（电力系统及其自动化专业论文）广域测量系统中通信网络的研究.pdf

a b s t i t a c t w i d ea r e am e a s u r e m e u ts y s t e m ( w a m s ) b a s e do n s y n c h r o n o u sp h a s o r m e a s u r e m e u ta n dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki so n eo f t h et h r e em a j o rn e wf r o n ts u b j e c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tc o n t r o la n dw i d ea r e am e a s u r e m e n t ) i np o w e rs y s t e m ，a n dp r o v i d e sa na d v a n c e da n dp o s s i b l ei n f o r m a t i o np l a t f o r mf o r p o w e rs y s t e m ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rp o w e r 舒d sd e v e l o p m e n tt or e a l - t i m e s u p e r v i s o rc o n t r o li nw i d ea r e a an e wp h a s o rm e a s l l r e m e u tu n i t ( p m u ) m a i n l yc o m p o s e do fd s pa n da r mi s d e s i g n e di nt h i sp a p e r i tm a k e su s eo fd s p r i mr a p i dc a l c u l a t i n gc a p a b i l i t ya n d a r m 埘mm u l t i - i n t e r f a c ef u l l y b e s i d e s pc o s 一1 】a n dt c p i pp r o t o c o ls t a c ka r e t r a n s p l a n t e d t oa r ms ot h a tt h ep m uh a st h ec a p a b i l i t yo fm u l t i t a s k i n ga n d c o m m u n i c a t i n gw m t h ee t h e m e td i r e c t l y t or e a l i z et h er e l i a b l ee o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep m ua n dt h ed a t as e r v e r si n m o n i t o r i n gs u b s t a t i o n s ，s o c k e tt e c h n o l o g ya n da n s w e r i n gc o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t a r ea d o p t e d b e s i d e s ，u s i n gt h ed i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e lt e c h n o l o g y , a c o i i l m o na n de x p a n d a b l ei n t e r f a c ei sd e s i g n e df o rd a t as e r v e r si n m o n i t o r i n g s u b s t a t i o n s ，a n dt h ei n t e r f a c ep r o v i d e st h eg o o ds e r v i c i n gf o rt h el o c a lm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e ma n do t h e ro n l i n ea n a l y s i