CN101865952B - 一种实现高精度同步相量测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高精度同步相量测量的方法，包括以下步骤：(1)使守时装置输出精密分秒脉冲；(2) 将精密分秒脉冲输入到采集卡的触发端；(3) 采集卡得知当前的触发脉冲在秒内的具体位置；(4) 采集卡采集得到数据序列后，再通过和守时装置中的GPS模块通信，得到当前采集数据序列第一点对应的粗略时刻，再由步骤(3)推算得到当前采集数据序列第一点对应的精确采集时刻，然后计算得到相量测量结果。本发明通过守时装置输出精密的分秒脉冲，来启动采集卡在一秒内多次采集，这样可以避免计算结果的误差，精度高；可以在采集卡上使用低精度晶体的同时保证结果精度，因而方便使用第三方PCI/cPCI采集卡，节省了生产成本，能够提高企业的经济效益。

Description

一种实现高精度同步相量测量的方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动测量技术领域，尤其涉及一种精密分秒脉冲和采集卡配合实现的高精度同步相量测量的方法。

背景技术

目前，电力系统中电压和电流都是随时间做正弦变化的时变量，都可用相量表示，以标准时间信号作为采样过程的基准，通过对采样数据计算而得的相量称为同步相量。相量测量装置(PMU)是用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装置，由守时装置、采集卡和数据处理模块构成。现有的PMU装置按照采样原则可以分为变频采样和定频采样两大类；如果按照硬件体系的不同分类可以分为PC/104体系、PCI/cPCI/PXI体系或DSP+AD转换+单片机体系等。在上述硬件体系和采样原则的组合中，PCI/cPCI/PXI体系加定频采样是一种相对较好的组合，cPCI和PXI结构已经经过电信军工等多个行业验证，表明可靠性、MTBF(平均故障间隔时间)、性能、散热、可扩展性等多种指标都有优越的表现，而定频采样容易实现全网的同步采集，保证同步复现。但是使用PCI/cPCI/PXI体系和定频采样原则实现相量测量装置时，需要保证PCI/cPCI/PXI采集卡采样点的精度，目前一般的做法是用pps(秒脉冲)来触发采集卡采样，每一秒内的采样控制则由采集卡本身时钟来决定。由于国家标准对相量测量结果精度要求很高，而商业采集卡往往使用普通晶体作为整个采集卡的时钟源，这将导致采集卡采样间隔存在偏差，这种间隔的偏差会引起相量测量结果的偏差。举例来说，如果使用普通晶体，并且以精确的(误差小于50ns)的pps启动采集1秒数据，那么，在采集过程中，采集的起点是准确的，但采样点间的间隔相对于期望的间隔可能会被压缩或 延伸。这种间隔偏差引起相量测量结果偏差的情况可以计算如下：

假设输入信号为完美的余弦信号，即：

U(t)＝cos(ωt+α)

如果采集卡的晶振绝对准确，一个周波采集125点，则第一周波采样点应为：

$\cos (\frac{1}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})\cos (\frac{2}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})...,$ $\cos (\frac{125}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})$

显然，利用上述数据进行DFT(离散傅里叶变换)计算，得到的结果不会存在偏差，计算相量结果角度精确的等于α。

但如果采集卡的晶振有100ppm(相当于万分之一)的频率漂移，那么第一周波采样得到的数据应该是：

$\cos (\frac{1*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})\cos (\frac{2*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})...,$ $\cos (\frac{125*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})$

依次类推，第50周波采样得到的数据是：

$\cos (\frac{6126*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α}),$ $\cos (\frac{6127*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})...\cos (\frac{6250*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})$

此时仍然采用DFT算法，df＝0.005003

计算结果就存在偏差，当α＝0时，得到的角度结果为：α′＝1.76

角度偏差了1.76度，这是不能允许的。对于这个现象的解释：采样时采样频率稍有误差并不会有太大的影响，但是采样的开始时刻必须精确，错1us就是0.018度，在上面的数列中，如果不知道频率漂移的具体数值，认为是在处理这一秒最后一周波的数据，因此认为该周波数据是在该秒的980ms开始采集，但是实际上不是这样，该周波数据采集开始时刻比预期的时刻增加了6126*0.0001/125*0.02＝0.000098016s，这98us对应的角度正好是1.76度。

当然，采集卡上的晶体可能温度系数会比100ppm要好一些，典型值为10-25ppm之间，但是即使如此，如果仅使用秒脉冲来触发采集，在每一秒的最后一周波角度偏差仍会大于标准要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现高精度同步相量测量的方法，能够保证相量测量结果精度。

本发明采用下述技术方案：一种实现高精度同步相量测量的方法，包括以下步骤：(1)、使守时装置输出精密分秒脉冲；(2)、将精密分秒脉冲输入到采集卡的触发端；(3)、采集卡得知当前的触发脉冲在秒内的具体位置；(4)、采集卡采集得到数据序列后，再通过和守时装置中的GPS模块通信，得到当前采集数据序列第一点对应的粗略时刻，再由步骤(3)推算得到当前采集数据序列第一点对应的精确采集时刻，然后计算得到相量测量结果。

