陳 楚，吳 強，王黎明，肖雄波

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

隨著船舶大型化和自動化程度度提高，船舶各類用電負荷大大增加，使得船舶電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜龐大。作為一個獨立的區(qū)域系統(tǒng)，這也使得船舶電力系統(tǒng)運行與控制復(fù)雜程度越來越高[1]。同步相量測量單元（Phasor Measurement Unit,PMU）可提供高精度、高采樣率、帶時標的電壓、電流及頻率信號，在同一個時間面觀察整個系統(tǒng)的狀態(tài)，是電力系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測的重要手段。本文針對船舶電力系統(tǒng)的特點，研制了一種適用于船舶電力系統(tǒng)的同步相量測量裝置。

1 船舶電力系統(tǒng)PMU系統(tǒng)設(shè)計方案

船舶電力系統(tǒng)作為獨立的小區(qū)域系統(tǒng)，其發(fā)電、配電以及母線等設(shè)備均位于船舶底層，布線密集，空間狹小，難以實現(xiàn)對每個 PMU節(jié)點安裝GPS/北斗衛(wèi)星接收天線進行同步授時。采用基于IEEE1588（簡稱PTP）精確時鐘同步協(xié)議的衛(wèi)星時鐘同步與局域網(wǎng)時鐘同步相結(jié)合的混合時鐘同步技術(shù)[4]實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)各 PMU節(jié)點之間的時鐘同步，系統(tǒng)主時鐘接收GPS/北斗衛(wèi)星秒脈沖（1PPS）與世界協(xié)調(diào)時間（UTC）信息，向從時鐘發(fā)送 IEEE1588協(xié)議報文，實現(xiàn)從時鐘與主時鐘的時鐘同步，系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。

2 同步相量測量單元設(shè)計

測量單元采用雙CPU（FPGA+ARM）結(jié)構(gòu)，主要由時鐘同步模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。

圖1 船舶電力系統(tǒng) PMU系統(tǒng)設(shè)計方案

圖2 同步相量測量單元結(jié)構(gòu)圖

圖3 時鐘同步模塊結(jié)構(gòu)圖

時鐘同步模塊通過同步網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各 PMU節(jié)點時鐘同步，同時向 FPGA輸出同步秒脈沖和TOD（Time Of Day）時間信息，由 FPGA驅(qū)動AD對三相電壓、電流進行高精度同步采樣，保證采樣數(shù)據(jù)的時間同步性。數(shù)據(jù)處理模塊接收同步采樣數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，利用以太網(wǎng)實現(xiàn)相量數(shù)據(jù)快速上傳至中心主站。其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

2.1 時鐘同步模塊

IEEE1588是一種主、從模式協(xié)議，主時鐘節(jié)點周期性的向系統(tǒng)中各從時鐘節(jié)點發(fā)送時鐘同步校正信號，從時鐘收到主時鐘校正信號后校正自身時間，達到從時鐘與主時鐘同步，從而使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)各個時鐘節(jié)點達到精確時鐘同步。

本裝置同步模塊采用的時鐘同步微處理器，C具有特殊的柔性架構(gòu)，能夠提供多種接口類型，夠滿足對數(shù)據(jù)處理的不同需求；內(nèi)置 TCP/IP和IEEE1588/PTP協(xié)議，使得其能夠?qū)r鐘同步和分頻提供很好的解決方案。主時鐘接收GPS衛(wèi)星標準世界時間（UTC）和秒脈沖（PPS），通過IEEE1588報文數(shù)據(jù)實現(xiàn)對系統(tǒng)中的從時鐘同步時鐘授時，同時主、從時鐘模塊輸出系統(tǒng)同步的TOD、PPS信息以及20 MHz的時鐘。經(jīng)實際測試，同步秒脈沖（PPS）上升沿誤差小于200 ns，對于 50 Hz工頻周期量來說，其相角誤差小于0.018度，滿足IEEE C37.118[5]對于時鐘同步的要求。時鐘同步模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

同步模塊作為系統(tǒng)主時鐘時，GPS/北斗衛(wèi)星為其第一時鐘源，GPS/北斗接收器接收來自衛(wèi)星的標準時間（TOD）信息以及全球同步秒脈沖（1PPS），此時，經(jīng)GPS 授時的主時鐘具有最高的時鐘精確度，作為整個系統(tǒng)的時鐘源向從時鐘發(fā)送IEEE1588協(xié)議報文，為從時鐘提供精確同步授時。同步模塊作從時鐘時，初始化為默認狀態(tài)，GPS/北斗接口失效，時鐘狀態(tài)為從時鐘。在系統(tǒng)啟動或者工作過程中，若出現(xiàn)GPS/北斗信號不穩(wěn)定或者消失的情況，若網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)比主時鐘更加準確的時鐘，則此時鐘成為主時鐘，其他所有時鐘都成為從時鐘，以此保證系統(tǒng)在失去衛(wèi)星信號時長時間守時能力。主、從時鐘向數(shù)據(jù)采集模塊輸出同步的秒脈沖信號、TOD時間信息和20MHz時鐘，以保證數(shù)據(jù)采集的時間同步性。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由調(diào)理電路、互感器、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片組成。采用 16位高精度AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣率可達200 kbps，保證采樣數(shù)據(jù)的精確度。

