|
隨著(zhù)全球衛星定位系統(GPS)的廣泛應用，基于GPS的實(shí)時(shí)相量測量裝置PMU(Phase Measurement Unit)很好地解決了電力系統廣域空間同步測量的問(wèn)題，并形成了電網(wǎng)廣域測量系統WAMS(Wide Area Measurement System)。PMU在全網(wǎng)統一的時(shí)間坐標系下(通過(guò)接收GPS的同步時(shí)鐘信號)，對電力系統不同節點(diǎn)的電壓和電流進(jìn)行同步采樣，通過(guò)數據處理生成各節點(diǎn)電壓、電流的正序相量，由GPS給每個(gè)相量打上時(shí)間標簽，然后將這些信息實(shí)時(shí)傳送到控制中心�？刂浦行脑诮y一的時(shí)標下，根據各個(gè)PMU的測量信息對電力系統的狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)行全電網(wǎng)的穩定控制、事故預警等。 本文提出的PMU構成方案，充分利用了數字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)的集成資源，采用雙CPU結構，以GPS秒脈沖為同步時(shí)鐘信號，結合高速14位A／D芯片進(jìn)行采樣，并以USB 2．0接口、CAN總線(xiàn)接口和以太網(wǎng)接口相結合的通信方式實(shí)現高速、大容量的數據傳輸。軟件沒(méi)計采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統，保證了裝置的實(shí)時(shí)性和可靠性。 1 PMU的構成與硬件實(shí)現 作為WAMS的關(guān)鍵組成部分，實(shí)時(shí)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(lái)自PT／CT二次側的電信號經(jīng)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(shí)鐘秒脈沖(PPS)經(jīng)DSP(No．2)內部的捕獲單元產(chǎn)生滿(mǎn)足時(shí)間同步和頻率同步要求的異地同步采樣信號，啟動(dòng)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，每出現一個(gè)新的采樣數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(wǎng)統一的“時(shí)間標簽”。 DSP(No．1)與DSP(No．2)之間采用同步串行接口(SPI)，實(shí)現無(wú)縫接口連接。DSP(No．2)利用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示數據和波形，以便在不必配置本地上位機時(shí)組成最小的監測單元。USB接口接本地上位機，同時(shí)也可以作為擴展口留作本地數據的攜帶轉移。通過(guò)CAN總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)相結合的方式實(shí)現PMU與控制中心的數據傳輸。下面就關(guān)鍵的幾個(gè)部分加以詳述。 1.1 相量數據采集模塊 PMU的核心CPU采用TI公司的TMS320LF2407A(簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)控制器，適于控制系統。 A／D采樣電路是相量數據采集模塊的重要組成部分之一，同步相量測量對于A(yíng)／D轉換部分的精度有著(zhù)較高的要求。IEEE-1344和C37規范提供了如下公式，用于計算實(shí)際所需的A／D轉換有效位數： 式中：Minimum resolution為所需A／D轉換的最小有效位數，Fs為模擬量最大變動(dòng)倍數，Emin為幅度計算的精度要求。 電力系統中電壓的最大變動(dòng)倍數通常在1．5倍以?xún)�，而電流的�?dòng)態(tài)范圍卻很大，輕載運行時(shí)可能為額定值的10％，短時(shí)過(guò)載時(shí)可能為額定值的2～3倍，而故障時(shí)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相角的跳變，與實(shí)際系統不吻合)，因此，IEEE規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，FS-30，當Emin=1％時(shí)，A／D轉換有效位數為13．05位。 相量數據采集模塊的速度與精度直接影響整個(gè)相量測量系統的性能。要實(shí)現高速數據采集，除了要有高性能的A／D轉換設備，同時(shí)還需要有高速數據傳輸總線(xiàn)。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(mǎn)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(wèn)題；芯片AD7865為并行接口方式，而2407A的高速數據總線(xiàn)可以與其匹配。在進(jìn)行A／D采樣時(shí)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(gè)通道配置1個(gè)采樣／保持器，在采樣觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)可同時(shí)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(lái)實(shí)現。相量的處理充分利用DSP的特性，進(jìn)行遞歸DFT運算并實(shí)現頻率跟蹤。 1．2 GPS授時(shí)模塊 解決同步采樣脈沖產(chǎn)生的問(wèn)題是實(shí)現同步相量測量單元子站的關(guān)鍵技術(shù)之一。GPS授時(shí)模塊主要負責同步采樣觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和精確的授時(shí)功能。它從GPS接收機的串行口接收數據并提取當前標準時(shí)間，同時(shí)接收GPS的秒脈沖信號(PPS)，并由DSP(No．2)的30MHz時(shí)鐘頻率倍頻，產(chǎn)生用于觸發(fā)A／D進(jìn)行轉換的脈沖，以實(shí)現每周波采樣64點(diǎn)。高精度(1μs同步精度)的GPS時(shí)鐘源是同步相量測量技術(shù)的基礎。為了降低對GPS的依賴(lài)性，采用高精度抗干擾自同步技術(shù)，由DSP(No．2)自身高精度晶振提供相當精確的秒脈沖，在短時(shí)失去GPS信號或GPS信號受到強干擾情況下實(shí)現高精度授時(shí)。 1．3 數據的通信傳輸模塊 數據的通信傳輸模塊采用USB2．O技術(shù)實(shí)現高速度實(shí)時(shí)數據的傳輸。