ss y s t e m s a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs d h a n da t m ，t h e a n 以o v e rs d hi sc h o s ea st h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nm o d et om e e tt h ed e m a n d so f w a m s r e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n a tl a s t ，a d o p t i n gt h e g e n e t i ca l g o r i t h m ，a r e a s o n a b l er i n gf r a m ef o ro p t i c a lf i b r en e t w o r ki sd e s i g n e d k e yw o r d s ：w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，s y n c h r o n o u sp h a s o rm e a s l l r e m e n t ， c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，s o c k e t ，d c o m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；最承；药 签字日期： 埘年月弦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 犯巧、谗 导师签名：；卷她 签字日期：p d 年f 月好日签字日期：埘年月玎日 第一章绪论 第一章绪论 互联电网规模的日益扩大，对电网的稳定运行提出了新的要求。丰富而详实 的系统运行数据，是研究分析电网动态性能的基础。电力系统广域测量是近年来 发展起来的一项新技术，它为电网向着大面积实时监测和控制方向的发展提供了 先进和可能的信息技术平台。 1 1 广域测量系统 在过去，由于缺乏经济合理的高精度的时间源以及受数据通信条件的限制， 数据采集与监视控制( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) 系统实际上是一个分散处理系统，在时间上是异步的，在空间上是局部的，以其 为基础的能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e m s ) 只是潮流水平 上的电力系统稳态行为分析。它与电力系统结构上的整体性、时间上的同时性、 本质上的非线性不相适应，不能满足超大规模电力系统振荡抑制与控制、系统保 护和动态安全防御等各方面的需求。 近年来，全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 技术走 向民用化，不但应用于军事领域，还被广泛地应用于电力、航海、交通等领域。 g p s 具有精度高( 微秒级) 、覆盖范围大、不需要通道联络、不受地理和气候条 件限制等优点，为电力系统分散的测量装置提供了一个廉价的、高精度的时间基 准源“1 。同时，随着以太网技术和光纤技术的发展，当前的电力通信网具有高可 用性、高可靠性( 具有较高的q o s 等级) 和高安全性，各个电厂、变电站内部以 及它们与调度中心之间有可能实时地交换大量信息。正是这样的技术背景，促使 人们构建一个适合于电力系统动态分析的信息技术平台广域测量系统( w i d e a r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，简称w a m s ) ，它是当今各国争相研究开发的新兴科 技领域之一1 “。 广域测量系统定义为：基于同步相量测量技术和现代通信技术，对地域广阔 的电力系统运行状态进行监测和分析，为电力系统实时控制和运行服务的系统。 广域测量系统主要由三部分组成：装有同步相量测量单元( p h a s e m e a s u r e m e n tu n i t ，简称p m u ) 的子站， 覆盖全网的通信网络和位于调度中心 的监测控制系统。1 。 ( 1 ) 子站：安装有p m u 的发电厂或变电站。p m u 在线连续不断地监视发电 第一章绪论 机的功角和各母线电压、电流幅值和相角，并将贴有时标的测量结果实时地向子 站的数据服务器发送；而子站的数据服务器不但将测量结果提供给子站内的就地 监测系统和各种在线分析软件，同时还通过通信网络，将测量结果传送给调度中 心的监测控制系统。 ( 2 ) 通信网：通信网是监控中心和各子站单元之间联系的纽带。子站每2 0 m s 得到一批新的数据，需要及时上传。为保证信息能够安全、可靠、快捷地上传到 监控中心，通常采用基于数字通信技术的以光纤为媒介的专用通道。 ( 3 ) 监控中心：位于调度中心的监测控制系统。监控中心接受来自各个子 站的原始数据，对这些包含各厂站的发电机功角、母线电压相量信息的数据进行 预处理，判断系统中的故障并建立历史数据库。 与传统的s c a d a e m s 相比，广域测量系统具有以下特点： ( 1 ) 对事件动态测量和表示； ( 2 ) 对系统广域观测； ( 3 ) 事故情况下做出快速、协调及优化的反应； ( 4 ) 有应对连续事故的能力等。 当前，国内外应用w a m s 或p m u 已经实现的功能有”： ( 1 ) 在线记录全网时间同步的故障信息故障录波，用于事故反演和分 析。这是目前国内外w a m s 或p m u 普遍具有的基本功能。 ( 2 ) 将电网的部分实测结果引入全网的状态估计。例如，西班牙电力公司 联合美国s e p s c 公司( s i e m e n te m p r o sp o w e rs y s t e mc o n t r 0 1 ) 在其本土的1 0 0 条母线上加入2 3 台相角测量装置( 相角测量误差小于0 1 2 。) 后进行状态估计， 结果表明，由于电网的部分实测结果的引入，整个电网状态的估计精度有了很大 提高。 ( 3 ) 功角监视。通过p m u 获得发电机以及各节点的功角空间矢量簇，使调 度人员在调度中心的屏幕上能够清楚地看到系统各处的功角拉开、合拢及其演变 轨迹。 近期可能实现的应用功能包括“： ( 1 ) 静态安全监视与控制。实时判断是否会出现静态安全问题，并确定预 防控制措施。 ( 2 ) 低频振荡监视与控制。在线监视机组之间的功角波动情况，如果发现 弱阻尼或负阻尼振荡模式，则采取控制措施。 ( 3 ) 参数辨识。利用w a m s 测量数据，进行发电机、变压器以及负荷参数的 辨识。 广域测量系统应用功能开发的最终目标是建立新一代e m s ，p m u 可能结合或 第一章绪论 替代r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远程终端设备) ，w a m s 可能结合或替代s c a d a 。 要在功能上将目前的稳态水平监测提高到动态水平监测，核心是如何快速地传输 p m u 的测量信息，如何充分地利用好w a m 8 的整体信息。w a m 8 需要研究的内容很 多，如快速信息通道的建立、w a m s 信息的数据仓库、w a m 8 信息的数据挖掘等。 1 2 国内外研究概况 p m u 的研究起步于2 0 世纪8 0 年代的美国”1 “，1 9 8 2 年至1 9 8 6 年处于概念阶 段，1 9 8 6 年至1 9 8 8 年处于试验装置阶段，1 9 8 8 年至1 9 9 1 年处于系统中试运行 阶段。1 9 9 2 年以后工业化产品问世，当时的采样频率达到2 8 8 0 h z ( 电网频率6 0 h z ，一个周波采集4 8 点) ，a d 转换器为1 6 位。在标准化工作方面，1 9 9 5 年诞 生了i e e e1 3 4 4 ，2 0 0 1 年修订为c 3 7 1 1 8 。目前，美国西部w e c c ( w e s t e r n e l e c t r i c i t yc o o r d i n a t i n gc o u n c i l ，美国西部电力系统协调委员会) 系统安装 了近5 0 台p m u ，主要用于动态记录和模型修正。北美电力系统安装了4 7 台p m u ， 监视约1 2 0 0 个信号，主要用于动态记录、分析和建模。t v a ( 田纳西流域管理局) 经过优化设计，在6 0 0 条线路中的6 9 条主干线上安装了p m u ，可以观测到整个 系统。美国的许多电力公司都安装了p f 【u ，少则2 台、多则1 0 多台。在欧洲， 西班牙的c s e 首次将p n j 信息用于状态估计，法国东南部系统、北欧系统、英国 电网也都部分安装了p m u 。 我国有关工作起步于1 9 9 5 年“2 。，目前有中国电力科学研究院、清华大学、 华北电力大学、华中科技大学、山东工业大学、西安交通大学、河海大学等单位 从事研究开发工作。