配電網(wǎng)微型PMU遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文-PAGEII-題目：配電網(wǎng)微型PMU遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用-PAGEV-摘要隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國電力系統(tǒng)發(fā)展迅速。大電網(wǎng)、大發(fā)電機(jī)組、交直流混合超高壓遠(yuǎn)距離輸電的使用，使我國電力系統(tǒng)發(fā)展步入世界先列。然而，長期以來配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)相對薄弱，輸變電能力不能較好地轉(zhuǎn)化滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。同時，隨著新能源和微電網(wǎng)的快速發(fā)展，大量分布式電源的引入，無疑對配電網(wǎng)增加了巨大的挑戰(zhàn)。如何實(shí)時有效地對雙向潮流和更加復(fù)雜的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和故障等電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和記錄將成為配電網(wǎng)亟待解決的問題。本文通過對國內(nèi)外廣域量測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，通過對比配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)同步相量測量裝置的異同，根據(jù)配電網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出一種二級分層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)方案。同時，基于對電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信技術(shù)的綜合分析，通過對新型網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用以及結(jié)合輕量級通信協(xié)議MQTT協(xié)議，開發(fā)出針對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺。本文對對系統(tǒng)中核心裝置配電網(wǎng)微型PMU遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)際測試。本裝置針對低電壓等級配電網(wǎng)，具有同步授時，同步相量測量、數(shù)據(jù)存儲、綜合電氣量計(jì)算、遠(yuǎn)程通信等功能，開發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺可在遠(yuǎn)程實(shí)時顯示監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時位置和電氣參數(shù)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)、故障檢測等，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對于解決配電網(wǎng)復(fù)雜的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和故障等問題十分具有參考意義。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；微型PMU；MQTT協(xié)議；同步相量測量算法 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目錄摘要 IABSTRACT II第1章緒論 11.1課題背景與意義 11.2WAMS的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 21.2.1美國WAMS研究現(xiàn)狀 21.2.2國內(nèi)WAMS研究現(xiàn)狀 31.2.3全球其他地區(qū)WAMS研究現(xiàn)狀 31.3配電網(wǎng)PMU的研究現(xiàn)狀 41.4配電網(wǎng)PMU的應(yīng)用前景 51.5本文的主要工作 7第2章同步相量測量原理及算法概述 82.1引言 82.2同步相量測量原理 82.3同步相量測量算法 92.3.1過零檢測法 92.3.2離散傅里葉變換法 102.3.3其他算法介紹 112.4算法的研究趨勢及本文采用算法 112.5本章小結(jié) 12第3章遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺設(shè)計(jì) 133.1引言 133.2配電網(wǎng)微型PMU遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 133.3鏈路層傳輸方案分析 143.4應(yīng)用層傳輸協(xié)議選擇 153.4.1MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式 173.4.2MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式 173.5遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺結(jié)構(gòu) 193.6本章小結(jié) 19第4章配電網(wǎng)微型PMU裝置設(shè)計(jì) 204.1引言 204.2裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 204.3時鐘同步模塊設(shè)計(jì) 214.3.1硬件設(shè)計(jì) 224.3.2軟件設(shè)計(jì) 244.4信號調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 254.4.1電壓互感器選型 254.4.2電流互感器選型 264.4.3交直流轉(zhuǎn)換電路 274.4.4抗混疊濾波電路 274.5模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 284.5.1硬件設(shè)計(jì) 284.5.2軟件設(shè)計(jì) 294.6頻率測定模塊設(shè)計(jì) 304.7數(shù)字信號處理模塊設(shè)計(jì) 304.7.1硬件設(shè)計(jì) 314.7.2軟件設(shè)計(jì) 324.8存儲模塊設(shè)計(jì) 334.9顯示模塊設(shè)計(jì) 344.10通信模塊設(shè)計(jì) 344.11本章小結(jié) 35第5章配電網(wǎng)微型PMU遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺測試 365.1引言 365.2時鐘同步模塊測試 365.2.1GPS/BDS模塊時間位置信號獲取測試 365.2.2本地時鐘與GPS時鐘同步精度測試 385.3信號調(diào)理模塊測試 395.4模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊測試 395.5LCD觸摸屏顯示測試 405.6通信模塊測試 415.6.1AT指令測試 415.6.2MQTT協(xié)議包測試 425.7綜合電氣量測量性能測試 445.8數(shù)據(jù)平臺測試 445.9本章小結(jié) 45結(jié)論 45參考文獻(xiàn) 47致謝 51東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文-第1章緒論1.1課題背景與意義中國的電力系統(tǒng)近年來發(fā)展迅速，其發(fā)展可歸納為兩個主要特征。首先，中國的電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在迅速發(fā)展。區(qū)域電網(wǎng)的地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)易受攻擊，處于“長距離連接”階段。網(wǎng)絡(luò)配置需要進(jìn)行深度優(yōu)化。與此同時，隨著新能源和微電網(wǎng)的快速發(fā)展，大量分布式電源的引入無疑給配電網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1]。電力系統(tǒng)迫切需要引入新的技術(shù)手段來改善配電網(wǎng)的動態(tài)安全分析，有效監(jiān)測和預(yù)測配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，線路參數(shù)的測量，故障的位置實(shí)時并提高配電網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。有效監(jiān)控和記錄雙向能量流的能力以及穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)和故障實(shí)時電力系統(tǒng)的更復(fù)雜狀態(tài)是配電網(wǎng)絡(luò)中的一個緊迫問題。目前，依靠監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SupervisoryControlAndDataAcquisition,SCADA)和故障錄波裝置所提供的的配電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)自動化全面管理的配電網(wǎng)管理系統(tǒng)(DistributionManagementSystem,DMS)已被廣泛應(yīng)用，其對于配電網(wǎng)的運(yùn)行、控制和優(yōu)化十分有效。但是，傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)和故障錄波裝置偏向于穩(wěn)態(tài)和類穩(wěn)態(tài)類穩(wěn)態(tài)下電網(wǎng)的數(shù)據(jù)監(jiān)視和安全監(jiān)測,,不能完善地對電力系統(tǒng)的動態(tài)行為進(jìn)行監(jiān)測分析[2~4]。最近幾年，廣域量測系統(tǒng)(Wide-areaMeasurementSystem,WAMS)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日漸增多,為電力系統(tǒng)分析和控制領(lǐng)域提供了新的視角和技術(shù)手段。WAMS以同步相量測量單元(PhasorMeasurementUnit,PMU)為其核心測量裝置[5],為大型電網(wǎng)的廣域量測和控制提供了廣闊的發(fā)展空間,已經(jīng)成為各個國家研究發(fā)展的熱門課題[6~7]。在全世界統(tǒng)一的時間標(biāo)簽前提下,它可以得到全部電力系統(tǒng)的瞬時動態(tài)數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)信息,以用來監(jiān)視保護(hù)控制大型系統(tǒng),把大型互聯(lián)系統(tǒng)的監(jiān)測控制從穩(wěn)態(tài)或者類穩(wěn)態(tài)階段延伸至?xí)簯B(tài)階段。