基于GPS授时的电网频率测量技术的研究

潘宇婷， 陈宇晨， 王承宇， 侯 昀

(1.上海工程技术大学，上海201620；2.上海市电力公司，上海200122)

基于GPS授时的电网频率测量技术的研究

潘宇婷1， 陈宇晨1， 王承宇1， 侯 昀2

(1.上海工程技术大学，上海201620；2.上海市电力公司，上海200122)

提出了一种基于GPS授时的电网频率测量的新方法，系统以GPS接收机提供的1PPS信号为基准源，结合GPS时钟信号和恒温晶振时钟信号精度互补这一特性，通过调控恒温晶振的压控端，使其输出频率随之改变，以维持短期和长期的时钟精度和稳定性。然后将此时钟提供给DSP的定时器，通过DSP的eCAP模块对输入信号的上升沿进行捕获，记录两个上升沿的触发时间得到电网的实时频率。

GPS授时；恒温晶振；粒子滤波；捕捉单元

当代社会，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。电网频率是电能质量的一项重要指标，电能质量的好坏直接影响工农业生产和人民的生活，因此保证电网频率偏差小于容许值是电网运行调节控制的重要内容[1]。

1 系统总体框架结构

系统由调理电路、过零检测电路、外部恒温晶振校准模块组成，主框架如图1所示。

图1 系统主框架图

电网高压经过精密互感器变为小信号，通过调理电路(放大电路、滤波电路等)进行处理，以滤除高次谐波，避免谐波对过零检测环节的影响，从而提高测量精度。过零检测电路由电压比较器MAX474、电阻和电阻元件等组成，对电网的正弦波进行整形，从而可以得到与电网基波相同频率的方波信号，然后输入到DSP的捕捉单元引脚。外部恒温晶振校准模块通过GPS校核恒温晶振，得到高精度的时钟信号，然后作为DSP定时器的外部输入时钟。

2 GPS校准晶振的原理及算法研究

2.1 系统原理

由于受到跟踪的卫星数目、卫星钟差、传导距离、电磁干扰和接收机性能等因素影响，GPS接收机输出的1PPS信号存在一定的随机误差ε，ε服从正态分布ε～(0，σ2)，但是没有累计误差。而恒温晶振时钟信号的随机误差较小，不过由于器件老化、短期扰动和外界环境等一些因素的影响，存在频率漂移现象，具有较大的累计误差。如果恒温晶振长期不间断的运行，频率将无法满足工作所需的精度与稳定度，因此需要通过实时的自动调控压控端电压来进行频率校准。根据GPS时钟信号和恒温晶振时钟信号精度互补这一特性，通过调控恒温晶振的压控端，使其输出频率随之改变，以维持短期和长期的时间精度和稳定性[2]。

根据系统需要，提出系统的总体设计方案，整个系统由GPS接收机模块、时间间隔测量模块、数据处理模块、时钟管理分频模块、恒温晶振、DAC和信号调理电路组成。图2为恒温晶振校核原理图。

图2 恒温晶振校核原理图

GPS接收机模块：接收GPS信号，产生同步于UTC并与之有一定随机误差的1 PPS信号，经过处理后作为恒温晶振校准的参考标准。

时间间隔测量模块：对GPS接收模块输出的1PPS信号和OCXO输出的分频1 Hz信号的上升沿的时间间隔进行精密测量，并把测量结果传送给处理器模块。

处理器模块(DSP)：为了消除1 PPS信号的抖动，DSP对接收到的时间间隔测量模块送来的数据进行一定周期的采样，并运用粒子滤波算法对其进行数字滤波。可在控制器中设置采样周期，可取50，100等。可测得两次时间间隔为和，相位差为，用比时法测得频率差[3]。

DAC信号调理电路：将处理器输出的数字信号转化为模拟信号，并经过调理电路变换到恒温晶振电压控制端可接收的电压范围内，从而实现对恒温晶振输出频率的调整。

时钟管理分频模块：对经过校准后的信号进行分频，产生1 Hz信号。

恒温晶振：产生原始频率信号，经过校准后输出高精度时钟信号。

2.2 粒子滤波算法的研究

恒温晶振由于器件老化、短期扰动和外界环境等一些因素的影响，存在频率漂移现象，具有较大的累计误差。以前的研究大多认为晶振漂移服从多项式模型，从而假设晶振衰老率为线性，利用卡尔曼滤波可以得到解析形式的跟踪算法。但是现实中晶振衰老率并非常数，或者受到扰动在常数附近变化。本文中基于晶振对数衰老速率模型建立了非线性的晶振时钟漂移模型，利用了GPS信号与晶振信号互补特征，提出了一种新的基于粒子滤波的时钟误差实时估计和补偿算法，从而得到高精度的时钟信号。

