一种同步时标可自由设定的广域电网相量同步测量装置

摘要

本发明公开的同步时标可自由设定的广域电网相量同步测量装置由自适应等间隔采样模块、同步时标形成模块和微处理器模块三大模块构成，该装置结构简单，可实现相量同步装置中较难处理的“时间同步”与“频率同步”的解耦处理，达到了同步时标可自由灵活设定、采样数据窗能够随被测信号频率的变化而自适应调整(即每个数据窗内的等间隔采样数据正好等于需求数)的目的，从而确保了广域电网运行相量的连续高精度同步测量。

说明书

技术领域

本发明涉及广域电网异地运行相量参数的同步测量装置，尤其是同步时标可自由设定的广域电网相量同步测量装置。

背景技术

广域测量系统WAMS(Wide Area Measurement System)可对电力系统全网运行相量进行异地同步监测，所获得的带同步测量时标信息的相量数据，可用来进行全网运行状态分析、潮流计算、状态估计、暂态稳定预测与控制、故障分析及紧急安全控制等，以利于广域电网的安全、稳定运行。广域电网相量同步测量装置是构成WAMS的基础，其对电网相量同步测量的精确性不仅影响到功率等电网运行参数以及电能计量的计算精度，而且与系统实时决策的准确性与可靠性密切相关。

广域电网相量同步测量装置中的“同步”涉及“频率同步”和“时间同步”两个问题。“频率同步”指广域电网相量同步测量装置的采样频率必须与被测交流信号基波频率成一定的倍数关系；“时间同步”则关系到安装在不同地点的广域电网相量测量装置的同步采样时间的标定及时标定位精度问题。

“频率同步”影响广域电网相量同步测量装置的算法精度。目前交流采样应用最多的数字处理算法就是离散傅立叶变换算法(离散DFT算法)，离散DFT算法可以同时获得被测相量的有效值与相位，因而随着同步测量技术的发展，其应用日趋广泛。但离散DFT算法的精度基于其每一个数据窗内的采样数据是否等间隔并反映被测信号的一个完整周波(指交流、基波，下同)，因此必须考虑被测信号频率(指交流、基频，下同)漂移的影响。换句话说，为确保离散DFT算法的精度，必须确保采样频率与被测信号频率成一定的倍数关系(即实现频率同步)且每个数据窗内的采样脉冲等间隔。否则离散DFT算法的计算误差就不容忽略，进而将影响基于其计算结果的各种分析、预测与控制的准确度。然而，电力系统负荷变化的随机性，决定了系统频率变化是不可避免的。因此，提高离散DFT算法精度的关键在于采样频率能够实时跟踪被测信号频率，以确保其每一个采样数据窗内的采样数据等间隔并反映被测信号的一个完整周波。目前我国各科研院所或生产厂家研发的数字化测控装置中，控制A/D转换器完成模数转换的采样脉冲一般由微处理器产生，而且采样频率大部分是固定不变的，少数具备自适应采样功能的测控装置，也是通过软件根据被测信号频率变化时，由离散DFT算法所求得的相量误差来修正采样频率，这种方法不仅实现起来复杂度高，而且由于离散DFT算法所得的相量误差只是近似与系统频率偏移量成正比，因而仍存在修正误差。

“时间同步”影响安装在不同地点广域电网相量同步测量装置的同步采样时刻的精度。根据IEEE Std 1344-1995(R2001)推荐，同步采样时标可选择三种典型时刻标定，即采样数据窗的首点、中点和末点时刻。三种取法各有优点：首点便于同步时刻标记，中点可获得最佳的拟合结果，末点可反映事件发生的先后顺序。目前我国各科研院所或生产厂家研发的同步相量测量装置中，大部分都是以采样数据窗的首点作为同步时标，且同步时标往往不可调。

中国专利ZL01119393.X公开的电力系统的交流信号测控装置，基于如下技术思路：不管被测信号的频率如何变化，其每个完整周波的电角度都是360°。如果把360°按每周波采样点数M等分，则不管被测信号的频率如何变化，只要每隔360°/M电角度采样一次，就能保证一个数据窗内的采样数据等间隔并反映一个完整的周波，从而实现采样频率能够自动跟踪被测信号频率变化的自适应等间隔采样。这种装置虽然能实现电力系统的全网同步实时测量，但存在如下缺陷：

