《【期刊】电力系统广域测量中数据采集系统的实现.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《【期刊】电力系统广域测量中数据采集系统的实现.pdf(3页珍藏版)》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第2 6 卷 第 1 5 6 期2 0 0 5 年1 0 月1 0日统通信f o r E l e c t r i c P o w e r S y s t e m 电力系T e l e c o mmu n i c a t i o n sVo l.2 6 N o.1 5 6O c t.1 0,2 0 0 5 6 3电力系统广域测量中数据采集系统的实现 刘爱辉,谢志远,马英红(华北电力大学 电子与通信工程学院,河北 保定 0 7 1 0 0 3)摘要:在电力系统中,采样数据的同步性越来越受关注,现代网络技术的发展为数据的传输提供了极大的方便,同时数字信号处理器(D S P)的发展为数据采集系统提供了
2、强有力的硬件基础。文章给出了基于D S P的数据采集系统,采用全球定位系统(G P S)授时技术对系统进行同步处理,处理后的数据通过T C P/I P网络协议转换模块传到I n t e r n e t 上。由于数据被打上了时间标签,为数据的再处理、分析等提供了便利条件,为电力系统的广域测量提供了保障。关键词:数字信号处理器;全球定位系统;数据采集;广域测量中图分类号;T M 9 3 4;T N 6 0 2文献标识码:B文章编号:1 0 0 5-7 6 4 1(2 0 0 5)1 0-0 0 6 3-0 30 引言 广域测量技术是以全球定位系统(G P S)和向量测量单元(P M U)为基础的一
3、项新技术,在电力系统中有广阔的应用前景川。其中P M U系统功能复杂,需要完成数据采集、网络传输、G P S 实时同步、D S P 数据处理、用户 G U I 接口等各种功能。文章主要研究了在广域测量中数据采集系统的实现。数据采集系统在工业测控及试验室研究方面的应用非常广泛。随着科学技术的发展,数据采集技术也不断发展:一方面,正向着高精度、高速度、稳定可靠和集成化的方向发展;另一方面,也向着实时系统方向发展,特别是逻辑和时序要求比较高的系统。在庞大的、瞬变的多输人输出的电力系统中,监测和控制的参数要求实时性较强,有些采集的特征量频率变化快且复杂,如暂态突变量、高频的故障行波等,普通的采集处理方
4、法对多路进行采样计算时,就会显得吃力甚至难以实现。为了适应现代电力系统的要求,将先进的数字信号处理(D S P,D i g i t a l S i g n a l P r o c e s s i n g)技术应用到电力系统中,充分发挥其快速强大的运算、处理及并行运行的能力,满足了电力系统监控的实时性和处理算法的复杂性等更高的要求。1 系统的整体设计 系统主要可分为 G P S 接收机、数据输人、T C P/I P转换模块和 D S P处理单元 4部分。G P S主要完成采样数据的同步及获得时间信息,方便后续数据的统一分析,因此,可以对大范围的监测节点同一时间的数据进行比较处理;数据输人部分包括
5、开关量输人和模拟量输人2 部分,根据分析要求对不同监测信号进行采集;T C P/I P 模块用来将处理的数据打包上传到I n t e r-n e t 上,实现远程数据交换;D S P处理单元是整个系统的核心,用来协调整体系统的工作,实现同步数据采集,为数据打上时间标签,完成数据的上传。图1 给出了系统的结构框图。天线棋拟t.入前里放大(可选)开关f.入I I e/n 转换!I l n t e r n e tC P S 模块数宇 信号处理卜-I T CP/I P 转换模块图1 系统结构收稿 日期:2 0 0 5-0 3-1 6;修回 日期:2 0 0 5-0 5-1 31.1 GP S接收机 随
6、着电力系统规模的不断扩大,大容量、超高压远距离输电日 益增多,系统结构也日 趋复杂。因此,电力系统的稳定、线路的损耗、实时监视等研究就显得越来越重要。电力系统利用 G P S的精确时间传递技术,实现对电网内各厂站的运行电气量进行同步采样,保证数据的同时性,有助于分析电力系统故障与操作时各种装置动作情况及系统行为,确认事故的起因与发展过程,保证安全运行,提高运行水平。G P S系统包括空间部分(G P S卫星)、地面控制部分(地面监控系统)、用户设备部分(G P S 信号接收机)3 大部分。空间部分由2 4颗均匀分布在 6 个轨道平面内的卫星组成;地面控制部分负责卫星的监控和卫星星历的计算,它包
7、括 1 个主控站、3个注人站和5个监测站;用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成 2 3。用户通过用户设备接收G P S 卫星信号,经信号处理而获得用户位置、速度等信息,最终实现利用 G P S进行导航、定位、授时等目的。目前,G P S主要用于定电力系佑通佗2 0 0 5,2 6(1 5 6)位和导航,授时的用途较少。要实现电力系统的综合自动化,采用 G P S 授时显然是非常必要的。由于G P S 应用市场的迅速扩大,G P S 接收设备的生产经许可已经向其他生产商开放,目 前市场上常见的是美国和日 本一些厂商生产的接收设备。虽然各个厂商生产的G P S 接收设备类型不尽相同,但它们都有着
8、统一的组成部分和接口,并且所遵从的通信协议也是相同的。G A R M I N 模块式的 产品一直都居于领先地位,该系统中采用G P S 1 5 L,其主要性能指标包括:1)并行 1 2 通道,可同时跟踪1 2 颗卫星;2)授时精度优于2 0 0 n s,脉冲宽度2 0 一 9 8 0 m s 可调;3)3.3-5 V供电电压;4)数据更新时间为1 s;5)数据输出格式:N M E A 0 1 8 3.版本2.0 0或3.0 0(可选)的A S C I I 码语句。G P S接收机与 D S P的硬件接 口如 图 2所示。G P S 1 5 L 的T X引脚输出A S C I I 码语句,包括
