CN103163499A - 同步相量测量单元pmu检测装置 - Google Patents

Abstract

一种同步相量测量单元PMU检测装置，由GPS模块、高速功放模块、控制模块、同步信号源、高速采样模块、双口存储器模块1、双口存储器模块2、存储模块以及人机接口组成。该装置以GPS秒脉冲信号为同步信号，产生同步的频率基准信号，作为直接数字频率合成DDS的晶振信号，从而输出与GPS秒脉冲同步的交流电流、电压信号,通过高速功率放大器、输出回路、高速采样电路及上位机软件构成了PUM的检测装置。该装置采用标准源法，可以实现对同步相量测量单元PMU功能及其性能的检测，从而解决同步相量测量单元PMU无法直接检测的难题。本发明适用于电力系统PMU装置的静态及动态性能的现场检测。

Description

同步相量测量单元PMU检测装置

 

技术领域    

本发明涉及一种同步相量测量单元PMU检测装置，属于电力系统测量技术领域。

背景技术   

目前各网省公司全面安装了广域电网实时动态监测系统（WAMS），同步相量测量装置PMU的数据质量是影响WAMS系统应用的关键因素。传统的程控功率源只能定量输出三相交流信号量值，只能应用于装置的稳态定量测试工作，无法实现对PMU装置的动态性能进行检测。国家科技成果“华北电网厂、站端调度自动化设备入网检测平台的研究与建设”项目解决了带时标三相交流标准源技术、三相电流对三相电压移相及电压电流对GPS的1PPS移相、带时标调节各模拟量的输出，但是该项目研制的检测装置只能进行PMU装置的稳态精度检测，无法对PMU装置的突变响应、信号突变及低频振荡等关键动态性能进行检测，不能满足检测规范的要求，与实际应用有比较大的差距。

    中国科技成果数据库成果“PFM-1便携式PMU现场测试仪”课题开发了一款用于现场PMU装置动态性能分析的测试仪，参考电力系统自动化期刊论文“便携式同步相量测量装置现场测试仪”可知，该测试仪实际为一款高精度的PMU装置，通过与被检的PMU装置测量结果进行比对，分析被检PMU装置的动态性能，但是高精度的PMU装置本身就缺乏定义依据，也无法实现量值溯源，测试的结果可靠性水平不高。

华中电网有限公司与许昌开普电器检测研究院于2009年开展了PMU装置实验室入网检测工作，并申请了一项“相量测量单元PMU的检测方法” 发明专利（公开号CN101629995），该方法是利用Omicron继电保护测试仪GPS定时回放功能，回放所建立的标准．ｓｅｑ或ＣＯＭＴＲＡＤＥ格式的波形文件输出到PMU装置，比较PMU装置的测量数据，获得检测结果。但是根据2011年IEEE期刊文献Development of a flexible laboratory testing platform for assessing steady-state and transient performance of WAMS所述，所采用的标准设备Omicron继电保护测试仪与GPS时钟存在约-7.5°～-9.5°的相移错误，直接影响了测试的效果。

公开号CN202334446U公开了一种双极性高压功率放大器，由高压放大级、多组并联功率放大级、电压负反馈网络和相关电子元器件组成，应用于校表源。

发明内容

本发明的目的是，为了解决同步相量测量单元PMU无法直接检测的难题，提出一种同步相量测量单元PMU现场检测装置，该装置可以实现对同步相量测量单元PMU功能及其性能的检测。

实现本发明的技术方案是，本发明同步相量测量单元PMU检测装置以GPS秒脉冲信号为同步信号，产生同步的频率基准信号，作为直接数字频率合成DDS信号源的晶振信号，从而输出与GPS秒脉冲同步的交流电流、电压信号, 通过高速功率放大器、输出回路、高速采样电路及上位机软件构成了PUM的检测装置。

本发明同步相量测量单元PMU检测装置由硬件与软件构成。硬件部分与软件部分是分离的，软件安装在独立的电脑中，通过网线UDP连接硬件部分，实现对硬件的传输控制功能。

PMU检测装置硬件由GPS模块、高速功放模块、控制模块、同步信号源、高速采样模块、存储模块以及人机接口组成。控制模块分别接存储器模块、双口存储器模块1、双口存储器模块2、人机接口；控制模块通过双口存储器模块1接同步信号源，同步信号源再接高速功率放大器模块，高速功率放大器模块接输出接口；高速功率放大器模块的输出采样信号接高速采样模块，由高速采样模块通过双口存储器模块2接控制模块；GPS模块分别接控制模块和同步信号源。

控制模块是同步相控仿真装置的核心模块，该模块主要用于协调控制装置各个模块之间的功能实施，负责与上位机软件控制命令的信息交互、采样数据的处理、同步信号源参数设置等功能，实现PMU检测装置同步输出功能。

同步信号源是PMU检测装置的技术核心，同步信号源根据控制模块设置的参数，输出与GPS秒脉冲同步的交流小信号波形。同步信号源由同步信号频率源和直接数字频率合成器DDS构成。同步信号源为直接数字频率合成器DDS提供与GPS秒脉冲同步的晶振频率信号，从而保证直接数字频率合成器输出的交流信号与GPS秒脉冲的同步性。

