一种具有PMU 功能的电力监测仪的研制

曹 锐

（太原市优特奥科电子科技有限公司，太原 030006）

当前，电力监测仪通常具有电压、电流、功率、电能、甚至电能质量测量功能，已基本满足传统电力SCADA系统应用需求，因为电力SCADA系统通常只需在1～10s的间隔内提供静态和非同步的系统电参量信息。另一方面，由于近年来人们已逐渐认识到电力系统动态状态的实时监测对于提高系统运行的可靠性和事故发生后的恢复运行都十分重要，因而，人们对电力广域测量系统（WAMS）越来越重视[1]。相量测量单元（PMU）是电力广域测量系统的基本组成部分，通常可以每秒50～60次的速度测量同步相量[2]。PMU的基本功能是测量相量并将所测相量打上GPS时标，通常为一种独立设备。在广域电力网的不同节点大量部署PMU，并将各个PMU所测得的带有GPS时标的相量统一分析处理，则可得到整个系统运行状态的详细情况。然而，PMU与传统的电力检测仪在硬件结构上很相似，只是PMU增加了 GPS同步系统而已。此外，两种设备的软件设计也很类似，只需在传统电力检测仪软件基础上增加同步相量测量软件模块即可。因此，为了在未来的SCADA和WAMS系统中更为广泛地使用PMU，在设计新的电力检测仪时增加PMU测量功能不失为一种经济的方案。本文提出了一种具有PMU功能的新型电力监测仪的设计方案，给出了其软硬件设计原理。

1 硬件设计

图1是新型电力监测仪的硬件框图。可以看出，新型仪器比传统电力监测仪增加了虚线方框中的GPS同步部分。

1.1 信号调理

仪器采用了分压电阻和电流互感器分别将电力系统输入的电压和电流进行调理，以使其满足仪器内部的A/D转换器输入量程范围，以及频率跟踪部分的锁相环（PLL）输入要求。

1.2 频率跟踪

对输入信号频率的跟踪是通过锁相环（PLL）实现的[3]。锁相环由压控振荡器，鉴相器，分频器，以及回路滤波器等组成。使用PLL可保证A/D采样频率是输入信号频率的整数倍，因而可大大减小进行离散傅里叶变换（DFT）计算各个电参量时的频谱泄漏影响。

1.3 A/D采样

从信号调理电路部分输出的电压和电流模拟信号首先经过低通滤波器滤除带外高频分量，然后输入A/D转换器进行模数转换，A/D转换器的采样频率与PLL的输出成正比。A/D转换后的采样值送入DSP进行数据处理。

1.4 GPS同步输入

本系统使用了一种具有1PPS输出和IRIG-B码输出的GPS模块作为同步单元。若使用1PPS输出信号则每台电力监测仪都需要配置一个GPS模块，成本较高。而采用IRIG-B码输出则只需通过一根双绞线由多台监测仪共享一个GPS模块，对于本地具有多台监测仪的集中式的应用较为适合。本监测仪对两种输入信号均可接收。

图1 新型电力监测仪的硬件框图

1.5 数字信号处理

本监测仪使用了一个商用的异构双核处理器作为系统处理器，由一个DSP核和一个ARM核构成。其中的DSP核用于采样值的数字信号处理。通过执行不同的软件算法模块，DSP核可同时测量电压、电流、频率、功率、电能质量、和同步相量等参数。同时，DSP还通过开关量输入通道采集输入开关量状态，并通过开关量输出通道输出报警和控制信号。

1.6 通信接口

系统双核处理器中的 ARM 核负责仪器的人机接口和远程通信。本检测仪采用百兆以太网技术用于远程通信，其速度足以满足各种常规电参量和同步相量的传输需求。

2 软件设计

如上所述，仪器的DSP核负责各种电参量的计算。DSP的计算软件运行于一专用嵌入式实时操作系统上。这一专用嵌入式实时操作系统具有可保证的实时事件响应、事件驱动和分时多任务、以及任务间通信和同步等功能。通过将不同的测量功能分配到不同的实时操作系统任务中，可以认为每一测量任务都是运行于一个独立的微DSP上的。这种高度模块化的软件设计方案大大简化了测量软件设计。因而，在新的监测仪中增加PMU测量功能就是在原测量软件的基础上简单地增加一个 PMU测量任务，在此任务中实现PMU测量算法，非常方便。图2是DSP任务分配简图。

图2 DSP任务分配简图

图2中，内核管理任务管理DSP硬件资源并协调其他所有任务。原始数据预处理任务获取A/D转换器传来的原始采样数据并将其打上GPS时标后转发给其他测量任务进行后续处理。数据交换任务与ARM 核进行通信，并将各个电参量测量值传送给ARM核。测量任务分别为电参量测量任务、电能质量测量任务、和同步相量测量任务。对于同步相量测量，由于输入的模拟信号通常为含有谐波畸变的信号，因此需要采用离散傅里叶变换（DFT）抽取基波的幅值和相位信息。一个周期为T的电压信号u(t)可表示为[4]

式中，a0是可能伴有的直流分量，Uk和φuk分别是第k次谐波的幅值和相位。对u(t)以N/T（其中N是2的整数次幂）的速率进行采样，则可得到一个采样值序列｛u[n]｝（n=0, 1, 2, …, N-1）。u[n]的离散傅里叶变换可表示为

式中，k是第k次谐波分量。假设第k次谐波分量的实部和虚部分别为Re(U[k])和Im(U[k])，则第k次谐波分量的幅值Uk和相位φuk可分别表示为

当 k=1时，U1和φu1就分别是基波的幅值和相位了。将U1和φu1打上GPS时标后，即可得到同步相量。

3 结论

本文提出了一种具有 PMU测量功能的新型电力监测仪，并详细讨论了其软硬件设计方法。可以看出，在设计这种新型电力监测仪。

[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] 奥本海姆.离散时间信号处理[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[5] 曹锐.一种新型三相电力谐波分析仪的设计[J].电侧与仪表, 2010, 47(4): 67-69.