基于DSP的同步相量測量裝置的研究

引 言
隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的廣泛應(yīng)用，基于GPS的實(shí)時相量測量裝置PMU(Phase Measurement Unit)很好地解決了電力系統(tǒng)廣域空間同步測量的問題，并形成了電網(wǎng)廣域測量系統(tǒng)WAMS(Wide Area Measurement System)。PMU在全網(wǎng)統(tǒng)一的時間坐標(biāo)系下(通過接收GPS的同步時鐘信號)，對電力系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)的電壓和電流進(jìn)行同步采樣，通過數(shù)據(jù)處理生成各節(jié)點(diǎn)電壓、電流的正序相量，由GPS給每個相量打上時間標(biāo)簽，然后將這些信息實(shí)時傳送到控制中心。控制中心在統(tǒng)一的時標(biāo)下，根據(jù)各個PMU的測量信息對電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)行全電網(wǎng)的穩(wěn)定控制、事故預(yù)警等。

本文提出的PMU構(gòu)成方案，充分利用了數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)的集成資源，采用雙CPU結(jié)構(gòu)，以GPS秒脈沖為同步時鐘信號，結(jié)合高速14位A／D芯片進(jìn)行采樣，并以USB 2．0接口、CAN總線接口和以太網(wǎng)接口相結(jié)合的通信方式實(shí)現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。軟件沒計采用μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)，保證了裝置的實(shí)時性和可靠性。

1 PMU的構(gòu)成與硬件實(shí)現(xiàn)
作為WAMS的關(guān)鍵組成部分，實(shí)時性和可靠性是最重要的，因此PMU的設(shè)計也應(yīng)以此為依據(jù)。PMU的原理框圖如圖1所示。

來自PT／CT二次側(cè)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(jù)GPS輸出的同步時鐘秒脈沖(PPS)經(jīng)DSP(No．2)內(nèi)部的捕獲單元產(chǎn)生滿足時間同步和頻率同步要求的異地同步采樣信號，啟動A／D轉(zhuǎn)換。DSP(No．1)根據(jù)變間隔的遞歸離散傅里葉變換(DFT)算法，每出現(xiàn)一個新的采樣數(shù)據(jù)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(tǒng)一的“時間標(biāo)簽”。

DSP(No．1)與DSP(No．2)之間采用同步串行接口(SPI)，實(shí)現(xiàn)無縫接口連接。DSP(No．2)利用液晶顯示器實(shí)時顯示數(shù)據(jù)和波形，以便在不必配置本地上位機(jī)時組成最小的監(jiān)測單元。USB接口接本地上位機(jī)，同時也可以作為擴(kuò)展口留作本地數(shù)據(jù)的攜帶轉(zhuǎn)移。通過CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)PMU與控制中心的數(shù)據(jù)傳輸。下面就關(guān)鍵的幾個部分加以詳述。

1.1 相量數(shù)據(jù)采集模塊
PMU的核心CPU采用TI公司的TMS320LF2407A(簡稱為“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(yùn)算，并且片內(nèi)集成了CAN、SPI等總線控制器，適于控制系統(tǒng)。

A／D采樣電路是相量數(shù)據(jù)采集模塊的重要組成部分之一，同步相量測量對于A／D轉(zhuǎn)換部分的精度有著較高的要求。IEEE-1344和C37規(guī)范提供了如下公式，用于計算實(shí)際所需的A／D轉(zhuǎn)換有效位數(shù)：
式中：Minimum resolution為所需A／D轉(zhuǎn)換的最小有效位數(shù)，F(xiàn)s為模擬量最大變動倍數(shù)，Emin為幅度計算的精度要求。

電力系統(tǒng)中電壓的最大變動倍數(shù)通常在1．5倍以內(nèi)，而電流的動態(tài)范圍卻很大，輕載運(yùn)行時可能為額定值的10％，短時過載時可能為額定值的2～3倍，而故障時將可能達(dá)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(jié)果將出現(xiàn)相角的跳變，與實(shí)際系統(tǒng)不吻合)，因此，IEEE規(guī)定了電流測量的有效范圍為額定負(fù)載的10％至額定負(fù)載的3倍，F(xiàn)S-30，當(dāng)Emin=1％時，A／D轉(zhuǎn)換有效位數(shù)為13．05位。

