗 混迭 同步采样方法 能精确跟踪 频率 的变化进行 变 间 隔实 时 采 样 , 因此 相 量信 息 可
·研制与开发·王克英，等WAMS中PMU的完整周期抗混迭同步采样方法 75 根据采样数据得到，即使在暂态信号下，也能给出一 合起来实时向相量中心传递数据。 个准确的基频分量。采样必须保持电信号的1个或 4结语 2个周期，完整的数据窗是用来消除频谱，以诚少该 段时间内由不连续的信号导致的吉布斯现象]。 本文基于新型DSP芯片和高速AVR单片机， 递推DFT算法要求采样数据必须基于连续数据窗， 提出了一种新的PMU构成方案。该装置充分利用 而变间隔采样又要求数据窗长度随频率实时变化。 DSP与AVR单片机的特点和资源，硬件结构简单， 因此，本文采用一个周期定间隔连续采样，满足了递 实验样机达到设计要求。 推DFT算法的连续数据窗定间隔的要求；每个完整 1)DSP内部的高精度定时器配合GPS的PPS 周期采样时，采样间隔根据频率的变化实时调整，减 协调同步信号源，避免了由于电磁干扰或意外情况 小了因频率变化给DFT算法带来的误差。 造成卫星信号丢失导致相位测量偏差不能反映，提 PMU软件实现包括前置机的DSP、AVR单片 高了PMU的抗干扰能力。 机底层软件和上位机的控制软件，具体程序功能框 2)在精确同步信号源与实时频率跟踪测量情况 图如图3所示。 下，提出了完整周期抗混迭同步采样方法，为递推 DFT算法提供了完整精确同步的原始数据。该方 初始化 法克服了定间隔采样频率变化带来的影响；又比基 GPS捕获 于递推DFT的自适应调整采样间隔的方法在硬件 上易于实现、计算简单。 初始化 参考文献 AD转换 键盘扫描 [1]KOSTEREV D N,ESZTERGALYOLS J,STIGERS C A. Feasibility Study of Using Synchronized Phasor Measurements DFT算法 留动液品显示 相量走势闲 for Generator Dropping Controls in the Colstrip System.IEEE 故障判断 Trans on Power Systems.1998,13(3):755-761. SPI SPI 局部控制 [2]王克英，豫钢，陈学允.计及PMU的状态估计精度分析及配置 -sVC切机 研究.中国电机工程学报，2001,21(8)：29一33. CAN总线唤配 USB T控机 ~发电机调速 WANG Ke-ying,MU Gang,CHEN Xue-yun. Precision 甩负荷 Improvement and PMU Placement Studies on State Estimation 结束标志 实时显示 of a Hybrid Measurement System with PMUs.Proceedings of DSP AVR单片机 the CSEE,2001,21(8):29-33. 图3程序功能 [3]腰林，刘万顺，食志皓，等.电力系统暂态稳定实时繁急控制的研 Fig.3 Function diagram of program 究.中国电机工程学报，2003,23(1)：64-69. TENG Lin,LIU Wang-shun,YUN Zhi-hao et al.Study of 其中，前置机软件全部完成并通过样机实验，上 Real-time Power System Transient Stability Emergency Control.Proceedings of the CSEE,2003,23(1):64-69. 位机软件完成相量数据接收、显示、存储、回放等功 [4]罗建裕，王小英，鲁庭端，等.基于广域测量技术的电网实时动态 能。前置机软件编写采用C语言与汇编语言混合 监测系统应用.电力系统自动化，2003,27(24)：78一80. 编程，C语言适合DSP的DFT算法，代码移植性 LUO Jian-yu,WANG Xiao-ying,Lu Ting-rui et al.Application 高，简单易行：汇编语言适用于硬件电路的信号捕获 of Real-time Dynamic Monitoring System of Power Network Based on Wide-area Measurement Technology.Automation of 与控制，代码效率高，实时性强。DSP程序实现利 Electric Power Systems,2003.27(24):78-80 用模块化设计思想，整个程序包括：GPs.c, [5]谢小荣，肖晋宇，靡陆园，等，采用广域测量信号的互联电网区间 Frequency.c,Adc.c,DFT.c,Ecan.c Spi.c 阻尼控制.电力系统自动化，2004,28(2)：37一40. 这6个模块，模块之间通过硬件汇编的中断方式衔 XIE Xiao-rong,XIAO Jin-yu,TONG Lu-yuan et a!.Inter-area Damping Control of Interconnected Power Systems Using Wide 接，实时响应。 area Measurements.Automation of Electric Power Systems 经递推DFT计算得到基频分量后，启动SPI, 2004,28(2):37-40. 