作者:
M. Paolone - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
A. Borghetti - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
C.A. Nucci - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

圖1：同步相量估計(jì)：重構(gòu)信號s1(t)和相位重定義

"我們使用LabVIEW對FPGA進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了基于GPS時(shí)間基準(zhǔn)的精確時(shí)間同步。LabVIEW Real-Time模塊也使我們能夠開發(fā)精確的同步相量估計(jì)算法。"

                                                                         - M. Paolone, UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

挑戰(zhàn):
創(chuàng)建高級相量測量單元 ( PMU )，以確定配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)度，并改進(jìn)配電網(wǎng)絡(luò)為主動式智能電網(wǎng)。

解決方案:
開發(fā)基于NI CompactRIO硬件、NI LabVIEW和LabVIEW Real-Time模塊的高性能PMU。其中NI LabVIEW用于現(xiàn)場可編程門陣列 ( FPGA ) 級編程，以實(shí)現(xiàn)基于全球定位系統(tǒng) ( GPS ) 時(shí)間基準(zhǔn)的高精度時(shí)間同步，LabVIEW Real-Time模塊用于開發(fā)精確的同步相量估計(jì)算法。

由被動式向主動式的演變使配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行程序發(fā)生了巨大的變化，尤其是在實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)時(shí)。我們需要使用先進(jìn)的智能監(jiān)測工具來快速可靠地估計(jì)這些網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。這一領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一就是基于PMU的分布式監(jiān)測。

同步相量估計(jì)算法均基于離散傅立葉變換 ( DFT ) 應(yīng)用于代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓和/或分支電流波形的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)信號。我們可以將這些基于DFT算法分成用于執(zhí)行遞歸和非遞歸更新的單周期DFT估計(jì)函數(shù)和小數(shù)周期DFT估計(jì)函數(shù)。我們創(chuàng)建了一個DFT算法，使我們可以在主動式配電網(wǎng)絡(luò)中使用PMU，而且即使存在失真信號波形和機(jī)電暫態(tài)（即頻變信號），也可在特定范圍內(nèi)保持同步相量的測量精度。

與輸電網(wǎng)絡(luò)相比，主動式配電網(wǎng)絡(luò)的特性是線路長度較短和輸電量有限。使用總線電壓同步相量方法來判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)時(shí)，這兩個特性就使得總線電壓相量之間的相位差非常小（一般在幾十毫弧度或更低）。這些特性要求PMU設(shè)備具有遠(yuǎn)低于IEEE C37.118規(guī)定限值的同步相量相位不確定度。配電網(wǎng)絡(luò)的失真電平遠(yuǎn)高于輸電網(wǎng)絡(luò)。此外，即使與主輸電網(wǎng)絡(luò)隔離，主動式配電網(wǎng)絡(luò)也可以運(yùn)行。因此進(jìn)行隔離和重新連接操作時(shí)，PMU就為配電網(wǎng)運(yùn)營提供很大的支持。但是由于額定網(wǎng)絡(luò)頻率偏差通常不可忽略，使用PMU來監(jiān)測機(jī)電暫態(tài)可能會導(dǎo)致對同步相量相位和頻率的估計(jì)不正確。

同步相量估計(jì)算法

基于DFT的傳統(tǒng)同步相量估計(jì)算法通常直接對以幾千赫茲采樣的信號進(jìn)行DFT，再根據(jù)DFT輸出執(zhí)行同步相量測量。另一方面，我們的算法雖然仍基于DFT，但采用的是一個兩步驟方法，其中第一個步驟是對輸入信號進(jìn)行DFT分析，第二個步驟是對與基頻信號對應(yīng)的重構(gòu)時(shí)域信號進(jìn)行時(shí)域分析。第一步的獨(dú)特之處在于它采用本文提出的方法來識別基頻信號。該算法在高采樣頻率下（例如，100千赫）可提供準(zhǔn)確的結(jié)果。下面簡要介紹一下同步相量估計(jì)算法。

