频率扰动录波器的设计与发展

吴振跃，邓云坤，肖登明，刘奕路

（1. 上海交通大学 电气工程系，上海 200240；2. 田纳西大学 电气工程与计算机工程系电力信息技术实验

室，诺克思维尔市）

随着我国智能电网建设的不断深入，大区电网的互联使得电网结构更加复杂、分布地域更加广泛、元件种类更加繁多、动态行为（如超低频振荡、振荡传播、暂态电压不稳定等）也更加复杂，电网正面临越来越多新的挑战，运行的稳定性分析和监测也显得越来越重要[1-4]。

20世纪90年代初，基于全球定位系统（Global Positioning System，GPS） 的相量测量单元（Phasor Measurement Units，PMU）的成功研制，标志着同步相量技术的诞生。尽管PMU用途广泛，但是其高昂的价格却极大地限制了其在电力系统中的大规模应用[5]。早前的研究结果清楚地指出需要一种能够更广泛、快速部署且比较经济的广域频率测量系统[6]。

基于此，本课题组提出了一个基于Internet的低成本广域频率监控网络FNET。FNET作为一个开创性的广域测量系统，能通过先进的态势感知技术，准确地监测不同区域位置的电力系统频率、相角以及电压等参数的变化情况，并通过Internet实时不间断地将测量数据传输至控制中心，帮助运行人员对电网状态进行实时精准的监控。

其中，作为FNET的核心设备，FDR不仅要能准确采集电网频率数据，还需要具备成本低廉、携带方便、可快速部署且具有极高动态精度等一系列特点。目前，FDR已实现在低压配电网络中（如110/220 V电压等级）中的即插即用。同时，本课题组专门为FNET开发的算法几乎可以在50～70 Hz的频率范围内实现频率数据的零误差采集。在过去的几年里，频率扰动录波器（FDR）进行了几次重大的改进。本文首先回顾三种版本FDR的设计及其特点，然后介绍和展望FNET研发团队正在和将要进行的工作。

1 广域频率监控网的结构

FNET是一个广域的传感器网络，如图1所示，包含高精度的频率扰动监测装置FDR和信息管理系统（Information Management System，IMS）。通过在低压配电网中方便快捷地安装FDR装置，可以完成对系统电压的采样，然后采用相量算法计算系统频率、相角以及变化速率等参数。之后由GPS接收器提供的高精度时钟信号将测量结果打上时标，继而遵循共同的接口协议将带时标的频率数据打包，并通过Internet传送到位于数据处理中心的IMS。作为传感器的FDR执行测量本地频率数据和通过互联网向IMS发送数据的任务。IMS提供数据收集、储存、交换、运算和网络服务，互联网则提供了FDR单元与IMS服务器之间的广域通信网络[1-2]。

图1 FDR设备系统原理框图Fig. 1 FDR system block diagram

图2 FDR设备在美国的部署方位示意图Fig. 2 FDR placement in the USA

2 第一代FDR装置的结构

FNET团队在2003年左右成功研发了第一代FDR并且目前已经在美国电网部署了超过40台设备，同时在欧洲和非洲也部署了少量的50 Hz版本。这些FDR装置在60 Hz的频率上实现了算法上的零误差且频率计算精度优于±0.000 5 Hz[4]。

2.1 第一代FDR装置的结构

第一代FDR装置如图3所示，由变压器、低通滤波器、模数转换器、GPS接收器、微处理器以及网络通信模块组成。变压器从110 V或者220 V的壁装电源插座获得一个模拟电压信号，经由低通滤波器除去高频噪声以及模数转换器把输入信号变成数字信号。微处理器通过使用FNET团队研发的算法可以计算频率的大小、变化率、电压的大小以及相应的电压角度。第一代FDR的实物图片如图4所示。

图3 第一代FDR设备机构框图Fig. 3 Block diagram of the first generation frequency disturbance recorder system

