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文档简介

东北电力大学自动化工程学院学士学位论文-PAGEII-题目:配电网微型PMU远程监测技术研究与应用-PAGEV-摘要随着科技进步和经济的发展,我国电力系统发展迅速。大电网、大发电机组、交直流混合超高压远距离输电的使用,使我国电力系统发展步入世界先列。然而,长期以来配电网规划建设相对薄弱,输变电能力不能较好地转化满足国民经济发展需求。同时,随着新能源和微电网的快速发展,大量分布式电源的引入,无疑对配电网增加了巨大的挑战。如何实时有效地对双向潮流和更加复杂的稳态、暂态和故障等电力系统状态进行监测和记录将成为配电网亟待解决的问题。本文通过对国内外广域量测系统研究现状进行综述,通过对比配电网和输电网同步相量测量装置的异同,根据配电网复杂的网络结构的特点,提出一种二级分层网络监测系统方案。同时,基于对电力系统远程通信技术的综合分析,通过对新型网关的应用以及结合轻量级通信协议MQTT协议,开发出针对该系统结构的监测数据平台。本文对对系统中核心装置配电网微型PMU远程监测装置进行了软硬件设计及实际测试。本装置针对低电压等级配电网,具有同步授时,同步相量测量、数据存储、综合电气量计算、远程通信等功能,开发的数据监测平台可在远程实时显示监测点实时位置和电气参数。该系统可应用于电力系统配电网进行状态估计、故障检测等,系统监测数据对于解决配电网复杂的稳态、暂态和故障等问题十分具有参考意义。关键词:配电网;微型PMU;MQTT协议;同步相量测量算法 ABSTRACTWiththeadvancementofscienceandtechnologyandeconomicdevelopment,China'spowersystemhasdevelopedrapidly.Theuseoflarge-scalepowergrids,largegeneratorsets,AC-DChybridultra-highvoltagelong-distancetransmission,hasmadethedevelopmentofChina'spowersystemintotheworld'sleading.However,foralongtime,distributionnetworkplanningandconstructionarerelativelyweak,andthepowertransmissionandtransformationcapabilitiescannotbewelltransformedtomeettheneedsofnationaleconomicdevelopment.Atthesametime,withtherapiddevelopmentofnewenergyandmicro-grid,theintroductionofalargenumberofdistributedpowersupplieswillundoubtedlyaddahugechallengetothedistributionnetwork.Thispapersummarizestheresearchstatusofthewideareameasurementsystemathomeandabroad.Bycomparingthesimilaritiesanddifferencesofthesynchronousphasormeasurementdeviceinthedistributionnetworkandthetransmissionnetwork,accordingtothecomplexnetworkstructureofthedistributionnetworkandthelargenumberofnodes,atwolevelhierarchicalnetworkmonitoringsystemisproposed.Meanwhile,basedonthecomprehensiveanalysisoftheremotecommunicationtechnologyofthepowersystem,themonitoringdataplatformforthestructureofthesystemisdevelopedthroughtheapplicationofthenewgatewayandthelightweightcommunicationprotocolMQTTprotocol.Inthispaper,thehardwareandsoftwaredesignandpracticaltestofthemicroPMUremotemonitoringdeviceofthecoredevicedistributionnetworkinthesystemarecarriedout.Thisdevicehasthefunctionsofsynchronoustiming,synchronousphasormeasurement,datastorage,integratedelectricalquantitycalculation,remotecommunicationandsoon.Thedevelopeddatamonitoringplatformcandisplayreal-timereal-timepositionandelectricalparametersofmonitoringpointsinrealtime.Thesystemcanbeappliedtothestateestimationandfaultdetectionofthepowerdistributionnetwork,andthesystemmonitoringdataisofgreatreferenceforsolvingthecomplexsteady-state,transientandfaultproblemsofthedistributionnetwork.Keywords:DistributionNetwork;μPMU;MQTT;SynchronousPhasorMonitor目录摘要 IABSTRACT II第1章绪论 11.1课题背景与意义 11.2WAMS的研究现状与发展 21.2.1美国WAMS研究现状 21.2.2国内WAMS研究现状 31.2.3全球其他地区WAMS研究现状 31.3配电网PMU的研究现状 41.4配电网PMU的应用前景 51.5本文的主要工作 7第2章同步相量测量原理及算法概述 82.1引言 82.2同步相量测量原理 82.3同步相量测量算法 92.3.1过零检测法 92.3.2离散傅里叶变换法 102.3.3其他算法介绍 112.4算法的研究趋势及本文采用算法 112.5本章小结 12第3章远程数据平台设计 133.1引言 133.2配电网微型PMU远程监测网络结构设计 133.3链路层传输方案分析 143.4应用层传输协议选择 153.4.1MQTT协议的实现方式 173.4.2MQTT协议的数据帧格式 173.5远程数据平台结构 193.6本章小结 19第4章配电网微型PMU装置设计 204.1引言 204.2装置总体结构设计 204.3时钟同步模块设计 214.3.1硬件设计 224.3.2软件设计 244.4信号调理模块设计 254.4.1电压互感器选型 254.4.2电流互感器选型 264.4.3交直流转换电路 274.4.4抗混叠滤波电路 274.5模数转换模块设计 284.5.1硬件设计 284.5.2软件设计 294.6频率测定模块设计 304.7数字信号处理模块设计 304.7.1硬件设计 314.7.2软件设计 324.8存储模块设计 334.9显示模块设计 344.10通信模块设计 344.11本章小结 35第5章配电网微型PMU远程监测平台测试 365.1引言 365.2时钟同步模块测试 365.2.1GPS/BDS模块时间位置信号获取测试 365.2.2本地时钟与GPS时钟同步精度测试 385.3信号调理模块测试 395.4模数转换模块及数据存储模块测试 395.5LCD触摸屏显示测试 405.6通信模块测试 415.6.1AT指令测试 415.6.2MQTT协议包测试 425.7综合电气量测量性能测试 445.8数据平台测试 445.9本章小结 45结论 45参考文献 47致谢 51东北电力大学自动化工程学院学士学位论文-第1章绪论1.1课题背景与意义中国的电力系统近年来发展迅速,其发展可归纳为两个主要特征。