USB是一種新的、雙向的、同步傳輸并可熱插拔的點(diǎn)對點(diǎn)數據傳輸總線(xiàn)，具有同步帶寬、靈活穩定、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。其傳輸速度最高可達480Mbps，遠高于一般的串行總線(xiàn)接口。傳統的RS-232、RS-485傳輸速度較慢，且安裝麻煩，已不能滿(mǎn)足此要求。PCI總線(xiàn)雖然速度較快，但安裝麻煩，也小易實(shí)現本地數據的攜帶轉移。利用USB接口傳輸速率大、時(shí)延小、差錯率極低的特點(diǎn)，能有效、快速地完成PMU實(shí)時(shí)測量數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(shí))。CAN節點(diǎn)在自身發(fā)生錯誤時(shí)有自動(dòng)關(guān)閉功能，不會(huì )影響其他節點(diǎn)的正常工作。由于DSP(2407A)集成有CAN模塊，所以實(shí)現比較方便。 針對PMU數據通信的高速、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，采用EZ-USB SX2系列的CY7C68001芯片與DSP(No．2)結合，實(shí)現PMU與現場(chǎng)上位機(工控機)之間測量數據的實(shí)時(shí)傳輸。另一部分是PMU與控制中心的通信。這部分采用CAN總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)相結合的方式。 2 PMU的軟件平臺 為了提高數據采集系統的實(shí)時(shí)性與可靠性，采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統平臺，并在此平臺上開(kāi)發(fā)了USB設備驅動(dòng)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。其絕大部分代碼是用ANSI C編寫(xiě)的，只有小部分與硬件相關(guān)的代碼是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的，易于移植。μC／OS-II功能強大，支持56個(gè)用戶(hù)仟務(wù)，支持信號量、消息郵箱、消息隊列等多種常用的進(jìn)程間通信機制，可剝奪實(shí)時(shí)內核使得任務(wù)級系統響應時(shí)間得到最優(yōu)，而響應時(shí)間是可知的，很適合于對實(shí)時(shí)性要求比較高的系統�，F已成功應用到很多領(lǐng)域，其穩定性與可靠性已經(jīng)得到檢驗。2000年7月，μC／OS-II通過(guò)非常嚴格的測試，取得了美國航空管理局(FAA)的認證，說(shuō)明它可用于與人性命攸關(guān)的安全重要系統。 TMS320LF2407滿(mǎn)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，本文在此平臺七進(jìn)行操作系統移植和軟件開(kāi)發(fā)。μC／OS-II操作系統的組成義件分為3類(lèi)：與處理器無(wú)關(guān)的代碼文件；與處理器有關(guān)的代碼文件，以及μC／OS-II與應用相關(guān)的設置文件。當然，移植工作完成后編寫(xiě)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(guān)的文件。這類(lèi)文件包括：OS_CPU.H、0S_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C三個(gè)文件。 在本應用中，筆者建立了7個(gè)應用任務(wù)，優(yōu)先級分別為4、5、6、7、8、9、1O；同時(shí)為每個(gè)任務(wù)分配了一個(gè)消息郵箱，使用基于消息郵箱事件的通信機制進(jìn)行任務(wù)間通信與任務(wù)切換。整個(gè)軟件的基本結構如圖2所示。 任務(wù)AD_Task()：DSP(N0．1)采樣電壓、電流信號。分配郵箱：pAd_Mbox。 任務(wù)DFT_Task()：DSP(No．1)進(jìn)行相量遞歸DFT計算。分配郵箱：pDFT_Mbox。 任務(wù)SPI_Task()：DSP(No．1)通過(guò)SPI總線(xiàn)向DSP(No．2)發(fā)送相量數據和有功、無(wú)功信息。分配郵箱：pSPI_Mbox。 任務(wù)USB_Task()：DSP(No．2)通過(guò)USB總線(xiàn)向上位機傳送相量數據和有功、無(wú)功信息。分配郵箱：pUSB_Mbox。 任務(wù)CAN_Task()：DSP(No．2)通過(guò)CAN總線(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)傳送相量數據和有功、無(wú)功信息。分配郵箱：pCAN_Mbox。 任務(wù)GPS_Task()：DSP(No．2)配合GPS的秒脈沖實(shí)現高精度授時(shí)功能并啟動(dòng)A／D轉換。分配郵箱：pGPS_Mbox。 任務(wù)LCD_Task()：DSP(No．2)通過(guò)液晶模塊實(shí)時(shí)顯示信息。分配郵箱：pLCD_Mbox。 由上節對堆棧的分析可知，任務(wù)棧最少需要25個(gè)地址。筆者為每個(gè)任務(wù)分配了100個(gè)地址(200字節)的任務(wù)�？臻g。使用函數OSTaskCreate()創(chuàng )建各任務(wù)。該函數的第三個(gè)參數為棧頂地址．為OSTaskStkInit()所調用。要注意，2407A的堆棧是遞增的，故應傳遞任務(wù)棧的最低地址；而又由于任務(wù)程序是采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，編譯器對ARl的偏移范圍可能會(huì )超過(guò)任務(wù)棧棧頂。雖然在這種情況下ARl是可恢復的，但仍可能會(huì )影響最低地址之前的地址內容。所以筆者建議對其進(jìn)行適當后移。 幅值與相角計算程序得到采樣數據后，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據。 結語(yǔ) 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。通過(guò)μC／OS-II管理各個(gè)功能模塊之間的任務(wù)調度、中斷處理、信息的交互等操作，使整個(gè)系統具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、可熱插拔等特點(diǎn)；同時(shí)也提高了軟件開(kāi)發(fā)的效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期。同步相量測量單元的研制是一個(gè)復雜的課題，其實(shí)現還存在很多難點(diǎn)。本設計只涉及其中一部分，許多通信環(huán)節及同步相量的高級應用問(wèn)題還需在令后的工作中進(jìn)一步完善和提高。 |
