DSP同步相量測(cè)量系統(tǒng)的研究分析

　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(shí)相量測(cè)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(cè)量的問(wèn)題，并形成了電網(wǎng)廣域測(cè)量系統(tǒng)WAMS（Wide Area Measurement System）。PMU在全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)系下（通過(guò)接收GPS的同步時(shí)鐘信號(hào)），對(duì)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(guò)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(gè)相量打上時(shí)間標(biāo)簽，然后將這些信息實(shí)時(shí)傳送到控制中心。控制中心在統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)下，根據(jù)各個(gè)PMU的測(cè)量信息對(duì)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(hào)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(shí)鐘信號(hào)，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(méi)計(jì)采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，保證了裝置的實(shí)時(shí)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(shí)性和可靠性是最重要的，因此PMU的設(shè)計(jì)也應(yīng)以此為依據(jù)。PMU的原理框圖如圖1所示。
　　
　　來(lái)自PT／CT二次側(cè)的電信號(hào)經(jīng)前置濾波，變?yōu)檫m合DSP處理的小信號(hào)。然后，根據(jù)GPS輸出的同步時(shí)鐘秒脈沖（PPS）經(jīng)DSP（No．2）內(nèi)部的捕獲單元產(chǎn)生滿(mǎn)足時(shí)間同步和頻率同步要求的異地同步采樣信號(hào)，啟動(dòng)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(gè)新的采樣數(shù)據(jù)窗計(jì)算一次被測(cè)量信號(hào)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(shí)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(wú)縫接口連接。DSP（No．2）利用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和波形，以便在不必配置本地上位機(jī)時(shí)組成最小的監(jiān)測(cè)單元。USB接口接本地上位機(jī)，同時(shí)也可以作為擴(kuò)展口留作本地?cái)?shù)據(jù)的攜帶轉(zhuǎn)移。通過(guò)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(gè)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(jiǎn)稱(chēng)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(cè)量對(duì)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(jì)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(dòng)倍數(shù)，Emin為幅度計(jì)算的精度要求。