首先,中国的电力基础设施建设正在迅速发展。区域电网的地面网络结构易受攻击,处于“长距离连接”阶段。网络配置需要进行深度优化。与此同时,随着新能源和微电网的快速发展,大量分布式电源的引入无疑给配电网络带来了巨大的挑战[1]。电力系统迫切需要引入新的技术手段来改善配电网的动态安全分析,有效监测和预测配电网的运行状况,线路参数的测量,故障的位置实时并提高配电网络的安全性和稳定性。有效监控和记录双向能量流的能力以及稳态,瞬态和故障实时电力系统的更复杂状态是配电网络中的一个紧迫问题。目前,依靠监控与数据采集系统(SupervisoryControlAndDataAcquisition,SCADA)和故障录波装置所提供的的配电网实时监测数据和历史监测数据实现对配电网自动化全面管理的配电网管理系统(DistributionManagementSystem,DMS)已被广泛应用,其对于配电网的运行、控制和优化十分有效。但是,传统的SCADA系统和故障录波装置偏向于稳态和类稳态类稳态下电网的数据监视和安全监测,,不能完善地对电力系统的动态行为进行监测分析[2~4]。最近几年,广域量测系统(Wide-areaMeasurementSystem,WAMS)在电力系统中的应用日渐增多,为电力系统分析和控制领域提供了新的视角和技术手段。WAMS以同步相量测量单元(PhasorMeasurementUnit,PMU)为其核心测量装置[5],为大型电网的广域量测和控制提供了广阔的发展空间,已经成为各个国家研究发展的热门课题[6~7]。在全世界统一的时间标签前提下,它可以得到全部电力系统的瞬时动态数据和稳态信息,以用来监视保护控制大型系统,把大型互联系统的监测控制从稳态或者类稳态阶段延伸至暂态阶段。广域量测系统在判断和控制系统的暂态稳定、动态情况下系统数据的记录和事故后追忆[8~9]、系统低频振荡诊断及控制、系统频率稳定监测和控制、全局反馈控制[10]、非稳态建模判断和系统辨识、在线识别预防与控制、模型检验和参数修正[11]、故障测距及输电线数据量测等领域都有广阔的研究前景[12]。由于配电网相量在线数据量测的价值愈加明显,求取精确的关键节点相量数据,通过采样信息迅速做出决断、实现指挥调度自动控制,是未来实现智能化调度关键所在[13]。以上课题不仅要求量测水平和互感器具有高精确度、可靠性,也要求数据集中分析系统高度智能化。1.2WAMS的研究现状与发展1.2.1美国WAMS研究现状WAMS技术在美国最先进行研究[14]。1993年弗吉尼亚理工大学成功研发了全世界首台PMU,并由GPS精确校时。1994年,首批PMU在美国西部电力协调联盟(WesternElectricCoordinatingCouncilregion,WECC)挂网运行。1995年,广域电力系统实时运行监测系统获得了美国能源部的扶持并在WECC首次应用[17~18]。20世纪末期的某年秋季,美国的某地区发生大面积停电事故,广域电力系统实时运行监测系统获得的相量采集结果准确地记录了电力系统薄弱崩溃前的一段时间内相角差的增长和崩溃前、解列中、停电后的所有过程。针对此类实时采样结果的剖析给电网的再次同步奠定了重要理论实践基础。但是故障录波仪并没有完全录入解列的动态变化数据,SCADA系统同样没有能具体记录到电网崩溃时各个节点对应相角差的改变。此次事件更加证明了PMU在中长期暂态动态量测中具有之前数据采集装置SCADA无法实现的关键作用[19]。截止到2009年初,北美东西部电网各有超过60台PMU[20],专门用于监测电网关键的母线节点,如电厂变电站等。它可以用于监测系统频率、相量、有功和无功功率,功率因数等电气参数。经过长时间的调试,现已经能成功地应用于系统非稳态状况的记录分析、电网振荡监测以及电网各个元件的参数修正和模型检验。并且,各国学者们仍在积极研究广域量测系统数据支持下的状态估计、系统辨识、电网谐波的实时监测、基于GIS系统的量测数据拓扑化等高级扩展功能。除了上述研究,部分高校还带头构建示范性的花费较少的二次侧120V配电网的频率监视网(FrequencyMonitoringNetwork,FNET),现已能覆盖德州电力可靠联盟、东西部互联电网协调联盟等美国电力系统。该网获取的数据综合其计算得出的结论验证了配电网等电力系统也能反映出主网系统的非稳态过程信息。当前该网可以完成电力系统事故的即时报警、故障测距、智能化及事故追忆等诸多任务,为电力系统非稳态过程监视打开了全新的视野,近年此系统也广泛装设在南美、亚洲等地区[21~23]。纵观广域量测系统的工程实践实例,虽然美国是WAMS的摇篮且研究历史最久、覆盖地域最大,然而由WAMS在线采集的数据结果大部分提供给电力系统在线数据量测和事故后的剖析,在大型互联电网稳定性控制等方面稍显不足,仍须进一步的理论研究和实践开发。1.2.2国内WAMS研究现状20世纪末期,我国的广域量测技术得以发展,主要由研究院、高校、制造商和部分电力公司进行具体技术的研发。1995年由台湾欧华公司协助中国电力科学研究院的科研团队,成功设计开发出了中国首个自主研发的PMU。在南网超高压的天广线装设2台PMU,目的就是监测两个互联电网联络线的相位震荡,我国首套广域测量系统就此诞生。此后不久,我国电力公司调度中心相继在很多互联电网的主干线上装设了实时相量测量设备,大体上构建了中国的区域互联电网的相角量测系统。21世纪初,在网服役的PMU近30台。但由于无法突破通信的束缚,早期的相量测量装置整体性能严重不足,信息传递效率略显低下,即时应用十分有限,全网设备尚无规范的约束标准。随后,国家电网公司下的各个省级公司结合本地区电网的自身状况,陆续布置了约十个WAMS,装设了约百台PMU装置。这段时间的相量测量单元整体性能有了本质的变化,提高了通讯平台,各个功能均有了质的飞跃,中国广域量测系统在此时期取得了飞速进步。近些年,中国主干网架的广域量测系统均已开始运行,已实际装设的相量测量装置已经不少于八百套[9]。研发中和运行中的WAMS的功能大致分为两种:(1)基础功能。大致有收集集中各站PMU的实时数据;监视分析广域大电网的实时状态;暂态下数据的收集和事故追忆。(2)扩展功能。有大型电厂实时功角监视;功角稳定性分析和及时报警;电力系统实时辨识;系统中各母线节点相角的监视及状态监控;对于系统建立的模型正确性的检验和参数的校验、状态估计、广域保护、实时在线决策、高压交直流阻尼控制;基于PMU数据的双端故障测距等[24~25]。目前,国内相量测量单元与国外而言,其实时性、精确度等并无明显差距。对于负荷建模、参数修正及实时监测上,国内外基本保持一致。而对于电力系统在线暂态监测、电力系统实时过程监视和调控及应用相角差的主网失步控制等功能和工程实践方面,国内外相比却稍显不足。