图4 第一代频率扰动录波器实物图Fig. 4 The first generation frequency disturbance recorder

在FDR设计的初始阶段，FNET团队就已经考虑到在研发过程中充分利用不同领域的最先进的技术和概念[6]。如图3所示，装置的主计算单元采用由Axionm 公司制造的CME-555型成品板。CME-555上的MPC555主处理器为设备提供了可以轻松访问大量外设的能力。特别的MPC555是一个设计用来应对大量频率数据计算所必要的矢量算法的先进32位的高速中央处理器。

为了保证时间的同步性与准确性，FDR使用摩托罗拉公司生产的M12+型GPS接收器来提供授时信号。为了便于集成，M12+模块被安装在专门为其设计的开发板上，用来提供参考时间和参考频率。处理器的振荡时钟引自一个1脉冲/秒（1PPS）的信号[7]。在运算期间，来自接收器的1PPS信号的上升沿与25ns内的第二个绝对信号同步。这个精度是通过GPS卫星与在美国海军天文台（USNO）的主时钟进行同步而获得的[8]。来自M12+的参考时间以协调世界时（UTC）时标的形式提供，然后这个参考时间通过串行通信接口（SCI）传送到MPC555处理器。

模拟输入子系统核心是模数转换器（ADC）。本装置使用的模数转换器是来自Analog Devices公司的AD976A。AD976A为开关电容式ADC，其采样频率达到200 000次/秒。之所以选中这个特殊的ADC是因为它是16位的数字输出并且可以被集成到一个用户自定义的印刷版（PCB）上。MPC555通过使用脉冲宽度调制信号触发ADC从而达到控制AD976A转换顺序的目的，并通过编译PWM 波形来获得AD976A的理想采样频率。MPC555振荡器里任何不够准确的漂移部分都被M12+接收器的1PPS信号移除了。

由于AD976A的输入范围被限制在DC-10 V到+10 V，所以团队设计了一个变压器和低通滤波器来把电压降低到合适的水平，并且滤除来自电网的高频噪声。网络通信模块为FDR设备提供了基于网络的标准网络协定的路径。这个模块使用CME-555上空余的串行端口将串行数据转化成TCP格式用以通过以太网传输。第一代FDR使用的网络通信模块为Moxa 公司的Nport 5110 模块。

2.2 第一代FDR单元的算法和精度

在过去的几十年中很多科学家提出了许多种频率估算的方法[9]。过零检测法因为使用了最少的硬件以及计算负荷低被认为是最简单的方法，然而这种方法中的信号噪声严重影响了测量的准确度。最小二乘近似法可以通过调整伪逆矩阵的系数来抑制噪声的影响，但是对于一个比较大的频率偏差来说其引入的误差也很大。泄露效应法较易实现但它的准确性因为非基本面元件损失很多。因为这种技术只对正弦波形有效，所以还需要一个额外的过零检测器，这就增加了装置的复杂性。卡尔曼滤波技术因为在测量过程中对噪音免疫，因此是一种很理想的技术，但是我们并不总能获得概率密度函数状态下的相量而且高方差将引入一个不必要的响应延迟。相量分析法是一个具有高精度且坚强的计算方法，并且只需要最低要求的硬件就可以实现，因此它是目前最理想的算法。团队选择了相量分析法并且在第一代FDR中实现了对它的应用[6-7]。

我们在2003年把第一代FDR与来自4家不同商业公司的PMU产品进行了比较[9]。在这个测试中我们使PMU和FDR同时测量来自同一墙上插座的相同相电压信号的频率。通过比较所有单元的频率信号，选取其中结果最好的2个PMU单元和FDR比较如图5—7所示。很明显与已经商业化的PMU相比FDR具有更高的频率准确性。

图5 取自PMU A设备的已处理信号Fig. 5 Filtered data of PMU A

图6 取自PMU B设备的已处理信号Fig. 6 Filtered data of PMU B

尽管当前的FDR的精度足够捕捉到最主要的频率变化，但随着本团队最近在这方面的进展，准确性还会有更大的提高[9]。这些改进是基于当系统频率接近为了建立采样频率而假设的频率时，相量角和波形频率之间的时间倒数关系变得更加准确而进行的。新的算法误差可以在更广的频率范围内接近零，而当前的算法只有在60 Hz的时候才会在算法上实现零误差。