同步相量估計(jì)算法包含以下三個步驟：
1. 在80 ms（即50 Hz四個周期）的時(shí)間窗口 (T) 內(nèi)對三相電壓采樣，從UTC- GPS脈沖每秒（PPS）波前(通常為1或10 PPS)對應(yīng)的時(shí)間開始。

2.將基頻信號重構(gòu)為正弦信號，正弦信號的頻率為特定單一頻率窗口ΔF（也就是f₀±ΔF，其中f₀是指電網(wǎng)頻率的額定值）中某個值。我們使用LabVIEW Real-Time模塊和CompactRIO實(shí)時(shí)微控制器來實(shí)現(xiàn)這一步驟。

3.以重構(gòu)的基頻信號波形為基準(zhǔn)，估計(jì)同步相量的振幅、相位和頻率。我們使用LabVIEW Real-Time模塊和CompactRIO實(shí)時(shí)微控制器來實(shí)現(xiàn)這一步驟。

圖1總結(jié)了用上述過程所獲得的信號分析。其中虛點(diǎn)線表示用于估計(jì)同步相量的通用失真信號，連續(xù)實(shí)線表示時(shí)域重構(gòu)的基頻信號，虛線表示PPS信號。

PMU原型

我們在配備了3百萬門FPGA的NI CompactRIO嵌入式實(shí)時(shí)微控制器上實(shí)現(xiàn)同步相量估計(jì)算法。我們使用NI9215 C系列模塊，以±10 V的動態(tài)信號輸入和100 kHz的采樣頻率對電壓波形進(jìn)行采樣。 UTC-GPS時(shí)間幀由時(shí)間同步不確定度為100 ns的S.E.A GPSIB移動模塊提供。我們使用NI9401數(shù)字I / O模塊作為計(jì)數(shù)器來執(zhí)行PPS前上升沿（由GPS裝置提供）和數(shù)字化波形的第一個采樣之間的測量。

FPGA將PPS的數(shù)量發(fā)送給GPS設(shè)備，GPS設(shè)備生成PPS信號發(fā)送到NI9215和NI9401。這些連接觸發(fā)啟動PPS前沿（持續(xù)時(shí)間與觀測時(shí)窗T相對應(yīng)）對應(yīng)的波形采樣。同時(shí)，發(fā)送到NI 9401模塊的PPS前沿觸發(fā)FPGA計(jì)數(shù)器開始以FPGA時(shí)鐘頻率運(yùn)行，對于系統(tǒng)所采用的硬件，F(xiàn)PGA時(shí)鐘頻率為40 MHz。該計(jì)數(shù)器在采樣波形的第一個采樣處停止運(yùn)行，進(jìn)行計(jì)算（參見圖1）。然后采樣數(shù)據(jù)以及GPS時(shí)間標(biāo)記插入到DMA FIFO存儲器，并由實(shí)時(shí)微控制器進(jìn)行檢索，以執(zhí)行同步相量估計(jì)算法。 PPS的數(shù)量對應(yīng)于每秒同步相量估計(jì)的數(shù)量。

PMU實(shí)驗(yàn)表征和結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表征以具有頻率恒定的頻譜分量的周期信號為基準(zhǔn)。我們將NI PXI機(jī)箱連接至NI PXI任意波形發(fā)生器、NI PXI定時(shí)和同步模塊、NI PXI高精度數(shù)據(jù)采集模塊以及NI PXI高性能嵌入式控制器，生成一個基準(zhǔn)信號。我們分析了兩種情況：單音信號（50赫茲）和失真信號。對于失真的信號，我們生成的基準(zhǔn)信號的頻譜分量等于標(biāo)準(zhǔn)EN50160規(guī)定的限值。表1總結(jié)了PMU的不確定性，證明所開發(fā)的設(shè)備可兼容主動式配電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求。

以下是一個較為完整的實(shí)驗(yàn)表征描述，表明了PMU原型的性能不會受到頻率不斷變化的信號的影響，頻率不斷變化的信號代表緩慢的機(jī)電暫態(tài)。

表1：以穩(wěn)態(tài)條件為基準(zhǔn)，PMU原型的誤差分布平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差：單音信號和失真信號