廣域量測系統(tǒng)在判斷和控制系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)情況下系統(tǒng)數(shù)據(jù)的記錄和事故后追憶[8~9]、系統(tǒng)低頻振蕩診斷及控制、系統(tǒng)頻率穩(wěn)定監(jiān)測和控制、全局反饋控制[10]、非穩(wěn)態(tài)建模判斷和系統(tǒng)辨識、在線識別預(yù)防與控制、模型檢驗(yàn)和參數(shù)修正[11]、故障測距及輸電線數(shù)據(jù)量測等領(lǐng)域都有廣闊的研究前景[12]。由于配電網(wǎng)相量在線數(shù)據(jù)量測的價(jià)值愈加明顯,求取精確的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相量數(shù)據(jù),通過采樣信息迅速做出決斷、實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度自動控制,是未來實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度關(guān)鍵所在[13]。以上課題不僅要求量測水平和互感器具有高精確度、可靠性,也要求數(shù)據(jù)集中分析系統(tǒng)高度智能化。1.2WAMS的研究現(xiàn)狀與發(fā)展1.2.1美國WAMS研究現(xiàn)狀WAMS技術(shù)在美國最先進(jìn)行研究[14]。1993年弗吉尼亞理工大學(xué)成功研發(fā)了全世界首臺PMU,并由GPS精確校時。1994年,首批PMU在美國西部電力協(xié)調(diào)聯(lián)盟(WesternElectricCoordinatingCouncilregion,WECC)掛網(wǎng)運(yùn)行。1995年,廣域電力系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)獲得了美國能源部的扶持并在WECC首次應(yīng)用[17~18]。20世紀(jì)末期的某年秋季,美國的某地區(qū)發(fā)生大面積停電事故,廣域電力系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)獲得的相量采集結(jié)果準(zhǔn)確地記錄了電力系統(tǒng)薄弱崩潰前的一段時間內(nèi)相角差的增長和崩潰前、解列中、停電后的所有過程。針對此類實(shí)時采樣結(jié)果的剖析給電網(wǎng)的再次同步奠定了重要理論實(shí)踐基礎(chǔ)。但是故障錄波儀并沒有完全錄入解列的動態(tài)變化數(shù)據(jù),SCADA系統(tǒng)同樣沒有能具體記錄到電網(wǎng)崩潰時各個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)相角差的改變。此次事件更加證明了PMU在中長期暫態(tài)動態(tài)量測中具有之前數(shù)據(jù)采集裝置SCADA無法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵作用[19]。截止到2009年初,北美東西部電網(wǎng)各有超過60臺PMU[20],專門用于監(jiān)測電網(wǎng)關(guān)鍵的母線節(jié)點(diǎn),如電廠變電站等。它可以用于監(jiān)測系統(tǒng)頻率、相量、有功和無功功率,功率因數(shù)等電氣參數(shù)。經(jīng)過長時間的調(diào)試,現(xiàn)已經(jīng)能成功地應(yīng)用于系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)狀況的記錄分析、電網(wǎng)振蕩監(jiān)測以及電網(wǎng)各個元件的參數(shù)修正和模型檢驗(yàn)。并且,各國學(xué)者們?nèi)栽诜e極研究廣域量測系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持下的狀態(tài)估計(jì)、系統(tǒng)辨識、電網(wǎng)諧波的實(shí)時監(jiān)測、基于GIS系統(tǒng)的量測數(shù)據(jù)拓?fù)浠雀呒墧U(kuò)展功能。除了上述研究,部分高校還帶頭構(gòu)建示范性的花費(fèi)較少的二次側(cè)120V配電網(wǎng)的頻率監(jiān)視網(wǎng)(FrequencyMonitoringNetwork,FNET),現(xiàn)已能覆蓋德州電力可靠聯(lián)盟、東西部互聯(lián)電網(wǎng)協(xié)調(diào)聯(lián)盟等美國電力系統(tǒng)。該網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)綜合其計(jì)算得出的結(jié)論驗(yàn)證了配電網(wǎng)等電力系統(tǒng)也能反映出主網(wǎng)系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)過程信息。當(dāng)前該網(wǎng)可以完成電力系統(tǒng)事故的即時報(bào)警、故障測距、智能化及事故追憶等諸多任務(wù),為電力系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)過程監(jiān)視打開了全新的視野,近年此系統(tǒng)也廣泛裝設(shè)在南美、亞洲等地區(qū)[21~23]?？v觀廣域量測系統(tǒng)的工程實(shí)踐實(shí)例,雖然美國是WAMS的搖籃且研究歷史最久、覆蓋地域最大,然而由WAMS在線采集的數(shù)據(jù)結(jié)果大部分提供給電力系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)量測和事故后的剖析,在大型互聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定性控制等方面稍顯不足,仍須進(jìn)一步的理論研究和實(shí)踐開發(fā)。1.2.2國內(nèi)WAMS研究現(xiàn)狀20世紀(jì)末期,我國的廣域量測技術(shù)得以發(fā)展,主要由研究院、高校、制造商和部分電力公司進(jìn)行具體技術(shù)的研發(fā)。1995年由臺灣歐華公司協(xié)助中國電力科學(xué)研究院的科研團(tuán)隊(duì),成功設(shè)計(jì)開發(fā)出了中國首個自主研發(fā)的PMU。在南網(wǎng)超高壓的天廣線裝設(shè)2臺PMU,目的就是監(jiān)測兩個互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的相位震蕩,我國首套廣域測量系統(tǒng)就此誕生。此后不久,我國電力公司調(diào)度中心相繼在很多互聯(lián)電網(wǎng)的主干線上裝設(shè)了實(shí)時相量測量設(shè)備,大體上構(gòu)建了中國的區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的相角量測系統(tǒng)。21世紀(jì)初,在網(wǎng)服役的PMU近30臺。但由于無法突破通信的束縛,早期的相量測量裝置整體性能嚴(yán)重不足,信息傳遞效率略顯低下,即時應(yīng)用十分有限,全網(wǎng)設(shè)備尚無規(guī)范的約束標(biāo)準(zhǔn)。隨后,國家電網(wǎng)公司下的各個省級公司結(jié)合本地區(qū)電網(wǎng)的自身狀況,陸續(xù)布置了約十個WAMS,裝設(shè)了約百臺PMU裝置。這段時間的相量測量單元整體性能有了本質(zhì)的變化,提高了通訊平臺,各個功能均有了質(zhì)的飛躍,中國廣域量測系統(tǒng)在此時期取得了飛速進(jìn)步。近些年,中國主干網(wǎng)架的廣域量測系統(tǒng)均已開始運(yùn)行,已實(shí)際裝設(shè)的相量測量裝置已經(jīng)不少于八百套[9]。研發(fā)中和運(yùn)行中的WAMS的功能大致分為兩種:(1)基礎(chǔ)功能。大致有收集集中各站PMU的實(shí)時數(shù)據(jù);監(jiān)視分析廣域大電網(wǎng)的實(shí)時狀態(tài);暫態(tài)下數(shù)據(jù)的收集和事故追憶。(2)擴(kuò)展功能。有大型電廠實(shí)時功角監(jiān)視;功角穩(wěn)定性分析和及時報(bào)警;電力系統(tǒng)實(shí)時辨識;系統(tǒng)中各母線節(jié)點(diǎn)相角的監(jiān)視及狀態(tài)監(jiān)控;對于系統(tǒng)建立的模型正確性的檢驗(yàn)和參數(shù)的校驗(yàn)、狀態(tài)估計(jì)、廣域保護(hù)、實(shí)時在線決策、高壓交直流阻尼控制;基于PMU數(shù)據(jù)的雙端故障測距等[24~25]。目前,國內(nèi)相量測量單元與國外而言,其實(shí)時性、精確度等并無明顯差距。對于負(fù)荷建模、參數(shù)修正及實(shí)時監(jiān)測上,國內(nèi)外基本保持一致。而對于電力系統(tǒng)在線暫態(tài)監(jiān)測、電力系統(tǒng)實(shí)時過程監(jiān)視和調(diào)控及應(yīng)用相角差的主網(wǎng)失步控制等功能和工程實(shí)踐方面,國內(nèi)外相比卻稍顯不足。1.2.3全球其他地區(qū)WAMS研究現(xiàn)狀歐洲北部幾個國家聯(lián)接而成的北歐電網(wǎng)利用相量測量單元的區(qū)域電網(wǎng)頻率相位一致的特性得到機(jī)電震蕩狀態(tài)結(jié)果,目前在積極研發(fā)HVDC、SVC、PSS的大區(qū)域閉環(huán)測量系統(tǒng),以期加強(qiáng)北歐電力系統(tǒng)區(qū)間振蕩的阻尼特性。同步進(jìn)行的科研還有將之前SCADA進(jìn)行合并問題、相量測量單元通訊的需求問題和程度隊(duì)列。冰島的電力系統(tǒng)通過弱聯(lián)系的聯(lián)絡(luò)傳輸線與其他電網(wǎng)聯(lián)系,所以特地安裝了7臺相量測量單元來進(jìn)行同步監(jiān)測聯(lián)絡(luò)線阻尼[26~27]。以俄羅斯為首的十多個國家的互聯(lián)系統(tǒng)如果大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,就將標(biāo)志著半個地理時區(qū)的超大聯(lián)合電力系統(tǒng)的構(gòu)建,成為全球地域最廣的跨地區(qū)互聯(lián)大電網(wǎng)。該區(qū)域電力系統(tǒng)的廣域量測系統(tǒng)大體完成機(jī)電振蕩等系統(tǒng)事故的監(jiān)測和控制,也能完成每年6次的干擾辨識、具體參數(shù)檢驗(yàn)等具體的實(shí)時建模校驗(yàn)。南美UFSC大學(xué)和當(dāng)?shù)啬硰S商在當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門的援助下,于2003年MedFasee項(xiàng)目正式開啟,截止到2008年9所高校聯(lián)合開發(fā)了低電壓等級的相角量測系統(tǒng)LVPMS,基本監(jiān)控了該國所有電力系統(tǒng)。在此研究進(jìn)行之時,2007年該大學(xué)與該國的供電局Eletrosul,于多個子站分別啟動高電壓相角測量系統(tǒng)HVPMS。通過安裝的WAMS對較大干擾下電力系統(tǒng)故障實(shí)時錄入成功地實(shí)現(xiàn)了大區(qū)域電力系統(tǒng)建模校正[28~29]。墨西哥具備十余年的應(yīng)用PMU量測結(jié)果的事故記錄和事件追憶操作經(jīng)歷。2008年已經(jīng)在本國電力系統(tǒng)和其他互聯(lián)電力系統(tǒng)內(nèi)裝設(shè)了多個地區(qū)的PDC。該WAMS系統(tǒng)SIMEFAS中安裝了近150余臺各個制造商研發(fā)的PMU及其繼保裝置。