一種具有PMU 功能的電力監(jiān)測儀的研制

曹 銳

（太原市優(yōu)特奧科電子科技有限公司，太原 030006）

當(dāng)前，電力監(jiān)測儀通常具有電壓、電流、功率、電能、甚至電能質(zhì)量測量功能，已基本滿足傳統(tǒng)電力SCADA系統(tǒng)應(yīng)用需求，因?yàn)殡娏CADA系統(tǒng)通常只需在1～10s的間隔內(nèi)提供靜態(tài)和非同步的系統(tǒng)電參量信息。另一方面，由于近年來人們已逐漸認(rèn)識到電力系統(tǒng)動態(tài)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測對于提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和事故發(fā)生后的恢復(fù)運(yùn)行都十分重要，因而，人們對電力廣域測量系統(tǒng)（WAMS）越來越重視[1]。相量測量單元（PMU）是電力廣域測量系統(tǒng)的基本組成部分，通常可以每秒50～60次的速度測量同步相量[2]。PMU的基本功能是測量相量并將所測相量打上GPS時(shí)標(biāo)，通常為一種獨(dú)立設(shè)備。在廣域電力網(wǎng)的不同節(jié)點(diǎn)大量部署PMU，并將各個(gè)PMU所測得的帶有GPS時(shí)標(biāo)的相量統(tǒng)一分析處理，則可得到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的詳細(xì)情況。然而，PMU與傳統(tǒng)的電力檢測儀在硬件結(jié)構(gòu)上很相似，只是PMU增加了 GPS同步系統(tǒng)而已。此外，兩種設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)也很類似，只需在傳統(tǒng)電力檢測儀軟件基礎(chǔ)上增加同步相量測量軟件模塊即可。因此，為了在未來的SCADA和WAMS系統(tǒng)中更為廣泛地使用PMU，在設(shè)計(jì)新的電力檢測儀時(shí)增加PMU測量功能不失為一種經(jīng)濟(jì)的方案。本文提出了一種具有PMU功能的新型電力監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方案，給出了其軟硬件設(shè)計(jì)原理。

1 硬件設(shè)計(jì)

圖1是新型電力監(jiān)測儀的硬件框圖?？梢钥闯?，新型儀器比傳統(tǒng)電力監(jiān)測儀增加了虛線方框中的GPS同步部分。

1.1 信號調(diào)理

儀器采用了分壓電阻和電流互感器分別將電力系統(tǒng)輸入的電壓和電流進(jìn)行調(diào)理，以使其滿足儀器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器輸入量程范圍，以及頻率跟蹤部分的鎖相環(huán)（PLL）輸入要求。

1.2 頻率跟蹤

對輸入信號頻率的跟蹤是通過鎖相環(huán)（PLL）實(shí)現(xiàn)的[3]。鎖相環(huán)由壓控振蕩器，鑒相器，分頻器，以及回路濾波器等組成。使用PLL可保證A/D采樣頻率是輸入信號頻率的整數(shù)倍，因而可大大減小進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）計(jì)算各個(gè)電參量時(shí)的頻譜泄漏影響。

1.3 A/D采樣

從信號調(diào)理電路部分輸出的電壓和電流模擬信號首先經(jīng)過低通濾波器濾除帶外高頻分量，然后輸入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率與PLL的輸出成正比。A/D轉(zhuǎn)換后的采樣值送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.4 GPS同步輸入

本系統(tǒng)使用了一種具有1PPS輸出和IRIG-B碼輸出的GPS模塊作為同步單元。若使用1PPS輸出信號則每臺電力監(jiān)測儀都需要配置一個(gè)GPS模塊，成本較高。而采用IRIG-B碼輸出則只需通過一根雙絞線由多臺監(jiān)測儀共享一個(gè)GPS模塊，對于本地具有多臺監(jiān)測儀的集中式的應(yīng)用較為適合。本監(jiān)測儀對兩種輸入信號均可接收。

圖1 新型電力監(jiān)測儀的硬件框圖

1.5 數(shù)字信號處理

本監(jiān)測儀使用了一個(gè)商用的異構(gòu)雙核處理器作為系統(tǒng)處理器，由一個(gè)DSP核和一個(gè)ARM核構(gòu)成。其中的DSP核用于采樣值的數(shù)字信號處理。通過執(zhí)行不同的軟件算法模塊，DSP核可同時(shí)測量電壓、電流、頻率、功率、電能質(zhì)量、和同步相量等參數(shù)。同時(shí)，DSP還通過開關(guān)量輸入通道采集輸入開關(guān)量狀態(tài)，并通過開關(guān)量輸出通道輸出報(bào)警和控制信號。

