基于GPS授時(shí)的電網(wǎng)頻率測(cè)量技術(shù)的研究

潘宇婷， 陳宇晨， 王承宇， 侯 昀

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620；2.上海市電力公司，上海200122)

基于GPS授時(shí)的電網(wǎng)頻率測(cè)量技術(shù)的研究

潘宇婷1， 陳宇晨1， 王承宇1， 侯 昀2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620；2.上海市電力公司，上海200122)

提出了一種基于GPS授時(shí)的電網(wǎng)頻率測(cè)量的新方法，系統(tǒng)以GPS接收機(jī)提供的1PPS信號(hào)為基準(zhǔn)源，結(jié)合GPS時(shí)鐘信號(hào)和恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)精度互補(bǔ)這一特性，通過(guò)調(diào)控恒溫晶振的壓控端，使其輸出頻率隨之改變，以維持短期和長(zhǎng)期的時(shí)鐘精度和穩(wěn)定性。然后將此時(shí)鐘提供給DSP的定時(shí)器，通過(guò)DSP的eCAP模塊對(duì)輸入信號(hào)的上升沿進(jìn)行捕獲，記錄兩個(gè)上升沿的觸發(fā)時(shí)間得到電網(wǎng)的實(shí)時(shí)頻率。

GPS授時(shí)；恒溫晶振；粒子濾波；捕捉單元

當(dāng)代社會(huì)，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度成為一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。電網(wǎng)頻率是電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，電能質(zhì)量的好壞直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的生活，因此保證電網(wǎng)頻率偏差小于容許值是電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)控制的重要內(nèi)容[1]。

1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由調(diào)理電路、過(guò)零檢測(cè)電路、外部恒溫晶振校準(zhǔn)模塊組成，主框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主框架圖

電網(wǎng)高壓經(jīng)過(guò)精密互感器變?yōu)樾⌒盘?hào)，通過(guò)調(diào)理電路(放大電路、濾波電路等)進(jìn)行處理，以濾除高次諧波，避免諧波對(duì)過(guò)零檢測(cè)環(huán)節(jié)的影響，從而提高測(cè)量精度。過(guò)零檢測(cè)電路由電壓比較器MAX474、電阻和電阻元件等組成，對(duì)電網(wǎng)的正弦波進(jìn)行整形，從而可以得到與電網(wǎng)基波相同頻率的方波信號(hào)，然后輸入到DSP的捕捉單元引腳。外部恒溫晶振校準(zhǔn)模塊通過(guò)GPS校核恒溫晶振，得到高精度的時(shí)鐘信號(hào)，然后作為DSP定時(shí)器的外部輸入時(shí)鐘。

2 GPS校準(zhǔn)晶振的原理及算法研究

2.1 系統(tǒng)原理

由于受到跟蹤的衛(wèi)星數(shù)目、衛(wèi)星鐘差、傳導(dǎo)距離、電磁干擾和接收機(jī)性能等因素影響，GPS接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)存在一定的隨機(jī)誤差ε，ε服從正態(tài)分布ε～(0，σ2)，但是沒(méi)有累計(jì)誤差。而恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)的隨機(jī)誤差較小，不過(guò)由于器件老化、短期擾動(dòng)和外界環(huán)境等一些因素的影響，存在頻率漂移現(xiàn)象，具有較大的累計(jì)誤差。如果恒溫晶振長(zhǎng)期不間斷的運(yùn)行，頻率將無(wú)法滿(mǎn)足工作所需的精度與穩(wěn)定度，因此需要通過(guò)實(shí)時(shí)的自動(dòng)調(diào)控壓控端電壓來(lái)進(jìn)行頻率校準(zhǔn)。根據(jù)GPS時(shí)鐘信號(hào)和恒溫晶振時(shí)鐘信號(hào)精度互補(bǔ)這一特性，通過(guò)調(diào)控恒溫晶振的壓控端，使其輸出頻率隨之改變，以維持短期和長(zhǎng)期的時(shí)間精度和穩(wěn)定性[2]。