墨西哥正在研發(fā)應(yīng)用廣域量測系統(tǒng)的自動化發(fā)電優(yōu)化策略(AutomaticGenerationSheddingSchemes,AGSSs),并同步研發(fā)具有監(jiān)測記錄風(fēng)電并網(wǎng)動態(tài)過程的量測設(shè)備[30~31]。同步相量測量設(shè)備多數(shù)安裝在多個日本東北部的主要發(fā)電站和多個超高壓變電站,各個附屬相量量測單元每秒采樣25次相量,應(yīng)用高速無線信息技術(shù)通訊,采樣結(jié)果上傳到總站的速度約為每秒5次。此區(qū)域電網(wǎng)的WAMS系統(tǒng)對于暫態(tài)過程監(jiān)控,PSS、SVC設(shè)備校驗(yàn)、發(fā)電機(jī)的阻尼檢測方面有所建樹。除此之外,多個日本高校利用近十臺Toshiba公司制造的商用相量測量單元構(gòu)建了一個配電網(wǎng)校園WAMS(CampusWAMS),涵蓋日本西部地區(qū)電力系統(tǒng)所有自主運(yùn)營的供電公司,其作用就是電力系統(tǒng)暫態(tài)過程監(jiān)測及示范所用[32~33]。韓國21世紀(jì)初啟動研究開發(fā)WAMS,裝設(shè)二十余個全網(wǎng)監(jiān)視裝置,采樣結(jié)果與數(shù)據(jù)集中器通訊速度為10Hz?，F(xiàn)在的監(jiān)視功角電壓穩(wěn)定性問題,已可以達(dá)到實(shí)時在線安全預(yù)估,也擁有暫態(tài)數(shù)據(jù)錄波、事故追憶、電網(wǎng)穩(wěn)定監(jiān)視等功能。除了以上功能,其也正研發(fā)廣域頻率監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用[34]。1.3配電網(wǎng)PMU的研究現(xiàn)狀廣域量測系統(tǒng)為電力系統(tǒng)在線過程測量問題提供了辦法,在改進(jìn)電網(wǎng)在線監(jiān)視能力和狀態(tài)估計(jì)精度方面起到了不錯的效果。但是輸電網(wǎng)常規(guī)PMU應(yīng)用于我國配電網(wǎng)時存在的問題也愈加突出:(1)傳統(tǒng)輸電網(wǎng)PMU成本過高。我國地域廣闊,電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)眾多,結(jié)構(gòu)各異,就算只裝設(shè)在1/3的主干線上,花費(fèi)就無法承受,所以迫切要解決的是降低傳統(tǒng)輸電網(wǎng)相量測量裝置的成本問題。(2)PMU的安裝地點(diǎn)及通信問題。當(dāng)前輸電網(wǎng)PMU多數(shù)安裝在大型火力發(fā)電廠、樞紐變電站等重要母線中樞點(diǎn),基本釆用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊,尚未充分利用最近高度發(fā)展的通訊手段,通訊受限于專用網(wǎng),少數(shù)需要特別關(guān)注的系統(tǒng)負(fù)荷中樞點(diǎn)將無法進(jìn)行監(jiān)測,同時光纖網(wǎng)路裝配和維修比較復(fù)雜。(3)傳統(tǒng)輸電網(wǎng)PMU基本都應(yīng)用某一全球定位系統(tǒng)授時。主動權(quán)在開發(fā)國手中,且GPS的局部模糊策略早已完善,有本國停用全球定位系統(tǒng)后裝置得不到秒脈沖信號的可能,同時,其準(zhǔn)確度也會受到系統(tǒng)維護(hù)的影響。我國電力系統(tǒng)核心問題尋找完全可靠的后備統(tǒng)一時鐘源特別必要而且具備十分深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。(4)近年來,隨著特高壓工程的長足發(fā)展、風(fēng)光儲等聯(lián)合分布式電源的高滲透率,配電網(wǎng)對主網(wǎng)安全的反映和地位越來越高,近年滿足配電網(wǎng)監(jiān)控功能的PMU及配電網(wǎng)WAMS是尚需填補(bǔ)的空白領(lǐng)域[35],亟待深入研究。1.4配電網(wǎng)PMU的應(yīng)用前景傳統(tǒng)意義上,PMU主要用于輸電系統(tǒng)中。然而,隨著DER在配電系統(tǒng)中的大量分布,和更快的動態(tài)有源負(fù)載的可預(yù)測滲透,配電網(wǎng)的穩(wěn)定監(jiān)測和控制的情況就會改變。此時的配電網(wǎng)狀態(tài)的監(jiān)測和控制就必須要借助配電網(wǎng)PMU這類高精度動態(tài)監(jiān)測設(shè)備來完成。以下是配電網(wǎng)PMU的幾種基礎(chǔ)功能和應(yīng)用前景。(1)穩(wěn)定性分析和監(jiān)視隨著DER的高度滲透,特別是如果配電網(wǎng)很脆弱,由于前期投資可能不及時,穩(wěn)定性可能成為一個重要問題。DER的存在致使暫態(tài)穩(wěn)定,長期動態(tài)穩(wěn)定,還有電壓穩(wěn)定需要深入研究,頻率穩(wěn)定僅僅在非常高滲透等級才會成為上述問題之一。快速改變的動態(tài)負(fù)載,比如,電動車充電站,也像DER一樣可能產(chǎn)生相同的并發(fā)癥。以上情況導(dǎo)致配電系統(tǒng)可能經(jīng)歷快速的電壓,有功功率,無功功率,或者可能甚至是頻率波動,所以要求準(zhǔn)確的相量量測量。這些沖擊尤其在有時需要孤島運(yùn)行的微網(wǎng)上是不可忽視的。PMU可以通過提供系統(tǒng)常規(guī)、非常規(guī)操作模式下的動態(tài)過程捕捉來改善監(jiān)視情況。還有,因?yàn)榕潆娋W(wǎng)變得更加動態(tài)化,會有一些只用配電網(wǎng)等級的PMU來監(jiān)視和分析的輸電網(wǎng)穩(wěn)定性事件。(2)保護(hù)由于傳統(tǒng)輻射式配電網(wǎng)保護(hù)使用過電流保護(hù)裝置,它可以發(fā)現(xiàn)故障并解列下游線路,DER的引入系統(tǒng)引起了雙向潮流和可能的相角誤差。后者可以利用PMU來定位。保護(hù)中另一個關(guān)心的問題就是關(guān)于重合閘重合動作時產(chǎn)生的固定相角。這在大量不離線DER滲透和大量旋轉(zhuǎn)機(jī)械負(fù)載的情況下是尤其困難的問題。PMU可以用來監(jiān)視相角并在系統(tǒng)馬上失步時關(guān)閉自動重合閘。這可以實(shí)現(xiàn)重合操作更快速,減少瞬間電力中斷的不便。雙向潮流就要求過電流功能必須有方向。這通常通過觀察電壓電流波形來實(shí)現(xiàn)。然而,為了避免在低壓網(wǎng)絡(luò)上安裝電壓測量裝置,人們提出一些方法,他們認(rèn)為電流波形的相角變化可以進(jìn)行故障定位。在配電網(wǎng)等級下,相角的變化是微秒級的,因此準(zhǔn)確的相角測量裝置是必要的。(3)狀態(tài)估計(jì)總的來說,PMU可以直接測量狀態(tài)相量,所以PMU在狀態(tài)估計(jì)中有很大作用,狀態(tài)相量由電壓幅值和電角度組成。因此值得注意的是在增加準(zhǔn)確性的同時減少估計(jì)裝置的計(jì)算時間。雖然配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)不能在目前得到廣泛應(yīng)用,但它可以給系統(tǒng)帶來很多益處,比如,驗(yàn)證電容和調(diào)節(jié)器的狀態(tài)的參數(shù)估計(jì),還有估計(jì)導(dǎo)體尺寸。另一方面,提出了利用PMU的實(shí)時狀態(tài)估計(jì)來預(yù)測系統(tǒng)狀態(tài),用微分方程控制系統(tǒng)行為。這可以應(yīng)用于小規(guī)模系統(tǒng),比如微網(wǎng)、工業(yè)園區(qū)或者船舶電力系統(tǒng)。(4)電壓/無功/功率控制傳統(tǒng)配電網(wǎng)的有功無功功率平衡方程是基于類穩(wěn)態(tài)值所描述的,與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相反,帶有DER和有源負(fù)載的現(xiàn)代電網(wǎng)就需要更加動態(tài)的處理辦法。這在小規(guī)模電力系統(tǒng)中尤其重要,比如,微網(wǎng)和船舶電力系統(tǒng),這些場合的相角在不考慮準(zhǔn)確性降低的情況下是不容忽視的。這個問題的動態(tài)建模要求利用瞬間有功無功功率量,通過瞬間電壓電流量測得。(5)故障定位故障定位和測距算法是基于行波現(xiàn)象原理實(shí)現(xiàn)的;就其本身而言,不需要使用PMU提供的電氣角度信息,而是利用PMU時鐘產(chǎn)生的準(zhǔn)確時間標(biāo)簽數(shù)據(jù)。在這里PMU提供的附加時間信號是準(zhǔn)確的。然而其他方法幾公里的誤差可能對于保護(hù)繼電器來說是可以接受的,但是對于需要找到并修理線路的工作人員卻是很頭疼的。這種精確故障定位能力也可以讓自動恢復(fù)程序精確定位需要找到的故障地點(diǎn)。PMU也可以用來協(xié)助平行線路的故障檢測,而這在配電網(wǎng)中可能變得越來越普遍。(6)快速動態(tài)負(fù)載可以預(yù)見,在未來的運(yùn)輸中,電動車輛將占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然當(dāng)前這些車輛只利用電網(wǎng)來給電池蓄電,但是可以預(yù)見電動車輛在需要時可以作為移動電能儲備接入電網(wǎng)。這種行為通常稱為V2G,可以理論上實(shí)現(xiàn)削減負(fù)荷峰值,平滑可再生能源發(fā)電機(jī),還可以在意外中斷時充當(dāng)電能儲備。V2G的應(yīng)用可以讓大量車輛在充電站?？砍潆?或者大量私人車輛連接到他們自己的充電電極上。然而,一些研究人員則認(rèn)為利用電動車輛來安排發(fā)電和削峰填谷不如利用技術(shù)提供附屬服務(wù)有利,比如提供旋轉(zhuǎn)備用和電壓頻率調(diào)整。傳統(tǒng)意義上,由于相對的低速V2G通信和活化系統(tǒng),電動車輛不會參與成為主要儲備服務(wù);然而,如果帶有像PMU這樣的就地快速反應(yīng)頻率測量裝置,成為主要儲備將可能完成。年來,隨著特高壓工程的長足發(fā)展、風(fēng)光儲等聯(lián)合分布式電源的高滲透率,配電網(wǎng)對主網(wǎng)安全的反映和地位越來越高,近年滿足配電網(wǎng)監(jiān)控功能的PMU及配電網(wǎng)WAMS是尚需填補(bǔ)的空白領(lǐng)域,亟待深入研究。下圖1-1為輸電網(wǎng)PMU和配電網(wǎng)PMU裝設(shè)地點(diǎn)對比示意圖。圖1-1輸電網(wǎng)PMU和配電網(wǎng)PMU裝設(shè)地點(diǎn)對比1.5本文的主要工作本文通過深入研究對傳統(tǒng)輸電網(wǎng)PMU的背景,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究趨勢,遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)的研究狀況和研究趨勢，以及配電網(wǎng)對分布式電源的大規(guī)模接入狀態(tài)主要完成了以下任務(wù)：:(1)研究開發(fā)分析高滲透，大規(guī)模分布式供電后的配電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)絡(luò)的變化，以及對配電網(wǎng)和主網(wǎng)穩(wěn)定監(jiān)測控制帶來的新的挑戰(zhàn),得出了未來配電網(wǎng)大規(guī)模接入分布式電源后,配電網(wǎng)PMU將成為無法替代的新一代測量裝置,它將完成對電力系統(tǒng)監(jiān)測與控制等諸多任務(wù);(2)總之，我們總結(jié)和分析了現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)管理單元（PMU）的高成本，安裝和維護(hù)的難度以及安裝通信線路的難度。