1.2.3全球其他地区WAMS研究现状欧洲北部几个国家联接而成的北欧电网利用相量测量单元的区域电网频率相位一致的特性得到机电震荡状态结果,目前在积极研发HVDC、SVC、PSS的大区域闭环测量系统,以期加强北欧电力系统区间振荡的阻尼特性。同步进行的科研还有将之前SCADA进行合并问题、相量测量单元通讯的需求问题和程度队列。冰岛的电力系统通过弱联系的联络传输线与其他电网联系,所以特地安装了7台相量测量单元来进行同步监测联络线阻尼[26~27]。以俄罗斯为首的十多个国家的互联系统如果大规模联网运行,就将标志着半个地理时区的超大联合电力系统的构建,成为全球地域最广的跨地区互联大电网。该区域电力系统的广域量测系统大体完成机电振荡等系统事故的监测和控制,也能完成每年6次的干扰辨识、具体参数检验等具体的实时建模校验。南美UFSC大学和当地某厂商在当地有关部门的援助下,于2003年MedFasee项目正式开启,截止到2008年9所高校联合开发了低电压等级的相角量测系统LVPMS,基本监控了该国所有电力系统。在此研究进行之时,2007年该大学与该国的供电局Eletrosul,于多个子站分别启动高电压相角测量系统HVPMS。通过安装的WAMS对较大干扰下电力系统故障实时录入成功地实现了大区域电力系统建模校正[28~29]。墨西哥具备十余年的应用PMU量测结果的事故记录和事件追忆操作经历。2008年已经在本国电力系统和其他互联电力系统内装设了多个地区的PDC。该WAMS系统SIMEFAS中安装了近150余台各个制造商研发的PMU及其继保装置。墨西哥正在研发应用广域量测系统的自动化发电优化策略(AutomaticGenerationSheddingSchemes,AGSSs),并同步研发具有监测记录风电并网动态过程的量测设备[30~31]。同步相量测量设备多数安装在多个日本东北部的主要发电站和多个超高压变电站,各个附属相量量测单元每秒采样25次相量,应用高速无线信息技术通讯,采样结果上传到总站的速度约为每秒5次。此区域电网的WAMS系统对于暂态过程监控,PSS、SVC设备校验、发电机的阻尼检测方面有所建树。除此之外,多个日本高校利用近十台Toshiba公司制造的商用相量测量单元构建了一个配电网校园WAMS(CampusWAMS),涵盖日本西部地区电力系统所有自主运营的供电公司,其作用就是电力系统暂态过程监测及示范所用[32~33]。韩国21世纪初启动研究开发WAMS,装设二十余个全网监视装置,采样结果与数据集中器通讯速度为10Hz。现在的监视功角电压稳定性问题,已可以达到实时在线安全预估,也拥有暂态数据录波、事故追忆、电网稳定监视等功能。除了以上功能,其也正研发广域频率监测网技术的相关应用[34]。1.3配电网PMU的研究现状广域量测系统为电力系统在线过程测量问题提供了办法,在改进电网在线监视能力和状态估计精度方面起到了不错的效果。但是输电网常规PMU应用于我国配电网时存在的问题也愈加突出:(1)传统输电网PMU成本过高。我国地域广阔,电力系统节点众多,结构各异,就算只装设在1/3的主干线上,花费就无法承受,所以迫切要解决的是降低传统输电网相量测量装置的成本问题。(2)PMU的安装地点及通信问题。当前输电网PMU多数安装在大型火力发电厂、枢纽变电站等重要母线中枢点,基本釆用光纤网络通讯,尚未充分利用最近高度发展的通讯手段,通讯受限于专用网,少数需要特别关注的系统负荷中枢点将无法进行监测,同时光纤网路装配和维修比较复杂。(3)传统输电网PMU基本都应用某一全球定位系统授时。主动权在开发国手中,且GPS的局部模糊策略早已完善,有本国停用全球定位系统后装置得不到秒脉冲信号的可能,同时,其准确度也会受到系统维护的影响。我国电力系统核心问题寻找完全可靠的后备统一时钟源特别必要而且具备十分深远的战略意义。(4)近年来,随着特高压工程的长足发展、风光储等联合分布式电源的高渗透率,配电网对主网安全的反映和地位越来越高,近年满足配电网监控功能的PMU及配电网WAMS是尚需填补的空白领域[35],亟待深入研究。1.4配电网PMU的应用前景传统意义上,PMU主要用于输电系统中。然而,随着DER在配电系统中的大量分布,和更快的动态有源负载的可预测渗透,配电网的稳定监测和控制的情况就会改变。此时的配电网状态的监测和控制就必须要借助配电网PMU这类高精度动态监测设备来完成。以下是配电网PMU的几种基础功能和应用前景。(1)稳定性分析和监视随着DER的高度渗透,特别是如果配电网很脆弱,由于前期投资可能不及时,稳定性可能成为一个重要问题。DER的存在致使暂态稳定,长期动态稳定,还有电压稳定需要深入研究,频率稳定仅仅在非常高渗透等级才会成为上述问题之一。快速改变的动态负载,比如,电动车充电站,也像DER一样可能产生相同的并发症。以上情况导致配电系统可能经历快速的电压,有功功率,无功功率,或者可能甚至是频率波动,所以要求准确的相量量测量。这些冲击尤其在有时需要孤岛运行的微网上是不可忽视的。PMU可以通过提供系统常规、非常规操作模式下的动态过程捕捉来改善监视情况。还有,因为配电网变得更加动态化,会有一些只用配电网等级的PMU来监视和分析的输电网稳定性事件。(2)保护由于传统辐射式配电网保护使用过电流保护装置,它可以发现故障并解列下游线路,DER的引入系统引起了双向潮流和可能的相角误差。后者可以利用PMU来定位。保护中另一个关心的问题就是关于重合闸重合动作时产生的固定相角。这在大量不离线DER渗透和大量旋转机械负载的情况下是尤其困难的问题。PMU可以用来监视相角并在系统马上失步时关闭自动重合闸。这可以实现重合操作更快速,减少瞬间电力中断的不便。双向潮流就要求过电流功能必须有方向。这通常通过观察电压电流波形来实现。然而,为了避免在低压网络上安装电压测量装置,人们提出一些方法,他们认为电流波形的相角变化可以进行故障定位。在配电网等级下,相角的变化是微秒级的,因此准确的相角测量装置是必要的。(3)状态估计总的来说,PMU可以直接测量状态相量,所以PMU在状态估计中有很大作用,状态相量由电压幅值和电角度组成。因此值得注意的是在增加准确性的同时减少估计装置的计算时间。虽然配电网状态估计不能在目前得到广泛应用,但它可以给系统带来很多益处,比如,验证电容和调节器的状态的参数估计,还有估计导体尺寸。另一方面,提出了利用PMU的实时状态估计来预测系统状态,用微分方程控制系统行为。这可以应用于小规模系统,比如微网、工业园区或者船舶电力系统。(4)电压/无功/功率控制传统配电网的有功无功功率平衡方程是基于类稳态值所描述的,与传统配电网相反,带有DER和有源负载的现代电网就需要更加动态的处理办法。这在小规模电力系统中尤其重要,比如,微网和船舶电力系统,这些场合的相角在不考虑准确性降低的情况下是不容忽视的。这个问题的动态建模要求利用瞬间有功无功功率量,通过瞬间电压电流量测得。(5)故障定位故障定位和测距算法是基于行波现象原理实现的;就其本身而言,不需要使用PMU提供的电气角度信息,而是利用PMU时钟产生的准确时间标签数据。在这里PMU提供的附加时间信号是准确的。然而其他方法几公里的误差可能对于保护继电器来说是可以接受的,但是对于需要找到并修理线路的工作人员却是很头疼的。这种精确故障定位能力也可以让自动恢复程序精确定位需要找到的故障地点。PMU也可以用来协助平行线路的故障检测,而这在配电网中可能变得越来越普遍。(6)快速动态负载可以预见,在未来的运输中,电动车辆将占据主导地位。虽然当前这些车辆只利用电网来给电池蓄电,但是可以预见电动车辆在需要时可以作为移动电能储备接入电网。这种行为通常称为V2G,可以理论上实现削减负荷峰值,平滑可再生能源发电机,还可以在意外中断时充当电能储备。V2G的应用可以让大量车辆在充电站停靠充电,或者大量私人车辆连接到他们自己的充电电极上。