1.进行广域同步测量时，同步采样时刻只能固定在首点标记，限制了同步采样时刻标记的灵活性；

2.采样数据窗的宽度固定不变(如20ms，为保证广域电网相量测量的时间同步性)，不能自动跟随被测信号频率的变化进行调整，因此每个数据窗都存在采样数据过剩(当被测信号频率高于50Hz时)或不足(当被测信号频率低于50Hz时)的情况。过剩时造成数据窗末尾的若干个采样数据的浪费，不足时则导致整个数据窗采样数据的不可用。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种结构简单、可实现同步时标自由设定的广域电网相量同步测量装置，它不但能够有效的跟踪被测信号的频率，实现自适应采样(即实现频率同步)，而且可实现同步采样时标的自由选取和准确定位(即实现时间同步)。

为达到上述目的，本发明的同步时标可自由设定的广域电网相量同步测量装置，由自适应等间隔采样模块、同步时标形成模块和微处理器模块三大模块构成，

自适应等间隔采样模块包括：

-信号预处理电路，对来自现场的三相交流模拟信号v_a、v_b、v_c、i_a、i_b、i_c进行隔离、放大和抗混叠预处理，输出为对应的模拟信号V_a、V_b、V_c、I_a、I_b、I_c；

-信号叠加电路，其输入端与信号预处理电路的输出端相连，对输入的三相交流模拟信号V_a、V_b、V_c进行叠加；

-隔直带通滤波器，与信号叠加电路输出端相连，用于滤除信号叠加电路输出信号V_f中的直流成分和谐波分量；

-整形电路，与隔直带通滤波器输出端相连，将隔直带通滤波器输出的交流信号正负过零点检出，并进行倍频、模-数电路隔离，形成方波脉冲输出信号f_i；

-由锁相环和1/N分频器构成的锁相倍频器，将来自整形电路的方波脉冲信号N倍频，输出倍频脉冲信号fo；

-第一计数器，对来自锁相倍频器的倍频脉冲信号f₀根据设定的采样周期进行分频计数，获得与被测信号频率同步的自适应等间隔脉冲序列输出信号；

-第一单稳态电路，其输入端与第一计数器的输出端相连，输出自适应等间隔采样脉冲序列信号f_samp，该信号分两路，其中一路与第一计数器的计数复位端相连，另一路与A/D转换器的异步启动采样控制端相连；

-A/D转换器，其输入端接信号预处理电路的输出信号V_a、V_b、V_c、I_a、I_b、I_c，输出端与微处理器模块的一个外部中断口相连；

同步时标形成模块包括：

-GPS接收器，接收来自轨道卫星的国际标准时钟信息，输出全球同步的秒脉冲信号1PPS及与其同步的10kHz脉冲信号，同时通过串口输出与1PPS关联的整秒时间信息；

-第二单稳态电路，其输入端与GPS接收器的1PPS脉冲信号输出端相连，输出端连接微处理器模块的第二个外部中断口；

-第二计数器，其输入端与GPS接收器的10kHz脉冲信号输出端相连，输出端与第三单稳态电路的输入端相连，根据设定的周期同步采样间隔进行分频计数，获得周期同步采样脉冲序列；

-第三单稳态电路，其输入端与第二计数器的输出端相连，输出端分二路，一路与第二计数器的计数复位端相连，另一路与微处理器模块的第三个外部中断口相连。

本发明的有益效果在于：

本发明装置结构简单，可实现同步相量测量装置中较难处理的“频率同步”和“时间同步”的解耦处理，达到了同步时标可自由灵活选取、采样数据窗能够随被测频率的变化而自适应调整(即每个数据窗内的等间隔采样数据正好等于需求数)的目的，从而彻底解决了上述中国专利(ZL01119393.X)存在的两个技术问题，保证了广域电网运行相量的连续高精度同步测量。

附图说明

图1是同步时标可自由设定的广域电网相量同步测量装置原理框图；

图2是同步采样时标(相位)偏差及修正示意图，其中(a)为被测信号、(b)为周期(含整秒)同步时标脉冲序列、(c)为自适应等间隔采样脉冲序列；

图3是微处理器模块的程序处理流程图，其中(a)为主程序流程，(b)为GPS串口中断处理子程，(c)为整秒同步时标中断处理子程，(d)为周期同步时标中断处理子程，(e)为A/D转换结束中断处理子程，(f)为FFT算法及同步误差修正处理子程。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明。

参照图1，本发明的同步时标可自由设定的广域电网相量同步测量装置，由自适应等间隔采样模块1、同步时标形成模块2和微处理器模块3三大模块构成，

自适应等间隔采样模块1包括：

-信号预处理电路1.0，对来自现场的三相交流模拟信号v_a、v_b、v_c、i_a、i_b、i_c进行隔离、放大和抗混叠预处理，输出为对应的模拟信号V_a、V_b、V_c、I_a、I_b、I_c；