图7 取自FDR设备的未经处理的数据Fig. 7 Unfiltered（raw）data of the first generation FDR unit

3 第二代FDR装置的设计

新一代FDR在一年前研发成功并投入商业运行。第二代FDR使用数字信号处理器作为运算单元而不再使用微处理器。最重要的是所有的硬件都被集成到PCB板上且设备能够在110 V和220 V之间自由切换。如图8、9所示，新一代的FDR设计更加便携和紧凑。此外，装置通过改进滤波器的设计可以兼容60 Hz和50 Hz的输入信号，因此可以实现在全球范围内部署。在这篇论文完成的时候，已经有几台第2代50 Hz版本的FDR布署到了欧洲和非洲。

图8 第二代频率扰动录波器实物图Fig. 8 The second generation frequency disturbance record

图9 第二代频率扰动录波器内部图Fig. 9 The internal of the second generation frequency disturbance record

4 PC版FDR的设计

为了在FDR的设计中追求更高的准确性、更好的可移植性以及更佳的国际化程度，本团队还在研究以个人电脑为基础的频率监控装置。这种设计将使用性能不断增强的可编程逻辑设备（PLD）如现场可编程门阵列（FPGA）。因为具有硬实时性和特定性等特性，FPGA提供了出色的授时子系统[10-12]。此外系统把快速发展的个人电脑技术与先进的频率计算融合起来，因此新系统将会在不断增加FDR计算能力的同时确保经济性。此外团队还计划在实现数据预处理能力的同时支持50 Hz和60 Hz频率的输入信号。

4.1 硬件架构

PC版的FDR由一个与第一代相似的ADC、GPS接收器、FPGA、微处理器、变压器以及低通滤波器组成。图10显示了系统的整体结构。16位微处理器负责系统内所有的接口以及硬软实时任务。这些任务包括采集所有来自ADC的采样数据以及来自GPS授时接收器的GPS串行数据流。考虑到基于英特尔x86架构产品的低成本和丰富优质的硬件品质，新系统在设计时充分利用了这些硬件优势。此外，PC版的FDR将能够提供外部接口用于以太网和USB通信。FPGA通过监测GPS授时接收器输入的1PPS信号来触发模数转换器。

4.2 授时模块架构

对于PC版的FDR来说最大的变化在于授时子系统。如图11所示，PC版的FDR的授时子系统是由GPS授时接收器和授时FPGA两个主要部分组成，除此之外还有接收时间和频率数据的模数转换器和系统微处理器两部分。这个设计的优点是增加了授时子系统的灵活性以及微处理器分担授时和同步功能的能力。这种新设计可以使用FPGA里可配置逻辑而不是让授时子系统被微处理器的处理能力限制。为了处理所需的采样频率，FPGA允许授时系统进行更新，目前这个新的设计能够达到的4个采样频率为1 200 Hz、1 440 Hz、12 000 Hz和14 400 Hz。为了在所有的频率里都获得准确的采样时间，授时子系统的设计如图11所示。

图10 PC版频率扰动录波器的结构框图Fig. 10 Structure Diagram of the PC-version frequency disturbance recorder

图11 PC版授时子系统结构框图Fig. 11 Structure diagram of the PC-version timing subsystem

GPS授时接收器是授时子系统的核心。GPS提供的1PPS信号表明每一个新的信号都是以宽度为1.0 ms的正脉冲开始的。这个1PPS信号被分给授时FPGA，然后通过设备的可配置属性，FPGA使用第二个信号的周期来计算准确分割所需要的采样触发脉冲数来触发ADC。当ADC被触发之后，转换开始并且在转换完成之后ADC会发送一个表示模拟样本数据的数字信号到微处理器。微处理器的任务是维持计数器来给所有的采样数字信息加载上时间信息。该计数器是基于来自授时FPGA的1PPS信号上升沿复位的。

总地来说，作为一个准确且可靠的时间源，这个新的授时模块成本只有700元人民币。此外还可以通过以上原理设计构造一个独立的时间模块，可以用于所有的需要精确授时场合。该模块由FPGA、相关的记忆回路、时钟以及GPS接收器组成。目前程序代码在模拟环境中可以正常工作，但是仍然需要对硬件进行持续的验证，课题组将会特征化这个授时源来验证它的准确度与精密度。

