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