船舶电力系统同步相量测量装置的研制

陈 楚，吴 强，王黎明，肖雄波

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

0 引言

随着船舶大型化和自动化程度度提高，船舶各类用电负荷大大增加，使得船舶电力系统日趋复杂庞大。作为一个独立的区域系统，这也使得船舶电力系统运行与控制复杂程度越来越高[1]。同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit,PMU）可提供高精度、高采样率、带时标的电压、电流及频率信号，在同一个时间面观察整个系统的状态，是电力系统动态过程监测的重要手段。本文针对船舶电力系统的特点，研制了一种适用于船舶电力系统的同步相量测量装置。

1 船舶电力系统PMU系统设计方案

船舶电力系统作为独立的小区域系统，其发电、配电以及母线等设备均位于船舶底层，布线密集，空间狭小，难以实现对每个 PMU节点安装GPS/北斗卫星接收天线进行同步授时。采用基于IEEE1588（简称PTP）精确时钟同步协议的卫星时钟同步与局域网时钟同步相结合的混合时钟同步技术[4]实现船舶电力系统各 PMU节点之间的时钟同步，系统主时钟接收GPS/北斗卫星秒脉冲（1PPS）与世界协调时间（UTC）信息，向从时钟发送 IEEE1588协议报文，实现从时钟与主时钟的时钟同步，系统采用分布式结构体系，如图1所示。

2 同步相量测量单元设计

测量单元采用双CPU（FPGA+ARM）结构，主要由时钟同步模块、数据采集模块和数据处理模块组成。

图1 船舶电力系统 PMU系统设计方案

图2 同步相量测量单元结构图

图3 时钟同步模块结构图

时钟同步模块通过同步网络实现各 PMU节点时钟同步，同时向 FPGA输出同步秒脉冲和TOD（Time Of Day）时间信息，由 FPGA驱动AD对三相电压、电流进行高精度同步采样，保证采样数据的时间同步性。数据处理模块接收同步采样数据并进行数据处理，利用以太网实现相量数据快速上传至中心主站。其结构组成如图2所示。

2.1 时钟同步模块

IEEE1588是一种主、从模式协议，主时钟节点周期性的向系统中各从时钟节点发送时钟同步校正信号，从时钟收到主时钟校正信号后校正自身时间，达到从时钟与主时钟同步，从而使基于以太网的分布式系统各个时钟节点达到精确时钟同步。

本装置同步模块采用的时钟同步微处理器，C具有特殊的柔性架构，能够提供多种接口类型，够满足对数据处理的不同需求；内置 TCP/IP和IEEE1588/PTP协议，使得其能够对时钟同步和分频提供很好的解决方案。主时钟接收GPS卫星标准世界时间（UTC）和秒脉冲（PPS），通过IEEE1588报文数据实现对系统中的从时钟同步时钟授时，同时主、从时钟模块输出系统同步的TOD、PPS信息以及20 MHz的时钟。经实际测试，同步秒脉冲（PPS）上升沿误差小于200 ns，对于 50 Hz工频周期量来说，其相角误差小于0.018度，满足IEEE C37.118[5]对于时钟同步的要求。时钟同步模块结构如图3所示。

同步模块作为系统主时钟时，GPS/北斗卫星为其第一时钟源，GPS/北斗接收器接收来自卫星的标准时间（TOD）信息以及全球同步秒脉冲（1PPS），此时，经GPS 授时的主时钟具有最高的时钟精确度，作为整个系统的时钟源向从时钟发送IEEE1588协议报文，为从时钟提供精确同步授时。同步模块作从时钟时，初始化为默认状态，GPS/北斗接口失效，时钟状态为从时钟。在系统启动或者工作过程中，若出现GPS/北斗信号不稳定或者消失的情况，若网络中出现比主时钟更加准确的时钟，则此时钟成为主时钟，其他所有时钟都成为从时钟，以此保证系统在失去卫星信号时长时间守时能力。主、从时钟向数据采集模块输出同步的秒脉冲信号、TOD时间信息和20MHz时钟，以保证数据采集的时间同步性。

2.2 数据采集模块

数据采集模块主要由调理电路、互感器、AD转换器、FPGA芯片组成。采用 16位高精度AD7606模数转换器，最高采样率可达200 kbps，保证采样数据的精确度。

FPGA通过串口接收时钟同步模块输出的同步秒脉冲（PPS）、时间信息（TOD）以及20 MHz时钟并设置一个计数器，此20 MHz时钟将作为FPGA的工作时钟。FPGA接收同步秒脉冲，在同步秒脉冲上升沿到来时，本地时间加1秒，毫秒、微妙、纳秒清零，保证本地时间同步，同时计数器清零，重新开始计算，每当计数器达到预定计数值时向AD的CS引脚发送一个触发脉冲，低电平有效，触发AD读取，计数器清零并开始计数，实现触发脉冲的等时间间隔。通过SPI接口将A/D采集的数据按时序存入FPGA的FIFO单元，并为同步采集的数据打上时间标签，产生同步的原始采样数据。本设计中FPGA的工作时钟以及AD触发脉冲的计数都来自于同步模块产生的20 MHz时钟信号，而各同步模块产生的20 MHz时钟信号又是同步的，确保了各采样模块之间的AD采样同步，同时避免了因采用外部时钟晶振而引起的误差。