-信号叠加电路1.1，其输入端与信号预处理电路1.0的输出端相连，对输入的三相交流模拟信号V_a、V_b、V_c进行叠加，输出复合模拟信号V_f＝V_a+V_b-V_c或V_b+V_c-V_a或V_c+V_a-V_b，可确保只要三相输入信号不同时丢失就一定有信号输出；

-隔直带通滤波器1.2，与信号叠加电路1.1输出端相连，用于滤除信号叠加电路1.1输出信号V_f中的直流成分和谐波分量，获得正弦、对称的基波输出信号；

-整形电路1.3，与隔直带通滤波器1.2输出端相连，正确检出来自隔直带通滤波器的基波交流信号(设其频率＝f_x)的正负过零点位置，并形成具有足够陡度和宽度的倍频脉冲信号，其频率f_i＝2f_x。整形电路同时利用高速光耦(如6N137)实现模拟信号系统与数字信号系统之间的隔离，以消除模拟系统与数字系统之间的相互影响；

-由锁相环1.4和1/N分频器1.5构成的锁相倍频器，将来自整形电路1.3的方波脉冲信号N倍频，输出倍频脉冲信号f_o，f_o＝N·f_i＝2Nf_x；

由于锁相倍频器能够保证其输出信号频率f_o与输入信号频率f_i成N倍频线性关系(与被测信号基频f_x成2N倍频线性关系)，因此在一个固定周波(360°)内，f_o脉冲数总是f_i脉冲数的N倍并保持固定不变，即每一个f_o脉冲代表一个固定的电角度(＝360°/(2N))。显然，只要锁相环的倍频系数N足够大(每个f_o脉冲所代表的电角度足够小)，并且保证倍频后的每周波输出信号脉冲数与采样点数成整数倍关系，那么下述第一计数器A以f_o脉冲序列作为计数时钟源，其每个周波的输出脉冲序列就一定是等间隔的，亦即利用该输出脉冲序列信号控制A/D转换器进行模数转换时，能够确保每个采样数据窗内被测信号采样数据的完整性和等间隔性。

-第一计数器A，对来自锁相倍频器的倍频脉冲信号f_o，根据设定的采样周期进行分频计数，获得与被测信号频率同步的自适应等间隔脉冲序列输出信号；

-第一单稳态电路1.6，其输入端与第一计数器A的输出端相连，对第一计数器A输出的等间隔脉冲序列信号进行消抖和脉宽处理，输出的自适应等间隔采样脉冲序列信号f_samp分二路，一路与第一计数器A的计数复位端相连，用以控制其重新开始计数，另一路与A/D转换器1.7的异步启动采样控制端相连，用以控制其实现对模拟信号的自适应等间隔模数转换；

-A/D转换器1.7，其输入端接信号预处理电路1.0的输出信号V_a、V_b、V_c和I_a、I_b、I_c，输出端为模数转换结束信号，该信号与微处理器模块3的一个外部中断口相连，用以控制微处理器处理转换结果；

第一计数器A是一可预置数自复归(计数值自动重载)计数器，它按照预先设定的计数值对锁相环输出的f_o脉冲进行计数，当计数到预置计数值时即输出一脉冲，此脉冲经可重触发第一单稳态电路1.6后即获得一个脉冲陡度和宽度都满足要求的等间隔采样脉冲序列信号f_samp(负脉冲)。每一个f_samp脉冲信号一方面启动A/D转换器开始模数转换，另一方面同时复归第一计数器A使其重载计数值并重新开始计数，如此周而复始，从而实现能够自动跟踪被测交流信号基波频率变化的自适应等间隔采样。

A/D转换器是一个具有内部采样保持器和外部异步启动采样控制端的模数转换器(如ADS8364)，因此可在等间隔采样脉冲信号f_samp控制下实现对被测信号的等间隔采样(模数转换)，且每次转换结束后输出一个“转换结束”信号给微处理器模块3的一个外部中断口线以请求微处理器读走并处理转换数据。

同步时标形成模块2包括：

-GPS接收器2.1，接收来自轨道卫星的国际标准UTC(Universal CoordinatedTime)时钟信息，输出全球同步的秒脉冲信号1PPS及与其同步的10kHz脉冲信号，同时通过串口输出与1PPS关联(同步)的整秒时间信息；

上述的GPS接收器2.1具有1PPS秒脉冲输出口、与1PPS关联的整秒时间信息输出接口，和与1PPS秒脉冲同步的10kHz脉冲输出口，例如可以选用GSU25芯片。

-第二单稳态电路2.2，其输入端连接GPS接收器2.1的1PPS脉冲信号输出端，输出端连接微处理器模块3的第二个外部中断口用以控制微处理器进行“整秒同步”时标处理；

