摘 要： 介绍了同步相量" title="同步相量">同步相量测量单元" title="测量单元">测量单元，在广域测量系统中实现对电力系统各个节点数据的同步采集和相量监测。分析了利用北斗信号的必要性和可能性，设计基于ARM处理器与DSP处理器相结合的双CPU的结构，完成对GPS信号和北斗信号的采集和处理，实现PMU单元的实时数据信息采集及时标数据的发送和接收，与以太网络连接。
　　关键词： 同步相量测量单元；北斗卫星定位系统；GPS；ARM

　　当前，为了增强电网的运行安全性，广域相量测量系统WAMS(Wide-Area Phase Measurement System)应运而生，WAMS系统中相量测量单元PMU(Phase Measurement Unit)检测功角、频率和电压电流参数，是维持电网安全的监控基础，能够从更高层面进行系统的保护和控制，且逐渐由单纯的监测和记录向监测与控制相结合的应用模式发展，WAMS在国内外都得到了迅速发展^[1-2]。
1 同步相量技术
　　同步相量技术是同步相量测量、传输、分析和应用技术的综合，主要包括相量测量单元PMU、调度控制中心主站以及高速数据通信网等。PMU实时地采集发送相量同步数据，得到时空坐标下电网全局的动态信息是WAMS的基本核心组成部分。它的最大价值在于实时地对互联电网进行广域测量、传送相量数据、对电力系统进行暂态稳定检测和控制，从而动态监视分析电网的安全稳定性，为系统的优化运行提供依据。
　　相量测量必须同时测量幅值和相角，而相角的测量必须有统一的参考时间。对于相量测量而言，同步时钟即便只有1ms的偏差，也会对工频50Hz的电力系统产生18°的误差。如果要求保证误差小于1°，则同步时间精度不能大于55μs。因此寻找可靠的时钟源，确保异地被测相量的高度同步性，实现可靠的同步相量测量对于保障我国电网安全至关重要。
2 GPS在同步相量技术中的应用
　　随着以全球卫星定位系统GPS(Global Positioning System)为代表的现代无线电导航技术的发展，依靠卫星导航信号中的授时功能可以实现PMU时间的同步化。以广泛应用GPS粗码(C/A码)为例，目前市售GPS接收机提供1 PPS(Pulse Per Second)精度都可以达到1μs以内，对于50Hz的工频量而言，其相位误差不超过0.018°。
　　虽然GPS信号准确、使用经济、覆盖面广，但用户系统完全依赖GPS存在着技术风险，如GPS易于受到非故意和故意的干扰(如信道阻塞)和人为攻击。众所周知，美国除保证美军能可靠地使用GPS系统外，从未承诺其他国家可以安全地使用。事实上取消SA（Select Available）政策除了考虑市场占领的因素外，很大程度上是美国 “局部屏蔽GPS信号”的技术试验获得成功，即在需要的时候可以局部关闭GPS信号。因此，我国不恰当地使用GPS必然会造成相当的风险和影响[3]。为了缓解技术风险，必须考虑采用备用或冗余配置方法。
3 引入无源" title="无源">无源北斗应用于同步相量测量单元
　　北斗卫星定位系统是世界上第1个区域性卫星导航定位系统，由位于赤道面东经80°、140°和110.5°的3颗地球同步轨道的地球同步卫星组成，是世界上继美国GPS和俄罗斯GLONASS(Global Navigation Satellite System)之后第三个投入运行的卫星导航系统。
3.1 使用的必要性
　　作为备用方案，利用广播、电视、天文台等的无线授时信号，覆盖范围有限，且信号传播时间误差大，精度较低，一般在毫秒级以上^[4]；利用铷钟只能作为短期备份，而采用铯钟授时又过于昂贵，目前罗兰C系统的导航覆盖区所接收的三个台链时间信息毫不相关，所有台站之间没有实现时间同步，导致该系统无法按GPS系统信号进行时间同步。
　　北斗系统由我国独立自主研发，不受别国的控制和限制，其可用性、可依赖性和安全性更有保障。目前可提供无源二维定位和授时服务，其范围包括中国大陆、台湾、南沙及其周边岛屿以及中国海、日本海、太平洋西部海域以及我国部分相邻地区，具有集中服务于核心区域的特点^[5]，能够满足国内电网PMU分布的需要。因此，为了可靠保证相量测量的同步性，只有引入中国自主控制权的北斗卫星定位系统，才能有效弥补GPS的不足。
3.2 无源北斗授时精度分析
