摘 要： 介紹了同步相量" title="同步相量">同步相量測量單元" title="測量單元">測量單元，在廣域測量系統中實現對電力系統各個節點數據的同步采集和相量監測。分析了利用北斗信號的必要性和可能性，設計基于ARM處理器與DSP處理器相結合的雙CPU的結構，完成對GPS信號和北斗信號的采集和處理，實現PMU單元的實時數據信息采集及時標數據的發送和接收，與以太網絡連接。
關鍵詞： 同步相量測量單元；北斗衛星定位系統；GPS；ARM
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當前，為了增強電網的運行安全性，廣域相量測量系統WAMS(Wide-Area Phase Measurement System)應運而生，WAMS系統中相量測量單元PMU(Phase Measurement Unit)檢測功角、頻率和電壓電流參數，是維持電網安全的監控基礎，能夠從更高層面進行系統的保護和控制，且逐漸由單純的監測和記錄向監測與控制相結合的應用模式發展，WAMS在國內外都得到了迅速發展[1-2]。
1 同步相量技術
同步相量技術是同步相量測量、傳輸、分析和應用技術的綜合，主要包括相量測量單元PMU、調度控制中心主站以及高速數據通信網等。PMU實時地采集發送相量同步數據，得到時空坐標下電網全局的動態信息是WAMS的基本核心組成部分。它的最大價值在于實時地對互聯電網進行廣域測量、傳送相量數據、對電力系統進行暫態穩定檢測和控制，從而動態監視分析電網的安全穩定性，為系統的優化運行提供依據。
相量測量必須同時測量幅值和相角，而相角的測量必須有統一的參考時間。對于相量測量而言，同步時鐘即便只有1ms的偏差，也會對工頻50Hz的電力系統產生18°的誤差。如果要求保證誤差小于1°，則同步時間精度不能大于55μs。因此尋找可靠的時鐘源，確保異地被測相量的高度同步性，實現可靠的同步相量測量對于保障我國電網安全至關重要。
2 GPS在同步相量技術中的應用
隨著以全球衛星定位系統GPS(Global Positioning System)為代表的現代無線電導航技術的發展，依靠衛星導航信號中的授時功能可以實現PMU時間的同步化。以廣泛應用GPS粗碼(C/A碼)為例，目前市售GPS接收機提供1 PPS(Pulse Per Second)精度都可以達到1μs以內，對于50Hz的工頻量而言，其相位誤差不超過0.018°。
雖然GPS信號準確、使用經濟、覆蓋面廣，但用戶系統完全依賴GPS存在著技術風險，如GPS易于受到非故意和故意的干擾(如信道阻塞)和人為攻擊。眾所周知，美國除保證美軍能可靠地使用GPS系統外，從未承諾其他國家可以安全地使用。事實上取消SA（Select Available）政策除了考慮市場占領的因素外，很大程度上是美國 “局部屏蔽GPS信號”的技術試驗獲得成功，即在需要的時候可以局部關閉GPS信號。因此，我國不恰當地使用GPS必然會造成相當的風險和影響[3]。為了緩解技術風險，必須考慮采用備用或冗余配置方法。
3 引入無源" title="無源">無源北斗應用于同步相量測量單元
北斗衛星定位系統是世界上第1個區域性衛星導航定位系統，由位于赤道面東經80°、140°和110.5°的3顆地球同步軌道的地球同步衛星組成，是世界上繼美國GPS和俄羅斯GLONASS(Global Navigation Satellite System)之后第三個投入運行的衛星導航系統。
3.1 使用的必要性
作為備用方案，利用廣播、電視、天文臺等的無線授時信號，覆蓋范圍有限，且信號傳播時間誤差大，精度較低，一般在毫秒級以上[4]；利用銣鐘只能作為短期備份，而采用銫鐘授時又過于昂貴，目前羅蘭C系統的導航覆蓋區所接收的三個臺鏈時間信息毫不相關，所有臺站之間沒有實現時間同步，導致該系統無法按GPS系統信號進行時間同步。