国家电力调度通信中心在阳城、全国联网工程、三峡工程部 分安装了p m u ，拟进一步全面安装构成系统；省电力调度通信中心安装p m u 的有 河南、广东、黑龙江、辽宁、河北、江苏、福建、四川等。其中，河南电网在所 有发电厂和4 个5 0 0k v 变电站都安装了p m u ，是国内首次构建系统级w a i s 的电 网。 广域测量系统的主要研究点分为两个部分，一是基于g p s 的精确授时技术， 开发出能够测量相角的p m u 装置；二是为了保证测量数据的快速准确上传，构建 一个能满足实时传输要求的数据通信网络。 目前，国内外研制的基于g p s 的p m u 装置有很多“”3 。欧美国家的大多数装 置只是测量电气相角而非功角，而我国研制的部分p m u 装置能够赢接测量发电机 功角。相角测量原理上基本可分为两大类：一类是采用过零检测法；另一类是傅 里叶变换法。考虑到成本问题，现阶段采用过零检测法的装置居多。文献 1 7 提出了一种模块化的测量装置，由g p s 模块、监控模块和多个测量模块组成，监 第一章绪论 替代r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远程终端设备) ，w a m s 可能结合或替代$ c a d a 。 要在功能 将目前的稳态水平监捌提高到动态水平监测，核心是如何快速地传输 p m u 的测量信息，如何充分地利用好w a m s 的整体信息。w a m s 需要研究的内容很 多，如快速信息通道的建立、w a m s 信息的数据仓库、w a m 8 信息的数据挖掘等。 1 2 国内外研究概况 p m tj 的研究起步于2 0 世纪8 0 年代的美国7 1 “，1 9 8 2 年至1 9 8 6 年处于概念阶 段，1 9 8 6 年至1 9 8 8 年处于试验装置阶段，1 9 8 8 年至1 9 9 1 年处于系统中试运行 阶段。1 9 9 2 年以后工业化产品问世，当时的采样频率达到2 8 8 0 h z ( 电网频率6 0 h z ，一个周波采集4 8 点) ，a d 转换器为1 6 位。在标准化工作方面，1 9 9 5 年诞 生了i e e e1 3 4 4 ，2 0 0 1 年修订为c 3 7 1 1 8 。目前，美国西部w e c c ( w e s t e r n e l e c t r i c i t yc o o r d i n a t i n gc o u n c i l ，美国西部电力系统协调委员会) 系统安装 了近5 0 台p m l ，主要用于动态记录和模型修正。北美电力系统安装了4 7 台p m u ， 监视约1 2 0 0 个信号，主要用于动态记录、分析和建模。t v a ( 田纳西流域管理局) 经过优化设计，在5 0 0 条线路中的8 9 条主干线上安装了p m u ，可以观测到整个 系统。美国的许多电力公司都安装了p m 【j ，少则2 台、多则1 0 多台。在欧洲， 西班牙的c s e 首次将p m u 信息用于状态估计，法国东南部系统、北欧系统、英国 电网也都部分安装了p m e 。 我国有关工作起步于1 9 9 5 年“”，目前有中国电力科学研究院、清华大学、 华北电力大学、华中科技大学、山东工业大学、西安交通大学、河海大学等单位 从事研究开发工作。国家电力调度通信中心在阳城、全国联网工程、三峡工程部 分安装rp 删，拟进一步全面安装构成系统；省电力调度通信中心安装州u 的有 河南、广东、黑龙江、辽宁、河北、江苏、福建、四l 等。其中，河南电网在所 有发电厂和4 个5 0 0k v 变电站都安装了p m u ，是国内首次构建系统级w a m s 的电 网。 广域测量系统的主要研究点分为两个部分，一是基于g p s 的精确授时技术， 开发出能够测量相角的p m u 装置；二是为了保证测量数据的快速准确上传，构建 一个能满足实时传输夏求的数据通信网络。 目前，雹内外研制的基于g p s 的p m u 装置有很多“”“3 。欧美国家的大多数装 置只是测量电气相角而非功角，而我国研制的部分p m u 装置能够直接测量发电机 功角。相角测量原理上基本可分为两大类：一类是采用过零检测法；另一类是傅 里叶变换法。考虑到成本问题，现阶段采用过零检测法的装置届多。文献 1 7 提出了一种模块化的测量装置，由g p s 模块、监控模块和多个测量模块组成，监 提出了一种模块化的测量装置，由g p s 模块、监控模块和多个测量模块组成，监 第一章绪论 控模块有两个c p u ，一个负责快速运算和数据处理，一个负责上下通信处理( 通 过r s 一4 2 2 总线与测量模块连接，通过数据接口箱与远程通信网连接) 。