同步智能微電網電能信息采集系統研究與實現

摘 要：隨著計算機網絡的發展，人們希望各種機械的自動性和可控性能能夠越來越高，對于電網來說，在電網對接合閘時，往往存在相位是否一致，并且整個電網是否正常運作，功率潮流的流向是否正常，線路是否短路，這些往往是在電網的能量調度和電網本身線路和設備的保護中是至關重要的；人們希望能夠來連續不間斷的獲得電網的信息并進行整體的評估，方便調度和合適措施的采取。所以現在我們期望用以GPS校時系統和計算機網絡技術將電網的信息進行采集和處理。

微網由于自身容量小、結構復雜、對負荷影響敏感和易產生擾動及諧波等特點，微網的狀態估計以及優化控制一直以來都由于信息采集系統的缺失而存在不同程度的困難。信息技術以及GPS/北斗技術的發展為組建價格低、高可靠的電力信息采集系統提供先決條件，也為微電網的可靠控制運行提供了重要保證。

同步電能信息采集系統可以獲得實時相角、頻率、幅值以及諧波信息，并有望應用到微電網系統的許多方面，例如：微電網的狀態估計、靜態穩定的監測、暫態穩定的預測及控制、故障分析、擾動源定位以及優化運行控制。需要利用這些數據資源深入研究分布式電源暫態過程中和微網的運動軌跡，研究各控制環節對分布式電源功角軌跡的影響，研究不同的控制方式以及設備產生諧波以及諧波傳播的機理，研究在不同工況下實現最優微電網經濟運行策略。在GPS技術出現前，這種研究還是不現實的，目前仍是微電網研究的空白。微電網涉及到眾多設置、電網結構復雜以及具有一定的時變性，研究一個價格低、高可靠、分布廣的電力信息采集系統對微電網的進一步深入研究是十分有意思的。

微電網是一個可以實現自我控制、保護和管理的自治系統，它作為完整的電力系統，依靠自身的控制及管理供能實現功率平衡控制、系統運行優化、故障檢測與保護、電能質量治理等方面的功能。由于微電網的這些特點，我們就針對于微電網進行信息的同步采集。我們以IAR為程序編寫平臺，完成通過PPS信號我們將通過單片機的UART模塊去讀取GPS返回的數據，將其中的時間信息提取出來，然后在通過單片機的IO口去讀取AD采樣的值，這其中，對每次AD采樣的都要打上相應的時標，每當采集128次數據后，對所得到的數據進行傅里葉變換，然后就可以得到一個周期的128個采集點的電壓、諧波的次數、相角以及每點的準確時間等任務；最后通過UDP方式將這些信息通過網口發送到電腦，在電腦的上位機上可以監測到數據。

關鍵詞：微電網信息；GPS；Udp協議；ARM-STM32

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

微電網由微型電源供電，作為一個配電與用電網絡，勢必會存在多數節點，在對其進行實時監控的過程中，需要得到各節點的信息，如電壓、相交以及功率潮流，為了達到采集的信息的同步，我們勢必要對各地的時鐘進行校準，這樣才能將信息進行有效地處理，得出正確的結論，所以我們采集GPS校時系統。

我們先用MT-285授時GPS定位模塊獲得標準時間，利用其在采集時間時發出的TTL信號作為觸發信息，當時刻為我們所需要動作的時間時，我們利用STM32讀出該時刻以及該時刻的另個項目硬件的信息（模擬微電網的一個節點）。

為了達到各節點的信息可以同時處理，進行宏觀監測和調度，我們還需要利用UDP將信息通過網口發到電腦上，方便控制中心隨時提取，進行統一分析。

下面說下實施的措施：

（1）采用ARM—STM32作為CPU，需要對所用的外圍模塊及其相關功能進行初始化，包括串口模塊，中斷模塊，systicks時鐘，定時器，系統時鐘，GPIO引腳，udp協議，IP地址，FFT變換，AD采樣；

（2）利用串口UART進行GPS信息的讀取，通過GPS集成模塊上的RXD引腳與STM32的UART1相連，從而實現GPS信息的讀取。同時通過GPRMC格式讀取字節確定GPS準確信息，實現連續定位；

（3）利用PPS秒脈沖進入中斷，獲取系統時鐘內部計數寄存器值，其差值即為每秒間隔，從而避免CPU內部晶振運行不準導致的秒間隔錯誤，其間隔用于后續毫秒計算；

（4）采用外圍MAX125AD模塊進行信息采集，MAX125AD芯片不斷進行信息采集，當采集完一組數據后，芯片發送INT中斷信號至CPU，CPU對INT信號進行下降沿捕獲，捕獲成功進入中斷處理程序，存儲電壓信息，并記錄采樣時刻；

（5）在AD采集信息時通過SysTick->VAL給采樣點打上時標，但是時標是內部寄存器計算值，在信息傳送時讀者無法理解該值的含義，需要轉換成ms便于讀者理解，更好把握采樣點時間；

（6）從電力系統中吸收的畸變電路可以分解為基波和一系列的諧波電路分量。利用Nyquist采樣定理，即采樣頻率fs至少是原信號最高頻率fc的二倍以上（fs>2fc），才能正確地表達原信號的信息，采集128個樣點最多可分解成0～63次諧波分量；

（7）為了實現實時監控微電網信息，需要在采集完電壓信息并進行FFT變換后將相關信息發送至網絡上。在這里，我們采用udp協議，在FFT變換后馬上傳送至網路上，通過TCP調試助手監控信息傳送，判斷信息。

本項目以IAR為軟件編寫和運行平臺，以GPS為校時系統，利用STM32采集和處理數據，最終將數據通過以太網口傳輸到計算機上。從而達到帶有時標數據的采集，方便同步處理。

參考文獻：

[1]張信權，梁德勝，趙希才.時鐘同步技術以其在變電站的應用[J].繼電器，2008（09）：69-73.

[2]彭剛，春志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列潛入式微控制器應用實踐[M].北京：電子工業出版社，2011.

[作者簡介]王銀鴿，西南交通大學 電氣工程學院11級電氣一班，學生學號20111486；龐營，西南交通大學電氣工程學院11級磁浮，學生學號20111649。