　　无源北斗利用三颗GEO卫星和预设高程信息解算接收机二维位置和钟差。北斗系统和GPS用户不同，其无源授时只要锁住一颗可用卫星，即可获得授时帧信息[6]，得到相应卫星传播延时、卫星位置、卫星速度及电波传播延时等参数。整个信号从地面中心站经卫星到接收机的传播延时为：
　　

其中：t₁为授时帧中从地面中心站到卫星的上行链路传播延时，t₂为卫星到接收机下行链路传播延时，t₃为地面站、星上转发器和接收机中电子设备延时ε为定位误差等效延时。根据卫星定位系统误差预算，设地面中心站到卫星的传播延时所包括的星历误差为5m(等效为16.6ns），大气延时误差为5m（等效为16.6ns），则根据误差传播规律：
　　
　　可知上行链路和下行链路传播均方误差均为23ns，电子设备延时为固定值，均方差可取为零，取定位误差为25m（等效为83ns），则整体传播的均方误差为89ns，即不到0.1μs，精度完全可以满足PMU同步的需要。而固定安装的PMU位置为精确的已知信息，消除项后能进一步提高授时精度，并在位置不变时，仅锁定观测一颗卫星就可进行无源授时。
4 基于ARM的同步相量测量单元方案
　　目前，国内外PMU单元主要采用8位或16位单片机，使用RS232或RS485接口标准的串行总线，但MCU的数据处理能力、多任务调度处理能力和系统资源利用率不够强，装置结构不利于系统的升级和改造，兼容性差，维修调试困难，因而限制了其算法的智能化改进。而基于ARM的32位高性能、廉价、低功耗RISC处理器芯片，可以满足PMU单元的实时数据、信息采集和时标数据的网络接口通讯等功能的设计要求。
4.1 处理单元设计
　　本系统采用Samsung Electronics公司S3C44B0X的ARM处理器与TI公司TMS320C32的DSP处理器相结合的双CPU结构。S3C44B0X是基于ARM7TDMI的SoC芯片，采用SAMBAII总线结构，可工作在75MHz，拥有8KB Cache，2通道的URAT，1个IIS总线控制器，内嵌LCD控制器，71个通用I/O口和8个外部中断源等 ^[7]。TMS320C32则具有每秒6千万次浮点数字操作（60MFLOPS）的处理能力。两个CPU的强大的运算速度和丰富的资源，可以满足PMU性能要求，也能使系统设计灵活简便。
　　两个CPU分别完成GPS信号和北斗信号的采集与处理、与以太网络连接、A/D" title="A/D">A/D采样与数据处理等各个部分功能。分别可以输入PPS秒脉冲信号和与PPS前沿相对应的UTC绝对时间信息，由双口RAM作为两个CPU之间的通讯接口。利用S3C44B0X的串口0和串口1可分别接收GPS与无源北斗两种模块的导航电文，获得UTC国际标准时间信息。GPS与无源北斗授时模块同时工作，并可以分别配置以GPS模块或北斗模块为主时钟，另一个为备份时钟。通过接收两种卫星定位装置提供的导航电文，S3C44B0X可以判断出当前卫星信号优劣状况，快速倒换备份授时时钟，以选取切换合适的PPS信号。整个系统可灵活配置授时同步模式，从而完成GPS与无源北斗的快速切换。
　　时标系统可由CPLD实现。通过定时器建立内部时钟，完成频率合成和时钟分频，获得时标的ms及μs级数据，利用PPS信号同步时标系统中的内部时钟信号，以形成高精度的时钟脉冲信号，从而为A/D转换提供时钟脉冲信息，控制数据的采集。在设计中由于无源北斗的PPS与GPS的PPS相位偏差固定，因而需对无源北斗进行零值修正，从而补偿这个固定的相位偏差，做到与GPS保持一致，实现授时模块的平滑切换。
　　TMS320C32与S3C44B0X之间的通讯数据流量大，实时性要求高，所以采用双端口RAM IDT71342，使得双机可以快速地进行数据交换，从而大大提高了微处理器和DSP芯片的并行处理能力。S3C44B0X读入双口RAM数据后，打上采样时刻的精确时标信息，将运算结果传送到网络通讯接口，也可利用液晶显示器实时显示相应的相量信息、功角数据和波形,构成最小监测单元。
　　虽然S3C44B0X内部集成了10位A/D，但位数较少，且输入信号范围幅度较窄，仅为0V～2.5V。而电力系统中电流的动态范围很大，短时过载时可能达到额定值的数倍以上，故A/D采样采用外部A/D芯片，利用GPS或北斗信号提供的同步脉冲序列提供A/D转换采样启动信号，当转换完成后产生中断信号送出采样结果。但应注意，在工程实际中会因电网的频率抖动而造成信号的频谱泄漏。因此为保证采样的同步精度，可在采样触发环节引入锁相环电路，利用CPU内部时钟的频率跟踪外部电网抖动和外部同步脉冲相结合的方式进行采样。PMU结构框图如图1所示。