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1 引言 電力系統中的功角穩定性、電壓穩定性、頻率動(dòng)態(tài)變化及其穩定性是相互誘發(fā)、相互關(guān)聯(lián)的，其中，發(fā)電機功角狀況是電力系統運行的主要狀態(tài)變量．也是系統穩定運行的標志。因此，實(shí)時(shí)測量發(fā)電機的功角是電力系統穩定監視和控制的關(guān)鍵。 電力系統內部各送端、受端的分布廣泛而分散，若在各端安裝一臺GPS接收機，則GPS的全球性和高精度就能保證各地時(shí)間信號與UTC的相對誤差都不超過(guò) lμs。這種全球范圍內的高精度時(shí)間同步在電力系統檢測和測量中具有極高的利用價(jià)值。文中設計了基于GPS的功角測量裝置，可通過(guò)GPS接收板提供的秒脈沖和其時(shí)間標記來(lái)進(jìn)行異地同步數據采集，實(shí)踐證明其效果很理想。 2 GPSOEM接收GPS標準時(shí)間 2．1 GPS OEM接收板 該GPS接收模塊采用GARMIN公司的GPSOEM板，型號為GPSl5L。它采用+5V電源供電．有12通道，最多可同時(shí)跟蹤12顆衛星，如開(kāi)通秒脈沖，可同時(shí)跟蹤11顆衛星。 接收板自動(dòng)捕獲衛星信息時(shí)間小于2s，熱啟動(dòng)時(shí)間約為15s(所有數據已知)，冷啟動(dòng)時(shí)間約為45s(初始位置和時(shí)間未知)。自動(dòng)定位需要5min(歷書(shū)已知，初始位置和時(shí)間未知)。 NMEA0183信息更新輸出間隔從1s到900s可調，RS-232輸出，輸入可為RS-232或者具有RS-232極性的TTL電平。波特率從300bps~38400bps可選。 GPS OEM接收板在任意時(shí)刻能同時(shí)接收其視野范圍里4~11顆衛星的信號，其內部硬件電路和軟件通過(guò)對接收到的信息進(jìn)行解碼和處理，能從中提取并輸出二種時(shí)間信號：一是間隔為1s的同步脈沖信號1PPS(電平為3V)，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過(guò)1μs：二是包括在串口輸出信息中的UTC (Coordinate Universal Time協(xié)調世界時(shí))絕對時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)，它是與1PPS脈沖相對應的，如圖1所示。 2．2 GPS OEM接收板的串行數據格式 GPS接收板的串口通信協(xié)議為：串口的傳輸率可調．默認值為4800bps。無(wú)奇偶校驗，8個(gè)數據位，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位。GARMIN的GPS 0EM板輸出的數據是以美國國家海洋電子協(xié)會(huì )(National Marine Electromcs Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎的。輸出為多條語(yǔ)句，內容包括經(jīng)度、緯度、速度、方位角、高度、世界時(shí)、星歷等信息。輸出秒脈沖(1PPS)的精度高達± 1μs。 NMEA0183輸出語(yǔ)句的結構如圖2所示。其中以ASCII碼為輸出形式的NMEA 0183的RMC語(yǔ)句如下： Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data(RMC)推薦定位信息 $GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，< 7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh $GPRMC：定位數據語(yǔ)句起始標志 UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式。 <2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無(wú)效定位 …… <9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式 …… 2．3 GPS OEM板精確時(shí)間的提取及應用 秒脈沖是一電平信號，且其上升沿對應著(zhù)一精確的UTC時(shí)刻。因此，可用此電平信號的上升沿對其他設備(如單片機、計算機等)進(jìn)行控制或觸發(fā)，這樣，即可記錄下秒脈沖上升沿到來(lái)的準確時(shí)刻，再從RS-232接口傳輸的GPRMC語(yǔ)句獲取UTC時(shí)刻，經(jīng)計算處理即可求得設備的精確時(shí)鐘差，從而得到精確的UTC時(shí)刻，實(shí)現GPS的精確授時(shí)。 用計時(shí)型單片機與GPS 0EM接收板組合，對OEM板的lPPs輸出進(jìn)行整形，用其來(lái)控制單片機的中斷和軟件計數脈沖，再把0EM板RS232口輸出的數據送到單片機的串口輸入端，為單片機提供1PIPS對應的UTC時(shí)刻值，其授時(shí)精度最高可以達10-6s以上。而且單片機具有精度高、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。用秒脈沖結合RS -232輸出的時(shí)間數據進(jìn)行授時(shí)，這種方法需接收二種信號，即秒脈沖的電平信號（+3V)和RS-232格式中的UTC信號。而電平信號與RS-232格式信號不一致，因此，需分兩個(gè)端口分別接收。