該缺點(diǎn)直接阻止現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)PMU直接應(yīng)用于分配網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視和控制。需要一種適用于未來配電網(wǎng)絡(luò)的新型儀表，易于以低成本安裝并且不需要專用通信線路。(3)研究分析配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)其分布特點(diǎn)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。(4)應(yīng)用上述相量測量算法,研發(fā)了一種配電網(wǎng)微型PMU裝置,包括軟硬件架構(gòu),模塊選型,裝置的封裝和調(diào)試等;(5)對該裝置的性能、測量精度、實(shí)時性、誤差等進(jìn)行測試。第2章同步相量測量原理及算法概述2.1引言同步相量測量原理是實(shí)現(xiàn)PMU同步相量測量裝置的理論基礎(chǔ)，本章主要介紹了同步相量測量原理及相關(guān)算法。在介紹了基本原理之后，我們將比較主相量測量算法的優(yōu)缺點(diǎn)。測量算法的初步選擇證明了設(shè)備的進(jìn)一步設(shè)計(jì)。2.2同步相量測量原理我國電力系統(tǒng)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工頻電信號為精確的50Hz正弦穩(wěn)態(tài)信號。頻率不變正弦量能夠用幅值大小不變或微小震蕩，相角在角度內(nèi)震蕩的形式表征，正余弦信號波形中的過零點(diǎn)代表該點(diǎn)的相位。信號的計(jì)時起點(diǎn)與波形的性質(zhì)有很大關(guān)系，波形為余弦時的計(jì)時起點(diǎn)是極大值位置處，如圖2-1(a)所示，信號為正弦波形時的計(jì)時起點(diǎn)是波形過零點(diǎn)，如圖2-1(b)所示。圖2-1相量的表示依據(jù)規(guī)范電力系統(tǒng)相量由有效值X和相角構(gòu)成，系統(tǒng)相量用余弦波表示即為： xt= 其中X代表電氣量相量的幅值的方均根，ω代表余弦波形的角頻率，φ代表其初相。如式（2-1）指定波形極大值點(diǎn)的初相是零，而波形過零點(diǎn)處的角度則為?π/2,如圖2-2所示。定義0時刻初相角為φ，波形某一點(diǎn)t時的相角即ω圖2-2信號波形與相位的關(guān)系由相角與頻率、時間的對應(yīng)關(guān)系即得知，當(dāng)f=50Hz時，固定不變；當(dāng)f>50Hz時，相角隨時間遞增；當(dāng) dφdt=2πf?f依據(jù)規(guī)范電力系統(tǒng)相量由有效值X和相角構(gòu)成，所以計(jì)算相量的方法就是同步獲取有效值和相角數(shù)據(jù)。然而相同波形在各異的時間標(biāo)簽下，獲取的相量數(shù)據(jù)是不盡相同的，其值基于標(biāo)準(zhǔn)時間標(biāo)簽。因此在相同時間標(biāo)簽制約下，電力系統(tǒng)的相量數(shù)據(jù)才是有效的，高精度的全球同步衛(wèi)星授時完全有能力為相角的測量提供統(tǒng)一的時間標(biāo)簽當(dāng)做基準(zhǔn)。在相同的時間標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之下，便可計(jì)算不同地區(qū)的任何不同相量的相角差。此方法即為相量測量的基本原理[36]。2.3同步相量測量算法同步相量的獲取依賴有高度準(zhǔn)確的GPS信號實(shí)時校時，相量數(shù)據(jù)與時間標(biāo)簽對應(yīng)后，與調(diào)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之后根據(jù)時間標(biāo)簽二次同步，以完成實(shí)時的在線監(jiān)視與調(diào)控。采樣結(jié)果由統(tǒng)一時間標(biāo)簽基準(zhǔn)的特性使相量能夠進(jìn)行運(yùn)算[37]。同步相量的計(jì)算有三要素：全網(wǎng)相同的時間標(biāo)準(zhǔn)脈沖、統(tǒng)一時標(biāo)數(shù)據(jù)還有相量測量算法。有關(guān)于時間信息數(shù)據(jù)和同步秒脈沖的研究技術(shù)相對完善，本節(jié)重點(diǎn)對幾種相量測量算法進(jìn)行綜述，相量測量算法是研發(fā)PMU裝置的核心技術(shù)之一。目前相對成熟的相量測量算法有過零檢測法[38-39]、離散傅里葉變換法[40]、最小二乘法、牛頓法[41]、卡爾曼濾波法[42]、瞬時值法[43]、小波變換法[44]等。以上方法的原理可以在很多文獻(xiàn)上查閱到，不再贅述，本節(jié)著重分析幾種算法的優(yōu)劣和實(shí)用價(jià)值。2.3.1過零檢測法測量數(shù)據(jù)覆蓋了電氣量的所有波形點(diǎn)，對于工頻周波的采樣間隔為20ms。它的原理不復(fù)雜，易于通過軟硬件的配合來實(shí)現(xiàn)。然而電力系統(tǒng)的相量只能完成對頻率相位進(jìn)行量測，工程實(shí)踐中電信號幅值的采樣無法實(shí)現(xiàn)，只能通過其他途徑進(jìn)行采樣，而且該方法的理論基礎(chǔ)是電網(wǎng)頻率時時恒定，其采樣數(shù)據(jù)結(jié)果很大程度上受高次諧波和系統(tǒng)噪聲的干擾，在線計(jì)算能力一般。而且過零檢測法在正負(fù)序變換上也必須借助硬件來完成，實(shí)際電路中，誤差也取決于電路運(yùn)行外部環(huán)境的溫濕度?？傮w上，過零檢測法原理簡單易設(shè)計(jì)，在電網(wǎng)相量量測的實(shí)現(xiàn)上功不可沒，卻由于無法估計(jì)的誤差問題和受電網(wǎng)運(yùn)行狀況影響大等多方面因素難以應(yīng)用于越來越嚴(yán)苛的現(xiàn)代電力系統(tǒng)相量量測中。2.3.2離散傅里葉變換法該方法可算是數(shù)字信號處理的最常見有效的方法之一，在電網(wǎng)信號的數(shù)據(jù)在處理時也多數(shù)采用在此方法上衍生出的離散傅里葉變換法(DFT)?？傮w思想即：PMU裝置將GPS時間信號作為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，處理器內(nèi)部時鐘信號的秒脈沖與GPS全球同步秒脈沖保持一致，通過秒脈沖的邊沿觸發(fā)來校正各周期第一次相量量測的采樣時刻，誤差不超過100ns。利用此方法可計(jì)算出工頻信號的相量與其DFT的基波分量關(guān)系： (2-3)由此易知其幅值和相角各自為： (2-4) (2-5)此法可以對高次諧波進(jìn)行良好的處理和濾除，濾掉整次諧波分量，而且也比較容易設(shè)計(jì)，是相量量測領(lǐng)域不可或缺的優(yōu)秀算法，因此大量應(yīng)用在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中。然而在應(yīng)用中也會產(chǎn)生一些差強(qiáng)人意的弊端。我國電力系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)50Hz工頻量，如果采樣結(jié)果與傅里葉變換的假設(shè)吻合時，則該方法能計(jì)算得出正確的相量。但于工程應(yīng)用時，電力系統(tǒng)的頻率不滿足標(biāo)準(zhǔn)工頻信號，即便穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中頻率也是在工頻左右擺動，所以就會使得通過普通DFT計(jì)算相量結(jié)果時會產(chǎn)生不同的方式：(1)同步采樣；(2)非同步采樣。如果在每個點(diǎn)對周期為T的工頻相量進(jìn)行等間距采樣，同步采樣必須滿足： (2-6) (2-7)其中，Ts為采樣的時間間隔，N為數(shù)據(jù)的個數(shù)。式(2-6)說明了達(dá)到同步的條件之一為相同的采樣頻率，式(2-7)說明了另一個要求為電路采樣頻率為其原始頻率的N倍。達(dá)到以上兩條標(biāo)準(zhǔn)的采集結(jié)果實(shí)行DFT算法能夠算出確切的相量數(shù)據(jù)，但是這些計(jì)算結(jié)果會隨著電網(wǎng)實(shí)際頻率變化。但如果不確定采樣間隔為電網(wǎng)真實(shí)頻率的N倍時的異步相量測量結(jié)果進(jìn)行DFT變換會發(fā)生混疊現(xiàn)象。如果不加入補(bǔ)償，真實(shí)頻率即便與工頻有極其微小的差距也可能使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)大幅度的偏差，而這就不能保證相量計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確無誤。2.3.3其他算法介紹(1)卡爾曼濾波算法(KalmanFilterAlgorithm,KFA)。此算法原理為逐次估計(jì)所有所需相量，如何準(zhǔn)確建模和估計(jì)狀態(tài)變量及協(xié)方差矩陣的初始值就是此算法順利實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵所在。在工程中會因?yàn)榻？紤]不周全等導(dǎo)致相量計(jì)算結(jié)果不正確。(2)小波變換法。此算法是采用時-頻標(biāo)尺函數(shù)實(shí)現(xiàn)變化的波形的采樣，避免了DFT算法與頻率無相關(guān)性的弊端，在改善時頻性質(zhì)上能起到很好的效果。該算法依靠的是小波函數(shù)的正確性，雖然自適應(yīng)修正適用于很多小波包等，然而要想計(jì)算結(jié)果與想要的結(jié)果達(dá)到一致，就要犧牲計(jì)算的速度和效率。2.4算法的研究趨勢及本文采用算法頻率和相角是同步相量量測的最主要的檢測相量數(shù)據(jù)。頻率監(jiān)測是電網(wǎng)監(jiān)控和可靠性分析的根本所在[45~46]。國內(nèi)外對于相量量測算法的研究和改進(jìn)已經(jīng)非常多。以下會對近來應(yīng)用比較廣泛的主流算法進(jìn)行簡要概述。文獻(xiàn)[47]中就實(shí)際系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定的情況，研制出了獨(dú)特的陷波器，而且其濾波器是非半通，這種方案可以有效減少計(jì)算的工作量，可以實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)定頻率下的精確相量；但在系統(tǒng)頻率發(fā)生躍變時的計(jì)算結(jié)果會有明顯的延遲和不準(zhǔn)確的情況。文獻(xiàn)[48]敘述了一種利用小波尺度因子和遞歸小波來進(jìn)行相量量測的方法，此算法自適應(yīng)能力較強(qiáng)，不僅可以免疫大波動信號干擾，而且無需頻率為精確的50Hz信號；此法應(yīng)用了一種遞歸形式的小波基原理，采樣時長約為3.5個周波，但這個采樣頻率并不能完全適應(yīng)所有繼保設(shè)備的相量量測。文獻(xiàn)[49]對泰勒逼近法進(jìn)行改良以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的相量量測計(jì)算，這種方法在工程應(yīng)用中比較易于實(shí)現(xiàn)；然而電力系統(tǒng)的非周期分量和高頻分量會干擾量測結(jié)果，對信號源的濾波處理就是該方法能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[50]中為應(yīng)對異步采樣無法避免的混疊問題并準(zhǔn)確分離出波形各分量，對相量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正，使得量測精度滿足要求；然而此算法依然存在電網(wǎng)有大擾動時，計(jì)算結(jié)果偏差大的弊端。