相量數(shù)據(jù)采集模塊的速度與精度直接影響整個相量測量系統(tǒng)的性能。要實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，除了要有高性能的A／D轉(zhuǎn)換設(shè)備，同時還需要有高速數(shù)據(jù)傳輸總線。從上述分析可以看出。同步采集卡的A／D轉(zhuǎn)換部分要求達(dá)到13位有效精度，因此必須采用14位以上的A／D芯片方能滿足要求。這部分采用14位A／D轉(zhuǎn)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題；芯片AD7865為并行接口方式，而2407A的高速數(shù)據(jù)總線可以與其匹配。在進(jìn)行A／D采樣時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(tǒng)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通道配置1個采樣／保持器，在采樣觸發(fā)脈沖到來時可同時對全部通道的模擬信號采樣／保持。本文采用AD783采樣／保持器來實(shí)現(xiàn)。相量的處理充分利用DSP的特性，進(jìn)行遞歸DFT運(yùn)算并實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

1．2 GPS授時模塊
解決同步采樣脈沖產(chǎn)生的問題是實(shí)現(xiàn)同步相量測量單元子站的關(guān)鍵技術(shù)之一。GPS授時模塊主要負(fù)責(zé)同步采樣觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生和精確的授時功能。它從GPS接收機(jī)的串行口接收數(shù)據(jù)并提取當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時間，同時接收GPS的秒脈沖信號(PPS)，并由DSP(No．2)的30MHz時鐘頻率倍頻，產(chǎn)生用于觸發(fā)A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換的脈沖，以實(shí)現(xiàn)每周波采樣64點(diǎn)。高精度(1μs同步精度)的GPS時鐘源是同步相量測量技術(shù)的基礎(chǔ)。為了降低對GPS的依賴性，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(dāng)精確的秒脈沖，在短時失去GPS信號或GPS信號受到強(qiáng)干擾情況下實(shí)現(xiàn)高精度授時。

1．3 數(shù)據(jù)的通信傳輸模塊
數(shù)據(jù)的通信傳輸模塊采用USB2．O技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速度實(shí)時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸總線，具有同步帶寬、靈活穩(wěn)定、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。其傳輸速度最高可達(dá)480Mbps，遠(yuǎn)高于一般的串行總線接口。傳統(tǒng)的RS-232、RS-485傳輸速度較慢，且安裝麻煩，已不能滿足此要求。PCI總線雖然速度較快，但安裝麻煩，也小易實(shí)現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的攜帶轉(zhuǎn)移。利用USB接口傳輸速率大、時延小、差錯率極低的特點(diǎn)，能有效、快速地完成PMU實(shí)時測量數(shù)據(jù)高速上傳以及工控機(jī)對PMU的操作與控制。

CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km，通信速率最高可達(dá)1Mb／s(通信距離小于40m時)。CAN節(jié)點(diǎn)在自身發(fā)生錯誤時有自動關(guān)閉功能，不會影響其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。由于DSP(2407A)集成有CAN模塊，所以實(shí)現(xiàn)比較方便。

針對PMU數(shù)據(jù)通信的高速、實(shí)時的特點(diǎn)，采用EZ-USB SX2系列的CY7C68001芯片與DSP(No．2)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)PMU與現(xiàn)場上位機(jī)(工控機(jī))之間測量數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。另一部分是PMU與控制中心的通信。這部分采用CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的方式。

2 PMU的軟件平臺
為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時性與可靠性，采用μC／OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)平臺，并在此平臺上開發(fā)了USB設(shè)備驅(qū)動程序、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)時多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分代碼是用ANSI C編寫的，只有小部分與硬件相關(guān)的代碼是用匯編語言編寫的，易于移植。μC／OS-II功能強(qiáng)大，支持56個用戶仟務(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(jī)制，可剝奪實(shí)時內(nèi)核使得任務(wù)級系統(tǒng)響應(yīng)時間得到最優(yōu)，而響應(yīng)時間是可知的，很適合于對實(shí)時性要求比較高的系統(tǒng)。現(xiàn)已成功應(yīng)用到很多領(lǐng)域，其穩(wěn)定性與可靠性已經(jīng)得到檢驗(yàn)。2000年7月，μC／OS-II通過非常嚴(yán)格的測試，取得了美國航空管理局(FAA)的認(rèn)證，說明它可用于與人性命攸關(guān)的安全重要系統(tǒng)。