将本地晶振时钟较好的短期稳定性与GPS时钟长期稳定性结合起来，通过测量并估计，就可以对恒温晶振进行补偿，从而得到精确的时钟。

理想中的时钟频率为常数，但是现实中的真实时钟频率会随着电压、环境等因素的变化而变化。文献经过大量的测量表明晶振的漂移用对数衰老模型描述更为准确。根据时钟频率漂移的不同假设并结合现有的研究，文中我们假设其为对数衰老模型[4]。

结合式(5)与(6)可以得到对数衰老模型下的时间间隔误差模型为：

为了得到准确的对数衰老模型，参数A、B、C需要经过长时间的观测拟合。对式(7)做进一步变化可以得到：

图3是粒子算法的流程图。

图3 粒子算法流程图

为了将粒子算法与传统的算法性能进行比较，在Matlab环境下，对卡尔曼滤波算法、加权平均滤波算法和粒子滤波算法都进行了仿真。其中取采样时间间隔：fffb3e=180 s，根据数据拟合产生A、B、C的初始值，fffb3d服从正态分布，在仿真中可取。图4为仿真图，由图4可知，粒子滤波大大减少了晶振时钟的误差。

图4 三种不同算法下的仿真图

3 电网频率测量在DSP中的实现

电网高电压经过调理电路、过零检测电路变为同步方波信号，利用TMS320F28335的eCAP1模块对方波的上升沿进行捕捉，利用经过GPS校核后恒温晶振作为定时器的外部晶振输入，每次捕捉完成后对32位的定时器进行置位，其值为。则可以得到(外部恒温晶振频率)和与电网频率之间的关系，即：

图5 捕捉过程流程图

4 结束语

本文提出的基于GPS时钟信号校准恒温晶振输出频率，并利用粒子滤波算法对观测值进行处理，消除扰动带来的误差，最后经过相关电路对恒温晶振进行补偿。得到的精确时钟作为定时器的外部输入时钟，利用精准的时钟对捕捉信号进行计数，从而得到准确实时的电网频率。该方法实时性好，精度高，必将在电能质量检测装置和新能源设备并网中得到更加广泛的应用[5-10]。

[1]刘维烈.电力系统调频与自动发电控制[M].北京：中国电力出版社，2006：43-84.

[2]GUO F.Research of techniques to lock high frequency oscillator based on PPS[J].Journal of Time and Frequency,2004,12(27):94-101.

[3]周渭，偶晓娟，周晖，等.时频测控技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006：40-49，56-65，151-159.

[4]于宏毅，李欧，张效义，等.无线传感器网络原理、技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2008.

[5]林勇.基于GPS电能质量在线监测器的设计与实现[D].合肥：安徽大学，2010.

[6]宋越明.基于粒子滤波的跟踪方法研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2010.

[7]马彦青.恒温晶振OCXO自适应驯服保持技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.

[8]宋越明，于宏毅.采用概率密度分布和粒子滤波的室内定位跟踪算法[J].计算机工程与应用，2010，46(1)：237-240.

[9]许国宏，李铁成，李星.基于GPS驯服技术的高稳频踪设计[J].电子设计工程，2010，18(4)：63-65.

[10]杜文建.GPS与恒温晶振互补的高稳定时钟研究[D].南京：南京大学，2012.

Grid frequency measurement research based on GPS timing

A new method of frequency measurement based on GPS timing grid was proposed.The 1 PPS signal source received from GPS was taken as datum fountain.Combined with the accuracy complementary feature of GPS clock signal and OCXO clock signal,through regulating the voltage-controlled of OCXO,output frequency change and maintaining clock short-term and long-term accuracy and stability were made.Then this clock would provide to DSP timer.Through eCAP module of DSP to capture the rise of input signal,the grid real-time frequency could be got by recording the triggering time of the two rising along.

GPS timing;OCXO;particle filter;capture unit

TM 93

A

1002-087 X(2016)03-0709-02

2015-08-26

国家自然科学基金项目(51177099)；上海市科委基金(10160501700)

潘宇婷(1990—)，女，安徽省人，硕士生，主要研究方向为同步相量测量与电力系统分析。

陈宇晨，E-mail：yuchen1957@163.com