高速功放模块用于实现对小信号的高速低延时放大功能。由于常用的功放模块存在反馈多、时延大的特点，无法实现放大后信号与GPS信号的同步功能，因此高速功放模块需要克服常用功放模块的缺点，实现高精度、低延时的信号放大功能。通过高速采样模块对输出信号进行采样校准，保证了输出信号的稳定性、准确性。

本发明装置中的GPS模块由GPS卫星信号接收模块及GPS信号处理模块构成。GPS模块为装置提供同步时钟信号，也是输出带时标信号的时钟标准。

人机接口主要指测试人员与装置的输入及输出接口，如键盘、显示器接口、RS232接口等。

控制模块通过人机接口或者无线通信模块接收测试指令，根据测试指令的要求和GPS模块提供的UTC时钟，控制同步信号源输出同步交流信号量值；在接收到控制信号后，同步信号源读取存储器中存储的交流信号采样点的幅值，形成离散交流频率信号，经过D/A数模信号转换输出模拟小信号，同时获取GPS模块UTC时钟输出作为模拟信号的时标；然后将模拟小信号输入功率源模块进行信号放大，最终实现同步三相交流模拟信号输出。

PMU检测装置的软件构架包括静态精度测试模块、动态精度测试模块、参数设置模块、报告处理模块。

本发明的有益效果是，本发明同步相量测量单元PMU检测装置，将输出的标准交流信号增加了全球时间属性，全面超越了以程控标准源为市场主导的背景技术，该装置实现了PMU装置静态精度、动态精度及其功能测试，确保了PMU装置测量的准确性及可靠性。

该装置采用标准源法，可以实现对同步相量测量单元PMU功能及其性能的检测，从而解决同步相量测量单元PMU无法直接检测的难题。

本发明同步相量测量单元PMU检测装置，使PMU装置的现场检测能力得到巨大提升，从而可以遵循Q/GDW416-2010《电力系统同步相量测量装置PMU测试技术规范》要求，对所有厂站端PMU装置开展现场检测工作，确保投入运行的PMU装置的功能及性能指标满足规范要求，使达到提高电力系统PMU装置的准确性、可靠性水平，使电网的实时监测能力得到整体性提升。

本发明适用于电力系统PMU装置的静态及动态性能的现场检测。

附图说明    

图1为PMU检测装置结构图；

图2为PMU检测装置软件构架框图；

图3为PMU检测装置实现图；

图4为FPGA可编程控制器的构架；

图5为GPS同步信号频率源结构图；

图6为GPS同步数字信号频率源的实现图；

图7为DDS的实现框图；

图8为采样测试系统框图；

图中：K为频率控制字；f _c 为时钟频率；NCO为相位累加器；ROM为只读存储器；DAC为数模转换器；LF为低通滤波器。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图3所示。

本发明实施例PMU检测装置的硬件实现是以数字信号处理器DSP为核心构建的系统，由FPGA可编程控制器实现同步信号源功能，DSP处理器3作为高速采样模块的数据处理单元，完成采样数据的处理及存储。

数字信号处理器DSP1作为装置的控制模块，通过网络接口接收上位机软件的指令，根据测试人员的要求，控制命令的发送与接收、三相交流信号的定时同步输出。PMU检测装置采用了TI公司的TMS320F2812数字信号处理器。

FPGA可编程逻辑器件用于实现同步频率信号源，接收GPS接收机的时钟信号、秒脉冲信号，实现同步DDS信号源的构建，通过高速功率放大器将信号进行快速放大输出。FPGA可编程控制器的构架如图4所示，FPGA可编程控制器采用XILINX V4系列FPGA芯片构成嵌入式系统，通过VHDL语言设计或者引用硬件IP核，实现同步数字信号频率源及直接数字频率合成器DDS，其中存储控制器、I/O接口控制器可以引用XILINX公司提供的IP核。

GPS同步信号频率源结构如图5所示，GPS同步信号频率源由GPS计数信号发生器、晶振时钟信号计数器、平均时钟周期处理器、同步时钟信号发生器组成；GPS信号输入到GPS计数信号发生器，GPS计数信号发生器通过晶振时钟信号计数器连接平均时钟周期处理器，再接同步时钟信号发生器，由同步时钟信号发生器发出周期同步信号；晶振时钟信号分别接晶振时钟信号计数器和同步时钟信号发生器。

GPS同步数字信号频率源的实现是通过VHDL硬件编程语言实现各个功能模块，经过功能仿真、综合后仿真、布线后仿真的流程，在XILINX的开发平台上实现的。其模块实现如图6所示，GPS分频模块实现对GPS秒脉冲信号进行128分频处理，并将分频信号输出到计数器1模块、计数器2模块，这两个模块分别对64秒的晶振信号进行计数，统计64秒晶振的实际脉冲数量。晶振误差计算模块计算晶振的实际脉冲周期，并得出晶振64秒的漂移误差。同步频率对晶振信号进行30倍分频，并对晶振漂移误差进行修正，输出与1PPS秒脉冲信号同步的1MHZ 的频率信号。

