CN111064536A - 基于时钟同步的配电网监测装置及方法 - Google Patents

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于滨硕
张弼驰
李张弘泰
王久阳
辛业春
王威儒
刘科
陈厚合
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Northeast Electric Power University
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Northeast Dianli University
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Abstract

本发明涉及一种基于时钟同步的配电网监测装置及方法，属于配电网运行状态监测领域。包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。具有科学合理、适用性强、可靠性高、效果佳的优点。

Description

基于时钟同步的配电网监测装置及方法
技术领域
本发明涉及配电网运行状态监测领域，特别涉及一种基于时钟同步的配电网监测装置及 方法。
背景技术
在泛在电力物联网建设的大背景下，电气参数信息的采集作为建设泛在电力物联网的第 一步，而时钟同步对于配电网管理系统DMS(Distribution Management System)、配电网调度 管理系统OMS(Outage Management System)和配电自动化系统DAS(Distribution Automation System)意义重大。
随着可再生能源及各种DG(接入配电网当中或电网中用户一侧的小容量的发电系统) 在配电网中的进一步扩展、渗透和配电网复杂度及网络节点数的增加，能够实现配电网数据 采集模块时钟同步的系统将会扮演越来越特别重要的角色。故基于时钟同步的配电网监测装 置具有很大的研究价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时钟同步的配电网监测装置及方法，解决了现有技术存 在的监测效果不理想、可靠性差等问题。本发明硬件系统采用全球定位系统(GPS)同步相 量测量方案。基于DSP(digital signal processor微处理器)结构，具有高速的运算能力和丰 富的外围电路，可以实现配电网中大量节点的同步相量测量。且设计科学合理、适用性强、 可靠性高、效果佳。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于时钟同步的配电网监测装置，包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据 处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负 责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板 完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。
所述的数据处理单元DSP采用TI公司生产TMS320F28335作为主处理器，用于对采样数 据的相量计算；其中串口SCI有多个是通过转换插针的方式转换，用于对本地时钟模块FPGA、 GPS模块的配置和数据传输。
所述的本地时钟模块FPGA为EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块为LEA-6T-00。
本发明的另一目的在于提供一种基于时钟同步的配电网监测装置实现的监测方法，包 括如下步骤：
步骤(1)、基于DFT/FFT相量误差修正：
(1.1)频率同步采样下的传统DFT计算，同步相量测量装置的数据处理部分首先根据 统一时标的到来作为DFT数据窗开始标记，以此开始记录采样点个数，当数据窗内采满点 数N时，以此N点采样值做DFT计算，设相量计算幅值和相角结果分别为A和θDFT；
(1.2)统一时标与数据窗首采样点时间偏差测量，统一时标一方面作为DFT数据窗开 始标志，另一方面作为误差修正的采样时间信息的读取；当统一时标到来时，数据处理部分 读取由本地时钟对采样脉冲标记的紧跟统一时标到来采样点时间信息t2及统一时标时间信 息kT；由公式Δt＝t2-kT计算时间偏差Δt；
(1.3)时间偏差对应相角偏差计算，由标记的紧邻统一时标的采样点时间信息t1及步 骤(1.2)中求得的Δt计算相角偏差Δθ，计算公式如下：
Figure BDA0002307251680000021
其中，Ts为频率同步采样时间间隔，可在每周期由标记的时间信息t1和t2计算，即Ts＝t2-t1，也可以自适应频率跟踪单元生成频率同步采样脉冲时的设定采样间隔直接替代；
(1.4)DFT计算相角修正，设统一时标实际相角为θ时标，由于周期采样点数为N则采样相角间隔为