文献 1 8 研制了一块插入工控机的i s a 总线扩展板，它由6 p $ 接收板，模数变换器，2 个 8 位高速微处理器8 0 c 3 2 0 和双口r a m 构成，其中一个8 0 c 3 2 0 接受处理来自g p s 的时间报文，而另一个负责模数变换器的数据采集工作，并通过双口r a m 实现和 p c 的通信。文献 1 9 开发了一块i s a 总线的数据采集卡，它采用w i n b o n d 公司 的8 位微处理器w 7 7 e 5 8 作为主控单元，通过引入外部g p s 时钟信号，用两片 m a x l 2 5 同步采样芯片进行数据采集；采集的数据循环存入两片双口r a m ，p c 通 过i s a 总线读取双口r a m 中的数据。文献 2 0 提出的p m u 方案以d s p 为处理单元， 利用g p s 时钟信号作为采样脉冲，通过1 6 位a d 转换器对交流信号进行采样； 数据通过双口r a m 送至p c 机，再由p c 机实现上传。文献 2 1 实现了通过以太网 通信的p m u 装置，它由g p s 接收机、a d 转换器、2 个d s p 和以太网控制器组成； 来自g p s 的时间信号接入到高精度的振荡器，使振荡器输出精确的脉冲，各a d 转换器以此脉冲为信号对被测量信号进行同步采样保持操作；同时g p s 接收机经 标准串口将国际标准时间信息传送给数据采集装置，用于给采样数据加上“时间 标签”；一个d s p 进行数据采集工作，一个d s p 负责通信工作，采样结果不但可 以通过标准串口输出，还可以通过以太网控制器直接传入局域网和广域网。 与p m u 技术的越来越成熟相比，广域测量系统中数据传输技术有点滞后，这 主要是由于广域测量系统对于数据传输的实时性要求太高( 快速控制的响应时间 一般为1 0 l o o m s ，而慢速控制的响应时间通常在l o s 左右) 。国内学者在这方 面作了很多工作。2 ”，提出了多种广域测量系统的结构，并在实际中得到应用， 取得了良好的效果。 图1 - 1w a m s 结构1 文献 1 2 提出如图l l 所示的w a m s 结构。其中主站位于省调度中心，子站 一置一 一置一 上遂砒上逸 一同一 一同一 蛩匿 茸毡 雌| ! 熊 茸通目 刘孙磊兰 一周监一 赢竺 习百状一 上巍t u 第一章绪论 为各功角监测点，子站由相角和功角测量装置、时间同步装置、通信系统和工控 机组成。为了保证实时性，主站与子站之间的通信通道采用专用的微波通道。该 系统已经通过了动模试验，各项技术指标已达运行要求，并且部分功能模块已经 现场运行。 文献 1 3 提出的w a m s 结构与图卜1 类似，只是在各功角测量子站中选择一 个主力发电厂或枢纽变电站为参考站，该站的功角不但传送至控制中心，而且送 到各监测子站，作为各测量点的参考相角，各子站便可得到自己相角相对于系统 参考点的角度，然后用这个信号进行就地控制，如发电机调速、s v c 的投切等。 一数据流控制流 圈卜2w a m s 结构2 文献 1 4 提出了一个更完整的览测系统，其结构如图卜2 所示。图中各上位 机与其相连的下位机共同组成一套基本的p m u ，各p m u 独立地从g p s 系统得到高 精度时钟，并以此为基础同步进行数据采集和相角测量及其他工作。 采用上下位机结构的目的是提高p m u 单元对不同应用场合的适应性，下位机 与上位机之间采用高性能的局域网连接，各p m u 的测量结果除按需要在本地进行 适当的显示和记录外，必要的信息通过广域网送到主站中央处理机进行集中处 理。该系统与前2 个系统相比，其通信系统采用了局域网和广域网通信技术，并 且设置了专用的控制通道，使整个系统功能更强大，结构更加合理。 针对全国联网，文献 1 3 提出了一个全国性的w a m s ，由国家调度中心、网 调度中心、省调度中心和就地监控4 级组成，如图卜3 所示。相角信息可以上行， 也可下行。该系统的中心处理机设置于省调或网调中心，同一网局内的省调之间 可以交换信息，国家调度中心的相角信息来自于各网局，而网局的相角信息来自 于各省调度中心；国调、网调和省调在各自的范围之内，能看到全局、局部或相 邻局部的相角矢量图，并可根据系统的运行状况或受扰大小及时作出调整。 第一章绪论 | 国家调度中心| 二二r 1 二i i 厕研丁雨磊面田 l - = 二丁 一。r 1 二二。 ，。l 一，j 一 | 省调度中心i - | 省调度中心i 二二 。二二 二 1 相角控制系统i l 相角控制系统l 图卜3 全国性的w a m s 1 3 本文的主要工作目标和内容 p m u 装置大多在工控机内部插入以单片机为核心的扩展板，扩展板本身不能 直接和子站内部的局域网相连。