TMS320LF2407滿足μC／OS-II移植的條件，TI公司提供的編譯器Code Composer也支持C語言和匯編語言開發(fā)，本文在此平臺七進(jìn)行操作系統(tǒng)移植和軟件開發(fā)。μC／OS-II操作系統(tǒng)的組成義件分為3類：與處理器無關(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(yīng)用相關(guān)的設(shè)置文件。當(dāng)然，移植工作完成后編寫應(yīng)用程序，還應(yīng)包括應(yīng)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。這類文件包括：OS_CPU.H、0S_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C三個文件。

在本應(yīng)用中，筆者建立了7個應(yīng)用任務(wù)，優(yōu)先級分別為4、5、6、7、8、9、1O；同時為每個任務(wù)分配了一個消息郵箱，使用基于消息郵箱事件的通信機(jī)制進(jìn)行任務(wù)間通信與任務(wù)切換。整個軟件的基本結(jié)構(gòu)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SPI總線向DSP(No．2)發(fā)送相量數(shù)據(jù)和有功、無功信息。分配郵箱：pSPI_Mbox。
任務(wù)USB_Task()：DSP(No．2)通過USB總線向上位機(jī)傳送相量數(shù)據(jù)和有功、無功信息。分配郵箱：pUSB_Mbox。
任務(wù)CAN_Task()：DSP(No．2)通過CAN總線在工業(yè)以太網(wǎng)傳送相量數(shù)據(jù)和有功、無功信息。分配郵箱：pCAN_Mbox。
任務(wù)GPS_Task()：DSP(No．2)配合GPS的秒脈沖實(shí)現(xiàn)高精度授時功能并啟動A／D轉(zhuǎn)換。分配郵箱：pGPS_Mbox。
任務(wù)LCD_Task()：DSP(No．2)通過液晶模塊實(shí)時顯示信息。分配郵箱：pLCD_Mbox。
由上節(jié)對堆棧的分析可知，任務(wù)棧最少需要25個地址。筆者為每個任務(wù)分配了100個地址(200字節(jié))的任務(wù)?？臻g。使用函數(shù)OSTaskCreate()創(chuàng)建各任務(wù)。該函數(shù)的第三個參數(shù)為棧頂?shù)刂罚疄镺STaskStkInit()所調(diào)用。要注意，2407A的堆棧是遞增的，故應(yīng)傳遞任務(wù)棧的最低地址；而又由于任務(wù)程序是采用C語言編寫的，編譯器對ARl的偏移范圍可能會超過任務(wù)棧棧頂。雖然在這種情況下ARl是可恢復(fù)的，但仍可能會影響最低地址之前的地址內(nèi)容。所以筆者建議對其進(jìn)行適當(dāng)后移。

幅值與相角計算程序得到采樣數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

結(jié)語
本文設(shè)計的PMU，硬件上采用了嵌入式微處理器DSP的雙CPU結(jié)構(gòu)，軟件上采用μC／OS-II操作系統(tǒng)。通過μC／OS-II管理各個功能模塊之間的任務(wù)調(diào)度、中斷處理、信息的交互等操作，使整個系統(tǒng)具有高實(shí)時性、高可靠性、可熱插拔等特點(diǎn)；同時也提高了軟件開發(fā)的效率，縮短了開發(fā)周期。同步相量測量單元的研制是一個復(fù)雜的課題，其實(shí)現(xiàn)還存在很多難點(diǎn)。本設(shè)計只涉及其中一部分，許多通信環(huán)節(jié)及同步相量的高級應(yīng)用問題還需在令后的工作中進(jìn)一步完善和提高。