-第二计数器B，其输入端连接GPS接收器2.1的10kHz脉冲信号输出端，输出端与第三单稳态电路2.4的输入端相连，根据设定的周期同步采样间隔进行分频计数，获得周期同步采样脉冲序列；

-第三单稳态电路2.4，其输入端连接第二计数器B的输出端，输出端分二路，一路接第二计数器B的计数复位端用以控制其重新开始计数，另一路接微处理器模块3的第三个外部中断口用以控制其进行“周期同步”时标处理。

1PPS信号经第二单稳态电路2.2进行消抖和脉宽处理后，形成“整秒同步时标”脉冲信号P1(负脉冲)；10kHz信号经第二计数器B分频和第三单稳态电路2.4进行消抖和脉宽处理后，形成周期为T_DFT(设定的周期同步间隔，与1PPS信号周期间隔成整倍数关系，如20ms)的“周期同步时标”脉冲信号P2(负脉冲)。P1送往微处理器形成“整秒同步时标”中断；P2送往微处理器形成“周期同步时标”中断，同时复归第二计数器B使其实现计数值重载并按T_DFT周期重新开始计数。

与1PPS信号关联(同步)的整秒时间信息(UTC信息)，直接经串口送往微处理器接收处理。由于UTC时间信息大约提前1PPS信号40ms开始发送并在1PPS信号出现之前发送完毕，因此微处理器能够在响应“整秒同步时标”中断之前及时接收并处理完毕与之关联的UTC信息，从而在响应“整秒同步时标”中断时准确标定整秒同步采样的时标信息。由于10kHz信号与1PPS信号严格同步，且周期数据窗宽度T_DFT与1PPS信号周期成整倍数关系(即P2脉冲数是P1脉冲数的整数倍且包含P1脉冲)，因此微处理器在响应“周期同步时标”中断时同样能够准确标定周期同步采样的时标信息。

微处理器模块3由高速DSP数字信号处理芯片(如采用TI公司的TMS320C6713)、外扩存储器、FPGA(或CPLD)、键盘/显示接口芯片和通讯接口电路等构成，其主要功能包括：

-响应自适应等间隔采样模块1的“A/D转换结束”中断并读入转换结果，获得“频率同步”采样记录。该中断若是“周期同步时标”中断后的第1个中断，则同时记录该中断时刻微处理器内部定时器计数值n2，该计数值用于进行同步时标偏差(相位误差)的修正处理。

-响应同步时标形成模块2的“整秒时间信息”中断RxD、“整秒同步时标”中断与“周期同步时标”中断同时记录中断时刻微处理器内部定时器计数值n1，获得“时间同步”信息记录。

-根据响应上述自适应等间隔采样模块1、同步时标形成模块2中断所获得的各种信息记录和要求的同步方式(首、中、末采样点等)，自动判断、定位与处理采样数据窗(DFT算法)，并对得到的周期相量的相位进行“同步时标偏差”修正，完成同步时标时间对位与同步采样点位置定位处理，获得完整的周期同步相量测量信息。

-完成周期同步相量测量信息的记录、送显、通讯等任务。

微处理器模块中的同步时标自由选取与定位偏差修正：

本发明的广域电网相量同步测量装置，对被测信号的采样是连续且自适应等间隔的(即实现连续“频率同步”采样)，利用该采样数据序列进行DFT处理时，每个DFT数据窗所需的数据则根据来自GPS的全网同步时标定位确定。显然，满足“频率同步”的定位采样点(如首、中、末点)时刻不可能与满足“时间同步”的全网同步时标的时刻完全一致，即根据“时间同步”时标确定的DFT数据窗必然存在一个“时标同步偏差”(与采样周期T_SAMP有关且最大为一个采样周期)。参见图2，这种“时标同步偏差”实际上相当于整个数据窗采样点位置在时间轴上的同步后移，因此采用DFT算法处理相量时只会影响其相位精度(对幅值精度几乎没有影响)，故需要对DFT处理结果(相量)的相位进行“时标同步偏差”修正。

本发明对DFT算法获得的上述相量相位“时标同步偏差”的修正利用了“周期同步(含整秒同步)时标中断”时刻的微处理器内部定时器计数值，方法简单，精度高。下面结合图2对本发明装置的同步采样时标(相位)偏差及修正方法进行详细说明。图2中，(a)为被测信号波形，其基波周期＝T_SIG；(b)为周期(含整秒)同步时标脉冲序列，其脉冲间隔等于周期数据窗宽度T_DFT；(c)为自适应等间隔采样脉冲序列，其采样周期T_SAMP＝T_SIG/M(T_SIG为被测信号基波周期，M为每个基波周期的采样点数)，负责启动A/D转换器(如ADS8364)实现对被测交流信号的自适应等间隔采样。