Figure BDA0002307251680000031
则统一时标修正相角如下：
Figure BDA0002307251680000032
用修正结果θ时标替换DFT直接的计算结果θDFT，至此同步相量计算及偏差修正过程完 成。
步骤(2)、FPGA控制的频率同步采样：
测量系统中各测量节点根据其所在区域地理位置以及所在子网中地位不同被分为主节 点和从节点；一级主网络根据传输距离和便利性采用基于无线的或者光纤以太网的方式组网 和数据传输；同时一级主网络采用基于GPS硬件的时钟同步方式对各子网络的主节点进行 同步授时；测量系统中的二级次网络的各子网内部各测量节点之间及与数据集中器之间采用 基于无线通信的方式组网和数据传输；且子网络内由具有GPS硬件的主节点WPTP无线时 钟同步协议对各从节点进行同步授时。
本发明的有益效果在于：结合GPS完成对装置的异地同步授时，从而实现对所测相量 统一时标的同步标记，便于在实际电力系统中应用。具有科学合理、适用性强、可靠性高、 效果佳的优点。对配电网的电压及电流的基波(或谐波)相量值和功率值以及实时电网频率 做到准确采集。为了满足不同需求下应用，装置可提供多种采样速率。具有高精度、高可靠 性的信号采集与相量计算功能。本发明具有异地时钟同步功能。采用GPS的时钟同步方式， 做到配电网不同量测位置的硬件时钟同步授时和无线时钟同步授时，并能在失去时钟源一段 时间的情况下做到满足测量要求的守时精度。具有高速的运算能力和丰富的外围电路，可以 实现配电网各节点的同步相量测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示 意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的频率同步采样脉冲生成原理图；
图2为本发明的统一时标与同步采样脉冲逻辑原理框图；
图3为本发明的基于时钟同步的配电网监测装置的硬件结构示意图；
图4为本发明的DSP外围设备连接图；
图5为本发明的FPGA与DSP连接图；
图6为本地时钟结构图；
图7为本地时钟调整值获取原理图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图7所示，本发明的基于时钟同步的配电网监测装置及方法，采用全球定 位系统(GPS)同步相量测量方案。基于DSP结构，具有高速的运算能力和丰富的外围电路， 可以实现配电网各节点的同步相量测量。采用支持浮点型运算的数字信号处理器DSP，利用 先进的数字处理技术完成同步相量的测量和计算；采用FPGA逻辑器件，结合GPS模块完 成对装置的异地同步授时，从而实现对所测相量统一时标的同步标记。
本发明的本发明的基于时钟同步的配电网监测装置，包括数据处理单元DSP、本地时 钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间 戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法 的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信 号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进 行采样。
所述的数据处理单元DSP采用TI公司生产TMS320F28335作为主处理器，用于对采样数 据的相量计算；其中串口SCI有多个是通过转换插针的方式转换，用于对本地时钟模块FPGA、 GPS模块的配置和数据传输；主处理器与光耦输入芯片(TLP126)、光耦输出芯片(TLP521-4)、 电平转换芯片(SP3232E)、直流量调理板相连。
所述的本地时钟模块FPGA为EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块为LEA-6T-00。
本发明的另一目的在于提供一种基于时钟同步的配电网监测装置实现的监测方法，包 括如下步骤：
步骤(1)、基于DFT/FFT相量误差修正：
(1.1)频率同步采样下的传统DFT计算，同步相量测量装置的数据处理部分首先根据 统一时标的到来作为DFT数据窗开始标记，以此开始记录采样点个数，当数据窗内采满点 数N时，以此N点采样值做DFT计算，设相量计算幅值和相角结果分别为A和θDFT；
(1.2)统一时标与数据窗首采样点时间偏差测量，统一时标一方面作为DFT数据窗开 始标志，另一方面作为误差修正的采样时间信息的读取；当统一时标到来时，数据处理部分 读取由本地时钟对采样脉冲标记的紧跟统一时标到来采样点时间信息t2及统一时标时间信 息kT；由公式Δt＝t2-kT计算时间偏差Δt；
(1.3)时间偏差对应相角偏差计算，由标记的紧邻统一时标的采样点时间信息t1及步 骤(1.2)中求得的Δt计算相角偏差Δθ，计算公式如下：
Figure BDA0002307251680000051
其中，Ts为频率同步采样时间间隔，可在每周期由标记的时间信息t1和t2计算，即Ts＝t2-t1，也可以自适应频率跟踪单元生成频率同步采样脉冲时的设定采样间隔直接替代；