把这些实时数据传递给高速AVR单片机，AVR单 [6]IEEE Std 1344--1995 R2001 )IEEE Standard for 片机经USB总线及时传给上位机，以进行分析控 Synchrophasors for Power Systems.Revised ed.2001. 制；同时AVR单片机驱动液晶显示。PMU中， [7]沈雷.CMOS集成电路原理及应用.第1版.北京：光明日报出版 杜，1986. DSP的eCAN功能在动模实验中实现1)，在具体的 SHEN Lei.The Principle&Application of CMOS IC.1st ed. 实际运行中，可以将CAN总线与以太网控制器结 Beijing:Guangming Daily Press,1986. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
· 研 制 与开发 · 王 克英 , 等 中 的完整周 期抗 混迭 同步采样方法 根据采样数据得 到 , 即使在暂态 信号下 , 也 能给 出一 个准确 的基频分量 。 采样必须保持 电信号 的 个或 个周期 , 完整 的数据窗是 用来 消 除频谱 , 以 减少 该 段 时间 内 由不 连续 的信 号 导 致 的吉 布 斯 现 象 〕 。 递推 算法要求采样数据必须基于 连续数据窗 , 而变间隔采样又要求数 据 窗 长度 随频率 实 时变 化 。 因此 , 本文采用一个周期定 间隔连续采样 , 满足 了递 推 算法 的连续数据 窗定 间隔的要求 每个完整 周期采样 时 , 采样 间隔根据频率 的变化 实时调整 , 减 小 了因频率变化给 算法带来 的误差 。 软件实现包 括 前 置 机 的 、 单 片 机底层软件和上位 机 的控 制 软 件 , 具体 程 序功 能框 图如 图 所示 。 相量走势图 故障判断 局部控制 切机 发 电机调速 甩负荷 单片机 图 程序 功 能 吃 其 中 , 前置 机软件全部完成并通过样机实验 , 上 位机软件完成相 量数 据 接 收 、 显 示 、 存储 、 回放 等功 能 。 前置机软件 编 写 采 用 语 言 与 汇 编语 言 混 合 编程 , 语 言 适 合 的 算 法 , 代 码 移 植 性 高 , 简单易行 汇编语 言适 用于硬件 电路 的信号捕获 与控制 , 代码 效 率 高 , 实 时 性 强 。 程 序 实 现 利 用 模 块 化 设 计 思 想 , 整 个 程 序 包 括 , , , , , 一 和 这 个模 块 , 模块 之 间通 过 硬 件 汇 编 的 中断方 式 衔 接 , 实时响应 。 经递推 计 算 得 到 基 频 分 量 后 , 启 动 , 把这些 实时数据传递 给高 速 单 片机 , 单 片机 经 总线 及 时 传 给上 位 机 , 以 进 行 分 析 控 制 同 时 单 片 机 驱 动 液 晶 显 示 。 中 , 的 功能在动模实验 中实 现巨‘ 〕, 在具体 的 实 际运行 中 , 可 以 将 总线 与 以 太 网 控 制 器 结 合起来实时 向相量 中心传递数据 。 结语 本文基 于新型 芯 片和高速 单 片机 , 提 出了一 种新 的 构成方案 。 该装 置 充分利用 与 单 片机 的特点和 资源 , 硬件结构简 单 , 实验样机达到设计要求 。 内部 的高精度定 时器配合 的 协调 同步信号源 , 避 免 了 由于 电磁 干 扰 或 意 外情 况 造成卫 星信号丢失 导 致相 位 测 量 偏 差不 能反 映 , 提 高 了 的抗 干扰 能力 。 在精确 同步信号源 与实时频率跟踪测量情况 下 , 提 出了完整 周 期抗 混 迭 同步 采 样 方 法 , 为 递 推 算法提 供 了完 整精 确 同步 的原 始 数 据 。 该 方 法克服 了定 间隔采样 频 率 变 化带 来 的影 响 又 比基 于递推 的 自适 应 调 整采 样 间隔 的方 法 在 硬件 上 易 于实现 、 计算简单 。 参 考 文 献 〕 , , , , 一 幻 王 克英 , 穆钢 , 陈学 允 计 及 的状 态 估计精 度 分 析及 配 置 研究 中国 电机工程 学报 , , 一 一 , , 一 生 , , 一 〔 〕滕林 , 刘万 顺 , 直 志 皓 , 等 电力 系统暂态稳 定 实时 紧急控 制 的研 究 中国 电机工 程学 报 , , 一 , 一 , 一 一 , , 一 〔 」罗 建裕 , 王 小英 , 鲁庭瑞 , 等 基 于广域测 量技术 的 电 网 实 时 动态 监 测 系统应 用 电力 系统 自动化 , , 一 一 , 一 , 一 一 一 吸王 , , 一 〔 〕谢小 荣 , 肖晋 宇 , 童 陆 园 , 等 采用 广域测量 信号 的互 联 电 网区 间 阻尼 控制 电力 系统 自动 化 , , 一 一 , 一 , 一 一 , , 一 仁 一 仁 」沈雷 集成 电路原理及 应 用 第 版 北 京 光 明 日报 出版 社 , 乙 一