9、N M E A 0 1 8 3标准语句(G P A L M,G P G G A,G P G L L,G P G S A,G P G S V,G P G S C,G P G M C,G P G T G)和G A R M I N定义语句(P G R M B,P G R M E,P G R M F,P G R M M,P G R M T,P G R M V)o D S P通过串口R S-2 3 2接收到数据,从中提取时间信息。R D引脚接收初始化信息,包括初始位置、时间、秒脉冲、状态差分模式、N M E A输出间隔等设置信息。1 P P S引脚输出秒脉冲信号,经过分频启动A/D采样。T M S 3
10、2 0 L F 2 4 0 7中自 带的1 0 位 A D C转换器,最小转换时间为5 0 0 n s,其主要特性 为:1)带内置采样保持(S/H);2)1 6个模拟量输人通道(A D C I N O-A D C I N 1 5);3)自 动排序功能,一次可执行最多1 6 个通道的“自 动转换”,而每次要转换的通道都可通过编程来选择;4)可以工作在8 通道的双排序模式,或者工作在级连1 6 通道的单排序模式;5)可单独访问的 1 6个结果寄存器(R E S U L T O一 R E S U L T 1 5)用来存储转换结果;6)多个触发源可启动A D转换,可以是事件管理器模块中的事件源启动、外
11、部信号启动或软件立即启动3 种方式的任一种;7)中断控制灵活,允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求;8)采样/保持获取时间窗口有单独的预定标控制。A D C模块的采集时间和转换时间分开,提高了采样率和输人阻抗,并且支持自动顺序采样,不需C P U干预。一次可执行最多 1 6 个通道的自动转换,在采样通道较多的情况下,采用级连工作方式,系统的结构框图如图3 所示。模拟妞】X图2 G P S 与 D S P芯片的接口电路1.2 基于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7的采集单元 T I 公司的 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7数字信号处理器是以C 2 4 X为基础
12、,进一步对功耗、性能、速度等方面进行了改进。主要特点如下:采用3.3 V电源供电,进一步降低了功耗;运算速度为3 0 M I P S;具有 3 2 k b i t/s 的F l a s h 程序存储器、1.5 k b i t/s 字的数据/程序 R A M,5 4 4 b i t 的双口R A M和2 k b i t/s 的单口R A M、可扩展外部存储器共计 1 9 2 k b i t/s(6 4 k b i t/s 的程序存储器、6 4 k b i t/s 的数据存储器、6 4 k b i t/s 的1/0寻址空间);2个事件管理器模块 E V A和E V B。T M S 3 2 0 L
13、F 2 4 0 7 片内集成了丰富的外设,具有 1 6 通道 1 0 位 A/D转换器、串行通信接口(S C I)模块、1 6 位的串行外设接口(S P I)模块等,大大减少了系统设计的元器件数量。由于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 具有很高的性能价格比,用它构成高速数据采集系统不但能很好地满足系统的要求,而且降低系统的复杂性,因此该系统采用D S P 集成的A/D转换器进行数据采集。图3 级连工作方式下自动排序 A D C的结构 由于电力系统中各种扰动持续时间短,随机性强,为了精确测量电网中的高次谐波值便于分析,必须保证较高的采样频率。该系统采用“采样保持器+多路开关+A D
14、转换”的模式,每个采样保持器采集一路交流量输人,这样控制灵活方便,可以根据实际待测路数来确定采样保持的个数,易于实现装置模块化。1.3 T C P/I P协议转换模块 为实现测量数据的高速传输,采用了测量设备直接上网的方式。目前市场上已有许多成熟的支持串口设备直接上网的产品,它们都具有完善的T C P/I P 协议,内嵌可以实现 R S 一 2 3 2/4 2 2/4 8 5与以太网直接对话的转换软件。利用这些串口 设备进行数据通信时,直接将它看成是一台具有实际I P 地址的P C机即可。这样,经过处理的数据就可以直接传到远程分析中心,以实现广域测量。设计与开发 刘爱辉,等电力系统广域测量中数
15、据采集系统的实现6 5 2 系统的软件设计 在系统中T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7是核心部分,主要完成G P S 时间信息的提取,进行数据采集并进行处理,然后将数据通过 T C P/I P转换模块传到以太网上,使分析站点的主机能够接收来 自不同监测点的数据信息,方便信息的综合分析处理。系统的主程序流程如图4所示。“,”来提取时间信息。3 结束语 在电力系统广域测量中,数据采集系统由于应用了同步采样技术,对各相电压和电流实现同时采样,因而消除了电压和电流相位差的测量误差,缩短了采样时间,提高了测量精度。由于采用网络协议转换模块,大大简化了采集数据的通信问题,同时C P S 精确的
16、授时信号提供的时间标签为系统的整体分析提供了便利条件。广域测量为电力系统提供了新的安全监控手段,对整个系统的合理调度、科学管理提供了有力保障。(F)参考文献:图4 系统主程序流程一一Jles仁曰,12r.Lr.L,.J,reJ内、4rllr.L 系统中接收 G P S 时间、数据采集和数据发送均采用中断进行处理。系统采用连续的自动排序方式,具体的A/D转换流程如图5 所示。一一JFesesl一、乙Ur.L厂飞IJ飞.J0八r.LF.L图5 连续的自动排序方式 A/D转换流程 在提取 G P S时间信息时,因为 G P S 1 5 L输出语句中包含时间最全面的是 P G R M F语句。它的格式