然而,一些研究人员则认为利用电动车辆来安排发电和削峰填谷不如利用技术提供附属服务有利,比如提供旋转备用和电压频率调整。传统意义上,由于相对的低速V2G通信和活化系统,电动车辆不会参与成为主要储备服务;然而,如果带有像PMU这样的就地快速反应频率测量装置,成为主要储备将可能完成。年来,随着特高压工程的长足发展、风光储等联合分布式电源的高渗透率,配电网对主网安全的反映和地位越来越高,近年满足配电网监控功能的PMU及配电网WAMS是尚需填补的空白领域,亟待深入研究。下图1-1为输电网PMU和配电网PMU装设地点对比示意图。图1-1输电网PMU和配电网PMU装设地点对比1.5本文的主要工作本文通过深入研究对传统输电网PMU的背景,国内外研究现状和研究趋势,远程测量系统的研究状况和研究趋势,以及配电网对分布式电源的大规模接入状态主要完成了以下任务::(1)研究开发分析高渗透,大规模分布式供电后的配电网络,配电网络的变化,以及对配电网和主网稳定监测控制带来的新的挑战,得出了未来配电网大规模接入分布式电源后,配电网PMU将成为无法替代的新一代测量装置,它将完成对电力系统监测与控制等诸多任务;(2)总之,我们总结和分析了现有传输网络管理单元(PMU)的高成本,安装和维护的难度以及安装通信线路的难度。该缺点直接阻止现有的传输系统PMU直接应用于分配网络的监视和控制。需要一种适用于未来配电网络的新型仪表,易于以低成本安装并且不需要专用通信线路。(3)研究分析配电网结构特点,根据其分布特点设计远程监测网络。(4)应用上述相量测量算法,研发了一种配电网微型PMU装置,包括软硬件架构,模块选型,装置的封装和调试等;(5)对该装置的性能、测量精度、实时性、误差等进行测试。第2章同步相量测量原理及算法概述2.1引言同步相量测量原理是实现PMU同步相量测量装置的理论基础,本章主要介绍了同步相量测量原理及相关算法。在介绍了基本原理之后,我们将比较主相量测量算法的优缺点。测量算法的初步选择证明了设备的进一步设计。2.2同步相量测量原理我国电力系统规定标准工频电信号为精确的50Hz正弦稳态信号。频率不变正弦量能够用幅值大小不变或微小震荡,相角在角度内震荡的形式表征,正余弦信号波形中的过零点代表该点的相位。信号的计时起点与波形的性质有很大关系,波形为余弦时的计时起点是极大值位置处,如图2-1(a)所示,信号为正弦波形时的计时起点是波形过零点,如图2-1(b)所示。图2-1相量的表示依据规范电力系统相量由有效值X和相角构成,系统相量用余弦波表示即为: xt= 其中X代表电气量相量的幅值的方均根,ω代表余弦波形的角频率,φ代表其初相。如式(2-1)指定波形极大值点的初相是零,而波形过零点处的角度则为−π/2,如图2-2所示。定义0时刻初相角为φ,波形某一点t时的相角即ω图2-2信号波形与相位的关系由相角与频率、时间的对应关系即得知,当f=50Hz时,固定不变;当f>50Hz时,相角随时间递增;当 dφdt=2πf−f依据规范电力系统相量由有效值X和相角构成,所以计算相量的方法就是同步获取有效值和相角数据。然而相同波形在各异的时间标签下,获取的相量数据是不尽相同的,其值基于标准时间标签。因此在相同时间标签制约下,电力系统的相量数据才是有效的,高精度的全球同步卫星授时完全有能力为相角的测量提供统一的时间标签当做基准。在相同的时间标准点之下,便可计算不同地区的任何不同相量的相角差。此方法即为相量测量的基本原理[36]。2.3同步相量测量算法同步相量的获取依赖有高度准确的GPS信号实时校时,相量数据与时间标签对应后,与调控主站进行数据通信之后根据时间标签二次同步,以完成实时的在线监视与调控。采样结果由统一时间标签基准的特性使相量能够进行运算[37]。同步相量的计算有三要素:全网相同的时间标准脉冲、统一时标数据还有相量测量算法。有关于时间信息数据和同步秒脉冲的研究技术相对完善,本节重点对几种相量测量算法进行综述,相量测量算法是研发PMU装置的核心技术之一。目前相对成熟的相量测量算法有过零检测法[38-39]、离散傅里叶变换法[40]、最小二乘法、牛顿法[41]、卡尔曼滤波法[42]、瞬时值法[43]、小波变换法[44]等。以上方法的原理可以在很多文献上查阅到,不再赘述,本节着重分析几种算法的优劣和实用价值。2.3.1过零检测法测量数据覆盖了电气量的所有波形点,对于工频周波的采样间隔为20ms。它的原理不复杂,易于通过软硬件的配合来实现。然而电力系统的相量只能完成对频率相位进行量测,工程实践中电信号幅值的采样无法实现,只能通过其他途径进行采样,而且该方法的理论基础是电网频率时时恒定,其采样数据结果很大程度上受高次谐波和系统噪声的干扰,在线计算能力一般。而且过零检测法在正负序变换上也必须借助硬件来完成,实际电路中,误差也取决于电路运行外部环境的温湿度。总体上,过零检测法原理简单易设计,在电网相量量测的实现上功不可没,却由于无法估计的误差问题和受电网运行状况影响大等多方面因素难以应用于越来越严苛的现代电力系统相量量测中。2.3.2离散傅里叶变换法该方法可算是数字信号处理的最常见有效的方法之一,在电网信号的数据在处理时也多数采用在此方法上衍生出的离散傅里叶变换法(DFT)。总体思想即:PMU装置将GPS时间信号作为统一的标准,处理器内部时钟信号的秒脉冲与GPS全球同步秒脉冲保持一致,通过秒脉冲的边沿触发来校正各周期第一次相量量测的采样时刻,误差不超过100ns。利用此方法可计算出工频信号的相量与其DFT的基波分量关系: (2-3)由此易知其幅值和相角各自为: (2-4) (2-5)此法可以对高次谐波进行良好的处理和滤除,滤掉整次谐波分量,而且也比较容易设计,是相量量测领域不可或缺的优秀算法,因此大量应用在现代电力系统中。然而在应用中也会产生一些差强人意的弊端。我国电力系统为标准50Hz工频量,如果采样结果与傅里叶变换的假设吻合时,则该方法能计算得出正确的相量。但于工程应用时,电力系统的频率不满足标准工频信号,即便稳态运行中频率也是在工频左右摆动,所以就会使得通过普通DFT计算相量结果时会产生不同的方式:(1)同步采样;(2)非同步采样。如果在每个点对周期为T的工频相量进行等间距采样,同步采样必须满足: (2-6) (2-7)其中,Ts为采样的时间间隔,N为数据的个数。式(2-6)说明了达到同步的条件之一为相同的采样频率,式(2-7)说明了另一个要求为电路采样频率为其原始频率的N倍。达到以上两条标准的采集结果实行DFT算法能够算出确切的相量数据,但是这些计算结果会随着电网实际频率变化。但如果不确定采样间隔为电网真实频率的N倍时的异步相量测量结果进行DFT变换会发生混叠现象。如果不加入补偿,真实频率即便与工频有极其微小的差距也可能使计算结果出现大幅度的偏差,而这就不能保证相量计算结果准确无误。2.3.3其他算法介绍(1)卡尔曼滤波算法(KalmanFilterAlgorithm,KFA)。此算法原理为逐次估计所有所需相量,如何准确建模和估计状态变量及协方差矩阵的初始值就是此算法顺利实现工程应用的关键所在。在工程中会因为建模考虑不周全等导致相量计算结果不正确。(2)小波变换法。此算法是采用时-频标尺函数实现变化的波形的采样,避免了DFT算法与频率无相关性的弊端,在改善时频性质上能起到很好的效果。该算法依靠的是小波函数的正确性,虽然自适应修正适用于很多小波包等,然而要想计算结果与想要的结果达到一致,就要牺牲计算的速度和效率。2.4算法的研究趋势及本文采用算法频率和相角是同步相量量测的最主要的检测相量数据。频率监测是电网监控和可靠性分析的根本所在[45~46]。国内外对于相量量测算法的研究和改进已经非常多。以下会对近来应用比较广泛的主流算法进行简要概述。