基于GPS授時的電網頻率測量技術的研究

潘宇婷， 陳宇晨， 王承宇， 侯 昀

(1.上海工程技術大學，上海201620；2.上海市電力公司，上海200122)

基于GPS授時的電網頻率測量技術的研究

潘宇婷1， 陳宇晨1， 王承宇1， 侯 昀2

(1.上海工程技術大學，上海201620；2.上海市電力公司，上海200122)

提出了一種基于GPS授時的電網頻率測量的新方法，系統以GPS接收機提供的1PPS信號為基準源，結合GPS時鐘信號和恒溫晶振時鐘信號精度互補這一特性，通過調控恒溫晶振的壓控端，使其輸出頻率隨之改變，以維持短期和長期的時鐘精度和穩定性。然后將此時鐘提供給DSP的定時器，通過DSP的eCAP模塊對輸入信號的上升沿進行捕獲，記錄兩個上升沿的觸發時間得到電網的實時頻率。

GPS授時；恒溫晶振；粒子濾波；捕捉單元

當代社會，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應用程度成為一個國家發展水平的主要標志之一。隨著科學技術和國民經濟的發展，對電能的需求量日益增加，同時對電能質量的要求也越來越高。電網頻率是電能質量的一項重要指標，電能質量的好壞直接影響工農業生產和人民的生活，因此保證電網頻率偏差小于容許值是電網運行調節控制的重要內容[1]。

1 系統總體框架結構

系統由調理電路、過零檢測電路、外部恒溫晶振校準模塊組成，主框架如圖1所示。

圖1 系統主框架圖

電網高壓經過精密互感器變為小信號，通過調理電路(放大電路、濾波電路等)進行處理，以濾除高次諧波，避免諧波對過零檢測環節的影響，從而提高測量精度。過零檢測電路由電壓比較器MAX474、電阻和電阻元件等組成，對電網的正弦波進行整形，從而可以得到與電網基波相同頻率的方波信號，然后輸入到DSP的捕捉單元引腳。外部恒溫晶振校準模塊通過GPS校核恒溫晶振，得到高精度的時鐘信號，然后作為DSP定時器的外部輸入時鐘。

2 GPS校準晶振的原理及算法研究

2.1 系統原理

由于受到跟蹤的衛星數目、衛星鐘差、傳導距離、電磁干擾和接收機性能等因素影響，GPS接收機輸出的1PPS信號存在一定的隨機誤差ε，ε服從正態分布ε～(0，σ2)，但是沒有累計誤差。而恒溫晶振時鐘信號的隨機誤差較小，不過由于器件老化、短期擾動和外界環境等一些因素的影響，存在頻率漂移現象，具有較大的累計誤差。如果恒溫晶振長期不間斷的運行，頻率將無法滿足工作所需的精度與穩定度，因此需要通過實時的自動調控壓控端電壓來進行頻率校準。根據GPS時鐘信號和恒溫晶振時鐘信號精度互補這一特性，通過調控恒溫晶振的壓控端，使其輸出頻率隨之改變，以維持短期和長期的時間精度和穩定性[2]。

根據系統需要，提出系統的總體設計方案，整個系統由GPS接收機模塊、時間間隔測量模塊、數據處理模塊、時鐘管理分頻模塊、恒溫晶振、DAC和信號調理電路組成。圖2為恒溫晶振校核原理圖。

圖2 恒溫晶振校核原理圖

GPS接收機模塊：接收GPS信號，產生同步于UTC并與之有一定隨機誤差的1 PPS信號，經過處理后作為恒溫晶振校準的參考標準。

時間間隔測量模塊：對GPS接收模塊輸出的1PPS信號和OCXO輸出的分頻1 Hz信號的上升沿的時間間隔進行精密測量，并把測量結果傳送給處理器模塊。

處理器模塊(DSP)：為了消除1 PPS信號的抖動，DSP對接收到的時間間隔測量模塊送來的數據進行一定周期的采樣，并運用粒子濾波算法對其進行數字濾波。可在控制器中設置采樣周期，可取50，100等。可測得兩次時間間隔為和，相位差為，用比時法測得頻率差[3]。

DAC信號調理電路：將處理器輸出的數字信號轉化為模擬信號，并經過調理電路變換到恒溫晶振電壓控制端可接收的電壓范圍內，從而實現對恒溫晶振輸出頻率的調整。

時鐘管理分頻模塊：對經過校準后的信號進行分頻，產生1 Hz信號。

恒溫晶振：產生原始頻率信號，經過校準后輸出高精度時鐘信號。

2.2 粒子濾波算法的研究

恒溫晶振由于器件老化、短期擾動和外界環境等一些因素的影響，存在頻率漂移現象，具有較大的累計誤差。以前的研究大多認為晶振漂移服從多項式模型，從而假設晶振衰老率為線性，利用卡爾曼濾波可以得到解析形式的跟蹤算法。但是現實中晶振衰老率并非常數，或者受到擾動在常數附近變化。本文中基于晶振對數衰老速率模型建立了非線性的晶振時鐘漂移模型，利用了GPS信號與晶振信號互補特征，提出了一種新的基于粒子濾波的時鐘誤差實時估計和補償算法，從而得到高精度的時鐘信號。

