一种快速同步相量修正方法技术

本发明专利技术公开了一种快速同步相量修正方法，包括初始化模块、同步采样模块、相量计算模块、相量修正模块、相量FIFO缓冲区读写接口模块、CPU补偿模块。本发明专利技术所达到的有益效果：本发明专利技术利用FPGA的高速并行计算的能力，将数据同步采样过程、递推DFT运算、相量滤波算法放置在FPGA中完成，从而将CPU从频繁的采样中断和繁重的DFT运算过程中解放出来，将主要任务集中在响应主站的命令上，保证了PMU的通信实时性。同时相量滤波算法采用了DA算法进行优化，使得长字节的多位乘法能同步进行，大大提高了运算速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于电力系统自动化测量
。
技术介绍
同步相量测量装置（PMU)则利用卫星同步时钟系统为广域范围内的全网同步采 样提供统一的米样脉冲和标准时间，使得各个站点之间有了相同的时间基准点和米样参考 基准点，在同步采样和计算之后所得到的同步相量能准确描述实际系统的动态过程，为电 力系统新型保护、测控、安全稳定控制提供了新的数据源。PMU装置作为嵌入式设备，一般采 用定间隔采样和固定DFT系数，这样能获得异地广域范围内的同一时间断面数据，通过DFT 变换，即可获得相量的幅值和相角。在频率偏离额定值很小时，基于DFT的同步相量测量结 果精度是很高的，但如果频率偏离额定值过大会造成很大的测量误差。根据仿真结果看，相 量的幅值在系统频率偏离了额定值后会发生振荡，振荡频率接近二次谐波，与偏离程度有 很大关系，偏离程度越大侧振荡越厉害。相角对系统频率偏离额定值更加敏感。因此需要 对频偏时的相量测量结果做修正才能正确反映系统的实际状态。 传统的同步相量计算方法一般是在前端采用低通滤波滤掉高频干扰信号，采用 CPU或DSP进行同步AD采样，采用DFT或FFT运算，获得原始相量数据，再根据频率偏移时 的DFT公式推导出相量补偿公式。此类处理方法CPU负荷很大，无法兼顾测量性能和相量 上送的实时性，而且根据理论公式推导出来的补偿公式容易出现除0的情况而导致补偿失 败。专利《一种同步相量测量装置进行相量修正的方法》(200910087425. X)提出了一种采用 函数拟合的方法保证在45?55Hz范围幅值和相角的测量精度，但由于没有进行滤波处理， 频偏严重时相量幅值、角度的精度会大大降低，而且误差与初相角有关系，补偿难度较大。 本专利技术提出一种快速的同步相量修正方法，利用FPGA进行同步采样、递推运算、 滤波处理，同时采用分布式算法（DA算法）优化滤波过程，得到最终相量结果后再由CPU根 据当前系统频率进行补偿，从而在系统频率偏离额定值时在45?55Hz范围内都能得到高 精度的相量结果。
技术实现思路
为克服现有技术不足，解决上述技术问题，本专利技术提供一种快速的同步相量修正 方法，通过CPU对FPGA进行配置，将运算量大的采样中断计算过程放到FPGA中完成，采用 周期DFT运算和递推DFT运算计算同步相量，并采用基于DA算法的有限冲击滤波器算法对 相量进行滤波处理，再由CPU对相量进行幅值和相位的补偿，从而得到系统频率偏离额定 值时的高精度同步相量。 本专利技术采用如下技术方案：，其特征在于，包括以下模 块和步骤： (1)初始化模块：FPGA和CPU在硬件上采用并行总线相连接，FPGA的中断信号连 接到CPU的外部中断引脚，初始化模块在FPGA内存中创建DFT系数寄存器、滤波器系数寄 存器、采样参数寄存器，通过CPU对FPGA进行DFT系数、滤波器系数、采样参数初始化配置； (2)同步采样模块：FPGA内建本地时钟信号并使之驯服于卫星同步时钟信号，产 生IPPS信号和同步采样脉冲信号控制AD转换器完成广域同步采样过程，将采样结果存储 于原始信号采样缓冲区； (3)相量计算模块：FPGA从原始信号采样缓冲区提取采样值进行递推DFT运算，同 时在每个IPPS信号到来后进行一次全周DFT运算，并以全周DFT运算的结果作为下一采样 点递推DFT运算的初值，计算所得相量存入原始相量缓冲区中； 所述的DFT递推运算公式为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速同步相量修正方法，其特征在于，包括以下模块和步骤：(1)初始化模块：FPGA和CPU在硬件上采用并行总线相连接，FPGA的中断信号连接到CPU的外部中断引脚，FPGA接入标准时钟的1PPS信号和B码时间信号，初始化模块在FPGA内存中创建DFT系数寄存器、滤波器系数寄存器、采样参数寄存器，通过CPU对FPGA进行DFT系数、滤波器系数、采样参数初始化配置；(2)同步采样模块：FPGA内建本地时钟信号并使之驯服于卫星同步时钟信号，产生1PPS信号和同步采样脉冲信号控制AD转换器完成广域同步采样过程，将采样结果存储于原始信号采样缓冲区；(3)相量计算模块：FPGA从原始信号采样缓冲区提取采样值进行递推DFT运算，同时在每个1PPS信号到来后进行一次全周DFT运算，并以全周DFT运算的结果作为下一采样点递推DFT运算的初值，计算所得相量存入原始相量缓冲区中；所述的DFT递推运算公式为：Ac1(k)=Ac1(k-1)+2N[x(k)-x(k-1)]cos(2*k*PiN)]]>Ac1(k)=Ac1(k-1)+2N[x(k)-x(k-1)]cos(2*k*PiN)]]>Ac1(k)：第k次递推基波相量实部As1(k)：第k次递推基波相量虚部N：每周波采样点数x(k)：采样缓冲区中的第k个采样点所述的全周DFT运算的公式如下：Ac1′=Σj=0N-1x(j)cos(2*j*PiN)]]>Ac1′=Σj=0N-1x(j)cos(2*j*PiN)]]>Ac1'：1PPS信号之后一周波DFT运算的基波相量实部As1'：1PPS信号之后一周波DFT运算的基波相量虚部x(0)…x(N‑1)：每个1PPS脉冲后一周波的采样数据所述的1PPS信号之后的第N+1点递推DFT的公式如下：Ac1(k)=Ac1′+2N[x(k)-x(k-1)]cos(2*k*PiN)]]>Ac1(k)=Ac1′+2N[x(k)-x(k-1)]sin(2*k*PiN)]]>Ac1(k)：第k次递推基波相量实部As1(k)：第k次递推基波相量虚部Ac1'：1PPS信号之后全周DFT运算的基波相量实部As1'：1PPS信号之后全周DFT运算的基波相量虚部(4)相量修正模块：FPGA从上送相量计算模块中获得数据作为输入，并从滤波器系数寄存器中提取滤波系数，根据滤波公式进行滤波处理，滤掉带外信号，相量修正模块输出结果缓存于相量FIFO读写接口缓冲区中；所述的滤波公式如下：yk=Σi=0N-1h(i)xk(i)]]>yk：相量修正模块输出h(i)：滤波器系数xk(i)：相量修正模块输入N:滤波器阶数(5)相量FIFO读写接口模块：FPGA将最终计算结果缓存于FIFO缓冲区中，以先进先出方式供CPU读出；(6)CPU补偿模块：CPU对相量的幅值做查表插值补偿运算处理，CPU根据实时获得系统频率f查找存储于内存中的滤波器幅值频率响应Amp[2N+1]和ff[2N+1]离散表，进行插值运算得到相应补偿系数，相角也做类似处理，查表插值运算公式如下：index=f*10-440N]]>y=Amp[index]+(f-ff[index])*Amp[index+1]-Amp[index]ff[index+1]-ff[index]]]>f:实际系统频率N：频率离散化间隔index：频率归一化索引Amp：幅值响应离散表，大小为2N+1ff：频率离散归一化表，大小为2N+1y：补偿后的幅值增益系数。...