(1.4)DFT计算相角修正，设统一时标实际相角为θ时标，由于周期采样点数为N则采样相角间隔为
Figure BDA0002307251680000052
则统一时标修正相角如下：
Figure BDA0002307251680000053
用修正结果θ时标替换DFT直接的计算结果θDFT，至此同步相量计算及偏差修正过程完 成。
步骤(2)、FPGA控制的频率同步采样：
测量系统中各测量节点根据其所在区域地理位置以及所在子网中地位不同被分为主节 点和从节点；一级主网络根据传输距离和便利性采用基于无线的或者光纤以太网的方式组网 和数据传输；同时一级主网络采用基于GPS硬件的时钟同步方式对各子网络的主节点进行 同步授时；测量系统中的二级次网络的各子网内部各测量节点之间及与数据集中器之间采用 基于无线通信的方式组网和数据传输；且子网络内由具有GPS硬件的主节点WPTP无线时 钟同步协议对各从节点进行同步授时。
实施例：
参见图1所示，频率同步采样脉冲生成原理图。该方式是由基于时钟同步的配电网监测 装置采用FPGA实现的本地时钟来实现。电网被测信号经带通滤波器后只保留基波成分并送 入整形电路，整形电路生成与被测信号同频率的方波信号送入FPGA中的频率测量环节。频 率测量环节利用本地时钟输出的高精度高频稳定脉冲在方波紧相邻的上升沿之间进行计数， 即对方波信号进行周期测量，设计数值为M，高频稳定脉冲周期为
Figure BDA0002307251680000063
同步触发脉冲生成计数器利用高频稳定脉冲计数生成频率同步触发脉冲，此时设每周波 采样点数为N，则逻辑控制单元应向同步触发脉冲生成计数器写入的循环计数设定值为
Figure RE-GDA0002387773070000062
同步触发脉冲生成计数器根据设定值循环计数，每计满一次触发生成一个采样脉冲， 直到其值被重写。所以生产的频率同步采样脉冲频率可表示为
Figure BDA0002307251680000062
参见图2所示，是统一时标与同步采样脉冲逻辑原理框图，FPGA/维持的本地时钟接收 时钟源(如GPS信号或其他参考主时钟)时间信息及1PPS秒脉冲信号并同步自身时间，用于 维持一与参考时钟源高精度同步的高分辨率本地时钟，本地时钟向在向外提供实时时间信息 及1PPS秒脉冲同时，向外提供精确的周期统一时标脉冲信号及上述频率同步脉冲生成过程中 的高分辨率(如10ns)高频稳定脉冲。由图1的软件自适应频率跟踪等相位间隔采样脉冲单 元生成的频率同步触发脉冲一路直接送入A/D转换器触发同步采样，另一路同时用于触发本 地时钟对本地时间信息的采样，此采样锁存时间信息即同步采样时刻，由于FPGA纯硬件的 并行工作特性，所以对此脉冲对应时间的锁存不存在任何软件上的延迟。统一时标信号由本 地时钟根据自身时间信息增长直接生成输出，与本地时钟输出的1PPS严格同步，所以可以以 脉冲形式送入DSP模块，DSP对此脉冲数计数并结合本地时间信息和1PPS的到来时刻即可确 定周期统一时标对应的准确时刻。统一时标在输出给数据处理DSP用于对DFT数据窗开始进 行标记的同时，在FPGA内部用于对其两侧采样点时间信息读取。由于统一时标及两侧采样 点时间信息均由高精度高分辨率的本地时钟直接获取，所以不会存在任何的延迟并达到很高 的精度。
参见图3所示，是基于时钟同步的配电网监测装置硬件功能模块，包含本地时钟模块、 数据采集及处理DSP模块、GPS模块、模拟量调理板。其中本地时钟模块负责维持一高精度 的相位及速率可调时钟(分辨率在ns级)，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精 确标记；数据采集及处理DSP模块负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的 执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟量调理 板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以幅值大小合适的电信号送入A/D转 换器进行采样。
参见图4所示，是DSP外围设备连接图。基于时钟同步的配电网监测装置DSP采用TI公司 生产TMS320F28335作为主处理器，用于对采样数据的相量计算。其中串口SCI有多个是通过 转换插针的方式转换，用于对FPGA、GPS模块的配置和数据传输。
参见图5所示，是FPGA与DSP连接图。基于时钟同步的配电网监测装置采用Athera公司 生产的Cyclone IV系列FPGA芯片EP4CE6E22C8N实现时钟维持和调整，并分配逻辑模块用于 A/D芯片和DSP数据采集和数据处理的脉冲生成和时间信息提供。DSP在进行时标标记需要 得到FPGA提供的的时间信息，该工作通过SCI串口来完成，这里使用的是DSP的SCIB串口； DSP完成相量计算和误差修正除了时间信息外还需要FPGA提供20ms统一时标脉冲、1PPS秒 脉冲，这两个脉冲信号通过外部中断管脚ECAP1及ECAP2来实现传送。由于DSP对时标标记 和相量计算中对1PPS秒脉冲、20ms统一时标脉冲及时间信息的快速响应性依次降低，故 ECAP1具有最高的中断优先级，20ms统一时标脉冲次之，串口中断优先级最低。FPGA为DSP 提供的用于相量计算和时标标记的串口时间信息包括整秒时间信息和每周波数据窗用来相 量计算误差修正的紧邻20ms统一时标脉冲两侧的采样点时间信息，其中FPGA的数据格式为 直接转换为年、月、日、时、分、秒的形式发送。