根據(jù)系統(tǒng)需要，提出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，整個(gè)系統(tǒng)由GPS接收機(jī)模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時(shí)鐘管理分頻模塊、恒溫晶振、DAC和信號(hào)調(diào)理電路組成。圖2為恒溫晶振校核原理圖。

圖2 恒溫晶振校核原理圖

GPS接收機(jī)模塊：接收GPS信號(hào)，產(chǎn)生同步于UTC并與之有一定隨機(jī)誤差的1 PPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后作為恒溫晶振校準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

時(shí)間間隔測(cè)量模塊：對(duì)GPS接收模塊輸出的1PPS信號(hào)和OCXO輸出的分頻1 Hz信號(hào)的上升沿的時(shí)間間隔進(jìn)行精密測(cè)量，并把測(cè)量結(jié)果傳送給處理器模塊。

處理器模塊(DSP)：為了消除1 PPS信號(hào)的抖動(dòng)，DSP對(duì)接收到的時(shí)間間隔測(cè)量模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定周期的采樣，并運(yùn)用粒子濾波算法對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波。可在控制器中設(shè)置采樣周期，可取50，100等。可測(cè)得兩次時(shí)間間隔為和，相位差為，用比時(shí)法測(cè)得頻率差[3]。

DAC信號(hào)調(diào)理電路：將處理器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，并經(jīng)過(guò)調(diào)理電路變換到恒溫晶振電壓控制端可接收的電壓范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫晶振輸出頻率的調(diào)整。

時(shí)鐘管理分頻模塊：對(duì)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的信號(hào)進(jìn)行分頻，產(chǎn)生1 Hz信號(hào)。

恒溫晶振：產(chǎn)生原始頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后輸出高精度時(shí)鐘信號(hào)。

2.2 粒子濾波算法的研究

恒溫晶振由于器件老化、短期擾動(dòng)和外界環(huán)境等一些因素的影響，存在頻率漂移現(xiàn)象，具有較大的累計(jì)誤差。以前的研究大多認(rèn)為晶振漂移服從多項(xiàng)式模型，從而假設(shè)晶振衰老率為線(xiàn)性，利用卡爾曼濾波可以得到解析形式的跟蹤算法。但是現(xiàn)實(shí)中晶振衰老率并非常數(shù)，或者受到擾動(dòng)在常數(shù)附近變化。本文中基于晶振對(duì)數(shù)衰老速率模型建立了非線(xiàn)性的晶振時(shí)鐘漂移模型，利用了GPS信號(hào)與晶振信號(hào)互補(bǔ)特征，提出了一種新的基于粒子濾波的時(shí)鐘誤差實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償算法，從而得到高精度的時(shí)鐘信號(hào)。

將本地晶振時(shí)鐘較好的短期穩(wěn)定性與GPS時(shí)鐘長(zhǎng)期穩(wěn)定性結(jié)合起來(lái)，通過(guò)測(cè)量并估計(jì)，就可以對(duì)恒溫晶振進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到精確的時(shí)鐘。

理想中的時(shí)鐘頻率為常數(shù)，但是現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)時(shí)鐘頻率會(huì)隨著電壓、環(huán)境等因素的變化而變化。文獻(xiàn)經(jīng)過(guò)大量的測(cè)量表明晶振的漂移用對(duì)數(shù)衰老模型描述更為準(zhǔn)確。根據(jù)時(shí)鐘頻率漂移的不同假設(shè)并結(jié)合現(xiàn)有的研究，文中我們假設(shè)其為對(duì)數(shù)衰老模型[4]。

結(jié)合式(5)與(6)可以得到對(duì)數(shù)衰老模型下的時(shí)間間隔誤差模型為：

為了得到準(zhǔn)確的對(duì)數(shù)衰老模型，參數(shù)A、B、C需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)擬合。對(duì)式(7)做進(jìn)一步變化可以得到：