北斗系統由我國獨立自主研發，不受別國的控制和限制，其可用性、可依賴性和安全性更有保障。目前可提供無源二維定位和授時服務，其范圍包括中國大陸、臺灣、南沙及其周邊島嶼以及中國海、日本海、太平洋西部海域以及我國部分相鄰地區，具有集中服務于核心區域的特點[5]，能夠滿足國內電網PMU分布的需要。因此，為了可靠保證相量測量的同步性，只有引入中國自主控制權的北斗衛星定位系統，才能有效彌補GPS的不足。
3.2 無源北斗授時精度分析
無源北斗利用三顆GEO衛星和預設高程信息解算接收機二維位置和鐘差。北斗系統和GPS用戶不同，其無源授時只要鎖住一顆可用衛星，即可獲得授時幀信息[6]，得到相應衛星傳播延時、衛星位置、衛星速度及電波傳播延時等參數。整個信號從地面中心站經衛星到接收機的傳播延時為：
其中：t1為授時幀中從地面中心站到衛星的上行鏈路傳播延時，t2為衛星到接收機下行鏈路傳播延時，t3為地面站、星上轉發器和接收機中電子設備延時ε為定位誤差等效延時。根據衛星定位系統誤差預算，設地面中心站到衛星的傳播延時所包括的星歷誤差為5m(等效為16.6ns），大氣延時誤差為5m（等效為16.6ns），則根據誤差傳播規律：
可知上行鏈路和下行鏈路傳播均方誤差均為23ns，電子設備延時為固定值，均方差可取為零，取定位誤差為25m（等效為83ns），則整體傳播的均方誤差為89ns，即不到0.1μs，精度完全可以滿足PMU同步的需要。而固定安裝的PMU位置為精確的已知信息，消除項后能進一步提高授時精度，并在位置不變時，僅鎖定觀測一顆衛星就可進行無源授時。
4 基于ARM的同步相量測量單元方案
目前，國內外PMU單元主要采用8位或16位單片機，使用RS232或RS485接口標準的串行總線，但MCU的數據處理能力、多任務調度處理能力和系統資源利用率不夠強，裝置結構不利于系統的升級和改造，兼容性差，維修調試困難，因而限制了其算法的智能化改進。而基于ARM的32位高性能、廉價、低功耗RISC處理器芯片，可以滿足PMU單元的實時數據、信息采集和時標數據的網絡接口通訊等功能的設計要求。
4.1 處理單元設計
本系統采用Samsung Electronics公司S3C44B0X的ARM處理器與TI公司TMS320C32的DSP處理器相結合的雙CPU結構。S3C44B0X是基于ARM7TDMI的SoC芯片，采用SAMBAII總線結構，可工作在75MHz，擁有8KB Cache，2通道的URAT，1個IIS總線控制器，內嵌LCD控制器，71個通用I/O口和8個外部中斷源等 [7]。TMS320C32則具有每秒6千萬次浮點數字操作（60MFLOPS）的處理能力。兩個CPU的強大的運算速度和豐富的資源，可以滿足PMU性能要求，也能使系統設計靈活簡便。
兩個CPU分別完成GPS信號和北斗信號的采集與處理、與以太網絡連接、A/D" title="A/D">A/D采樣與數據處理等各個部分功能。分別可以輸入PPS秒脈沖信號和與PPS前沿相對應的UTC絕對時間信息，由雙口RAM作為兩個CPU之間的通訊接口。利用S3C44B0X的串口0和串口1可分別接收GPS與無源北斗兩種模塊的導航電文，獲得UTC國際標準時間信息。GPS與無源北斗授時模塊同時工作，并可以分別配置以GPS模塊或北斗模塊為主時鐘，另一個為備份時鐘。通過接收兩種衛星定位裝置提供的導航電文，S3C44B0X可以判斷出當前衛星信號優劣狀況，快速倒換備份授時時鐘，以選取切換合適的PPS信號。整個系統可靈活配置授時同步模式，從而完成GPS與無源北斗的快速切換。
時標系統可由CPLD實現。通過定時器建立內部時鐘，完成頻率合成和時鐘分頻，獲得時標的ms及μs級數據，利用PPS信號同步時標系統中的內部時鐘信號，以形成高精度的時鐘脈沖信號，從而為A/D轉換提供時鐘脈沖信息，控制數據的采集。在設計中由于無源北斗的PPS與GPS的PPS相位偏差固定，因而需對無源北斗進行零值修正，從而補償這個固定的相位偏差，做到與GPS保持一致，實現授時模塊的平滑切換。