参见图6所示，是本地时钟结构图。时钟的相位可调在于其内部设计的秒累加器和纳秒 累加器具有可直接改写或者直接做加减操作的功能，而速率可调在于其速率调整环节的设计。 本地时钟通过纳秒以下的Fs(飞秒)累加器来实现对时钟速率的调整，Fs累加器在晶振的每 个上升沿时刻同样累加一个固定值，这个固定值的大小，可通过“固定速率调整值寄存器”进 行设置。
参见图7所示，是本地时钟调整值获取原理图。在GPS同步方式下，通过比较参考时钟源与本地时钟的1PPS秒脉冲发生时刻差值即可获取时钟的调整值。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均 应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于时钟同步的配电网监测装置，其特征在于：包括数据处理单元DSP、本地时钟模块FPGA、GPS模块、模拟信号调理板及开关量板，所述本地时钟模块FPGA维持一高精度的相位及速率可调时钟，分辨率在ns级，同时负责对WPTP无线时钟同步过程中时间戳的精确标记；数据处理单元DSP负责对模拟量A/D采样和DFT相量计算与相角修正算法的执行；GPS模块负责接收GPS信号并解析时间信息完成对主节点本地时钟同步；模拟信号调理板及开关量板完成对电网被测信号的变送和幅值整定，以电信号送入A/D转换器进行采样。
2.根据权利要求1所述的基于时钟同步的配电网监测装置，其特征在于：所述的数据处理单元DSP采用TI公司生产TMS320F28335作为主处理器，用于对采样数据的相量计算；其中串口SCI有多个是通过转换插针的方式转换，用于对本地时钟模块FPGA、GPS模块的配置和数据传输。
3.根据权利要求1所述的基于时钟同步的配电网监测装置，其特征在于：所述的本地时钟模块FPGA为EP4CE6E22C8N芯片，GPS模块为LEA-6T-00。
4.一种利用权利要求1至3中任意一项所述的基于时钟同步的配电网监测装置实现的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、基于DFT/FFT相量误差修正；
步骤(2)、FPGA控制的频率同步采样。
5.根据权利要求4所述的基于时钟同步的配电网监测方法，其特征在于：步骤(1)所述的基于DFT/FFT相量误差修正，包括如下步骤：
步骤(1.1)频率同步采样下的传统DFT计算，同步相量测量装置的数据处理部分首先根据统一时标的到来作为DFT数据窗开始标记，以此开始记录采样点个数，当数据窗内采满点数N时，以此N点采样值做DFT计算，设相量计算幅值和相角结果分别为A和θDFT；
步骤(1.2)统一时标与数据窗首采样点时间偏差测量，统一时标一方面作为DFT数据窗开始标志，另一方面作为误差修正的采样时间信息的读取；当统一时标到来时，数据处理部分读取由本地时钟对采样脉冲标记的紧跟统一时标到来采样点时间信息t2及统一时标时间信息kT；由公式Δt＝t2-kT计算时间偏差Δt；
步骤(1.3)时间偏差对应相角偏差计算，由标记的紧邻统一时标的采样点时间信息t1及步骤(1.2)中求得的Δt计算相角偏差Δθ，计算公式如下：
Figure FDA0002307251670000021
其中，Ts为频率同步采样时间间隔，可在每周期由标记的时间信息t1和t2计算，即Ts＝t2-t1，也可以自适应频率跟踪单元生成频率同步采样脉冲时的设定采样间隔直接替代；
步骤(1.4)DFT计算相角修正，设统一时标实际相角为θ时标，由于周期采样点数为N则采样相角间隔为
Figure FDA0002307251670000022
则统一时标修正相角如下：
Figure FDA0002307251670000023
用修正结果θ时标替换DFT直接的计算结果θDFT，至此同步相量计算及偏差修正过程完成。
6.根据权利要求4所述的基于时钟同步的配电网监测方法，其特征在于：步骤(2)所述的FPGA控制的频率同步采样，具体是：测量系统中各测量节点根据其所在区域地理位置以及所在子网中地位不同被分为主节点和从节点；一级主网络根据传输距离和便利性采用基于无线的或者光纤以太网的方式组网和数据传输；同时一级主网络采用基于GPS硬件的时钟同步方式对各子网络的主节点进行同步授时；测量系统中的二级次网络的各子网内部各测量节点之间及与数据集中器之间采用基于无线通信的方式组网和数据传输；且子网络内由具有GPS硬件的主节点WPTP无线时钟同步协议对各从节点进行同步授时。
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