圖3是粒子算法的流程圖。

圖3 粒子算法流程圖

為了將粒子算法與傳統(tǒng)的算法性能進(jìn)行比較，在Matlab環(huán)境下，對(duì)卡爾曼濾波算法、加權(quán)平均濾波算法和粒子濾波算法都進(jìn)行了仿真。其中取采樣時(shí)間間隔：fffb3e=180 s，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合產(chǎn)生A、B、C的初始值，fffb3d服從正態(tài)分布，在仿真中可取。圖4為仿真圖，由圖4可知，粒子濾波大大減少了晶振時(shí)鐘的誤差。

圖4 三種不同算法下的仿真圖

3 電網(wǎng)頻率測(cè)量在DSP中的實(shí)現(xiàn)

電網(wǎng)高電壓經(jīng)過(guò)調(diào)理電路、過(guò)零檢測(cè)電路變?yōu)橥椒讲ㄐ盘?hào)，利用TMS320F28335的eCAP1模塊對(duì)方波的上升沿進(jìn)行捕捉，利用經(jīng)過(guò)GPS校核后恒溫晶振作為定時(shí)器的外部晶振輸入，每次捕捉完成后對(duì)32位的定時(shí)器進(jìn)行置位，其值為。則可以得到(外部恒溫晶振頻率)和與電網(wǎng)頻率之間的關(guān)系，即：

圖5 捕捉過(guò)程流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于GPS時(shí)鐘信號(hào)校準(zhǔn)恒溫晶振輸出頻率，并利用粒子濾波算法對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行處理，消除擾動(dòng)帶來(lái)的誤差，最后經(jīng)過(guò)相關(guān)電路對(duì)恒溫晶振進(jìn)行補(bǔ)償。得到的精確時(shí)鐘作為定時(shí)器的外部輸入時(shí)鐘，利用精準(zhǔn)的時(shí)鐘對(duì)捕捉信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的電網(wǎng)頻率。該方法實(shí)時(shí)性好，精度高，必將在電能質(zhì)量檢測(cè)裝置和新能源設(shè)備并網(wǎng)中得到更加廣泛的應(yīng)用[5-10]。

[1]劉維烈.電力系統(tǒng)調(diào)頻與自動(dòng)發(fā)電控制[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006：43-84.

[2]GUO F.Research of techniques to lock high frequency oscillator based on PPS[J].Journal of Time and Frequency,2004,12(27):94-101.

[3]周渭，偶曉娟，周暉，等.時(shí)頻測(cè)控技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：40-49，56-65，151-159.

[4]于宏毅，李歐，張效義，等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[5]林勇.基于GPS電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥：安徽大學(xué)，2010.

[6]宋越明.基于粒子濾波的跟蹤方法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2010.

[7]馬彥青.恒溫晶振OCXO自適應(yīng)馴服保持技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[8]宋越明，于宏毅.采用概率密度分布和粒子濾波的室內(nèi)定位跟蹤算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46(1)：237-240.

[9]許國(guó)宏，李鐵成，李星.基于GPS馴服技術(shù)的高穩(wěn)頻蹤設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(4)：63-65.

[10]杜文建.GPS與恒溫晶振互補(bǔ)的高穩(wěn)定時(shí)鐘研究[D].南京：南京大學(xué)，2012.

Grid frequency measurement research based on GPS timing

A new method of frequency measurement based on GPS timing grid was proposed.The 1 PPS signal source received from GPS was taken as datum fountain.Combined with the accuracy complementary feature of GPS clock signal and OCXO clock signal,through regulating the voltage-controlled of OCXO,output frequency change and maintaining clock short-term and long-term accuracy and stability were made.Then this clock would provide to DSP timer.Through eCAP module of DSP to capture the rise of input signal,the grid real-time frequency could be got by recording the triggering time of the two rising along.

GPS timing;OCXO;particle filter;capture unit

TM 93

A

1002-087 X(2016)03-0709-02

2015-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177099)；上海市科委基金(10160501700)

潘宇婷(1990—)，女，安徽省人，碩士生，主要研究方向?yàn)橥较嗔繙y(cè)量與電力系統(tǒng)分析。

陳宇晨，E-mail：yuchen1957@163.com