TMS320C32與S3C44B0X之間的通訊數據流量大，實時性要求高，所以采用雙端口RAM IDT71342，使得雙機可以快速地進行數據交換，從而大大提高了微處理器和DSP芯片的并行處理能力。S3C44B0X讀入雙口RAM數據后，打上采樣時刻的精確時標信息，將運算結果傳送到網絡通訊接口，也可利用液晶顯示器實時顯示相應的相量信息、功角數據和波形,構成最小監測單元。
雖然S3C44B0X內部集成了10位A/D，但位數較少，且輸入信號范圍幅度較窄，僅為0V～2.5V。而電力系統中電流的動態范圍很大，短時過載時可能達到額定值的數倍以上，故A/D采樣采用外部A/D芯片，利用GPS或北斗信號提供的同步脈沖序列提供A/D轉換采樣啟動信號，當轉換完成后產生中斷信號送出采樣結果。但應注意，在工程實際中會因電網的頻率抖動而造成信號的頻譜泄漏。因此為保證采樣的同步精度，可在采樣觸發環節引入鎖相環電路，利用CPU內部時鐘的頻率跟蹤外部電網抖動和外部同步脈沖相結合的方式進行采樣。PMU結構框圖如圖1所示。
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4.2 網絡接口
本裝置的以太網功能采用含有16KB的RAM的 RTL8019AS來實現，用于收發緩沖，全雙工運行時速率可達到10Mb/s。S3C44B0X采用的μCLinux系統中內嵌完整的TCP/IP通訊協議，只需在RTL8019AS的初始化程序中設置好緩沖區的位置和中斷模式，配置發送數據的物理層地址的源地址、口地址、數據包類型以及發送的數據，在同步層中傳輸采用同步相量數據傳輸協議IEEE1344。接收時，當有正常的數據包到達時，RTL8019AS會產生一個中斷信號，Samsung S3C44BOX處理器在中斷處理程序中處理相應數據。
此外也可根據需要，利用CAN（Controller Area Network）總線擴展芯片和CAN總線收發器，構建CAN總線構成高速、可靠的子站局域網。在應用中需注意到為減少現場環境的電磁干擾，電路中應采用DC/DC和光耦器件，隔離總線收發器和外部的干擾信號。
4.3 系統軟件
DSP程序中相當一部分程序段可采用匯編指令編程，這樣可以精確控制程序段指令執行的周期，使同步精度有可靠的保證，同時也可以方便地實現對數據信號的DFT算法。而在S3C44B0X中，則可采用移植片內μCLinux（Micro-Control-Linux）嵌入式多任務系統內核，建立交叉編譯環境，根據硬件系統進行裁剪[8]。由于μCLinux嵌入式操作系統不具備MMU，用戶程序需要直接訪問物理地址，對于不需要中斷處理器的外部設備，可以采用對其編寫用戶空間驅動程序的方法。
而相對內核空間驅動程序，要提高系統運行的實時性，需增加實時內核" title="實時內核">實時內核控制[9]，在實時內核中嵌入中斷模擬器，使系統在實時內核的控制下運行，實現任務調度的可搶占性。μCLinux的控制信號都需先交給實時內核進行處理，內核及硬件中斷的地方實現實時內核控制。若中斷標志為非實時任務，則設置等候處理標志；若是運行實時任務，則實時內核保存完μCLinux現場后立即運行該任務。實時任務和非實時任務之間可通過共享內存進行通訊，共享內存需提供鎖機制，使某一進程向共享內存中寫數據時，限制其他進程寫入該區域。實時μCLinux體系結構如圖2。
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????? 本文在基于ARM芯片的強大功能基礎上，將GPS與北斗兩種衛星信號同時用于PMU裝置的方案，可方便擴展實現各種智能算法。同步信號互有備份，整個系統組織構建靈活，授時同步信號可靠性高，有著良好的發展應用前景。但同步相量測量裝置的實現是一個復雜的過程，很多具體問題還需要在今后的工作中進一步研究和完善。
參考文獻
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