·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