所述步骤(3)具体为：将pps秒脉冲作为采集量输入采集卡的采集通道，当触发采集得到的数据正巧pps信号对应通道为高电平时，则得知该数据为本秒的第一包数据。

所述的步骤(3)的另一种实现方式具体为：将精密分秒脉冲与pps秒脉冲均输入到计数器，每个分秒脉冲到达时计数器累加，秒脉冲到达时计数器清零，然后再将计数器的输出输入到采集卡的采集通道，采集卡接收到数据通过分析对应计数器的通道得到该数据为秒内的第几包数据。

所述的步骤(1)具体为：守时装置中恒温晶体高频振荡器的输出方波进入FPGA，FPGA对该方波进行计数，每累计到预先设定的数值就输出一个精密分秒脉冲。

本发明通过守时装置输出精密的分秒脉冲，来启动采集卡在一秒内多次采集，这样可以避免计算结果的误差，精度高；本发明所述方法可以在采集卡上使用低精度晶体的同时保证结果精度，因而方便使用第三方PCI/cPCI采集卡，节省了生产成本，能够提高企业的经济效益。

附图说明

图1为本发明中实施例一的电路框图；

图2为本发明中实施例二的电路框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明相量测量装置的部分装置守时装置1与采集卡2，采集卡2的触发信号为守时装置1的恒温晶振经过FPGA(现场可编程门阵列)分频后产生的精密分秒脉冲(实为经过pps校准的精密方波)，精密分秒脉冲频率(精密分秒脉冲频率为50Hz或者100Hz等)由希望每秒计算相量的次数决定。例如，如果希望每秒提供50次相量数据，则脉冲应为50Hz方波，该脉冲的时间精度由恒温晶振保证，可做到上升沿距正确时间误差小于50ns。本发明使用精密分秒脉冲触发采集卡2实现高精度同步相量测量的方法如实施例一与实施例二所述。

实施例一：本发明包括以下步骤，如图1所示：

1)使守时装置1输出精密的分秒脉冲：恒温晶体高频振荡器的输出方波进入FPGA，FPGA对该方波进行计数，每累计到预先设定的数值就输出一个分秒脉冲(例如当恒温晶体构成的高频振荡器频率为50MHz时，FPGA每得到1000000个上升沿就输出一个分秒脉冲)；

2)将此分秒脉冲输入到采集卡2的触发端(即FPGA的触发端)，触发采集卡2启动采集；

3)采集卡得知当前的触发脉冲在秒内的具体位置：将pps秒脉冲作为采集量输入采集卡2的采集通道，如果触发采集得到的数据正巧pps信号对应通道为高电平，则该数据为本秒的第一包数据；

4)采集卡2采集得到数据序列后，再通过和GPS模块通信，得到当前采集数据序列第一点对应的粗略时刻(精确到秒)，再根据步骤(3)，推算得到当前采集数据序列第一点对应的精确采集时刻，然后通过 DFT(离散傅里叶变换)算法得到精确的相量结果。

实施例二：与实施例一不同的是步骤(3)，本实施例中步骤(3)采集卡得知当前的触发脉冲在秒内的具体位置：如图2所示，将精密分秒脉冲与pps秒脉冲均输入到计数器，每个分秒脉冲到达时计数器累加，pps秒脉冲到达时则清零，然后再将计数器的输出输入到采集卡2的采集通道，采集卡2接收到数据以后，通过分析对应计数器的通道得到该数据为秒内的第几包数据。

本发明中所述采集卡2采用凌华的PXI2206采集卡，本发明所述方法也可用在其它采集卡上。本发明中使用分秒脉冲代替秒脉冲做触发信号后，相量计算精度可以大大提高，仍以每秒的最后一周波为例，现在由于触发时刻为精确的980ms，则数据序列变为：

$\cos (\frac{6125+1*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α}),\cos (\frac{6125+2*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α}),...,$

$\cos (\frac{6125+125*1.0001}{125}*2\mathrm{\π}+\mathrm{\α})$

采用DFT算法，计算结果为：

α′＝0.000294

角度误差小于0.001度，精度有显著提高。

Claims (4)

1.一种实现高精度同步相量测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、使守时装置输出精密分秒脉冲；(2)、将精密分秒脉冲输入到采集卡的触发端；(3)、采集卡得知当前的触发脉冲在秒内的具体位置；(4)、采集卡采集得到数据序列后，再通过和守时装置中的GPS模块通信，得到当前采集数据序列第一点对应的粗略时刻，再由步骤(3)推算得到当前采集数据序列第一点对应的精确采集时刻，然后计算得到相量测量结果。

2.根据权利要求1所述的实现高精度同步相量测量的方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：将pps秒脉冲作为采集量输入采集卡的采集通道，当触发采集得到的数据正巧pps信号对应通道为高电平时，则得知该数据为本秒的第一包数据。

3.根据权利要求1所述的实现高精度同步相量测量的方法，其特征在于：所述的步骤(3)具体为：将精密分秒脉冲与pps秒脉冲均输入到计数器，每个分秒脉冲到达时计数器累加，秒脉冲到达时计数器清零，然后再将计数器的输出输入到采集卡的采集通道，采集卡接收到数据通过分析对应计数器的通道得到该数据为秒内的第几包数据。

4.根据权利要求2或3所述的实现高精度同步相量测量的方法，其特征在于：所述的步骤(1)具体为：守时装置中恒温晶体高频振荡器的输出方波进入FPGA，FPGA对该方波进行计数，每累计到预先设定的数值就输出一个精密分秒脉冲。

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