文獻(xiàn)[51]改進(jìn)了DFT算法從而達(dá)到當(dāng)電網(wǎng)有較大擾動的情況下并不影響其檢測出信號基波分量，并且無需計(jì)算相角和頻率；但此算法的弊端在于如果信號偏差過大，此法的效率極低甚至不收斂。近年，相量量測算法的總體概況是：從算法角度，漸漸完善對系統(tǒng)的建模，保證量測值無限逼近于實(shí)際值，最大限度抑制直流分量和高次諧波等對量測結(jié)果造成的誤差，從而提取出基波分量，精確計(jì)算出其頻率和相角。從電路角度，提升信號處理的精確等級，提升處理芯片的運(yùn)算速度，提升采樣芯片的精確等級和效率。從量測域來看，從過去著重穩(wěn)態(tài)和類穩(wěn)態(tài)的相量量測向著更加動態(tài)，更加多元化的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，把相量量測變?yōu)閯討B(tài)的安全監(jiān)測控制問題。DFT算法在采樣窗和采樣周期得當(dāng)時，效果是所有方法中最好的一種，也因此成為了相量量測的主流算法。同步采樣情況下的DFT要求采樣間隔必須與標(biāo)準(zhǔn)工頻信號匹配；而在應(yīng)用該算法時，當(dāng)二者不匹配時，將發(fā)生采樣不全，混疊等錯誤。實(shí)際的電力系統(tǒng)的頻率并非恒定，因此，以恒定工頻為前提計(jì)算得出的相量量測結(jié)果并不能準(zhǔn)確真實(shí)地反映當(dāng)前電網(wǎng)的狀態(tài)。實(shí)際工程中，一般采用以下方法來克服此弊端：(1)鎖相環(huán)同步測量方法；(2)自適應(yīng)采樣法；(3)等間隔釆樣的DFT修正法。其中等間隔采樣的DFT修正算法，也叫做定間隔采樣的DFT修正算法。該方法的采樣頻率恒定，為確保相量量測數(shù)據(jù)的精確程度，對DFT變化加以改進(jìn)，加入頻率泄露補(bǔ)償來抵消偏差。依照《電力系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的內(nèi)容，PMU應(yīng)以固定的采樣間隔進(jìn)行采樣，而且應(yīng)滿足相量量測的精度和速度要求，近年來高端測量設(shè)備的普及和開發(fā)利用，讓這種等間隔采樣的DFT修正算法迅速成為各種相量量測方法中應(yīng)用最為廣泛的一種，本文設(shè)計(jì)采用此算法作為本文裝置量測基礎(chǔ)算法。2.5本章小結(jié)本章對電力系統(tǒng)相量的概念和相量的表示方法進(jìn)行了詳盡地介紹；對相量測量原理進(jìn)行了詳細(xì)地闡述；具體介紹了目前比較主流的相量測量算法及其優(yōu)缺點(diǎn)比較；在對上述內(nèi)容進(jìn)行深刻的研究學(xué)習(xí)后，本文針對配電網(wǎng)PMU采用DFT算法進(jìn)行同步相量測量的計(jì)算，利用等間隔采樣修正克服采樣不全、混疊等問題，確定了離散傅里葉變換作為本文的相量測量算法。東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文第3章遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺設(shè)計(jì)3.1引言實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)全網(wǎng)個監(jiān)測點(diǎn)的同步相量測量，通信網(wǎng)絡(luò)是必不可少的一部分。本章根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提出一種配電網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時介紹主流數(shù)據(jù)傳輸方案，對比其優(yōu)缺點(diǎn)及MQTT協(xié)議，為后續(xù)測試做鋪墊。3.2配電網(wǎng)微型PMU遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)一般呈現(xiàn)輻射裝，分布具有區(qū)域集中的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)根據(jù)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，將系統(tǒng)架構(gòu)分為二層分級網(wǎng)絡(luò)。單個微型PMU裝置被安裝在配電網(wǎng)各個監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時監(jiān)測各點(diǎn)的相幅信息。多個微型PMU裝置構(gòu)成一級網(wǎng)絡(luò)，通過通信網(wǎng)絡(luò)向上一級功角監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)控子站傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)。各監(jiān)測子站實(shí)時顯示所覆蓋區(qū)域各測量點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，同時組成二級網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控主站傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。監(jiān)控主站是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，一般位于省級調(diào)度中心，其可接收由各區(qū)域節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)了解全網(wǎng)運(yùn)行狀況，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如下：圖3-1配電網(wǎng)微型PMU遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖系統(tǒng)主要有微型PMU裝置和數(shù)據(jù)平臺構(gòu)成，微型PMU裝置處在整個系統(tǒng)最底層，數(shù)量眾多，是整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其測量的準(zhǔn)確度將大大影響系統(tǒng)最終的精度。數(shù)據(jù)平臺是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，人機(jī)交互的橋梁。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)平臺時要充分考慮微型PMU裝置的實(shí)際安裝運(yùn)行環(huán)境，傳輸數(shù)據(jù)量等因素，合理的選擇通信方式與協(xié)議，在設(shè)計(jì)微型PMU裝置時，也需考慮通信實(shí)際限制，選擇較為合適的通訊模塊。3.3鏈路層傳輸方案分析電力系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸一直是實(shí)現(xiàn)電力信息互聯(lián)的橋梁，電力行業(yè)也很早就應(yīng)用先進(jìn)的通信方式去實(shí)現(xiàn)電力信息互聯(lián)。在國內(nèi)，較為常用的通訊方式有很多，最為常用有光纖專網(wǎng)、中壓載波、230MHz無線專網(wǎng)、GPRS無線公網(wǎng)等技術(shù)方式。這些技術(shù)較早地已經(jīng)應(yīng)用在電力系統(tǒng)上，技術(shù)較為成熟，各種通信技術(shù)的優(yōu)略勢也十分顯然。本文根據(jù)文獻(xiàn)[3]，對比常用通信方式特點(diǎn)如下表：表3-1電力系統(tǒng)常用通信技術(shù)對比ADDINCNKISM.UserStyle傳輸方式光纖專網(wǎng)中壓載波230MHzGPRS/CDMAGSM短信運(yùn)行維護(hù)維護(hù)工作量低維護(hù)工作量低維護(hù)工作量低運(yùn)行費(fèi)用較高運(yùn)行費(fèi)用較高建設(shè)成本成本高成本較低成本較低成本低成本低系統(tǒng)容量容量很大容量受限制容量較小容量較大容量較大信息安全安全性高安全性高安全性較高安全性低安全性低實(shí)時性實(shí)時性很高實(shí)時性低實(shí)時性低實(shí)時性較低實(shí)時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較高影響因素完全不受電磁干擾和天氣影響受電網(wǎng)負(fù)荷與結(jié)構(gòu)的影響大易受天氣地形電磁干擾的影響受地形天氣公網(wǎng)運(yùn)行狀況影響受短信擁堵的影響適用場合有一定光纖資源敷設(shè)，光纖成本較低的地區(qū)配電網(wǎng)自動化與集中抄表系統(tǒng)的通信負(fù)荷管理系統(tǒng)中，地勢相對平坦的地區(qū)無線公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋完整器無線信號優(yōu)良城市，以及實(shí)時性要求較高的業(yè)近年來，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)應(yīng)用越來越普遍。由于市場份額的提升，運(yùn)營成本的降低，無線通信費(fèi)用相比光纖鋪設(shè)高傲的優(yōu)勢明顯，同時基于技術(shù)的進(jìn)步通信質(zhì)量逐漸提高，具有了較為可靠的通信能力。配電網(wǎng)同步相量監(jiān)測裝置分布地域廣，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋較為復(fù)雜，如果能利用較為可靠的無線通信可以大大減少裝置成本和運(yùn)營成本。在現(xiàn)有無線通信技術(shù)中，相比超短波通信、衛(wèi)星通信，GPRS通信有著較為突出的優(yōu)點(diǎn)。幾種無線網(wǎng)絡(luò)對比結(jié)果如下表所示[4]。從表中不難看出GPRS技術(shù)所具有的覆蓋范圍廣、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用低、通信速率髙、傳輸延時短等優(yōu)點(diǎn)非常適合本論文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求。因此，筆者選擇GPRS為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)傳輸方案，同時，了解到一般配電網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)位于城市或人口集中區(qū)，WiFi熱點(diǎn)覆蓋較全，所以講WiFi作為數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂喾桨?。?