文献[47]中就实际系统频率不稳定的情况,研制出了独特的陷波器,而且其滤波器是非半通,这种方案可以有效减少计算的工作量,可以实现非稳定频率下的精确相量;但在系统频率发生跃变时的计算结果会有明显的延迟和不准确的情况。文献[48]叙述了一种利用小波尺度因子和递归小波来进行相量量测的方法,此算法自适应能力较强,不仅可以免疫大波动信号干扰,而且无需频率为精确的50Hz信号;此法应用了一种递归形式的小波基原理,采样时长约为3.5个周波,但这个采样频率并不能完全适应所有继保设备的相量量测。文献[49]对泰勒逼近法进行改良以实现快速准确的相量量测计算,这种方法在工程应用中比较易于实现;然而电力系统的非周期分量和高频分量会干扰量测结果,对信号源的滤波处理就是该方法能否实现的关键。文献[50]中为应对异步采样无法避免的混叠问题并准确分离出波形各分量,对相量计算结果进行校正,使得量测精度满足要求;然而此算法依然存在电网有大扰动时,计算结果偏差大的弊端。文献[51]改进了DFT算法从而达到当电网有较大扰动的情况下并不影响其检测出信号基波分量,并且无需计算相角和频率;但此算法的弊端在于如果信号偏差过大,此法的效率极低甚至不收敛。近年,相量量测算法的总体概况是:从算法角度,渐渐完善对系统的建模,保证量测值无限逼近于实际值,最大限度抑制直流分量和高次谐波等对量测结果造成的误差,从而提取出基波分量,精确计算出其频率和相角。从电路角度,提升信号处理的精确等级,提升处理芯片的运算速度,提升采样芯片的精确等级和效率。从量测域来看,从过去着重稳态和类稳态的相量量测向着更加动态,更加多元化的网络发展,把相量量测变为动态的安全监测控制问题。DFT算法在采样窗和采样周期得当时,效果是所有方法中最好的一种,也因此成为了相量量测的主流算法。同步采样情况下的DFT要求采样间隔必须与标准工频信号匹配;而在应用该算法时,当二者不匹配时,将发生采样不全,混叠等错误。实际的电力系统的频率并非恒定,因此,以恒定工频为前提计算得出的相量量测结果并不能准确真实地反映当前电网的状态。实际工程中,一般采用以下方法来克服此弊端:(1)锁相环同步测量方法;(2)自适应采样法;(3)等间隔釆样的DFT修正法。其中等间隔采样的DFT修正算法,也叫做定间隔采样的DFT修正算法。该方法的采样频率恒定,为确保相量量测数据的精确程度,对DFT变化加以改进,加入频率泄露补偿来抵消偏差。依照《电力系统实时动态监测系统技术规范》的内容,PMU应以固定的采样间隔进行采样,而且应满足相量量测的精度和速度要求,近年来高端测量设备的普及和开发利用,让这种等间隔采样的DFT修正算法迅速成为各种相量量测方法中应用最为广泛的一种,本文设计采用此算法作为本文装置量测基础算法。2.5本章小结本章对电力系统相量的概念和相量的表示方法进行了详尽地介绍;对相量测量原理进行了详细地阐述;具体介绍了目前比较主流的相量测量算法及其优缺点比较;在对上述内容进行深刻的研究学习后,本文针对配电网PMU采用DFT算法进行同步相量测量的计算,利用等间隔采样修正克服采样不全、混叠等问题,确定了离散傅里叶变换作为本文的相量测量算法。东北电力大学自动化工程学院学士学位论文第3章远程数据平台设计3.1引言实现对配电网全网个监测点的同步相量测量,通信网络是必不可少的一部分。本章根据配电网网络特点,提出一种配电网监测网络结构。同时介绍主流数据传输方案,对比其优缺点及MQTT协议,为后续测试做铺垫。3.2配电网微型PMU远程监测网络结构设计配电网节点数量众多、网络结构复杂,其结构一般呈现辐射装,分布具有区域集中的特点。本设计根据配电网的网络特点,将系统架构分为二层分级网络。单个微型PMU装置被安装在配电网各个监测点,实时监测各点的相幅信息。多个微型PMU装置构成一级网络,通过通信网络向上一级功角监测点的监控子站传输实时数据。各监测子站实时显示所覆盖区域各测量点的实时数据,同时组成二级网络向监控主站传输节点数据。监控主站是整个网络的中心,一般位于省级调度中心,其可接收由各区域节点传输来的数据,可实现动态了解全网运行状况,网络结构示意图如下:图3-1配电网微型PMU远程监测网络结构示意图系统主要有微型PMU装置和数据平台构成,微型PMU装置处在整个系统最底层,数量众多,是整个系统实现的基础,其测量的准确度将大大影响系统最终的精度。数据平台是系统实现各级网络数据传输,人机交互的桥梁。在设计数据平台时要充分考虑微型PMU装置的实际安装运行环境,传输数据量等因素,合理的选择通信方式与协议,在设计微型PMU装置时,也需考虑通信实际限制,选择较为合适的通讯模块。3.3链路层传输方案分析电力系统中,远程数据传输一直是实现电力信息互联的桥梁,电力行业也很早就应用先进的通信方式去实现电力信息互联。在国内,较为常用的通讯方式有很多,最为常用有光纤专网、中压载波、230MHz无线专网、GPRS无线公网等技术方式。这些技术较早地已经应用在电力系统上,技术较为成熟,各种通信技术的优略势也十分显然。本文根据文献[3],对比常用通信方式特点如下表:表3-1电力系统常用通信技术对比ADDINCNKISM.UserStyle传输方式光纤专网中压载波230MHzGPRS/CDMAGSM短信运行维护维护工作量低维护工作量低维护工作量低运行费用较高运行费用较高建设成本成本高成本较低成本较低成本低成本低系统容量容量很大容量受限制容量较小容量较大容量较大信息安全安全性高安全性高安全性较高安全性低安全性低实时性实时性很高实时性低实时性低实时性较低实时性低可靠性可靠性很高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性较高影响因素完全不受电磁干扰和天气影响受电网负荷与结构的影响大易受天气地形电磁干扰的影响受地形天气公网运行状况影响受短信拥堵的影响适用场合有一定光纤资源敷设,光纤成本较低的地区配电网自动化与集中抄表系统的通信负荷管理系统中,地势相对平坦的地区无线公共网络覆盖完整器无线信号优良城市,以及实时性要求较高的业近年来,随着无线网络技术的发展,无线通信技术应用越来越普遍。由于市场份额的提升,运营成本的降低,无线通信费用相比光纤铺设高傲的优势明显,同时基于技术的进步通信质量逐渐提高,具有了较为可靠的通信能力。配电网同步相量监测装置分布地域广,其网络覆盖较为复杂,如果能利用较为可靠的无线通信可以大大减少装置成本和运营成本。在现有无线通信技术中,相比超短波通信、卫星通信,GPRS通信有着较为突出的优点。几种无线网络对比结果如下表所示[4]。从表中不难看出GPRS技术所具有的覆盖范围广、建设和运行费用低、通信速率髙、传输延时短等优点非常适合本论文所设计系统的要求。因此,笔者选择GPRS为系统的数据链路层数据传输方案,同时,了解到一般配电网监测点位于城市或人口集中区,WiFi热点覆盖较全,所以讲WiFi作为数据链路层数据传输的冗余方案。表3-2无线通信方式对比项目名称ADDINCNKISM.UserStyleGPRSGSM超短波卫星通信覆盖范围全国全国<=20Km受转发器限制建设费用低低高高计费方式按流量或包月0.1元/条占频费协议维护成本低低高较高通信速率约40~80Kbps每条140字节1.2~19.2Kbps协议宽带误码率较低较高高较低可靠性较高较低低较高群收群发支持不支持不支持支持运行费用按流量或包月0.1元/条占频费协议抗干扰性较强较强较弱较强传输延时短长短短3.4应用层传输协议选择电力信息的互连是互联网的一个非常典型的应用环境。实际上,许多设备具有有限的资源和有限的存储空间和计算性能。传统HTTP用于IoT应用程序。它似乎太大了,无法应用。消息队列遥测传输(MQTT)是最初由IBM开发的即时消息传递协议,旨在通过有限的计算能力和不可靠的窄带宽网络来传送远程传感器和控制设备。协议。MQTT协议的优点是它支持所有平台,并且几乎可以连接任何连接到网络的元素(参见图3-2)。