5 替代设计与未来的发展

自从第一代FDR完成研发以来，FNET研发小组提出了很多不同的设计思路。这些思路中包括使用互联网作为一个同步授时机制、使用室内GPS以及选择无线网络用于数据传输等等。

网络同步授时技术是通过使用网络授时协议（NTP）实现的，并且可以作为一个额外的功能集成到PC版的FDR上或者另外一个基于数据采集板（DAQ）的设计上。网络授时协议（NTP）的基本概念是通过使用网络的信息同步传输计算机时钟，因此达到提高处理器时钟准确性的目的。一般来说处理器的时钟精度可能优于100 ms，但是往往不如通过网络同步授时的精度10 ms。如图12所示，设计中使用了一个DAQ板用于高速测量。与第一代的FDR类似，这个DAQ板拥有一个16位功能的ADC并且采样速率高达200 kHz。此外这个DAQ板可以把输入电压的幅值控制在-10 V到+10 V之间，这样就简化了集成硬件的整体设计。

图12 基于网络时间同步机制的频率扰动录波器的设计Fig. 12 Frequency disturbance recorder conceptual design by Internet timing synchronization

通过应用辅助GPS、结合平行关联可以使GPS模块具有室内使用功能以及更高的灵敏度。标准的GPS接收器在使用前需要1～2 min进行卫星搜索。但此时如果信号因为遮挡物的限制而衰减，它们就不能搜寻到导航卫星。辅助GPS是通过给接收器一个关于频率搜索的提示而降低信号搜索的时间。平行关联是一个用来寻找所有可能平行延误代码的方法[12]。一旦寻找到平行延误代码，接收器就可以探测到由于某些环境例如由于金属的墙壁或屋顶的购物中心和高大建筑而衰减的信号。目前已有一些室内GPS接收器与现有的M12+接收机兼容，我们仍在寻找经济性和兼容性最佳的GPS解决方案。

FNET团队正在考虑利用高速发展的无线技术增加无线网络通信功能到现有的FDR网络通信模块上。这个无线网络选项可以使FDR在更多的地方部署且允许有更高的可移植性。因为Moxa公司已经开发出了兼容的无线设备，因此很容易升级第一代FDR设备的网络通信模块。然而在应用之前还有关于无线信号降解性的问题需要解决。一般来说如果使用无线网络的话会有更多的网络数据包在传输的过程中丢失，因此导致传输过程中丢失数据点。课题组还需要更多的研究来验证无线网络传输在FDR系统里应用的可靠性。

6 结论

通过集成GPS授时模块，FDR单元可以同步测量不同地点的系统频率。经过FNET团队在这个项目上的努力，FDR单元已经被部署在全球超过40个地点。

现有的测试结果表明第一代的FDR具有很高的频率信息采集精度且可靠性很高。然而设备的改进是没有止境的，团队不断地提出新的FDR设计思路并且已经实现了其中的一部分。第二代FDR在一年前完成研发，它的一出现就展现了强大的兼容性和紧凑性。PC版的FDR充分利用了FPGA与PC集成后计算能力更高且能够实现改进算法的优势，且它的算法能在很广的频率范围实现零误差。最重要的是PC版在采样频率的选择上具有很高的灵活性并且还可以提供多种通信接口。PC版设计的另一个主要特征是易于软件集成，如果使用现有的计算软件进行数据分析，数据处理的时间会显著降低。网络同步授时技术也可以集成到PC版上用来增加时钟准确性或者作为一个独立DAQ板的设计依据。不过PC版的FDR作为一个精确度高并且经济性好的设计，在实际部署之前还需要完成更多的测试工作。

本文总结了一些FDR的设计思路以及它们的特点。多年以来，更加便携、兼容、经济以及高精度的FDR装置的设计已经成为FNET团队努力的主要方向，FNET团队目前的研究主要集中在怎样把许多不同的最新技术集成到FDR上面。FDR设计的标准是无止境的，我们坚信下一代的FDR必将会开拓频率检测设备的新时代。

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