76 电中兼抚自动化 2006,30(2) [8]TEXAS Instruments.TMS320F2810 &TMS320F2812 Digital (12]NADUVATHUPARAMBIL B,VALENTI M C,FELIACHI Signal Processors Data Manual.http://www.ti.com. A.Communication Delays in Wide Area Measurement [9]耿德根，宋建国，马潮，等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用 Systems.In:Proceedings of the 34th Southeastern Symposium (修订版).北京：北京航空航天大学出版杜，2002. on System Theory.Huntsville (AL.USA):2002.118--122. GENG De-gen,SONG Jian-guo,MA Chao et al.The Principle [13]季坤，王克英，蔡泽样.广域测量系统中PMU的通信方案.电 &Application of AVR High Speed Embedded MCU.Revised 力系统自动化，2005,29(3)：77一80. ed.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics JI Kun,WANG Ke-ying,CAI Ze-xiang.Communication Pres5,2002. Scheme of Phasor Measurement Unit in WAMS.Automation [10]杨费玉，江道灼，邱家驹.相量测赋装置的同步精度问题.电力 of Electric Power Systems,2005,29(3):77--80. 系统自动化，2003,27(14)：57-一61. YANG Gui-yu,JIANG Dao-zhuo,QIU Jia-ju.Synchronous 王克英(1963一)，男，博士，教授，从事电力系统监测与 Measurement Precision of Phasor Measurement Unit. 控制的研究。E-mail:epkywang@scut.edu.cn Automation of Electric Power Systems,2003,27(14):57- 季坤(1978一)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统 61. [11]PHADKE A G.Synchronized Phasor Measurements in Power 的监测与保护。 Systems.IEEE Computer Applications in Power,1993,6(4): 蔡泽祥(1960一)，男，博士，教授，博士生导师，从事电力 10-15. 系统继电保扩护与稳定控制的研究。 Full Cycle Anti-aliasing Synchronized Sampling Algorithm of Phasor Measurement Units in WAMS WANG Ke-ying',JI Kun'2,CAI Ze-xiang (1.South China University of Technology,Guangzhou 510640,China) (2.Hefei Power Supply Company,Hefei 230022,China) Abstract:GPS-based synchronized phasor measurement units (PMUs)are important components in wide area measurement systems (WAMS).A new PMU design scheme and sampling algorithm with digital signal processor (DSP)and high speed AVR MCU are presented.The 1 PPS (pulse per second)of GPS is measured by one input capture unit of the DSP,and the 32-bit Timer of the DSP is synchronized by the 1 PPS to control the first sampling of a wave cycle.The frequency of the wave is measured by another input capture unit of the DSP,and the period register of 16-bit Timer of the DSP is loaded with the sampling period derived from the frequency.The measurement precision and the sampling synchronization are improved by using the full cycle anti-aliasing synchronized sampling method.The high-precision clock of DSP is incorporated with the GPS