本文的工作目标之一是：采用d s p 、a r m 和以太 网控制器，设计出一个不需要工控机的、能够直接和子站内部的局域网相连的 d s p a r m 型p m u 装置。在此基础上，构建个具有快速信息交换的和能为就地监 控系统提供良好服务的子站内部网络结构，如图1 - 4 所示。 图1 4 子站内部结构 在广域测量系统中，可以有多个监测控制中心( 分并列结构型、上下结构型) 。 为使各个监测控制中心能够了解周边系统的实肘状况，本课题研究的另一工作目 标是：使图卜5 所示的广域测量系统满足监测控制的独立性、资金投入的经济性、 信息交流的快速性。 6 第一章绪论 图1 - 5 广域测量系统的连接 本文的主要内容如下： ( 1 ) 利用d s p 和a r m 各自的优点，开发一种d s p a r m 型的相量测量装置， 其中d s p 完成相量测量，a r m 完成对p m u 的控制和与以太网的通信。 ( 2 ) 把实时操作系统和t c p i p 协议栈移植到a r m 中去，利用s o c k e t 技术 实现p m u 和子站内部数据服务器的通信，且为就地监控系统和电力系统在线分析 软件提供良好服务。 ( 3 ) 在现有通信技术的前提下，构建一个网络结构资金投入量最少的广域 测量系统，并满足广域信息交换的安全性、实耐性、可靠性。 第二章d s p a r m 型p m u 装置的实现 第二章d s p a r i d 型p m u 装置的实现 现阶段的p m u 装置大多数采用单片机作为主控单元，以微机扩展卡的形式出 现。由于单片机速度和处理能力有限，导致整个p b l u 装置的性能不高；同时由于 它们没有独立的结构，必须和工控机配合才能发挥其作用。随着d s p 芯片技术的 发展，将具有强大计算能力的d s p 应用于相量测量，可快速完成信号处理的复杂 运算，提高测量精度。而嵌入式技术的发展，使得利用微控制器开发具有以太网 通信功能的独立结构的p m u 装置成为可能。 2 1 系统构成 d s p - a r m 型p m u 装置主要由g p s 接收机、同步采样信号发生模块、以d s p 为 核心的测量模块和以a r m 为核心的通信模块组成，其结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 n v i u 的基本结构 d s p a r m 型p m u 装置的工作过程为：由高精度晶振构成的振荡电路产生稳定 的频率信号，经过分频( 这里用计数器实现) 后得到满足采样要求的时钟信号， g p s 的秒脉冲每秒将采样时钟信号同步次，以消除晶振电路给采样频率带来的 积累误差，确保各个p m u 装置的采样时刻都相同。各a d 转换器以计数器输出的 经过同步的时钟信号作为采样转换开始信号，完成各自的数据采集。同时，g p s 接收机经标准串口将国际标准时间信息传送给数据采集单元的d s p ，用于给采样 数据加上“时间标签”。采集的数据经过双口r a m 传给通信模块的a r m ，再由以 太网控制器发送到子站内的数据服务器和广域系统的监控中心。 第二章d s p a r m 型p m u 装置的实现 2 2g p s 接收机 将g p s 技术应用于电力系统相角测量中，需要用g p s 接收器提供的串口标准 时间和秒脉冲信号，在测量系统内建立整个测量系统的实时时钟，利用这个实时 时钟来进行同步采样。 g p s 接收设备选用山东淄博科汇公司g p s 一2 0 0 0 接收器，其主要性能指标如 下：1 2 通道并行接收，可同时跟踪1 2 颗卫星；授时精度优于2 0 0 n s ，无累计误 差；数据更新时间为1 s ：多种数据输出格式：n m e a 2 0 1 8 3 v 2 1 3 0 、r t c m2 s c l 0 4 v 2 1 1 ； 它通过秒脉冲接口输出i p p s ，同时通过标准串口输出标定秒脉冲上升沿时刻的 时间：年、月、日和时、分、秒。 n m e a 2 0 1 8 3 是美国海洋电子协会为海用电子设备指定的标准格式。由于该格 式为a s c i i 字符串，比较直观和易于处理，在许多高级语言中都可以直接进行判 别、分离，以提取用户所需要的数据。 在n m e a 2 0 1 8 3 主要语句中，最常见的几种格式为： g p g g a g p s 定位数据i g p g l l地理位置和经纬度； g p z d a 日期和时间。 