直接数字频率合成器DDS功能就是在存储器存入正弦波的                                                

个均匀间隔值，然后以均匀速度把这些样值输出到数模转换器，将其变换成模拟信号。最低输出频率的波形会有

个不同的点。同样的数据输出速率，但存储中的值每隔一个值输出一个，就能产生两倍频率的波形。以同样的速率，每隔

个点输出就得到

倍频率的波形，频率分辨率与最低频率一样。其上限频率由Nyquist速率决定，与直接数字频率合成器DDS所用的工作频率有关。

本发明实施例中直接数字频率合成器DDS的组成如图7所示，直接数字频率合成器DDS是由一个相位累加器、只读存储器ROM、数模转换器DAC和低通滤波器LF组成；相位累加器连接只读存储器ROM构成数控振荡器，只读存储器ROM再通过数模转换器DAC接低通滤波器LF；时钟频率分别加至相位累加器和数模转换器DAC。 

本发明实施例中高速功放电路采用了高压、高宽带MOCFET运算放大器，它由高压放大级、多组并联功率放大级、电压负反馈网络等部分组成。高压放大级实现输入信号与反馈电压信号差值的放大和电压放大，各功率放大级具有均流功能，用于增强放大器对负载电容的充放电能力并分担在放大器中产生的功耗；输入信号加在高压放大级的正相输入端，反馈电压信号加在反相输入端，构成电压负反馈，整个放大器为一正相放大器，正负高压直流电源为高压放大级和各功率放大级提供高压直流信号。

高速采样电路完成对输出信号的采样功能，将采样值送入采样值处理器作为反馈信号，同时存入双口RAM存储器2，数字信号处理器DSP1读取该存储器获取输出信号标准值，通过网络接口上传至上位机电脑软件完成误差计算处理。

高速采样模块采用16位四相限高速AD采样芯片，实现高精度、快速采样功能，确保了PMU检测装置能达到0.05级准确度等级，因此克服了输出精度低的缺点。采样测试模块系统框图如图8所示。

Claims (6)

1.一种同步相量测量单元PMU检测装置，由GPS模块、高速功放模块、控制模块、同步信号源、高速采样模块、存储模块以及人机接口组成；其特征在于，所述装置以GPS秒脉冲信号为同步信号，产生同步的频率基准信号，作为直接数字频率合成DDS的晶振信号，从而输出与GPS秒脉冲同步的交流电流、电压信号, 通过高速功率放大器、输出回路、高速采样电路及上位机软件构成了PUM的检测装置；

所述装置的控制模块分别接存储器模块、双口存储器模块1、双口存储器模块2、人机接口；控制模块通过双口存储器模块1接同步信号源，同步信号源再接高速功率放大器模块，高速功率放大器模块接输出接口；高速功率放大器模块的输出采样信号接高速采样模块，由高速采样模块通过双口存储器模块2接控制模块；GPS模块分别接控制模块和同步信号源。

2.根据权利要求1所述的一种同步相量测量单元PMU检测装置，其特征在于，所述控制模块通过人机接口或者无线通信模块接收测试指令，根据测试指令的要求和GPS模块提供的UTC时钟，控制同步信号源输出同步交流信号量值；在接收到控制信号后，同步信号源读取存储器中存储的交流信号采样点的幅值，形成离散交流频率信号，经过D/A数模信号转换输出模拟小信号，同时获取GPS模块UTC时钟输出作为模拟信号的时标；然后将模拟小信号输入功率源模块进行信号放大，最终实现同步三相交流模拟信号输出。

3.根据权利要求1所述的一种同步相量测量单元PMU检测装置，其特征在于，所述同步信号源由同步信号频率源和直接数字频率合成器DDS构成；同步信号源为直接数字频率合成器DDS提供与GPS秒脉冲同步的晶振频率信号，从而保证直接数字频率合成器输出的交流信号与GPS秒脉冲的同步性。

4.根据权利要求1所述的一种同步相量测量单元PMU检测装置，其特征在于，所述高速采样模块采用16位四相限高速AD采样芯片，实现高精度、快速采样功能，确保了PMU检测装置能达到0.05级准确度等级，克服了输出精度低的缺点。

5.根据权利要求1所述的一种同步相量测量单元PMU检测装置，其特征在于，所述直接数字频率合成器DDS是由一个相位累加器、只读存储器ROM、数模转换器DAC和低通滤波器LF组成；相位累加器连接只读存储器ROM构成数控振荡器，只读存储器ROM再通过数模转换器DAC接低通滤波器LF；时钟频率                                                分别加至相位累加器和数模转换器DAC。

6.根据权利要求1所述的一种同步相量测量单元PMU检测装置，其特征在于，所述检测装置的上位机软件构架包括静态精度测试模块、动态精度测试模块、参数设置模块、报告处理模块。

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