为便于说明，假设采用“首采样点同步”方式，并假设基于GPS的“周期(含整秒)同步时标”脉冲滞后被测信号正过零点θ电角度，则该θ角即为本采样数据窗被测相量的实际相角值；再假设紧随“周期(含整秒)同步时标”脉冲后的第1个采样脉冲滞后被测信号正过零点θ’电角度(即为本采样数据窗被测相量的计算相角值)，其与θ角之间的相差Δθ＝θ’-θ即为需要修正的“时标同步偏差”相位角。

微处理器在响应“周期(含整秒)同步时标”中断(图1中的)及该中断后的第1个“A/D转换结束”中断(图1中的)时，分别记录这两个中断时刻的内部定时器时钟脉冲计数值。设n1为中断时刻计数值，n2为中断时刻计数值，则

Δn＝n2-n1                                    (1)

此为被测相量“时标同步偏差”相位角的脉冲计数值。

假设被测信号基波周期为T_SIG(＝DFT数据窗宽度)，每个周期采样M点数据(采样周期T_SAMP＝T_SIG/M)；微处理器采用TI公司的DSP芯片TMS320C6713，主频200MHz，DSP内部定时器计数周期为主频周期的4倍，即每个计数脉冲周期＝4/200MHz＝0.02us。那么，对以紧跟“周期(含整秒)同步时标”中断后的第1个A/D转换数据为周期采样同步点(可以设定为周期数据窗的首点、中点、末点或者任意点)数据定位数据窗并进行DFT处理时，求得的被测信号相量的相位(设为θ’)的同步偏差为：

因此修正后的被测信号相量的相位(设为θ)为：

θ＝θ′-Δθ                                 (3)

假设DSP响应与中断并读取其内部定时器计数值(n1、n2)时存在5个脉冲的误差，则修正后的相量相位同步误差(绝对误差)为：

一般T_SIG≈20ms＝20000us，则修正后的相量相位同步误差ε_θ≈0.0018°。当采用更高主频(如300MHz)的DSP时，被测相量的相位同步误差将更小(ε_θ≈0.0012°)。

其它同步方式的修正方法与上述“首采样点同步”方式一样，此不赘述。可见采用本发明的广域电网向量同步测量装置进行异地同步测量时，所测得的电网运行相量具有足够高的同步测量精度(特别是相位同步精度)。

本发明装置和微处理器模块软件相结合，可实现同步采样过程中“时间同步”与“频率同步”的解耦处理，达到同步时标可自由设定(灵活性)、采样数据窗能够随被测信号频率的变化而自适应调整(即每个数据窗内的等间隔采样数据正好等于需求数)。图3给出了微处理器模块的几个主要程序处理流程框图，工作过程简述如下：

参考图1，自适应等间隔采样模块中的采样脉冲序列f_samp，自动适应被测信号频率的变化并按设定的每周波采样点数(如128点、256点等)等间隔地启动A/D转换器(通过控制端)对被测信号进行模数转换。A/D转换器每完成一次模数转换，就产生一个“采样结束”信号并送往微处理器的中断口(图1中微处理器模块的的)，以请求读取采样数据；微处理器及时响应该中断，读取A/D转换器中的采样数据并作相应的存盘处理等(包括判断定位“周期同步时标”中断后的第1个采样点数据位置、判断是否进行采样数据窗DFT处理)。此为实现对被测信号(广域电网运行相量)的“频率同步”采样。

在对被测信号进行上述“频率同步”采样过程中，由同步时标形成模块产生的基于GPS时钟脉冲(1PPS、10kHz)的“整秒同步时标”和“周期同步时标”信号和GPS通过串口发送的与1PPS脉冲同步的标准时间信息，也在定时中断微处理器(通过图1中微处理器模块的中断口和串行数据接收口RxD)。微处理器及时响应RxD中断并接收、处理来自GPS的时间信息；及时响应中断，进行中断时刻内部定时器计数值n1记录、设置同步时标定位标志和同步时标定位(即将接收到的与1PPS秒脉冲同步的标准时间存放到同步采样数据窗的数据暂存区内的相应位置)等处理。此为实现对被测信号(广域电网运行相量)采样数据的“时间同步”定位，微处理器根据这些定位信息和设定的同步采样点位置(采样数据窗的首点、中点、末点或任意其他点)准确定位“频率同步”采样数据窗，然后进行DFT处理和相量相位修正。