消息队列遥测(MQTT)是基于IBM和Eurotech于1999年开发的发布和订阅即时消息协议的客户端-服务器体系结构。MQTT设计原则简单,轻量,开源且易于实现,并确保可靠性和一定程度的保证交付,同时最大限度地减少对网络带宽和设备资源的需求。这些设计理念使MQTT协议成为带宽有限的移动设备或嵌入式设备以及带宽和网络不稳定性较低的应用的理想选择。事实上,由于它的出版,经过几千多年的发展,MQTT协议变得越来越完美,并已广泛应用于物联网产品[5]。图3-2MQTT典型应用网络结构示意图MQTT协议是一种开源通信协议,由小型压缩消息组成,只需要头中最小的两个字节。它还具有更好的可扩展性,更低的功耗和更广泛的平台。目前,有两种类型的MQTT协议:应用于TCP/IP网络的MQTT和应用于传感器网络的MQTT-SN(用于传感器网络的MQTT)。在此系统上,作者使用MQTT[用于TCP/IP网络]。MQTT协议具有以下主要功能:(1)使用订阅/发布通信范例提供一对多消息发布和分离应用程序。如果订户订阅主题并且订阅成功,则当发布者发布关于主题的消息时,服务器将其发送给订户。因此,出版商不需要先前的订户知识。此外,单个发布者可以匹配多个订阅者,此模型提供更好的网络可扩展性和更动态的网络拓扑[7]。(2)提供三个级别的消息质量:Qos0,Qos1和Qos2。(3)保护消息的传输免受负载信息的影响。换句话说,MQTT可以传输不同类型的消息内容,但不负责分析,数据更安全可靠[8]。(4)低速传输。协议传输控制消息很小(固定报头只有2个字节),开销很小,网络流量较便宜[9]。(5)如果网络连接异常中断,您可以通知相关方。鉴于优势MQTT可以看到,为什么笔者选择了一个非常合适的MQTT层通信协议,以满足我们在各个方面,系统要求在本文中开发的,上述系统中的应用。3.4.1MQTT协议的实现方式MQTT协议的实现需要客户端和服务器。MQTT协议有三个标识符:发布者(发布者),代理(服务器)和订阅者(订阅者)。发布者和消息订阅者都是客户端,消息代理是服务器,消息发布者可以同时是订阅者。MQTT发送的消息分为两部分:标题和有效负载,可以理解为消息的类型。当订户订阅时,接收主题消息。有效载荷可以理解为消息的内容,是指订户专门使用的内容。图3-3MQTT协议通信过程MQTT构建基本的网络传输。建立客户端和服务器连接在两者之间提供无序的两个八位字节流(八位字节流)双向传输。当应用程序数据通过MQTT网络传输时,它将与主题名称(主题)相关联的服务质量(QoS)相关联。3.4.2MQTT协议的数据帧格式整体上协议可拆分为:固定头部+可变头部+消息体,其中固定头部构造如下:图3-4MQTT协议固定头部构造其中,MessageType主要有16个类型,0和15作为保留类型,其他类型如下表所示:表3-3MessageType类型MessageType功能MessageType功能MQTT_CONNECT请求连接MQTT_SUBSCRIBE订阅请求MQTT_CONNACK请求应答MQTT_SUBACK订阅应答MQTT_PUBLISH发布消息MQTT_UNSUBSCRIBE取消订阅MQTT_PUBACK发布应答MQTT_UNSUBACK取消订阅应答MQTT_PUBREC发布已接收MQTT_PINGREping请求MQTT_PUBREL发布释放MQTT_PINGRESPping响应MQTT_PUBCOMP发布完成MQTT_DISCONNECT断开连接DUPFlag用于确保消息传输的可靠性。如果设置值1,则将messageId附加到下面的可变长度标头,并且需要确认以确认消息已被发送,但不能用于检测传输。重复的消息。服务质量主要用于PUBLISH消息(已发布状态)并确保消息的传递次数。00表示一次,即<=1。01表示至少一次,即>=1。10表示一次,即==1。11是保留的。Retain主要用于PUBLISH(已发布状态)消息,并指示服务器即将保留有关此命令的信息。如果有新订阅者,他们将被发送。如果未定义,则将其推送到当前订阅。固定标题字节2用于存储以下可变长度标题和邮件正文的总大小。固定头部仅定义了消息类型和一些标志位,一些消息的元数据,需要放入可变头部中。可变头部,包含了协议名称,版本号,连接标志,用户授权,心跳时间等内容,其构造如下:图3-5MQTT协议可变头部构造前8个字节是协议的名称,UTF字符“MQIsdp”编码,前两个代号为长度为6的协议,协议的版本号的版本,和v3是固定的。连接标志是类似于固定标志的登录标志,表示8位是不同的标志,并且第一个八位位组是保留的。如果表示所述响应时间连接或转移的连接不是内完成则表示该TCP连接被断开离线模式。连接返回码通常位于CONNACK消息中,并指示返回的连接的状态。条目名称,订阅消息ID和MQTT基于订阅/公共消息。这是消息订阅的ID,与新闻客户订阅的其他部分一样。推送类别用于区分消息。消息在16位字符标识符表示,服务质量是1或2,因此,要确保消息传输的可靠性,并且用于识别该消息。消息体(有效载荷)存在于某些MQTT数据包中,表示客户端接收的特定内容。有四种类型的消息主体的:订阅连接到UNSUBSCRIBESUBACK:CONNECT,消息正文的内容订阅客户客户端ID,目标用户,消息,用户名和密码,该消息主体的内容是一组QoS主题。SUBACK消息体内容是响应主体的服务器请求的SUBSCRIBEQoS;UNSUBSCRIBE,邮件正文的内容可以订阅。3.5远程数据平台结构综合上述分析,对远程数据平台整体结构如下图所示。有多台PMU装置使用GPRS或WiFi传输至电力云平台,该平台搭建MQTT代理服务器,接收有下位PMU传输来的监测数据。数据中心通过MQTT订阅相应主题,即订阅不同地点的PMU,可实现消息的轻便传达。同时,对于不同权限的要求可以使能订阅不同数量的主题数去完成权限管理。鉴于MQTT协议上位端JAVA类协议较为完善,同时考虑到多平台适应性,设计使用JAVAWEB开发上位数据平台。图3-4远程数据平台结构3.6本章小结本章对配电网结构进行分析,设计一种配电网监测网络结构,介绍了主流通信方案,并对比其优缺点,选定了系统的链路层通信方案。同时,介绍了MQTT协议特点选定其作为应用层协议。第4章配电网微型PMU装置设计4.1引言在前三章中,笔者对同步相量测量的基本原理、常用算法以及数据平台进行了分析和讨论,本章将在理论的基础上,选择合理的方法与算法,设计配电网微型PMU装置设计,包括装置硬件结构设计和软件流程设计。 4.2装置总体结构设计作为整个系统最基础也是关键的组成部分,配电网微型PMU装置的设计不仅要求有效测量精度,还需考虑实际工程运行环境。通过结合课题背景和相关理论,在本系统中装置应包含模拟信号同步采集、频率测量、数据存储和处理、就地存储、就地显示、远程数据通信等功能。对应于硬件设计可划分为时钟同步模块、模数转换模块、频率测量模块、数字信号处理模块、存储模块、显示模块、通信模块。装置整体框架图如下:图4-1微型PMU装置整体框架GPS/BDS接收模块接收由导航卫星发回的时间、位置信息并产生精确1PPS秒脉冲。1PPS秒脉冲信号触发STM32F407VET6外部中断,处理器读取GPS/BDS模块UTC时间信息并写入RTC校准,RTC分频产生采集脉冲。频率测量模块测定电压信号频率,实时频率数据存入数据帧。模拟信号由电压电流互感器采集,经过低通滤波器和交直流转换电路转化为ADC输入信号,采样脉冲触发AD7616将模拟信号转化为数字信号。模数转换完毕,AD7616返回转换标志触发STM32F407VET6中断,STM32F407VET6读取转化数据进行数据分析计算。