专利名称：基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种与嵌入式操作系统结合的轻型同步相量测量一体机(PMULight),与桌面应用程序无缝集成。
背景技术：
电网承担着优化资源配置、保障国家能源安全、促进经济社会发展的任务，中国能源与负荷分布严重不平衡，决定着大电网互联是中国电网发展的必经之路。特高压电网的建成将使各大区域电网联系更加紧密，对电力系统广域测量提出了更高的要求。对电网进行广域测量，实时监测电网相量动态信息，是保障大电网稳定运行的必要手段。目前电网中同步相量测量的主要设备是PMU (同步相量测量单元)，它基于全球定位系统(Global Positioning System, GPS)提供的高精度同步时钟,实现了异地同步相量测量技术，PMU记录电网电压电流相量，提取这些相量信息，即可以确定系统的工作状态，在电力系统分析和控制诸多领域起着重要作用。但是随着智能电网时代的到来，PMU的应用显现出了其局限性。1、常规PMU成本造价昂贵，且需要装设在主要发电厂、变电站等重要节点，安装复杂；2、常规PMU授时、定位单元为GPS (全球定位系统)，属于美国控制的资源和技术，存在美国关停GPS后系统无法授时的风险；3、常规PMU 需设专线通信传输通道，铺设线路成本较高，且限制了装置安装测量地点；4、常规PMU没有融入现在先进的3G (第三代无线通信技术)无线通信技术；5、常规PMU组成的同步测量系统，在系统主站服务器进行分析、计算、显示，没有在测量端进行直观分析、曲线显示、在线辨识故障及报警等。鉴于常规PMU的部分缺陷，220v用户侧电网相量测量及发送装置(专利号:201120251335.2，公开号CN202159086U)初步解决了 PMU造价高、装设复杂、授时定位受国外资源限制、通信复杂等缺陷。实际用于中发现该发明也存在一些不足:1、装置测量精度方面，在信号频率偏离基准频率较大时，精度受影响，测量范围受限；2、装置测量各相量结果在计算分析方面，实时性有待提高；装置的硬件结构需要改进；3、信号传输方面，因装置安装在220V用户侧，有线internet传输在部分地区受到上网方式的限制；4、装置和PMU存在一个共同缺陷，能将同步测量数据传输到主站服务器进行在线分析计算、预警等，没有在测量端用户侧装置上进行在线分析、实时曲线显示、在线辨识、预
敬姑m寸ο

发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，它具有同步测量精度高、实时性好、测量频率范围宽；双模式授时定位；多模式信号传输，组网方式灵活；同时在装置测量端在线分析、实时曲线显示、在线辨识预警，与桌面应用程序无缝集成等优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。一种基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机(PMU Light)，包括双微处理器单元、工控主板单元、信号调理模数转换单元、缓存器单元、电源单元、输入控制单元、双模式授时/定位单元、鼠标键盘单元、显示器单元、报警单元和三模式发送单元，所述双微处理器单元包括第一微处理器和第二微处理器，第一微处理器通过信号调理模数转换单元从交流电网采集相量信号，进而通过缓存器单元，与第二微处理器连接，同时双微处理器单元通过电源单元与交流电网连接；双微处理器单元还与输入控制单元、双模式授时/定位单元连接；工控主板单元分别与双微处理器单元、鼠标键盘单元、显示器单元、报警单元连接，且通过三模式发送单元将计算结果传出。所述第一微处理器通过控制信号调理模数转换单元，将电网电压经变压、滤波、AD转换后，获得瞬时电压数据；经缓存器单元，被第二微处理器接收，计算出电网侧电压的相角、幅值、频率等相量；同时与双模式授时/定位单元(GPS或者北斗导航系统)的精准时间等信息整合，得到实时相量信息；之后由第二微处理器将具有时间标签的电网相量采用双模式发送方式传送至工控主板单元，工控主板单元实时接收数据并在线绘制、分析实时相量曲线，出现异常情况时直接在线报警，与此同时工控主板单元通过三模式发送方式实时将数据发送到主站服务器，便于整个系统联网状态下分析控制。所述双微处理器单元为两块基于ARM的中央计算模块。目前在处理器的选择上，一方面16位单片机的指令和性能有限，另一方面32位处理器的成本和功耗高，那么，基于ARMCortex-M3内核的STM32系列处理器能解决这个问题。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列:STM32F103“增强型”系列和STM32F10r‘基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于
0.5mA/MHz。在这里我们选择STM32F103 “增强型”系列。所述缓存器单元为高速缓存模块双口 RAM7005。所述工控主板单元选用研华工业ATX主板AMB-252，处理速度快，接口丰富，功耗低。所述信号调理模数转换单元包括依次连接的变压器模块、RC信号滤波模块、模数转换模块。所述控制单元为按键。所述显示器单元为7寸1024*600分辨率的工业控制显示器。所述双模式授时/定位单元为GPS系统模块和北斗导航系统的双模式授时模块。所述三模式 数据发送单元为无线通信模块、串行通信模块和internet有线通信模块。