【技术特征摘要】
1. 一种快速同步相量修正方法，其特征在于，包括以下模块和步骤： (1) 初始化模块：FPGA和CPU在硬件上采用并行总线相连接，FPGA的中断信号连接到 CPU的外部中断引脚，FPGA接入标准时钟的IPPS信号和B码时间信号，初始化模块在FPGA 内存中创建DFT系数寄存器、滤波器系数寄存器、采样参数寄存器，通过CPU对FPGA进行 DFT系数、滤波器系数、采样参数初始化配置； (2) 同步采样模块：FPGA内建本地时钟信号并使之驯服于卫星同步时钟信号，产生 IPPS信号和同步采样脉冲信号控制AD转换器完成广域同步采样过程，将采样结果存储于 原始信号采样缓冲区； (3) 相量计算模块：FPGA从原始信号采样缓冲区提取采样值进行递推DFT运算，同时在 每个IPPS信号到来后进行一次全周DFT运算，并以全周DFT运算的结果作为下一采样点递 推DFT运算的初值，计算所得相量存入原始相量缓冲区中； 所述的DFT递推运算公式为：Acl (k):第k次递推基波相量实部 Asl (k):第k次递推基波相量虚部 N :每周波采样点数 X (k):采样缓冲区中的第k个采样点 所述的全周DFT运算的公式如下：Acl' ：IPPS信号之后一周波DFT运算的基波相量实部 Asl' ：IPPS信号之后一周波DFT运算的基波相量虚部 X (O)…X (N-I):每个IPPS脉冲后一周波的采样数据 所述的IPPS信号之后的第N+1点递推DFT的公式如下：Acl (k):第k次递推基波相量实部 Asl (k):第k次递推基波相量虚部 Acl' ：IPPS信号之后全周DFT运算的基波相量实部 Asl' ：IPPS信号之后全周DFT运算的基波相量虚部 (4) 相量修正模块：FPGA从上送相量计算模块中获得数据作为输入，并从滤波器系数 寄存器中提取滤波系数，根据滤波公式进行滤波处理，滤掉带外信号，相量修正模块输出结 果缓存于相量FIFO读写接口缓冲区中； 所述的滤波公式如下：yk:相量修正模块输...

【专利技术属性】
技术研发人员：温富光，陈庆旭，张守志，
申请(专利权)人：南京国电南自电网自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32