STM32F407VET6计算完成存下实时测量数据并发出脉冲,触发STM32F103C8T6读取计算数据和采集时间信息、装置位置信息。STM32F103C8T6将读取到信息按照协议打包成一帧数据并通过通信模块发送至远端服务器。4.3时钟同步模块设计结合第二章理论分析可知,整个系统的实时测量数据分析都是基于一时间点,各装置间采集时间同步误差将导致相角测量的误差。我国电力系统工频信号50Hz,每周期相角3600,如果同步时间误差1ms对应相角测量误差即为180。各装置具有统一的时标信息进行同步采样是整个系统测量精度的关键所在。下表是电力系统常用装置对时间同步精度要求的汇总。表4-1电力系统常用的装置(系统)的时间同步精度要求规定装置(名称)时间同步准确的时间同步信号类型线路行波故障测距装置1us1pps及时间报文雷电定位系统1us1pps及时间报文同步相量测量系统1us1pps及时间报文故障录波器1msIRIG-B或1ppm及时间报文各级调度自动化系统1msIRIG-B或1ppm及时间报文火电厂机组控制系统1msIRIG-B或1ppm及时间报文配电网自动化系统1msIRIG-B或1ppm及时间报文现有授时方案主要有卫星授时、广播授时、以太网授时。其中由于近年来全球定位系统的发展,卫星授时在稳定性、精确性、实用性均具有不可替代的优势。GPS卫星授时精度一般在100ns以上,满足电力系统同步相量测量的需要,本设计中采用GPS卫星授时方案。同时基于数据安全与稳定考虑,整体时钟同步模块采用GPS/BDS互为备用授时和RTC守时设计。GPS/BDS互为备用,可有效利用GPS卫星数量较多的优势,信号较为稳定,而二者互为备用可以避免战略受限。RTC守时功能,意在避免在极端情况下GPS信号丢失问题,可通过本地时钟守时达到同步目的,提高系统可靠性。4.3.1硬件设计图4-3GPS/BDS授时模块实物图该设备旨在使用ATGM332D-5N-31GPS/BDS作为高精度双模定位和同步备份模块来降低数据安全风险(图4-2)。该模块基于中科威的第四代GNU-SOC单芯片AT6558。中国的BDS系统(北斗卫星导航系统)和美国GPS系统跟踪通道可同时接收来自六个卫星导航系统的GNSS信号。位置,导航和同步。高灵敏度,低功耗和性能参数如表4-2所示。表4-2GPS/BDS模块ATGM332D-5N-31的性能参数项目名称参数项目名称参数芯片方案AT6558定位精度2.5nCEP通信方式UART通信协议NMEA-0183捕获时间冷/热29s/1s天线类型SMA天线接口该模块外形小巧,使用方便。模块与外部设备通过串口进行通信,参数通过串口进行设定,内置EEPROM可保存参数配置信息;模块自带可充电后备电池,与外部电源断开后可维持系统工作30分钟左右,支持温启动可快速定位;模块自带SMA天线接口和IPEX转接口,可直接连接外部天线,亦可通过IPEX转接外部SMA天线,方便安装设计。其与STM32F407VET6连接电路如下:图4-4GPS/BDS授时模块接线图如图4-4所示,GPS/BDS模块与STM32F407VET6连接需要5根线:PPS、RXD、TXD、VCC、GND。其中PPS为秒脉冲输出引脚,接STM32F407VET6的外部中断引脚,触发时间捕获;GPS/BDS模块RXD引脚为串口接收引脚,接单片机STM32F407VET6的串口发送引脚,接收单片机发送过来的字节;GPS/BDS模块TXD引脚为串口发送引脚,接单片机STM32F407VET6的串口接收引脚,向单片机发送字节。GPS/BDS模块VCC引脚是电源引脚,模块支持3.3~5.0V供电,本设计中单片机STM32F407VET6为3.3V供电,满足供电要求,直接与单片机STM32F407VET6的VCC引脚相连;GPS/BDS模块GND引脚是接地引脚,模块电平为TTL电平。4.3.2软件设计时钟同步模块程序设计主要分为两个部分,第一部分是时间信息的获取与解析,第二部分是RTC时钟的守时校准,模块程序流程图整体如下:图4-5GPS模块程序处理流程图GPS/BDS模块接收导航卫星时间位置信息并发出秒脉冲,触发单片机外部中断。单片机进入外部中断处理程序,置位PPS标志位,清除串口接收数组Buffer,等待接收新数据。主程序判断PPS标志位,当PPS=1是,使能串口接收读取字节写入Buffer数组,当读取到回车符和换行符,关闭串口。按照NMEA-0813协议,读对应位时间位置信息。NMEA-0813协议数据帧格式如下:$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)其中,<$>表示帧命令起始位;<aaccc>表示地址域,前两位“aa”为识别符,后三位“ccc”为语句名,NMEA-0183包括GNGGA、GNGSA、GPGSV、BDGSV、GNRMC、GNVTG、GNGLL、GNZDA等命令;<ddd,ddd,…,ddd>表示GPS\BDS串口数据,每个参数由逗号隔开,是程序设计解析的对象;<*>表示校验和前缀;<hh>指的是校验和(checksum),“$”和“*”之间所有字符ASCII码的校验和(各字节做异或运算,得到校验和后,再转换16进制格式的ASCII字符);(CR)(LF):帧结束,回车和换行符,表示一条数据帧的结束。从接收到的数据中提取有用的时间位置信息可以通过对Buffer数组进行检索的方式。首先对帧头数据类型判断解析方式,再通过在数据包中查找“,”位置来确定有用数据位置。RTC是STM32F407VET6内部实时时钟,其核心为独立的BCD定时器/计数器,时钟震荡源来自系统外部32.76K低速晶振,通过内部可编程预分配器分频1Hz时钟,其具有后备电源接口,可保证短时间掉电时钟数据稳定。对RTC进行守时校准,即当秒脉冲信号出发后,校准RTC时钟初始值。STM32F407VET6配置流程如下:图4-6RTC时钟配置流程图4.4信号调理模块设计A/D转换模块采集电压范围有限,需要通过电压互感器、电流互感器将大电压转化为小电压信号。小电压信号为交流信号,不能直接被A/D模块直接采集需要通过直流偏置电路抬升为直流信号。考虑到电网中存在的高次谐波,为了避免频谱混叠现象,需要通过低通滤波器滤除高次谐波。4.4.1电压互感器选型该设计使用HVS-AS3.3型电压互感器,测量原理基于霍尔效应,可在电流隔离条件下测量直流,交流,脉冲和不规则波形电压。。HVS-AS3.3霍尔电压互感器将配电网络的电压信号转换为低压信号,转速比为1250:1000rpm,额定电流为10mA,线性误差为电气特性小于0.1%。动态特征是:表4-3HVS-AS3.3型霍尔电压互感器相关特性项目名称参数项目名称参数额定电流10mA线性度0.1%FS测量范围20mA响应时间<40us内接测量电阻50±0.1%Ω工作温度-40℃~+85℃初级线圈匝数1250零点失调电压1.65±0.008V次级线圈匝数1000电压失调温漂<±1mV/℃在配电网同步相量测量装置中,输入电压信号100V,互感器额定电流10mA,在输入电压信号和互感器输入之间串联阻值10k电阻,此处电阻功率至少为1W,设计选用5W铝制电阻,功率大,阻值温漂小。为了防止一次侧输入功率过大损坏电压互感器及后置电路,在电压互感器前侧串接保险丝保护电路,其电路连接图如下:图4-7电压互感器接线图4.4.2电流互感器选型本设计使用电流互感器型号为HCS-ES3.3型霍尔电流互感器,其测量原理基于霍尔效应,能在电隔离的条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。