所述利用自适应二次评估算法计算电网侧电压的相角、幅值、频率等相量。所述自适应二次估计算法，比常规的电网相量测量装置及《双模式220v用户侧电网相量测量及发送装置》所采用的离散傅里叶变换算法相比，在测量信号频率偏离基准频率±5Hz情况下，测量精度更高，且测量频率范围更广。所述自适应二次估计算法包括一次采样算法和二次采样频率算法；所述一次采样算法为基于离散傅里叶算法的快速傅里叶算法，在得到一个频率之后，进行第二次采样及计算，得到最终的频率，结合本发明的硬件结构的优点，计算速度快，精度闻。二次采样频率算法如下:设电网电压信号如下式
权利要求
1.一种基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，其特征是，包括双微处理器单元、工控主板单元、信号调理模数转换单元、双模式授时/定位单元、三模式数据发送单元，所述双微处理器单元包括第一微处理器和第二微处理器，双微处理器单元通过电源单元与交流电网连接；所述第一微处理器通过控制信号调理模数转换单元，将电网电压经变压、滤波、AD转换后，获得瞬时电压数据；经缓存器单元，被第二微处理器接收，计算出电网侧电压的相角、幅值、频率相量，同时与双模式授时/定位模块的时间信息整合，得到实时相量信息，之后由第二微处理器将具有时间标签的电网相量采用双模式发送方式传送至工控主板单元，工控主板单元实时接收数据并在线绘制、分析实时相量曲线，出现异常情况时直接在线报警，与此同时工控主板单元通过三模式发送方式实时将数据发送到主站服务器。
2.如权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，其特征是，所述信号调理模数转换单元包括依次连接的变压器模块、RC信号滤波模块、模数转换模块。
3.如权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，其特征是，所述双模式授时/定位单元为GPS系统模块和北斗导航系统的双模式授时模块。
4.如权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，其特征是，所述三模式数据发送单元为无线通信模块、串行通信模块和internet有线通信模块。
5.如权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，其特征是，所述电网侧电压的相角、幅值、频率相量利用自适应二次评估算法计算。
6.如权利要求5所述的基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，其特征是，所述自适应二次估计算法，所述自适应二次估计算法包括一次采样算法和二次采样频率算法；所述一次采样算法为基于离散傅里叶算法的快速傅里叶算法，在得到一个频率之后，进行二次采样及计算，得到最终的频率； 二次采样频率算法如下: 设电网电压信号如下式 X(t) = 4 Χ sin( cot + φ)(3) X(t):电压的连续时域信号；X:电压有效值；ω:角速度；t:时间；Φ:相角； _ rj N-1 — X =— μ ^ k JV kz=Q =—> Acos ——k-1—> Λ , sin ——k Nh N J " N ^Xc-JXs A二^(Xs+ jD( ξ) X:当前电压相量形式；J1:由FFT计算的到的基波相量AcIs:定义的实部虚部；j:虚数单位；N:每一个窗口的采样点数；k:系数1，2，3...N ；Xk:采样点值； 对上述计算窗口内的N个点，去掉第I个，在最后增加I个，得到下一个数据窗口数据序列，由式(6)、(7)递归得到当前相量，由式(5)得到当前相量的幅值、相角，得到第二个相量值；依次类推，计算若干个窗口的数据点，得到相应的电压相量值；
全文摘要
本发明公开了一种基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机，它包括双微处理器单元和工控主板单元，微处理器单元通过信号调理模数转换单元从交流电网采集相量信号，进而通过缓存器单元，与微处理器单元连接，同时双微处理器单元通过电源单元与交流电网连接；微处理器单元还分别于输入控制单元、双模式授时/定位单元连接；工控主板单元分别与双微处理器单元、鼠标键盘单元、显示器单元、报警单元连接，且通过三模式发送单元将计算结果传出；它具有同步测量精度高、实时性好、测量频率范围宽；双模式授时定位；多模式信号传输，组网方式灵活；同时在装置测量端在线分析、实时曲线显示、在线辨识预警，与桌面应用程序无缝集成等优点。
文档编号G01R31/00GK103217608SQ201310139338
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月19日 优先权日2013年4月19日
发明者马庆法, 张恒旭, 刘玉田 申请人:山东大学