FPGA通過串口接收時鐘同步模塊輸出的同步秒脈沖（PPS）、時間信息（TOD）以及20 MHz時鐘并設(shè)置一個計數(shù)器，此20 MHz時鐘將作為FPGA的工作時鐘。FPGA接收同步秒脈沖，在同步秒脈沖上升沿到來時，本地時間加1秒，毫秒、微妙、納秒清零，保證本地時間同步，同時計數(shù)器清零，重新開始計算，每當計數(shù)器達到預(yù)定計數(shù)值時向AD的CS引腳發(fā)送一個觸發(fā)脈沖，低電平有效，觸發(fā)AD讀取，計數(shù)器清零并開始計數(shù)，實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的等時間間隔。通過SPI接口將A/D采集的數(shù)據(jù)按時序存入FPGA的FIFO單元，并為同步采集的數(shù)據(jù)打上時間標簽，產(chǎn)生同步的原始采樣數(shù)據(jù)。本設(shè)計中FPGA的工作時鐘以及AD觸發(fā)脈沖的計數(shù)都來自于同步模塊產(chǎn)生的20 MHz時鐘信號，而各同步模塊產(chǎn)生的20 MHz時鐘信號又是同步的，確保了各采樣模塊之間的AD采樣同步，同時避免了因采用外部時鐘晶振而引起的誤差。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊負責(zé)對采集的原始數(shù)據(jù)進行向量計算并向中心主站上傳數(shù)據(jù)。采用高性能TIAM335ARM 芯片保證數(shù)據(jù)處理速率，千兆以太網(wǎng)接口采用 RGMII接口形式，底板使用AR8031實現(xiàn)物理層連接，確保高速率數(shù)據(jù)傳輸無延遲無阻塞。每當采集模塊采滿一個數(shù)據(jù)幀時，F(xiàn)PGA便通過GPIO口向ARM發(fā)送一個信號量，ARM通過GPMC口從FPGA中讀入一個數(shù)據(jù)幀進行數(shù)據(jù)處理。按照電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 編寫適用于船舶電力系統(tǒng)的通信規(guī)約，同時按照ANSI/IEEE C37.118,C37.111-1999格式對系統(tǒng)進行動態(tài)記錄，采用非故障啟動對電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率等進行連續(xù)記錄，采用觸發(fā)記錄對擾動或故障進行暫態(tài)數(shù)據(jù)記錄[10]。本裝置還預(yù)留一下接口：JTAG接口用于系統(tǒng)燒寫和程序下載，RS232接口用于程序調(diào)試，SD卡槽用于存儲動態(tài)記錄數(shù)據(jù)，CAN接口用于與其他設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)。

3 關(guān)鍵技術(shù)及實驗分析

3.1 高精度諧波相量計算

船舶電力系統(tǒng)電力電子裝置如整流、逆變設(shè)備多，運行工況變化頻繁，容易產(chǎn)生大量諧波，對船舶電力系統(tǒng)造成巨大危害。本裝置對系統(tǒng)單個節(jié)點進行2～63次諧波幅值、相位的測量。

船舶電力系統(tǒng)運行時頻率波動較大，采用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）進行諧波計算時難以做到同步采樣和整周期截斷，會出現(xiàn)頻譜泄露和柵欄效應(yīng)[6]，導(dǎo)致計算結(jié)果不準確。對FFT計算結(jié)果進行插值修正計算可減小誤差[7]。本裝置采用基于Nuttall窗函數(shù)的雙譜線插值FFT算法對諧波進行分析，利用曲線擬合函數(shù)[9]得到的修正公式對FF計算的幅值、相位進行修正[11]。

Nuttall窗是一種余弦組合窗，通過對不同Nuttall窗函數(shù)的頻譜分析，選用旁瓣幅值小并且衰減速度快的4項3階Nuttall窗函數(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行加窗處理。利用曲線擬合得到Nuttall窗的修正公式為