-2無線通信方式對比項(xiàng)目名稱ADDINCNKISM.UserStyleGPRSGSM超短波衛(wèi)星通信覆蓋范圍全國全國<=20Km受轉(zhuǎn)發(fā)器限制建設(shè)費(fèi)用低低高高計(jì)費(fèi)方式按流量或包月0.1元/條占頻費(fèi)協(xié)議維護(hù)成本低低高較高通信速率約40~80Kbps每條140字節(jié)1.2~19.2Kbps協(xié)議寬帶誤碼率較低較高高較低可靠性較高較低低較高群收群發(fā)支持不支持不支持支持運(yùn)行費(fèi)用按流量或包月0.1元/條占頻費(fèi)協(xié)議抗干擾性較強(qiáng)較強(qiáng)較弱較強(qiáng)傳輸延時短長短短3.4應(yīng)用層傳輸協(xié)議選擇電力信息的互連是互聯(lián)網(wǎng)的一個非常典型的應(yīng)用環(huán)境。實(shí)際上，許多設(shè)備具有有限的資源和有限的存儲空間和計(jì)算性能。傳統(tǒng)HTTP用于IoT應(yīng)用程序。它似乎太大了，無法應(yīng)用。消息隊(duì)列遙測傳輸（MQTT）是最初由IBM開發(fā)的即時消息傳遞協(xié)議，旨在通過有限的計(jì)算能力和不可靠的窄帶寬網(wǎng)絡(luò)來傳送遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備。協(xié)議。MQTT協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是它支持所有平臺，并且?guī)缀蹩梢赃B接任何連接到網(wǎng)絡(luò)的元素（參見圖3-2）。消息隊(duì)列遙測（MQTT）是基于IBM和Eurotech于1999年開發(fā)的發(fā)布和訂閱即時消息協(xié)議的客戶端-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。MQTT設(shè)計(jì)原則簡單，輕量，開源且易于實(shí)現(xiàn)，并確?？煽啃院鸵欢ǔ潭鹊谋ＷC交付，同時最大限度地減少對網(wǎng)絡(luò)帶寬和設(shè)備資源的需求。這些設(shè)計(jì)理念使MQTT協(xié)議成為帶寬有限的移動設(shè)備或嵌入式設(shè)備以及帶寬和網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性較低的應(yīng)用的理想選擇。事實(shí)上，由于它的出版，經(jīng)過幾千多年的發(fā)展，MQTT協(xié)議變得越來越完美，并已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品[5]。圖3-2MQTT典型應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖MQTT協(xié)議是一種開源通信協(xié)議，由小型壓縮消息組成，只需要頭中最小的兩個字節(jié)。它還具有更好的可擴(kuò)展性，更低的功耗和更廣泛的平臺。目前，有兩種類型的MQTT協(xié)議：應(yīng)用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的MQTT和應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MQTT-SN（用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MQTT）。在此系統(tǒng)上，作者使用MQTT[用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)]。MQTT協(xié)議具有以下主要功能：（1）使用訂閱/發(fā)布通信范例提供一對多消息發(fā)布和分離應(yīng)用程序。如果訂戶訂閱主題并且訂閱成功，則當(dāng)發(fā)布者發(fā)布關(guān)于主題的消息時，服務(wù)器將其發(fā)送給訂戶。因此，出版商不需要先前的訂戶知識。此外，單個發(fā)布者可以匹配多個訂閱者，此模型提供更好的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性和更動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄7]。（2）提供三個級別的消息質(zhì)量：Qos0，Qos1和Qos2。（3）保護(hù)消息的傳輸免受負(fù)載信息的影響。換句話說，MQTT可以傳輸不同類型的消息內(nèi)容，但不負(fù)責(zé)分析，數(shù)據(jù)更安全可靠[8]。（4）低速傳輸。協(xié)議傳輸控制消息很?。ü潭▓?bào)頭只有2個字節(jié)），開銷很小，網(wǎng)絡(luò)流量較便宜[9]。（5）如果網(wǎng)絡(luò)連接異常中斷，您可以通知相關(guān)方。鑒于優(yōu)勢MQTT可以看到，為什么筆者選擇了一個非常合適的MQTT層通信協(xié)議，以滿足我們在各個方面，系統(tǒng)要求在本文中開發(fā)的，上述系統(tǒng)中的應(yīng)用。3.4.1MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要客戶端和服務(wù)器。MQTT協(xié)議有三個標(biāo)識符：發(fā)布者（發(fā)布者），代理（服務(wù)器）和訂閱者（訂閱者）。發(fā)布者和消息訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。MQTT發(fā)送的消息分為兩部分：標(biāo)題和有效負(fù)載，可以理解為消息的類型。當(dāng)訂戶訂閱時，接收主題消息。有效載荷可以理解為消息的內(nèi)容，是指訂戶專門使用的內(nèi)容。圖3-3MQTT協(xié)議通信過程MQTT構(gòu)建基本的網(wǎng)絡(luò)傳輸。建立客戶端和服務(wù)器連接在兩者之間提供無序的兩個八位字節(jié)流（八位字節(jié)流）雙向傳輸。當(dāng)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)通過MQTT網(wǎng)絡(luò)傳輸時，它將與主題名稱（主題）相關(guān)聯(lián)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）相關(guān)聯(lián)。3.4.2MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式整體上協(xié)議可拆分為：固定頭部+可變頭部+消息體，其中固定頭部構(gòu)造如下：圖3-4MQTT協(xié)議固定頭部構(gòu)造其中，MessageType主要有16個類型，0和15作為保留類型，其他類型如下表所示：表3-3MessageType類型MessageType功能MessageType功能MQTT_CONNECT請求連接MQTT_SUBSCRIBE訂閱請求MQTT_CONNACK請求應(yīng)答MQTT_SUBACK訂閱應(yīng)答MQTT_PUBLISH發(fā)布消息MQTT_UNSUBSCRIBE取消訂閱MQTT_PUBACK發(fā)布應(yīng)答MQTT_UNSUBACK取消訂閱應(yīng)答MQTT_PUBREC發(fā)布已接收MQTT_PINGREping請求MQTT_PUBREL發(fā)布釋放MQTT_PINGRESPping響應(yīng)MQTT_PUBCOMP發(fā)布完成MQTT_DISCONNECT斷開連接DUPFlag用于確保消息傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ绻O(shè)置值1，則將messageId附加到下面的可變長度標(biāo)頭，并且需要確認(rèn)以確認(rèn)消息已被發(fā)送，但不能用于檢測傳輸。重復(fù)的消息。服務(wù)質(zhì)量主要用于PUBLISH消息（已發(fā)布狀態(tài)）并確保消息的傳遞次數(shù)。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（已發(fā)布狀態(tài)）消息，并指示服務(wù)器即將保留有關(guān)此命令的信息。如果有新訂閱者，他們將被發(fā)送。如果未定義，則將其推送到當(dāng)前訂閱。固定標(biāo)題字節(jié)2用于存儲以下可變長度標(biāo)題和郵件正文的總大小。固定頭部僅定義了消息類型和一些標(biāo)志位，一些消息的元數(shù)據(jù)，需要放入可變頭部中?？勺冾^部，包含了協(xié)議名稱，版本號，連接標(biāo)志，用戶授權(quán)，心跳時間等內(nèi)容，其構(gòu)造如下：圖3-5MQTT協(xié)議可變頭部構(gòu)造前8個字節(jié)是協(xié)議的名稱，UTF字符“MQIsdp”編碼，前兩個代號為長度為6的協(xié)議，協(xié)議的版本號的版本，和v3是固定的。連接標(biāo)志是類似于固定標(biāo)志的登錄標(biāo)志，表示8位是不同的標(biāo)志，并且第一個八位位組是保留的。如果表示所述響應(yīng)時間連接或轉(zhuǎn)移的連接不是內(nèi)完成則表示該TCP連接被斷開離線模式。連接返回碼通常位于CONNACK消息中，并指示返回的連接的狀態(tài)。條目名稱，訂閱消息ID和MQTT基于訂閱/公共消息。這是消息訂閱的ID，與新聞客戶訂閱的其他部分一樣。推送類別用于區(qū)分消息。消息在16位字符標(biāo)識符表示，服務(wù)質(zhì)量是1或2，因此，要確保消息傳輸?shù)目煽啃裕⑶矣糜谧R別該消息。消息體（有效載荷）存在于某些MQTT數(shù)據(jù)包中，表示客戶端接收的特定內(nèi)容。有四種類型的消息主體的：訂閱連接到UNSUBSCRIBESUBACK：CONNECT，消息正文的內(nèi)容訂閱客戶客戶端ID，目標(biāo)用戶，消息，用戶名和密碼，該消息主體的內(nèi)容是一組QoS主題。SUBACK消息體內(nèi)容是響應(yīng)主體的服務(wù)器請求的SUBSCRIBEQoS;UNSUBSCRIBE，郵件正文的內(nèi)容可以訂閱。3.5遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺結(jié)構(gòu)綜合上述分析，對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。有多臺PMU裝置使用GPRS或WiFi傳輸至電力云平臺，該平臺搭建MQTT代理服務(wù)器，接收有下位PMU傳輸來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心通過MQTT訂閱相應(yīng)主題，即訂閱不同地點(diǎn)的PMU，可實(shí)現(xiàn)消息的輕便傳達(dá)。同時，對于不同權(quán)限的要求可以使能訂閱不同數(shù)量的主題數(shù)去完成權(quán)限管理。鑒于MQTT協(xié)議上位端JAVA類協(xié)議較為完善，同時考慮到多平臺適應(yīng)性，設(shè)計(jì)使用JAVAWEB開發(fā)上位數(shù)據(jù)平臺。圖3-4遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺結(jié)構(gòu)3.6本章小結(jié)本章對配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種配電網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介紹了主流通信方案，并對比其優(yōu)缺點(diǎn)，選定了系統(tǒng)的鏈路層通信方案。同時，介紹了MQTT協(xié)議特點(diǎn)選定其作為應(yīng)用層協(xié)議。第4章配電網(wǎng)微型PMU裝置設(shè)計(jì)4.1引言在前三章中，筆者對同步相量測量的基本原理、常用算法以及數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行了分析和討論，本章將在理論的基礎(chǔ)上，選擇合理的方法與算法，設(shè)計(jì)配電網(wǎng)微型PMU裝置設(shè)計(jì)，包括裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)。 