clock to improve the reliability of synchronous clock Key words:digital signal processor (DSP);global positioning system (GPS);phasor measurement unit (PMU):frequency tracing measurement;synchronized sampling 未来5年中国水电装机容量将增长八成 从日前国家发晨和改苹委员会在北京召开的“全国水力资源复查成果发布会”上得知，从我国能源资源特点来看，优先发 展水电是必须坚持的能源发展方针，初步规划，到2010年，水电装机容量达到180GW,占发电装机客量的25%，开发程度为 33%;到2020年，水电装机容量达到300GW,占发电装机容量的30%，开发程度为55%。届时，我国水力资源开发利用程度 接近经济发达国家水平。同时，开发水电必须坚持“开发中保护、保护中开发”的方针，高度重视水电建设的环境保护和移民 安置工作。 我国于2000年启动全国水力资源复查工作。结果显示，我国大陆水力资源理论蕴藏量在10MW级以上的河流共有 3886条，水力责源理论蓝藏量年发电量6082.9TW·h,平均功率为694.4GW;技术可开发装机容量541.64GW,年发电量 2474TW·h;经济可开发装机容量401.8GW,年发电量1753.4TW·h。裁至2004年底，已开发装机容量约100GW,年发 电量331TW·h。我国水力膏源的3个鲜明特点是：①地域分布极不平衡，西部多、东部少，技术可开发量最丰富的3个省 (区)为四川、西藏和云南，分别占全国总量的22%，20%和19%：②大多数河流年内、年际径流分布不均，丰、枯季节流量相差 较大，需要建设调节性能好的水库，对径流进行调节：③水力资源集中于大江大河，其总装机客量的占全国技术可开发量的 51%,占经济可开发量的60%。 C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
电 户 系 玩 自 动 愧 , 役 仁 」耿德根 , 宋建 国 , 马潮 , 等 高速 嵌 人 式 单 片 机 原 理与 应用 修订版 北京 北 京航 空 航天 大学 出版社 , 仑 , 〔 一 , 邑 , , , 〔 〕杨贵玉 , 江道灼 , 邱家驹 相 量测量装置 的 同步精度 问题 电力 系统 自动化 , , 一 一 , 于 , 划 衍 , , 一 , 仁 〕 ” 夕 , , 一 仁 」 , , 饥 , 一 〔 〕季坤 , 王 克英 , 蔡泽祥 广 域 测 量 系 统 中 的 通 信方案 电 力 系统 自动化 , , 一 , 色 , 于 , , 一 王 克 英 一 , 男 , 博士 , 教授 , 从 事 电 力 系统 监 侧 与 控 制 的 研 究 。 一 季 冲 一 , 男 , 硕 士 研 究 生 , 研 究 方 向 为 电 力 系统 的 监测 与 保 护 。 蔡泽祥 一 , 男 , 博士 , 教授 , 博士 生 导 师 , 从 字电 力 系统 继 电保 护 与 稳 定控 制 的研 究 。 , 称 朋 一少 ‘ , ’ , ’ , 一 ’ , , , , 加打 , 一 , 一 一 , 一 〕 犷 未来 年 中国水 电装机容量将增长八成 从 日 前 国 家发展和 改 革委 员会在北 京 召 开 的 “ 全 国 水 力 资源 复查 成 果发 布会 ” 上 得 知 , 从 我 国 能 源 资源 特点 来看 , 优 先发 展水 电是 必 须 坚持 的 能 源发展方 针 , 初 步规划 , 到 年 , 水 电 装机 容 量达 到 , 占发 电装机容 量 的 , 开 发 程 度 为 到 年 , 水 电 装机 容 量达 到 , 占发 电 装机容 量 的 , 开发程度 为 。 届 时 , 我 国 水 力 资源 开 发 利 用 程 度 接近 经 济发 达 国 家水 平 。 同 时 , 开发 水 电 必 须 坚 持 “ 开发 中保 护 、 保 护 中开 发 ” 的 方 针 , 高度 重 视 水 电 建设 的 环 境保 护 和 移 民 安 里 工 作 。 我 国 于 年 启 动 全 国 水 力 资 源 复 查 工 作 。 结 果 显 示 , 我 国 大 陆 水 力 资源 理 论 蕴 藏 量 在 级 以 上 的 河 流 共 有 条 , 水 力 资源 理 论 蕴 藏 量年 发 电 量 · , 平 均 功 率 为 技 术 可 开 发 装机 容 童 , 年 发 电 量 · 经 济 可 开发 装机容 量 , 年发 电 量 · 。 截 至 年 底 , 已 开 发装机容 量约 , 年发 电 量 · 。 我 国 水 力 资 源 的 个 鲜 明 特点 是 ①地 域 分 布 极 不 平 衡 , 西 部 多 、 东部 少 , 技 术 可 开 发 量 最丰 富的 个 省 区 为 四 川 、 西 藏和 云 南 , 分 别 占全 国 总量 的 , 和 ②大 多数 河 流 年 内 、 年 际 径 流 分 布不 均 , 丰 、 枯 季节流 童相差 较 大 , 需要建设调 节性 能好 的 水 库 , 对径 流 进 行 调 节 ③水 力 资 源 集 中于 大 江 大 河 , 其 总装机 容 童 约 占全 国技 术 可 开 发 量 的 , 占经 济可 开 发 童 的