頻率修正公式為

幅值修正公式為相角修正公式為

式中W（f）是w(n)的連續(xù)頻譜，峰值頻率＝k0Δf不在計算出的離散頻譜線上，k1、k2為頻譜上f0兩邊幅值最大和次大的二條譜線，y1＝|X(k1Δf)|為譜線k1的幅值，i取值為1或2，，＝|X(Δf)|為譜線的幅值，Δf位FFT的頻率分辨率。

采用基于Nuttall窗函數(shù)的雙譜線插值FFT算法進行諧波分析，計算量小，容易在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)。經(jīng)過連接諧波信號源測試，諧波幅值精度小于0.2%，相角精度小于0.1°。滿足實時監(jiān)控對相量測量的要求。

3.2 同步相量測量協(xié)議擴展

IEEEC37.118作為同步相量測量子站與主站的通信協(xié)議，規(guī)定了下層子站向上層主站發(fā)送同步相量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀報文格式。本裝置除了計算常規(guī)的同步相量參數(shù)外，針對船舶電力系統(tǒng)諧波含量豐富，電壓波動大的特點，還對系統(tǒng)單個節(jié)點處的電壓電流諧波、三相不平衡、電壓暫升暫降等進行了計算，而IEEEC37.118數(shù)據(jù)報文中并沒有與此相對應(yīng)的字段對此進行說明，因此對數(shù)據(jù)報文字段進行擴展。在數(shù)據(jù)報文中添加FLUCTUATE_RATE,BULGESAG_RATE,BULGE SAG_START,BULGESAG_DUR,HARM_LAST_T IME,HARMONIC,IMBALANCE字段對電壓暫升暫降、電壓波動、諧波、三相不平衡等進行描述，擴展字段如表1所示。

表1中NUM_HARMONIC字段為諧波次數(shù)，HARMONIC字段與 IMBALANCE字段詳細定義如表2所示。

3.3 應(yīng)用軟件流程

數(shù)據(jù)處理模塊軟件分為底層驅(qū)動和上層應(yīng)用軟件。底層驅(qū)動收到FPGA發(fā)送的信號量后便從GPMC口讀入一個數(shù)據(jù)幀，提供給上層軟件進行數(shù)據(jù)處理。上層軟件主要完成同步相量的計算，按照擴展后的協(xié)議打包數(shù)據(jù)并上傳。上層應(yīng)用軟件流程圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)用軟件流程圖

應(yīng)用程序收到數(shù)據(jù)幀后對數(shù)據(jù)報文幀頭、幀尾、校驗碼以及時間是否連續(xù)進行檢測，檢測合格的數(shù)據(jù)送入相量計算模塊。針對50 Hz工頻量，本裝置設(shè)計每半周波10 ms進行一次相量計算并上傳數(shù)據(jù)，每8周波160 ms進行一次諧波計算。

表1 數(shù)據(jù)報文擴展字段格式

圖5 實驗波形

由于諧波計算量大，在諧波線程計算過程中，可能會占用CPU導(dǎo)致10 ms相量的計算線程無法啟動，由于采用線程鎖本身就會消耗CPU，并肯可能出現(xiàn)死鎖情況，所以在諧波計算線程中調(diào)用sleep()函數(shù)，在實際測試中，只進行諧波計算耗時為45 ms左右，而諧波計算在160 ms內(nèi)完成，所以不會出現(xiàn)諧波計算無法完成，并且保證了10 ms相量計算線程的執(zhí)行。

表2 諧波與不平衡字段詳細定義

3.4 實驗結(jié)果與分析

對可編程標準信號源進行編程，將信號源輸出的信號接入單個PMU節(jié)點傳感器端口。PMU節(jié)點通過以太網(wǎng)將計算所得電力參數(shù)上傳至上位機軟件，并實時顯示出來，如圖5所示。

為了避免信號源可能出現(xiàn)的誤差以及檢測通道之間之間的同步性，實驗中三相電流接口采用串聯(lián)方式接同一個電流信號，對同一個信號進行計算。圖中實時顯示有效值、幅值、相位和頻率信息，顯示波形并繪制矢量圖。信號源電流信號為0.426 A，從圖中可看出，三個電流通道之間幅值誤差小于2%，相位誤差小于0.2°。多個PMU進行聯(lián)合相角測量時，誤差小于0.2°，時間同步精度小于1μs。滿足電流系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)控要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)船舶電力系統(tǒng)特點，研制了一種基于FPGA和ARM的同步相量測量模塊。對各測量節(jié)點進行系統(tǒng)諧波分析，并對IEEEC37.118通信協(xié)議進行擴展，加入諧波等電力參數(shù)。采用多線程進行同步電氣量的測量，并對裝置進行測試。測試結(jié)果表明，裝置測量精度、時間同步性高，可用于實際系統(tǒng)的測量。

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