一種具有PMU 功能的電力監測儀的研制

曹 銳

（太原市優特奧科電子科技有限公司，太原 030006）

當前，電力監測儀通常具有電壓、電流、功率、電能、甚至電能質量測量功能，已基本滿足傳統電力SCADA系統應用需求，因為電力SCADA系統通常只需在1～10s的間隔內提供靜態和非同步的系統電參量信息。另一方面，由于近年來人們已逐漸認識到電力系統動態狀態的實時監測對于提高系統運行的可靠性和事故發生后的恢復運行都十分重要，因而，人們對電力廣域測量系統（WAMS）越來越重視[1]。相量測量單元（PMU）是電力廣域測量系統的基本組成部分，通常可以每秒50～60次的速度測量同步相量[2]。PMU的基本功能是測量相量并將所測相量打上GPS時標，通常為一種獨立設備。在廣域電力網的不同節點大量部署PMU，并將各個PMU所測得的帶有GPS時標的相量統一分析處理，則可得到整個系統運行狀態的詳細情況。然而，PMU與傳統的電力檢測儀在硬件結構上很相似，只是PMU增加了 GPS同步系統而已。此外，兩種設備的軟件設計也很類似，只需在傳統電力檢測儀軟件基礎上增加同步相量測量軟件模塊即可。因此，為了在未來的SCADA和WAMS系統中更為廣泛地使用PMU，在設計新的電力檢測儀時增加PMU測量功能不失為一種經濟的方案。本文提出了一種具有PMU功能的新型電力監測儀的設計方案，給出了其軟硬件設計原理。

1 硬件設計

圖1是新型電力監測儀的硬件框圖。可以看出，新型儀器比傳統電力監測儀增加了虛線方框中的GPS同步部分。

1.1 信號調理

儀器采用了分壓電阻和電流互感器分別將電力系統輸入的電壓和電流進行調理，以使其滿足儀器內部的A/D轉換器輸入量程范圍，以及頻率跟蹤部分的鎖相環（PLL）輸入要求。

1.2 頻率跟蹤

對輸入信號頻率的跟蹤是通過鎖相環（PLL）實現的[3]。鎖相環由壓控振蕩器，鑒相器，分頻器，以及回路濾波器等組成。使用PLL可保證A/D采樣頻率是輸入信號頻率的整數倍，因而可大大減小進行離散傅里葉變換（DFT）計算各個電參量時的頻譜泄漏影響。

1.3 A/D采樣

從信號調理電路部分輸出的電壓和電流模擬信號首先經過低通濾波器濾除帶外高頻分量，然后輸入A/D轉換器進行模數轉換，A/D轉換器的采樣頻率與PLL的輸出成正比。A/D轉換后的采樣值送入DSP進行數據處理。

1.4 GPS同步輸入

本系統使用了一種具有1PPS輸出和IRIG-B碼輸出的GPS模塊作為同步單元。若使用1PPS輸出信號則每臺電力監測儀都需要配置一個GPS模塊，成本較高。而采用IRIG-B碼輸出則只需通過一根雙絞線由多臺監測儀共享一個GPS模塊，對于本地具有多臺監測儀的集中式的應用較為適合。本監測儀對兩種輸入信號均可接收。

圖1 新型電力監測儀的硬件框圖

1.5 數字信號處理

本監測儀使用了一個商用的異構雙核處理器作為系統處理器，由一個DSP核和一個ARM核構成。其中的DSP核用于采樣值的數字信號處理。通過執行不同的軟件算法模塊，DSP核可同時測量電壓、電流、頻率、功率、電能質量、和同步相量等參數。同時，DSP還通過開關量輸入通道采集輸入開關量狀態，并通過開關量輸出通道輸出報警和控制信號。

1.6 通信接口

系統雙核處理器中的 ARM 核負責儀器的人機接口和遠程通信。本檢測儀采用百兆以太網技術用于遠程通信，其速度足以滿足各種常規電參量和同步相量的傳輸需求。

2 軟件設計

如上所述，儀器的DSP核負責各種電參量的計算。DSP的計算軟件運行于一專用嵌入式實時操作系統上。這一專用嵌入式實時操作系統具有可保證的實時事件響應、事件驅動和分時多任務、以及任務間通信和同步等功能。通過將不同的測量功能分配到不同的實時操作系統任務中，可以認為每一測量任務都是運行于一個獨立的微DSP上的。這種高度模塊化的軟件設計方案大大簡化了測量軟件設計。因而，在新的監測儀中增加PMU測量功能就是在原測量軟件的基礎上簡單地增加一個 PMU測量任務，在此任務中實現PMU測量算法，非常方便。圖2是DSP任務分配簡圖。

圖2 DSP任務分配簡圖

圖2中，內核管理任務管理DSP硬件資源并協調其他所有任務。原始數據預處理任務獲取A/D轉換器傳來的原始采樣數據并將其打上GPS時標后轉發給其他測量任務進行后續處理。數據交換任務與ARM 核進行通信，并將各個電參量測量值傳送給ARM核。測量任務分別為電參量測量任務、電能質量測量任務、和同步相量測量任務。對于同步相量測量，由于輸入的模擬信號通常為含有諧波畸變的信號，因此需要采用離散傅里葉變換（DFT）抽取基波的幅值和相位信息。一個周期為T的電壓信號u(t)可表示為[4]

式中，a0是可能伴有的直流分量，Uk和φuk分別是第k次諧波的幅值和相位。對u(t)以N/T（其中N是2的整數次冪）的速率進行采樣，則可得到一個采樣值序列｛u[n]｝（n=0, 1, 2, …, N-1）。u[n]的離散傅里葉變換可表示為

式中，k是第k次諧波分量。假設第k次諧波分量的實部和虛部分別為Re(U[k])和Im(U[k])，則第k次諧波分量的幅值Uk和相位φuk可分別表示為

當 k=1時，U1和φu1就分別是基波的幅值和相位了。將U1和φu1打上GPS時標后，即可得到同步相量。

3 結論

本文提出了一種具有 PMU測量功能的新型電力監測儀，并詳細討論了其軟硬件設計方法。可以看出，在設計這種新型電力監測儀。

[1] NOVOSEL D, VU K, CENTENO V, SKOK S,BEGOVIC M. Benefits of synchronized-measurement technology for power-grid applications[C]. in Proc.40th Hawaii Int. Conf. Syst. Sci., 2007: 118.

[2] IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems[C] IEEE Std. C37.118-2005, 2006.

[3] SONG J S, HOANG R Y, CAO R, WU Y X. A new phase-locked loop used in a frequency synthesizer[J]IEEE Trans. Instrum. Meas., 1992, 41(3): 433-437.

[4] 奧本海姆.離散時間信號處理[M].北京:清華大學出版社, 2005.

[5] 曹銳.一種新型三相電力諧波分析儀的設計[J].電側與儀表, 2010, 47(4): 67-69.