2.3 数据处理模块

数据处理模块负责对采集的原始数据进行向量计算并向中心主站上传数据。采用高性能TIAM335ARM 芯片保证数据处理速率，千兆以太网接口采用 RGMII接口形式，底板使用AR8031实现物理层连接，确保高速率数据传输无延迟无阻塞。每当采集模块采满一个数据帧时，FPGA便通过GPIO口向ARM发送一个信号量，ARM通过GPMC口从FPGA中读入一个数据帧进行数据处理。按照电力系统实时动态监测系统技术规范 编写适用于船舶电力系统的通信规约，同时按照ANSI/IEEE C37.118,C37.111-1999格式对系统进行动态记录，采用非故障启动对电压、电流、有功功率、无功功率、频率等进行连续记录，采用触发记录对扰动或故障进行暂态数据记录[10]。本装置还预留一下接口：JTAG接口用于系统烧写和程序下载，RS232接口用于程序调试，SD卡槽用于存储动态记录数据，CAN接口用于与其他设备实现互联。

3 关键技术及实验分析

3.1 高精度谐波相量计算

船舶电力系统电力电子装置如整流、逆变设备多，运行工况变化频繁，容易产生大量谐波，对船舶电力系统造成巨大危害。本装置对系统单个节点进行2～63次谐波幅值、相位的测量。

船舶电力系统运行时频率波动较大，采用快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）进行谐波计算时难以做到同步采样和整周期截断，会出现频谱泄露和栅栏效应[6]，导致计算结果不准确。对FFT计算结果进行插值修正计算可减小误差[7]。本装置采用基于Nuttall窗函数的双谱线插值FFT算法对谐波进行分析，利用曲线拟合函数[9]得到的修正公式对FF计算的幅值、相位进行修正[11]。

Nuttall窗是一种余弦组合窗，通过对不同Nuttall窗函数的频谱分析，选用旁瓣幅值小并且衰减速度快的4项3阶Nuttall窗函数对采集的数据进行加窗处理。利用曲线拟合得到Nuttall窗的修正公式为

频率修正公式为

幅值修正公式为相角修正公式为

式中W（f）是w(n)的连续频谱，峰值频率＝k0Δf不在计算出的离散频谱线上，k1、k2为频谱上f0两边幅值最大和次大的二条谱线，y1＝|X(k1Δf)|为谱线k1的幅值，i取值为1或2，，＝|X(Δf)|为谱线的幅值，Δf位FFT的频率分辨率。

采用基于Nuttall窗函数的双谱线插值FFT算法进行谐波分析，计算量小，容易在嵌入式系统中实现。经过连接谐波信号源测试，谐波幅值精度小于0.2%，相角精度小于0.1°。满足实时监控对相量测量的要求。

3.2 同步相量测量协议扩展

IEEEC37.118作为同步相量测量子站与主站的通信协议，规定了下层子站向上层主站发送同步相量数据的数据帧报文格式。本装置除了计算常规的同步相量参数外，针对船舶电力系统谐波含量丰富，电压波动大的特点，还对系统单个节点处的电压电流谐波、三相不平衡、电压暂升暂降等进行了计算，而IEEEC37.118数据报文中并没有与此相对应的字段对此进行说明，因此对数据报文字段进行扩展。在数据报文中添加FLUCTUATE_RATE,BULGESAG_RATE,BULGE SAG_START,BULGESAG_DUR,HARM_LAST_T IME,HARMONIC,IMBALANCE字段对电压暂升暂降、电压波动、谐波、三相不平衡等进行描述，扩展字段如表1所示。

表1中NUM_HARMONIC字段为谐波次数，HARMONIC字段与 IMBALANCE字段详细定义如表2所示。

3.3 应用软件流程

数据处理模块软件分为底层驱动和上层应用软件。底层驱动收到FPGA发送的信号量后便从GPMC口读入一个数据帧，提供给上层软件进行数据处理。上层软件主要完成同步相量的计算，按照扩展后的协议打包数据并上传。上层应用软件流程图如图4所示。

图4 应用软件流程图

应用程序收到数据帧后对数据报文帧头、帧尾、校验码以及时间是否连续进行检测，检测合格的数据送入相量计算模块。针对50 Hz工频量，本装置设计每半周波10 ms进行一次相量计算并上传数据，每8周波160 ms进行一次谐波计算。

表1 数据报文扩展字段格式

图5 实验波形

由于谐波计算量大，在谐波线程计算过程中，可能会占用CPU导致10 ms相量的计算线程无法启动，由于采用线程锁本身就会消耗CPU，并肯可能出现死锁情况，所以在谐波计算线程中调用sleep()函数，在实际测试中，只进行谐波计算耗时为45 ms左右，而谐波计算在160 ms内完成，所以不会出现谐波计算无法完成，并且保证了10 ms相量计算线程的执行。

表2 谐波与不平衡字段详细定义

3.4 实验结果与分析

对可编程标准信号源进行编程，将信号源输出的信号接入单个PMU节点传感器端口。PMU节点通过以太网将计算所得电力参数上传至上位机软件，并实时显示出来，如图5所示。

为了避免信号源可能出现的误差以及检测通道之间之间的同步性，实验中三相电流接口采用串联方式接同一个电流信号，对同一个信号进行计算。图中实时显示有效值、幅值、相位和频率信息，显示波形并绘制矢量图。信号源电流信号为0.426 A，从图中可看出，三个电流通道之间幅值误差小于2%，相位误差小于0.2°。多个PMU进行联合相角测量时，误差小于0.2°，时间同步精度小于1µs。满足电流系统实时动态监控要求。

4 结束语

本文根据船舶电力系统特点，研制了一种基于FPGA和ARM的同步相量测量模块。对各测量节点进行系统谐波分析，并对IEEEC37.118通信协议进行扩展，加入谐波等电力参数。采用多线程进行同步电气量的测量，并对装置进行测试。测试结果表明，装置测量精度、时间同步性高，可用于实际系统的测量。

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