例如，g p z d a 为日期和时间输出语句，其标准格式如下： s g p z d a ，h hm ms s ，x x ，x x ，x x x x ，h h ( c r ) ( l f ) 其中： $ 起始引导符； g p 对话设备； z d a 语句格式； h hm ms s u t c 时分秒； x x ，x x ，x x x x 日，月，年； h h 校验和。 本文把g p s - - 2 0 0 0 接收器的串口输出设置为n m e a 2 0 1 8 3 v 2 1 3 0 格式。在收到 一条信息后，用软件来判别消息引导符是否为“s g p z d a ”或“$ g p g l l ”来确定收 到的消息正确与否，然后从消息中提取世界时。需要注意的是，将提取到的世界 时加上8 小时才是北京时间。 2 3 同步采样信号发生模块 同步采样波形是控制装置采样的重要信号，它由专门的同步采样波形发生电 9 第二章d s p a r m 型p m u 装置的实现 路产生”。由高稳定晶振构成的振荡电路产生的稳定频率通过计数器8 2 5 4 进行 分频后，得到需要的采样频率。利用g p s 发出的秒脉冲来控制8 2 5 4 计数器的门 控电平，使其在秒脉冲的上升沿同时升高，开启8 2 5 4 计数器，发出采样波形， 以此来保证各个采样装置在同一时间开始采样。而且，在下一个秒脉冲到来的时 候，再将秒脉冲与采样频率同步一次，以消除晶振电路给采样频率带来的积累误 差，确保各个采样装置的每个相应采样点的时刻都相同。整个电路如图2 2 所示。 2 0 m h z 1 p 粥 图2 - 2 同步采样发生电路 电路的运行原理如下：首先，由g p s 接收板发出的秒脉冲1 p p s 经过8 2 5 4 2 计数器1 的作用，由宽脉冲变为窄脉冲1 p p s ( 脉宽大约为l m s ) ，将1 p p s 与另外一个控制信号“与非”后作为r s 触发器的s 端输入，并由8 2 5 4 - 1 计数器 2 定时一秒( 小于一秒) 作为r s 触发器的r 端输入，使得r s 触发器的输出在1 p p s 到来时上升为高电平，在1 秒末的时候变为低电平。当下一个1 p p s 的到来再次 上升为高电平，将此信号作为8 2 5 4 1 计数器0 的g a t e 输入，并设置计数器0 的工作方式为方式3 方波信号发生器，它将c l k 输入的由高稳定晶振组成的 振荡电路产生的2 0 m h z 的信号经过分频6 2 5 0 次后，输出3 2 0 0 h z 的采样波形，并 且保证输出波形在每个1 p p s 的上升沿同时上升，满足同步的要求。其中，可以 通过设置c t r 的状态来选通1 p p s ，即可控制采样信号的输出时刻。 由于需要较高的精度，电路中选用的逻辑门芯片均采用7 4 h c 系列的高速芯 片，以保证输出的误差不超过g p s 的接收误差lus ，电路中所采用的8 2 5 4 计数 器芯片主要参数的相应时间都是纳秒级，足以满足设计的要求。电路中8 2 5 4 的 1 0 第二章d s p a r m 型p m u 装置的实现 各个计数器的波形如图2 - 3 所示。 脚。厂r厂 8 2 5 4 - 2 厂_ 厂 o u t l uul 8 0 2 u 5 4 t 1 2 厂 厂 厂 8 2 5 4 1 厂 厂 厂 g a t e o juu 2 4 数据采集模块 图2 - 3 同步波形发生单元波形输出图 数据采集模块由d s p 和a d 转换器组成，a d 转换器由同步采样波形发生电 路产生的采样脉冲触发，对每一路信号依次进行转换，所有的a d 转换器几乎在 同一时间完成转换。转换完成后，a d 转换器发出中断信号给d s p ，d s p 依次读 取采样结果。a d 转换器每个周期采样6 4 点，d s p 对每一路当前周期的6 4 点进 行d f t 运算，得到当前幅值和相角，然后打上时间标签，存放到双口r a m ，并通 知通信模块。 d s p 采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 2 高速3 2 位浮点运算数字信号处理器，它运行 速度高，灵活性也很好，具有较大的寻址空间、多处理器接口和片内双口存储器， 支持并行i o 的d m a 。主要性能如下：单周期指令执行时间5 0 n s ，可进行4 0 0 0 万次s 浮点运算；指令及数据字长3 2 位，地址宽度2 4 位；4 0 3 2 位浮点整数乘 法器及a l u ：片内d m a 控制器，使i o 与c p u 并行工作；2 个串口支持8 1 6 2 4 3 2 位数据传送；2 个3 2 位定时器。 a d 转换器采用的是m a x i m 公司的m a x l 2 5 。m a x l 2 5 是一个高速、多通道的 同步采样数据获得系统。