4.2裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為整個系統(tǒng)最基礎(chǔ)也是關(guān)鍵的組成部分，配電網(wǎng)微型PMU裝置的設(shè)計(jì)不僅要求有效測量精度，還需考慮實(shí)際工程運(yùn)行環(huán)境。通過結(jié)合課題背景和相關(guān)理論，在本系統(tǒng)中裝置應(yīng)包含模擬信號同步采集、頻率測量、數(shù)據(jù)存儲和處理、就地存儲、就地顯示、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信等功能。對應(yīng)于硬件設(shè)計(jì)可劃分為時鐘同步模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、頻率測量模塊、數(shù)字信號處理模塊、存儲模塊、顯示模塊、通信模塊。裝置整體框架圖如下：圖4-1微型PMU裝置整體框架GPS/BDS接收模塊接收由導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)回的時間、位置信息并產(chǎn)生精確1PPS秒脈沖。1PPS秒脈沖信號觸發(fā)STM32F407VET6外部中斷，處理器讀取GPS/BDS模塊UTC時間信息并寫入RTC校準(zhǔn)，RTC分頻產(chǎn)生采集脈沖。頻率測量模塊測定電壓信號頻率，實(shí)時頻率數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)幀。模擬信號由電壓電流互感器采集，經(jīng)過低通濾波器和交直流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為ADC輸入信號，采樣脈沖觸發(fā)AD7616將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢，AD7616返回轉(zhuǎn)換標(biāo)志觸發(fā)STM32F407VET6中斷，STM32F407VET6讀取轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算。STM32F407VET6計(jì)算完成存下實(shí)時測量數(shù)據(jù)并發(fā)出脈沖，觸發(fā)STM32F103C8T6讀取計(jì)算數(shù)據(jù)和采集時間信息、裝置位置信息。STM32F103C8T6將讀取到信息按照協(xié)議打包成一幀數(shù)據(jù)并通過通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器。4.3時鐘同步模塊設(shè)計(jì)結(jié)合第二章理論分析可知，整個系統(tǒng)的實(shí)時測量數(shù)據(jù)分析都是基于一時間點(diǎn)，各裝置間采集時間同步誤差將導(dǎo)致相角測量的誤差。我國電力系統(tǒng)工頻信號50Hz，每周期相角3600，如果同步時間誤差1ms對應(yīng)相角測量誤差即為180。各裝置具有統(tǒng)一的時標(biāo)信息進(jìn)行同步采樣是整個系統(tǒng)測量精度的關(guān)鍵所在。下表是電力系統(tǒng)常用裝置對時間同步精度要求的匯總。表4-1電力系統(tǒng)常用的裝置（系統(tǒng)）的時間同步精度要求規(guī)定裝置（名稱）時間同步準(zhǔn)確的時間同步信號類型線路行波故障測距裝置1us1pps及時間報(bào)文雷電定位系統(tǒng)1us1pps及時間報(bào)文同步相量測量系統(tǒng)1us1pps及時間報(bào)文故障錄波器1msIRIG-B或1ppm及時間報(bào)文各級調(diào)度自動化系統(tǒng)1msIRIG-B或1ppm及時間報(bào)文火電廠機(jī)組控制系統(tǒng)1msIRIG-B或1ppm及時間報(bào)文配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)1msIRIG-B或1ppm及時間報(bào)文現(xiàn)有授時方案主要有衛(wèi)星授時、廣播授時、以太網(wǎng)授時。其中由于近年來全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，衛(wèi)星授時在穩(wěn)定性、精確性、實(shí)用性均具有不可替代的優(yōu)勢。GPS衛(wèi)星授時精度一般在100ns以上，滿足電力系統(tǒng)同步相量測量的需要，本設(shè)計(jì)中采用GPS衛(wèi)星授時方案。同時基于數(shù)據(jù)安全與穩(wěn)定考慮，整體時鐘同步模塊采用GPS/BDS互為備用授時和RTC守時設(shè)計(jì)。GPS/BDS互為備用，可有效利用GPS衛(wèi)星數(shù)量較多的優(yōu)勢，信號較為穩(wěn)定，而二者互為備用可以避免戰(zhàn)略受限。RTC守時功能，意在避免在極端情況下GPS信號丟失問題，可通過本地時鐘守時達(dá)到同步目的，提高系統(tǒng)可靠性。4.3.1硬件設(shè)計(jì)圖4-3GPS/BDS授時模塊實(shí)物圖該設(shè)備旨在使用ATGM332D-5N-31GPS/BDS作為高精度雙模定位和同步備份模塊來降低數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)（圖4-2）。該模塊基于中科威的第四代GNU-SOC單芯片AT6558。中國的BDS系統(tǒng)（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）和美國GPS系統(tǒng)跟蹤通道可同時接收來自六個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號。位置，導(dǎo)航和同步。高靈敏度，低功耗和性能參數(shù)如表4-2所示。表4-2GPS/BDS模塊ATGM332D-5N-31的性能參數(shù)項(xiàng)目名稱參數(shù)項(xiàng)目名稱參數(shù)芯片方案AT6558定位精度2.5nCEP通信方式UART通信協(xié)議NMEA-0183捕獲時間冷/熱29s/1s天線類型SMA天線接口該模塊外形小巧，使用方便。模塊與外部設(shè)備通過串口進(jìn)行通信，參數(shù)通過串口進(jìn)行設(shè)定，內(nèi)置EEPROM可保存參數(shù)配置信息；模塊自帶可充電后備電池，與外部電源斷開后可維持系統(tǒng)工作30分鐘左右，支持溫啟動可快速定位；模塊自帶SMA天線接口和IPEX轉(zhuǎn)接口，可直接連接外部天線，亦可通過IPEX轉(zhuǎn)接外部SMA天線，方便安裝設(shè)計(jì)。其與STM32F407VET6連接電路如下：圖4-4GPS/BDS授時模塊接線圖如圖4-4所示，GPS/BDS模塊與STM32F407VET6連接需要5根線：PPS、RXD、TXD、VCC、GND。其中PPS為秒脈沖輸出引腳，接STM32F407VET6的外部中斷引腳，觸發(fā)時間捕獲；GPS/BDS模塊RXD引腳為串口接收引腳，接單片機(jī)STM32F407VET6的串口發(fā)送引腳，接收單片機(jī)發(fā)送過來的字節(jié)；GPS/BDS模塊TXD引腳為串口發(fā)送引腳，接單片機(jī)STM32F407VET6的串口接收引腳,向單片機(jī)發(fā)送字節(jié)。GPS/BDS模塊VCC引腳是電源引腳，模塊支持3.3~5.0V供電，本設(shè)計(jì)中單片機(jī)STM32F407VET6為3.3V供電，滿足供電要求，直接與單片機(jī)STM32F407VET6的VCC引腳相連;GPS/BDS模塊GND引腳是接地引腳，模塊電平為TTL電平。4.3.2軟件設(shè)計(jì)時鐘同步模塊程序設(shè)計(jì)主要分為兩個部分，第一部分是時間信息的獲取與解析，第二部分是RTC時鐘的守時校準(zhǔn)，模塊程序流程圖整體如下：圖4-5GPS模塊程序處理流程圖GPS/BDS模塊接收導(dǎo)航衛(wèi)星時間位置信息并發(fā)出秒脈沖，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。單片機(jī)進(jìn)入外部中斷處理程序，置位PPS標(biāo)志位，清除串口接收數(shù)組Buffer，等待接收新數(shù)據(jù)。主程序判斷PPS標(biāo)志位，當(dāng)PPS=1是，使能串口接收讀取字節(jié)寫入Buffer數(shù)組，當(dāng)讀取到回車符和換行符，關(guān)閉串口。按照NMEA-0813協(xié)議，讀對應(yīng)位時間位置信息。NMEA-0813協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如下：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)其中，<$>表示幀命令起始位；<aaccc>表示地址域，前兩位“aa”為識別符，后三位“ccc”為語句名，NMEA-0183包括GNGGA、GNGSA、GPGSV、BDGSV、GNRMC、GNVTG、GNGLL、GNZDA等命令；<ddd,ddd,…,ddd>表示GPS\BDS串口數(shù)據(jù)，每個參數(shù)由逗號隔開，是程序設(shè)計(jì)解析的對象；<*>表示校驗(yàn)和前綴；<hh>指的是校驗(yàn)和（checksum），“$”和“*”之間所有字符ASCII碼的校驗(yàn)和(各字節(jié)做異或運(yùn)算，得到校驗(yàn)和后，再轉(zhuǎn)換16進(jìn)制格式的ASCII字符)；(CR)(LF)：幀結(jié)束，回車和換行符，表示一條數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。從接收到的數(shù)據(jù)中提取有用的時間位置信息可以通過對Buffer數(shù)組進(jìn)行檢索的方式。首先對幀頭數(shù)據(jù)類型判斷解析方式，再通過在數(shù)據(jù)包中查找“，”位置來確定有用數(shù)據(jù)位置。RTC是STM32F407VET6內(nèi)部實(shí)時時鐘，其核心為獨(dú)立的BCD定時器/計(jì)數(shù)器,時鐘震蕩源來自系統(tǒng)外部32.76K低速晶振，通過內(nèi)部可編程預(yù)分配器分頻1Hz時鐘，其具有后備電源接口，可保證短時間掉電時鐘數(shù)據(jù)穩(wěn)定。對RTC進(jìn)行守時校準(zhǔn)，即當(dāng)秒脈沖信號出發(fā)后，校準(zhǔn)RTC時鐘初始值。STM32F407VET6配置流程如下：圖4-6RTC時鐘配置流程圖4.4信號調(diào)理模塊設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊采集電壓范圍有限，需要通過電壓互感器、電流互感器將大電壓轉(zhuǎn)化為小電壓信號。小電壓信號為交流信號，不能直接被A/D模塊直接采集需要通過直流偏置電路抬升為直流信號?？紤]到電網(wǎng)中存在的高次諧波，為了避免頻譜混疊現(xiàn)象，需要通過低通濾波器濾除高次諧波。4.4.1電壓互感器選型該設(shè)計(jì)使用HVS-AS3.3型電壓互感器，測量原理基于霍爾效應(yīng)，可在電流隔離條件下測量直流，交流，脈沖和不規(guī)則波形電壓。。HVS-AS3.3霍爾電壓互感器將配電網(wǎng)絡(luò)的電壓信號轉(zhuǎn)換為低壓信號，轉(zhuǎn)速比為1250：1000rpm，額定電流為10mA，線性誤差為電氣特性小于0.1％。