將本地晶振時鐘較好的短期穩定性與GPS時鐘長期穩定性結合起來，通過測量并估計，就可以對恒溫晶振進行補償，從而得到精確的時鐘。

理想中的時鐘頻率為常數，但是現實中的真實時鐘頻率會隨著電壓、環境等因素的變化而變化。文獻經過大量的測量表明晶振的漂移用對數衰老模型描述更為準確。根據時鐘頻率漂移的不同假設并結合現有的研究，文中我們假設其為對數衰老模型[4]。

結合式(5)與(6)可以得到對數衰老模型下的時間間隔誤差模型為：

為了得到準確的對數衰老模型，參數A、B、C需要經過長時間的觀測擬合。對式(7)做進一步變化可以得到：

圖3是粒子算法的流程圖。

圖3 粒子算法流程圖

為了將粒子算法與傳統的算法性能進行比較，在Matlab環境下，對卡爾曼濾波算法、加權平均濾波算法和粒子濾波算法都進行了仿真。其中取采樣時間間隔：fffb3e=180 s，根據數據擬合產生A、B、C的初始值，fffb3d服從正態分布，在仿真中可取。圖4為仿真圖，由圖4可知，粒子濾波大大減少了晶振時鐘的誤差。

圖4 三種不同算法下的仿真圖

3 電網頻率測量在DSP中的實現

電網高電壓經過調理電路、過零檢測電路變為同步方波信號，利用TMS320F28335的eCAP1模塊對方波的上升沿進行捕捉，利用經過GPS校核后恒溫晶振作為定時器的外部晶振輸入，每次捕捉完成后對32位的定時器進行置位，其值為。則可以得到(外部恒溫晶振頻率)和與電網頻率之間的關系，即：

圖5 捕捉過程流程圖

4 結束語

本文提出的基于GPS時鐘信號校準恒溫晶振輸出頻率，并利用粒子濾波算法對觀測值進行處理，消除擾動帶來的誤差，最后經過相關電路對恒溫晶振進行補償。得到的精確時鐘作為定時器的外部輸入時鐘，利用精準的時鐘對捕捉信號進行計數，從而得到準確實時的電網頻率。該方法實時性好，精度高，必將在電能質量檢測裝置和新能源設備并網中得到更加廣泛的應用[5-10]。

[1]劉維烈.電力系統調頻與自動發電控制[M].北京：中國電力出版社，2006：43-84.

[2]GUO F.Research of techniques to lock high frequency oscillator based on PPS[J].Journal of Time and Frequency,2004,12(27):94-101.

[3]周渭，偶曉娟，周暉，等.時頻測控技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006：40-49，56-65，151-159.

[4]于宏毅，李歐，張效義，等.無線傳感器網絡原理、技術與應用[M].北京：國防工業出版社，2008.

[5]林勇.基于GPS電能質量在線監測器的設計與實現[D].合肥：安徽大學，2010.

[6]宋越明.基于粒子濾波的跟蹤方法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2010.

[7]馬彥青.恒溫晶振OCXO自適應馴服保持技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[8]宋越明，于宏毅.采用概率密度分布和粒子濾波的室內定位跟蹤算法[J].計算機工程與應用，2010，46(1)：237-240.

[9]許國宏，李鐵成，李星.基于GPS馴服技術的高穩頻蹤設計[J].電子設計工程，2010，18(4)：63-65.

[10]杜文建.GPS與恒溫晶振互補的高穩定時鐘研究[D].南京：南京大學，2012.

Grid frequency measurement research based on GPS timing

A new method of frequency measurement based on GPS timing grid was proposed.The 1 PPS signal source received from GPS was taken as datum fountain.Combined with the accuracy complementary feature of GPS clock signal and OCXO clock signal,through regulating the voltage-controlled of OCXO,output frequency change and maintaining clock short-term and long-term accuracy and stability were made.Then this clock would provide to DSP timer.Through eCAP module of DSP to capture the rise of input signal,the grid real-time frequency could be got by recording the triggering time of the two rising along.

GPS timing;OCXO;particle filter;capture unit

TM 93

A

1002-087 X(2016)03-0709-02

2015-08-26

國家自然科學基金項目(51177099)；上海市科委基金(10160501700)

潘宇婷(1990—)，女，安徽省人，碩士生，主要研究方向為同步相量測量與電力系統分析。

陳宇晨，E-mail：yuchen1957@163.com