1.6 通信接口

系統(tǒng)雙核處理器中的 ARM 核負(fù)責(zé)儀器的人機(jī)接口和遠(yuǎn)程通信。本檢測儀采用百兆以太網(wǎng)技術(shù)用于遠(yuǎn)程通信，其速度足以滿足各種常規(guī)電參量和同步相量的傳輸需求。

2 軟件設(shè)計(jì)

如上所述，儀器的DSP核負(fù)責(zé)各種電參量的計(jì)算。DSP的計(jì)算軟件運(yùn)行于一專用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上。這一專用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有可保證的實(shí)時(shí)事件響應(yīng)、事件驅(qū)動和分時(shí)多任務(wù)、以及任務(wù)間通信和同步等功能。通過將不同的測量功能分配到不同的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)中，可以認(rèn)為每一測量任務(wù)都是運(yùn)行于一個(gè)獨(dú)立的微DSP上的。這種高度模塊化的軟件設(shè)計(jì)方案大大簡化了測量軟件設(shè)計(jì)。因而，在新的監(jiān)測儀中增加PMU測量功能就是在原測量軟件的基礎(chǔ)上簡單地增加一個(gè) PMU測量任務(wù)，在此任務(wù)中實(shí)現(xiàn)PMU測量算法，非常方便。圖2是DSP任務(wù)分配簡圖。

圖2 DSP任務(wù)分配簡圖

圖2中，內(nèi)核管理任務(wù)管理DSP硬件資源并協(xié)調(diào)其他所有任務(wù)。原始數(shù)據(jù)預(yù)處理任務(wù)獲取A/D轉(zhuǎn)換器傳來的原始采樣數(shù)據(jù)并將其打上GPS時(shí)標(biāo)后轉(zhuǎn)發(fā)給其他測量任務(wù)進(jìn)行后續(xù)處理。數(shù)據(jù)交換任務(wù)與ARM 核進(jìn)行通信，并將各個(gè)電參量測量值傳送給ARM核。測量任務(wù)分別為電參量測量任務(wù)、電能質(zhì)量測量任務(wù)、和同步相量測量任務(wù)。對于同步相量測量，由于輸入的模擬信號通常為含有諧波畸變的信號，因此需要采用離散傅里葉變換（DFT）抽取基波的幅值和相位信息。一個(gè)周期為T的電壓信號u(t)可表示為[4]

式中，a0是可能伴有的直流分量，Uk和φuk分別是第k次諧波的幅值和相位。對u(t)以N/T（其中N是2的整數(shù)次冪）的速率進(jìn)行采樣，則可得到一個(gè)采樣值序列｛u[n]｝（n=0, 1, 2, …, N-1）。u[n]的離散傅里葉變換可表示為

式中，k是第k次諧波分量。假設(shè)第k次諧波分量的實(shí)部和虛部分別為Re(U[k])和Im(U[k])，則第k次諧波分量的幅值Uk和相位φuk可分別表示為

當(dāng) k=1時(shí)，U1和φu1就分別是基波的幅值和相位了。將U1和φu1打上GPS時(shí)標(biāo)后，即可得到同步相量。

3 結(jié)論

本文提出了一種具有 PMU測量功能的新型電力監(jiān)測儀，并詳細(xì)討論了其軟硬件設(shè)計(jì)方法?？梢钥闯?，在設(shè)計(jì)這種新型電力監(jiān)測儀。

[1] NOVOSEL D, VU K, CENTENO V, SKOK S,BEGOVIC M. Benefits of synchronized-measurement technology for power-grid applications[C]. in Proc.40th Hawaii Int. Conf. Syst. Sci., 2007: 118.

[2] IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems[C] IEEE Std. C37.118-2005, 2006.

[3] SONG J S, HOANG R Y, CAO R, WU Y X. A new phase-locked loop used in a frequency synthesizer[J]IEEE Trans. Instrum. Meas., 1992, 41(3): 433-437.

[4] 奧本海姆.離散時(shí)間信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2005.

[5] 曹銳.一種新型三相電力諧波分析儀的設(shè)計(jì)[J].電側(cè)與儀表, 2010, 47(4): 67-69.