船舶電力系統同步相量測量裝置的研制

陳 楚，吳 強，王黎明，肖雄波

（海軍工程大學電氣工程學院，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，使得船舶電力系統日趨復雜龐大。作為一個獨立的區域系統，這也使得船舶電力系統運行與控制復雜程度越來越高[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的狀態，是電力系統動態過程監測的重要手段。本文針對船舶電力系統的特點，研制了一種適用于船舶電力系統的同步相量測量裝置。

1 船舶電力系統PMU系統設計方案

船舶電力系統作為獨立的小區域系統，其發電、配電以及母線等設備均位于船舶底層，布線密集，空間狹小，難以實現對每個 PMU節點安裝GPS/北斗衛星接收天線進行同步授時。采用基于IEEE1588（簡稱PTP）精確時鐘同步協議的衛星時鐘同步與局域網時鐘同步相結合的混合時鐘同步技術[4]實現船舶電力系統各 PMU節點之間的時鐘同步，系統主時鐘接收GPS/北斗衛星秒脈沖（1PPS）與世界協調時間（UTC）信息，向從時鐘發送 IEEE1588協議報文，實現從時鐘與主時鐘的時鐘同步，系統采用分布式結構體系，如圖1所示。

2 同步相量測量單元設計

測量單元采用雙CPU（FPGA+ARM）結構，主要由時鐘同步模塊、數據采集模塊和數據處理模塊組成。

圖1 船舶電力系統 PMU系統設計方案

圖2 同步相量測量單元結構圖

圖3 時鐘同步模塊結構圖

時鐘同步模塊通過同步網絡實現各 PMU節點時鐘同步，同時向 FPGA輸出同步秒脈沖和TOD（Time Of Day）時間信息，由 FPGA驅動AD對三相電壓、電流進行高精度同步采樣，保證采樣數據的時間同步性。數據處理模塊接收同步采樣數據并進行數據處理，利用以太網實現相量數據快速上傳至中心主站。其結構組成如圖2所示。

2.1 時鐘同步模塊

IEEE1588是一種主、從模式協議，主時鐘節點周期性的向系統中各從時鐘節點發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，從而使基于以太網的分布式系統各個時鐘節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，能夠提供多種接口類型，夠滿足對數據處理的不同需求；內置 TCP/IP和IEEE1588/PTP協議，使得其能夠對時鐘同步和分頻提供很好的解決方案。主時鐘接收GPS衛星標準世界時間（UTC）和秒脈沖（PPS），通過IEEE1588報文數據實現對系統中的從時鐘同步時鐘授時，同時主、從時鐘模塊輸出系統同步的TOD、PPS信息以及20 MHz的時鐘。經實際測試，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。時鐘同步模塊結構如圖3所示。

同步模塊作為系統主時鐘時，GPS/北斗衛星為其第一時鐘源，GPS/北斗接收器接收來自衛星的標準時間（TOD）信息以及全球同步秒脈沖（1PPS），此時，經GPS 授時的主時鐘具有最高的時鐘精確度，作為整個系統的時鐘源向從時鐘發送IEEE1588協議報文，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，GPS/北斗接口失效，時鐘狀態為從時鐘。在系統啟動或者工作過程中，若出現GPS/北斗信號不穩定或者消失的情況，若網絡中出現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，以此保證系統在失去衛星信號時長時間守時能力。主、從時鐘向數據采集模塊輸出同步的秒脈沖信號、TOD時間信息和20MHz時鐘，以保證數據采集的時間同步性。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要由調理電路、互感器、AD轉換器、FPGA芯片組成。采用 16位高精度AD7606模數轉換器，最高采樣率可達200 kbps，保證采樣數據的精確度。

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時鐘并設置一個計數器，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，同時計數器清零，重新開始計算，每當計數器達到預定計數值時向AD的CS引腳發送一個觸發脈沖，低電平有效，觸發AD讀取，計數器清零并開始計數，實現觸發脈沖的等時間間隔。通過SPI接口將A/D采集的數據按時序存入FPGA的FIFO單元，并為同步采集的數據打上時間標簽，產生同步的原始采樣數據。本設計中FPGA的工作時鐘以及AD觸發脈沖的計數都來自于同步模塊產生的20 MHz時鐘信號，而各同步模塊產生的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 數據處理模塊

數據處理模塊負責對采集的原始數據進行向量計算并向中心主站上傳數據。采用高性能TIAM335ARM 芯片保證數據處理速率，千兆以太網接口采用 RGMII接口形式，底板使用AR8031實現物理層連接，確保高速率數據傳輸無延遲無阻塞。每當采集模塊采滿一個數據幀時，FPGA便通過GPIO口向ARM發送一個信號量，ARM通過GPMC口從FPGA中讀入一個數據幀進行數據處理。按照電力系統實時動態監測系統技術規范 編寫適用于船舶電力系統的通信規約，同時按照ANSI/IEEE C37.118,C37.111-1999格式對系統進行動態記錄，采用非故障啟動對電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率等進行連續記錄，采用觸發記錄對擾動或故障進行暫態數據記錄[10]。本裝置還預留一下接口：JTAG接口用于系統燒寫和程序下載，RS232接口用于程序調試，SD卡槽用于存儲動態記錄數據，CAN接口用于與其他設備實現互聯。

3 關鍵技術及實驗分析

3.1 高精度諧波相量計算

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

船舶電力系統運行時頻率波動較大，采用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）進行諧波計算時難以做到同步采樣和整周期截斷，會出現頻譜泄露和柵欄效應[6]，導致計算結果不準確。對FFT計算結果進行插值修正計算可減小誤差[7]。本裝置采用基于Nuttall窗函數的雙譜線插值FFT算法對諧波進行分析，利用曲線擬合函數[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窗函數對采集的數據進行加窗處理。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，容易在嵌入式系統中實現。經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°。滿足實時監控對相量測量的要求。

3.2 同步相量測量協議擴展

IEEEC37.118作為同步相量測量子站與主站的通信協議，規定了下層子站向上層主站發送同步相量數據的數據幀報文格式。本裝置除了計算常規的同步相量參數外，針對船舶電力系統諧波含量豐富，電壓波動大的特點，還對系統單個節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數據報文中并沒有與此相對應的字段對此進行說明，因此對數據報文字段進行擴展。在數據報文中添加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，HARMONIC字段與 IMBALANCE字段詳細定義如表2所示。

3.3 應用軟件流程

數據處理模塊軟件分為底層驅動和上層應用軟件。底層驅動收到FPGA發送的信號量后便從GPMC口讀入一個數據幀，提供給上層軟件進行數據處理。上層軟件主要完成同步相量的計算，按照擴展后的協議打包數據并上傳。上層應用軟件流程圖如圖4所示。

圖4 應用軟件流程圖

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

表1 數據報文擴展字段格式

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，并肯可能出現死鎖情況，所以在諧波計算線程中調用sleep()函數，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內完成，所以不會出現諧波計算無法完成，并且保證了10 ms相量計算線程的執行。

表2 諧波與不平衡字段詳細定義

3.4 實驗結果與分析

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節點傳感器端口。PMU節點通過以太網將計算所得電力參數上傳至上位機軟件，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。滿足電流系統實時動態監控要求。

4 結束語

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

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