HCS-ES3.3型霍尔电压互感器作用是将配电网电压信号等比例转化为小电压信号,其二次侧线圈匝数为400,额定电流10A,线性度误差小于0.1%,其电气特性及动态特性见下表:表4-4HCS-ES3.3型霍尔电流互感器相关特性项目名称参数项目名称参数额定电流5A线性度<0.1%FS测量范围10A响应时间<1us取样电阻50±0.1%Ω温漂<±0.5mV/℃线圈匝数800±1零点偏移电压1.65±0.010V4.4.3交直流转换电路该型号互感器同时集成了交直流转换电路,输出电压为感应电压的直流偏置电压,输出范围为0.625±0.5%V,其内部电路绘制如下:图4-8互感器内部电路原理图如图4-8所示,原边输入电压,副边感应电流经过内部采样电阻R0输出电压Ui,Ui经过电容滤除信号所含直流分量输入到运算放大器。运放反相输入偏置基准电压,构成加法电路,与同相交流信号相加,信号整体抬升Vref,变为单极性信号,可满足ADC输入要求。4.4.4抗混叠滤波电路在配电网运行过程中,由于有大量非线性设备的接入,整个电网中谐波成分较多,本设计中计量到电网的21次谐波,需要滤除以上高次谐波,不然在进行频域分析时,频谱会出现混叠现象。为了保证数据测量的准确性,在采集前采用二阶RC低通滤波器滤除信号中高次谐波。具体电路图如下所示:图4-9二阶抗混叠滤波电路4.5模数转换模块设计4.5.1硬件设计模数转换器通常执行模数转换,并且通常将选择考虑为采集采集通道的数量和分辨率。在该设计中,有必要考虑同时采样以获得同步信号。该设计采用AD7616模数转换器芯片(ADI公司),支持16位16通道同步采样,内部阻塞电路和模数转换器(ADC)。具有负载重新分配的16位SAR。数字滤波器,参考缓冲器和2.5V参考,高速串行和并行接口。在此设计中,使用并行接口,AD7616的配置范围和采样参数由外部I/O控制,采样速率由处理器控制。接线图如下:图4-10AD7616接线示意图4.5.2软件设计模数转换模块程序主要任务为配置STM32F407VET6产生PWM波触发AD7616启动采样。当AD7616导通时,BUSY引脚变为高电平并保持高电平,直到转换期间所有通道转换完成。转换完成后,BUSY引脚变为弱电,然后MCU获取下降沿信号,转换后的数据可通过并行数据总线读取。模块转换的一般过程如下:图4-11模块转化流程图STM32F407VET6通过定时器产生PWM波,其配置流程如下图所示。首先开启定时器时钟,配置输出PWM引脚为复用输出,PWM的周期通过配置PSR和ARR寄存器控制。图4-12PWM输出程序4.6频率测定模块设计为了获取到电网实时频率,设计硬件测频电路。测频思路是使用硬件过零检测电路获取电压的过零点,配置处理器定时器定周期采集过零点脉冲数,计算脉冲数与定时器比值,获取实际运行频率。过零检测电路如下图所示:图4-13过零点检测电路在考虑到实际运行中,输入信号中含有大量谐波,可能会导致过零点无法被准确检测。实际工程中从以下两个方面采取措施:过零检测前采用RC滤波电路对信号进行滤波,将滤波后的信号送入比较器。处理器测量在周期T内过零点脉冲次数,在测量时软件开启高优先级定时器对两个相邻过零点时间间隔进行计算,时间小于5ms的脉冲被计量为一个零点。4.7数字信号处理模块设计数字信号处理模块使用STM32F407VET6作为主处理器,其采用Cortex-M4内核,内置硬件FPU单元,拥有DSP指令集,支持单周期乘加指令、单指令多数据指令、饱和算数等多种数字信号处理指令集。其执行所有的DSP指令集都可以在单周期完成,主频168MHz,其应用广泛,开发资源丰富,足以媲美部分DSP,同时拥有开发环境友好、经济实惠等优点。此部分使用STM32F407VET6作为主处理模块,需要完成任务有FFT、电气参数计量。其数据来自于模数转换模块AD7616,而AD7616的启动需要其提供触发PWM波,下面就硬件和程序设计两个方面介绍。4.7.1硬件设计STM32F407VET6其运行硬件最小系统需要晶振时钟电路、复位电路,同时其下载仿真还需设置BOOT模式,需要硬件电路选择启动存储类型。在本文设计中采用了双ARM结构,方便了硬件设计,节约了成本,协调处理器STM32F103C8T6在硬件最小系统设计与此处相同,后面不再赘述。晶振时钟电路图4-14晶振时钟电路STM32其外部时钟源有两处,一是OSC_IN/OSC_OUT引脚相连的高速时钟源,一般使用25MHz或8MHz晶振;二是PC14/PC15引脚相连的低速时钟源。一般为32.768KHz。高速时钟源通过内部锁相环倍频产生168MHz/72MHz时钟,为系统提供工作脉冲,低速时钟源为RTC时钟秒脉冲时钟源,为RTC提供时钟信号。复位电路图4-15复位电路BOOT电路图4-16BOOT电路BOOT电路通过拨码开关选择启动存储区,当BOOT0复位则系统启动区域为主闪存存储区;当BOOT0置位,此时若BOOT1为0则启动系统存储区,BOOT1为1启动内置SRAM。4.7.2软件设计对于STM32F407VET6做FFT变换主要工作是搭建DSP运行库和进行FFT库配置。搭建DSP运行库在意法半导体官网有详细介绍这里不再赘述,这里主要说明FFT库配置。快速傅里叶变换算法的程序主要分为两个部分:第一部分是倒序排列即将AD7616采集到的数据倒序进行排列;第二部分是执行log2N次循环,这个循环依此计算次序为2,4,8……,N的变换。此时需要定义一个数组存储变换完的复数结构,即将采样数据的实部和虚部存入。最后调用库函数即可基波幅值、相位等参数。本设计中处理器采样频率3200Hz,采样点数64,采样分辨率50Hz,可计量解算2voidGetPowerMag(){signedshortlX,lY;floatX,Y,Mag;unsignedshorti;for(i=0;i<NPT/2;i++){lX=(lBufOutArray[i]<<16)>>16;lY=(lBufOutArray[i]>>16);X=NPT*((float)lX)/32768;Y=NPT*((float)lY)/32768;Mag=sqrt(X*X+Y*Y)/NPT;if(i==0)lBufMagArray[i]=(unsignedlong)(Mag*32768);elselBufMagArray[i]=(unsignedlong)(Mag*65536);}}电气参数的计量使用,主要有电压、电流、有功功率、无功功率。电压有效值测量按式(4-1)计算,电流有效值测量按照式(4-2)计算,有功功率与无功功率按照式(4-3)和(4-4)计算。 U=1N I=1Nk−1 P=1Nk−1 Q=1Nk−14.8存储模块设计装置需要大容量存储设备,存储采集到的数据。STM32拥有SDIO接口,只需少量I/O口即可扩展大容量存储设备。相比于其他存储设备,SD卡具有读写速度快,性价比高,插拔方便等优点,本设计采用16GB大小SD卡存储采集数据。下图为SD卡接线图:图4-17SD接口电路对于SD的读写操作,使用开源文件系统FatFs。该系统专为嵌入式系统设计,操作方便,这里简述具体存储过程:调用f_mkdir()函数在SD卡根目录新建以当天日期命名的文件夹;其次,使用f_chdir()函数设置该文件夹为读写根目录,并在该目录下有f_open()函数新建以采集时刻命名的文件;最后使用f_write()函数吧采集数据写入文件中。4.9显示模块设计显示模块是就地人机交互的一部分,可以实时显示装置采集到的信息。本设计中采用3.5电阻式触摸屏,其自带控制芯片,提供完备的开发平台开发UI,通过串口数据交互,节省主控CPU资源,其主要参数如下表所示:表4-5HMI触摸屏参数项目名称参数项目名称参数触摸方式电阻式型号TJC8048分辨率800*480工作电压4.75-7V尺寸3.

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