動態(tài)特征是：表4-3HVS-AS3.3型霍爾電壓互感器相關(guān)特性項(xiàng)目名稱參數(shù)項(xiàng)目名稱參數(shù)額定電流10mA線性度0.1%FS測量范圍20mA響應(yīng)時間<40us內(nèi)接測量電阻50±0.1%Ω工作溫度-40℃~+85℃初級線圈匝數(shù)1250零點(diǎn)失調(diào)電壓1.65±0.008V次級線圈匝數(shù)1000電壓失調(diào)溫漂<±1mV/℃在配電網(wǎng)同步相量測量裝置中，輸入電壓信號100V,互感器額定電流10mA,在輸入電壓信號和互感器輸入之間串聯(lián)阻值10k電阻，此處電阻功率至少為1W，設(shè)計(jì)選用5W鋁制電阻，功率大，阻值溫漂小。為了防止一次側(cè)輸入功率過大損壞電壓互感器及后置電路，在電壓互感器前側(cè)串接保險(xiǎn)絲保護(hù)電路，其電路連接圖如下：圖4-7電壓互感器接線圖4.4.2電流互感器選型本設(shè)計(jì)使用電流互感器型號為HCS-ES3.3型霍爾電流互感器，其測量原理基于霍爾效應(yīng)，能在電隔離的條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。HCS-ES3.3型霍爾電壓互感器作用是將配電網(wǎng)電壓信號等比例轉(zhuǎn)化為小電壓信號，其二次側(cè)線圈匝數(shù)為400，額定電流10A，線性度誤差小于0.1%,其電氣特性及動態(tài)特性見下表：表4-4HCS-ES3.3型霍爾電流互感器相關(guān)特性項(xiàng)目名稱參數(shù)項(xiàng)目名稱參數(shù)額定電流5A線性度<0.1%FS測量范圍10A響應(yīng)時間<1us取樣電阻50±0.1%Ω溫漂<±0.5mV/℃線圈匝數(shù)800±1零點(diǎn)偏移電壓1.65±0.010V4.4.3交直流轉(zhuǎn)換電路該型號互感器同時集成了交直流轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓為感應(yīng)電壓的直流偏置電壓，輸出范圍為0.625±0.5%V,其內(nèi)部電路繪制如下：圖4-8互感器內(nèi)部電路原理圖如圖4-8所示，原邊輸入電壓，副邊感應(yīng)電流經(jīng)過內(nèi)部采樣電阻R0輸出電壓Ui,Ui經(jīng)過電容濾除信號所含直流分量輸入到運(yùn)算放大器。運(yùn)放反相輸入偏置基準(zhǔn)電壓，構(gòu)成加法電路，與同相交流信號相加，信號整體抬升Vref，變?yōu)閱螛O性信號，可滿足ADC輸入要求。4.4.4抗混疊濾波電路在配電網(wǎng)運(yùn)行過程中，由于有大量非線性設(shè)備的接入，整個電網(wǎng)中諧波成分較多，本設(shè)計(jì)中計(jì)量到電網(wǎng)的21次諧波，需要濾除以上高次諧波，不然在進(jìn)行頻域分析時，頻譜會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。為了保證數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，在采集前采用二階RC低通濾波器濾除信號中高次諧波。具體電路圖如下所示：圖4-9二階抗混疊濾波電路4.5模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)4.5.1硬件設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且通常將選擇考慮為采集采集通道的數(shù)量和分辨率。在該設(shè)計(jì)中，有必要考慮同時采樣以獲得同步信號。該設(shè)計(jì)采用AD7616模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片（ADI公司），支持16位16通道同步采樣，內(nèi)部阻塞電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。具有負(fù)載重新分配的16位SAR。數(shù)字濾波器，參考緩沖器和2.5V參考，高速串行和并行接口。在此設(shè)計(jì)中，使用并行接口，AD7616的配置范圍和采樣參數(shù)由外部I/O控制，采樣速率由處理器控制。接線圖如下：圖4-10AD7616接線示意圖4.5.2軟件設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊程序主要任務(wù)為配置STM32F407VET6產(chǎn)生PWM波觸發(fā)AD7616啟動采樣。當(dāng)AD7616導(dǎo)通時，BUSY引腳變?yōu)楦唠娖讲⒈３指唠娖?，直到轉(zhuǎn)換期間所有通道轉(zhuǎn)換完成。轉(zhuǎn)換完成后，BUSY引腳變?yōu)槿蹼?，然后MCU獲取下降沿信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可通過并行數(shù)據(jù)總線讀取。模塊轉(zhuǎn)換的一般過程如下：圖4-11模塊轉(zhuǎn)化流程圖STM32F407VET6通過定時器產(chǎn)生PWM波，其配置流程如下圖所示。首先開啟定時器時鐘，配置輸出PWM引腳為復(fù)用輸出，PWM的周期通過配置PSR和ARR寄存器控制。圖4-12PWM輸出程序4.6頻率測定模塊設(shè)計(jì)為了獲取到電網(wǎng)實(shí)時頻率，設(shè)計(jì)硬件測頻電路。測頻思路是使用硬件過零檢測電路獲取電壓的過零點(diǎn)，配置處理器定時器定周期采集過零點(diǎn)脈沖數(shù)，計(jì)算脈沖數(shù)與定時器比值，獲取實(shí)際運(yùn)行頻率。過零檢測電路如下圖所示：圖4-13過零點(diǎn)檢測電路在考慮到實(shí)際運(yùn)行中，輸入信號中含有大量諧波，可能會導(dǎo)致過零點(diǎn)無法被準(zhǔn)確檢測。實(shí)際工程中從以下兩個方面采取措施：過零檢測前采用RC濾波電路對信號進(jìn)行濾波，將濾波后的信號送入比較器。處理器測量在周期T內(nèi)過零點(diǎn)脈沖次數(shù)，在測量時軟件開啟高優(yōu)先級定時器對兩個相鄰過零點(diǎn)時間間隔進(jìn)行計(jì)算，時間小于5ms的脈沖被計(jì)量為一個零點(diǎn)。4.7數(shù)字信號處理模塊設(shè)計(jì)數(shù)字信號處理模塊使用STM32F407VET6作為主處理器，其采用Cortex-M4內(nèi)核，內(nèi)置硬件FPU單元，擁有DSP指令集，支持單周期乘加指令、單指令多數(shù)據(jù)指令、飽和算數(shù)等多種數(shù)字信號處理指令集。其執(zhí)行所有的DSP指令集都可以在單周期完成，主頻168MHz,其應(yīng)用廣泛，開發(fā)資源豐富，足以媲美部分DSP,同時擁有開發(fā)環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。此部分使用STM32F407VET6作為主處理模塊，需要完成任務(wù)有FFT、電氣參數(shù)計(jì)量。其數(shù)據(jù)來自于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD7616，而AD7616的啟動需要其提供觸發(fā)PWM波，下面就硬件和程序設(shè)計(jì)兩個方面介紹。4.7.1硬件設(shè)計(jì)STM32F407VET6其運(yùn)行硬件最小系統(tǒng)需要晶振時鐘電路、復(fù)位電路，同時其下載仿真還需設(shè)置BOOT模式，需要硬件電路選擇啟動存儲類型。在本文設(shè)計(jì)中采用了雙ARM結(jié)構(gòu)，方便了硬件設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，協(xié)調(diào)處理器STM32F103C8T6在硬件最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)與此處相同，后面不再贅述。晶振時鐘電路圖4-14晶振時鐘電路STM32其外部時鐘源有兩處，一是OSC_IN/OSC_OUT引腳相連的高速時鐘源，一般使用25MHz或8MHz晶振；二是PC14/PC15引腳相連的低速時鐘源。一般為32.768KHz。高速時鐘源通過內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻產(chǎn)生168MHz/72MHz時鐘，為系統(tǒng)提供工作脈沖，低速時鐘源為RTC時鐘秒脈沖時鐘源，為RTC提供時鐘信號。復(fù)位電路圖4-15復(fù)位電路BOOT電路圖4-16BOOT電路BOOT電路通過撥碼開關(guān)選擇啟動存儲區(qū)，當(dāng)BOOT0復(fù)位則系統(tǒng)啟動區(qū)域?yàn)橹鏖W存存儲區(qū)；當(dāng)BOOT0置位，此時若BOOT1為0則啟動系統(tǒng)存儲區(qū)，BOOT1為1啟動內(nèi)置SRAM。4.7.2軟件設(shè)計(jì)對于STM32F407VET6做FFT變換主要工作是搭建DSP運(yùn)行庫和進(jìn)行FFT庫配置。搭建DSP運(yùn)行庫在意法半導(dǎo)體官網(wǎng)有詳細(xì)介紹這里不再贅述，這里主要說明FFT庫配置?？焖俑道锶~變換算法的程序主要分為兩個部分：第一部分是倒序排列即將AD7616采集到的數(shù)據(jù)倒序進(jìn)行排列；第二部分是執(zhí)行l(wèi)og2N次循環(huán)，這個循環(huán)依此計(jì)算次序?yàn)?,4,8……,N的變換。此時需要定義一個數(shù)組存儲變換完的復(fù)數(shù)結(jié)構(gòu)，即將采樣數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部存入。最后調(diào)用庫函數(shù)即可基波幅值、相位等參數(shù)。本設(shè)計(jì)中處理器采樣頻率3200Hz,采樣點(diǎn)數(shù)64，采樣分辨率50Hz,可計(jì)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);}}電氣參數(shù)的計(jì)量使用，主要有電壓、電流、有功功率、無功功率。電壓有效值測量按式（4-1）計(jì)算，電流有效值測量按照式（4-2）計(jì)算，有功功率與無功功率按照式（4-3）和（4-4）計(jì)算。 U=1N I=1Nk?1 P=1Nk?1 Q=1Nk?14.8存儲模塊設(shè)計(jì)裝置需要大容量存儲設(shè)備，存儲采集到的數(shù)據(jù)。STM32擁有SDIO接口，只需少量I/O口即可擴(kuò)展大容量存儲設(shè)備。相比于其他存儲設(shè)備，SD卡具有讀寫速度快，性價(jià)比高，插拔方便等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用16GB大小SD卡存儲采集數(shù)據(jù)。下圖為SD卡接線圖：圖4-17SD接口電路對于SD的讀寫操作，使用開源文件系統(tǒng)FatFs。該系統(tǒng)專為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，操作方便，這里簡述具體存儲過程：調(diào)用f_mkdir()函數(shù)在SD卡根目錄新建以當(dāng)天日期命名的文件夾；其次，使用f_chdir()函數(shù)設(shè)置該文件夾為讀寫根目錄，并在該目錄下有f_open()函數(shù)新建以采集時刻命名的文件；最后使用f_write()函數(shù)吧采集數(shù)據(jù)寫入文件中。4.9顯示模塊設(shè)計(jì)顯示模塊是就地人機(jī)交互的一部分，可以實(shí)時顯示裝置采集到的信息。本設(shè)計(jì)中采用3.5電阻式觸摸屏，其自帶控制芯片，提供完備的開發(fā)平臺開發(fā)UI，通過串口數(shù)據(jù)交互，節(jié)省主控CPU資源，其主要參數(shù)如下表所示：表4-5HMI觸摸屏參數(shù)項(xiàng)目名稱參數(shù)項(xiàng)目名稱參數(shù)觸摸方式電阻式型號TJC8048分辨率800*480工作電壓4.75-7V尺寸3.