17、为:$P G R M F,*h h ,其中中表示的为U T C日期、d d m m y y(日 月年)格式;表示 U T C时间、h h m m s s(时分秒)格式。因此可以通过判断“$,P G R M F ,关宏亮,杨玉霞.基于广域测量的系统电压崩溃点预测 J .安徽电 气工程职业技术学院 学报,2 0 0 4,(3);1 0 一 1 3.周忠漠,易洁.G P S 卫星测量原理与应用 M.北京:测绘出版社,1 9 9 7.刘和平.T M S 3 2 0 L F 2 4 0 x D S P C语言开发应用 M.北京:北京航空航天大学出版社,2 0 0 3张雄伟.D S P 集成开发与应用实例
18、 M北京:电子工业出版社,2 0 0 2.王宾,潘贞存,张慧芬.分布式电能质量监测系统硬件平台的设计【J .电子测量与仪器学报,2 0 0 4,(6):7 一 1 2.于万霞,张建民.基于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7的高速数据采集系统【J .天津职业技术师范学院学报,2 0 0 3,(3):3 3 一 3 8高翔,陶炜.D S P系统的 G P S高精度时钟设计和实现 1 .华北电力技术,2 0 0 3,(8):1 一 3.G P S 1 5 H&1 5 L T E C H N I C A L S P E C I F I C A T I O N S【Z.G A R MI N
19、I n t e r n a t i o n a l,I n c.2 0 0 2.8.刘爱辉(1 9 8 0 一),女,河北泳州人,硕士研究生方向为信号与信息处理。谢志远(1 9 6 4 一),男,河北辛集人,博士研究生,要研究方向为实时信号处理。马英红(1 9 8 1 一),女,河北故城人,硕士研究生方向为信号与信息处理。,主要研 究副教授,主,主要研 究R e a l i z a t i o n o f d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m i n p o w e r s y s t e m b a s e d o n w i d e a r e
20、 a me a s u r e me n t s L I U A i-h u i,X I E Z h i-y u a n,M A Y i n g-h o n g (S c h o o l o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,N o r th C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y,B a o d i n g 0 7 1 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:I n p o w e r s
21、 y s t e m s,t h e s y n c h r o n i z a t i o n o f s a m p l e d d a t a i s p a i d m o r e a t t e n t i o n,a n d d a t a t r a n s m i s s i o n i s v e ry c o n v e n i e n t a l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f n e t w o r k t e c h n o l o g y.A t t h e s a m e t i m e d i g i t
22、 a l s i g n a l p r o c e s s o r(D S P)o ff e r s s t r o n g h a r d w a r e f o u n d a t i o n f o r d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m.T h e p a p e r g i v e s a d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m u s i n g D S P a n d G P S,w h e r e G P S i s u s e d t o t h e c l o c k s y n c
23、 h r o n i z a t i o n o f s y s t e m,a n d t h ed i s p o s e d d a t a a r e t r a n s m i t t e d t o I n t e rne t b y T C P/I P n e t w o r k p r o t o c o l c o n v e r s i o n m o d u l e.B e c a u s e t h e d a t a a r e m a r k e d o n t i m e l a b e l,i t g i v e sa g r e a t o f c o n v
24、 e n i e n c e o n d a t a a n a l y s i s a n d a f t e r t r e a t m e n t,a n d i t g i v e s e n s u r i n g f o r w i d e a r e a m e a s u r e m e n t i n p o w e r s y s t e m.K e y w o r d s:d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r;G l o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m(G P S);d a t a a c q u i s i t i o n;w i d e a r e a m e a s u r e m e n t