在本次設計中，采用AT89S51型單片機接收RS-232時(shí)間數據，每秒更新一次。對應的UTC秒脈沖上升沿控制觸發(fā)另一C8051F021型單片機同時(shí)采集3相電壓和電流信號，然后將采集的信號和AT89S51型單片機存儲的對應時(shí)標數據送到上位機進(jìn)行下一步分析。 2．4 GPS授時(shí)系統的硬件組成 GPS衛星時(shí)鐘接收機由GPS接收天線(xiàn)(5MHz，3V)、GPS OEM接收板(GARMIN公司的GPSl5 L)、ADM202E、單片機(AT89S51)、鎖存器(74LS574)、雙口RAM(CY7C13l的容量為1K)組成。硬件結構如圖3所示。 由于A(yíng)T89S5l型單片機的輸出為0V～5V的_TTL電平，而OEM板配置的是RS-232標準串行接口，二者的性能規范不一致，不能直接進(jìn)行通信。為使1TTL電平與RS-232標準協(xié)調，采用一種雙路發(fā)送／接收集成電路(ADM202E)。該電路的功耗低，只需單電源（+5V）供電，片內具有兩套電壓提升器構成的4倍電壓變換器，能產(chǎn)生+10V和-10V電壓，這樣就使單片機和0EM板之間的電壓完全匹配。 在A(yíng)T89S51型單片機系統中。當對外部數據存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)操作即執行[email=MOVX@DPTR,A]MOVX@DPTR,A[/email]，A（累加器A中數據送片外數據存儲器），MOVX A，@DPTR(片外數據存儲器中數據送累加器A1指令時(shí)，DPTR的低8位地址在鎖存信號ALE的下降沿被鎖存在地址鎖存器中。高8位地址直接送到目標．然后8位數據直接送往目標器件。 雙端口。RAM最重要的特點(diǎn)是每個(gè)器件有2組數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)及控制總線(xiàn)。只要不是同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)存儲單元，就允許2個(gè)端口同時(shí)對片內任何存儲單元進(jìn)行獨立的讀，寫(xiě)操作而互不干擾；如果2個(gè)端口同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)存儲單元．則由片內的仲裁邏輯決定訪(fǎng)問(wèn)哪個(gè)端口。 在硬件設計中，經(jīng)常需要2個(gè)設備有權訪(fǎng)問(wèn)同一塊存儲區，如果使用常規的單端口存儲器，那么當某一個(gè)設備正在訪(fǎng)問(wèn)時(shí)．別的設備則無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)．嚴重降低了工作效率．而且不論是采用HOLD信號使某一設備“掛起”的方法．還是采用二套總線(xiàn)二選一的方法，都給邏輯電路的設計增添了負擔。相比之下，使用雙端口RAM的好處至少有二點(diǎn)：首先，可將2個(gè)設備的總線(xiàn)與雙端口RAM的2個(gè)端口分別相連，邏輯設計簡(jiǎn)潔明了；其次．只要安排得當，雙口RAM無(wú)沖突地為2個(gè)端口服務(wù)，則可使訪(fǎng)問(wèn)效率比常規單端口RAM提高l倍。 2．5 GPS授時(shí)系統的軟件設計 系統軟件主要分為初始化、GPS數據接收存儲、數據傳送子程序3部分。軟件流程如圖4所示。 首先將GPS OEM接收板通過(guò)串口與PC連接好，接通主電源和備用電源，用自帶的接收軟件SNSRCFG設置初始化信息，只輸出一條GPRMC語(yǔ)句，保證每秒接收存儲時(shí)間信息的精度；然后轉化為NMEA格式，連接上傳，則初始化信息就自動(dòng)將被保存在板內的永久性存儲器中，下次上電時(shí)將會(huì )自動(dòng)生效。如需更改則要再次修改參數和再次上傳。 系統上電后硬件復位，設置UART的波特率為19200b／s，數據通信格式為10位異步收發(fā)；授時(shí)接收系統進(jìn)入正常工作狀態(tài)，單片機(AT89S51) 通過(guò)RS-232串行方式接收GPS OEM板的衛星數據。通過(guò)查詢(xún)字頭，接收OEM板GPRMC輸出語(yǔ)句中的時(shí)、分、秒和年、月、日信息。沒(méi)有用的信息跳過(guò)。由于接收到的是UTC時(shí)間．出于習慣考慮，將UTC時(shí)間轉化為北京時(shí)間。 本地時(shí)間=GPS時(shí)間+時(shí)區值 北京位于第8時(shí)區，時(shí)區值為+8。將接收到的時(shí)間信息轉化為北京時(shí)間，按日、月、年、時(shí)、分、秒的順序存儲在片內30H到3BH這12個(gè)單元中。然后用 MOVX指令將數據送到片外雙口RAM的0C00H到0COBH中，供另外需要時(shí)間信息的CPU調用。圖5為某次仿真結果，時(shí)間是北京時(shí)間2005年4月 15日9時(shí)lO分8秒。 3 結束語(yǔ) GPS具有全球性、全天候、精度高等優(yōu)點(diǎn)，利用GPS精密授時(shí)功能可以快速、精確、同步地獲得功角測量系統中的歷史數據和實(shí)時(shí)狀態(tài)。實(shí)踐證明．這種全球范圍內的高精度時(shí)間同步在電力系統檢測和測量中發(fā)揮了極大的作用，GPS技術(shù)的應用必將對電力系統的安全檢測、穩定控制帶來(lái)革命性的變革，GPS技術(shù)的采用將大大促進(jìn)和帶動(dòng)電力系統自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和提高 |