它包含一个3 微秒的1 4 位分辨率的模数转换器，一个 + 2 5 v 内部参考电压，一个参考输入缓冲器，四个同步采样保持，一个可编程 序列发生器，还有四个存放转换数据的1 4 位r a m 。四个连续的读信号可访问四 第二章d s p a r m 型p m u 装置的实现 个转换数据。每路具有1 7 v 的输入故障保护，避免外界对芯片冲击而造成的损 失。每片m a x l 2 5 有a 、b 两组共八个模拟量输入通道，同一时刻只能是一组中的 通道同时采样。m h x l 2 5 的指令输入( a o a 3 ) 与数据输出( d o - - d 1 3 ) 的低4 位 通过三态门实现复用；m a x l 2 5 的转换方式通过对a o a 3 地址编程实现。 根据m a x l 2 5 时序，每个c o n v s t 脉冲启动l 到4 个通道的转换。可以通过对 m a x l 2 5 的双向并行接口进行编程来设置需要转换的通道数，片内时序控制器控 制1 至4 通道的转换，一旦设置完毕，m a x l 2 5 就按照特定的通道数量进行转换， 直到对它重新编程为止。在缺省模式下，只有1 个通道( c h l a ) 被转换。无论设 置多少个通道，转换的次序都是从通道1 到通道2 、3 、4 ，在最后1 个通道转换 完以后，将产生1 个中断信号( i n t ) 。a d c 每转换1 个通道的时间是3 us ，并且 把转换结果存储在片内4 1 4 b i tr a m ，转换完成后就可以读数，通过在r d 引脚 上施加读脉冲，4 个连续的读操作可以读取4 个连续的数据。 d o d 1 3 d 0 d 1 3 d 1 4 d 1 5 簧 器 c s西g 荟 w r弧彗 一 蔓 苫而 w r i n ti n t l c o n v s tj 翮 图2 - 4d s p i m a x l 2 5 的连接 m a i l 2 5 的并行接口数据访问和总线释放的定时特性与大部分数字信号处理 器及1 6 b i t 3 2 b i t 微处理器的特性兼容，故m a x l 2 5 可以与这些处理器直接相连 而不需要等待状态。d s p 和m a x l 2 5 的连接如图2 4 所示。 2 5 通信模块 在通信模块中，以a r m 微处理器为核心，通过以太网控制器r t l 8 0 1 9 将来自 测量模块的测量数据进行实时传送。 a r m 芯片采用的是飞利浦公司的l p c 2 2 1 4 ，它是基于一个支持实时仿真和跟 踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t mc p u 的微控制器，并带有2 5 6 k 字节( k b ) 嵌入的高速 f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最 大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代 码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 第二章d s p a 型p m u 装置的实现 r t l 8 0 1 9 a s 芯片是由r e a l t e k 公司生产的以太网控制器，与n e 2 0 0 0 兼容， 支持i e e e s 0 2 3 ；支持8 位或1 6 位数据总线；内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲； 全双工，收发同时达到l o m b p s ；支持l o b a s e 5 、l o b a s e 2 、1 0 b a s e t ，并能自动检 测所连接的介质。r t l 8 0 1 9 a s 与主机有3 种接口模式，即跳线模式、p n p 模式和 r t 模式。l p c 2 2 1 4 和r t l 8 0 1 9 a s 的连接电路如图2 5 所示。 a 】a 5s a o s a 4 d d 1 5s d 0 s d l5 寸a22s a 8 墨 瓮 n c s 3s a 5 竺 邕n o e i o r b吒 “ n w ei o w b 量 _ i n t _ n f p 0 7 ) n q t o n e tr s t ( p 0 6 )r s t d r v 图2 - 5l p c 2 2 1 4 和r t l 8 0 1 9 a s 的连接 此电路中，l p c 2 2 1 4 直接控制r t l 8 0 1 9 a s ，不支持即插即用，采用跳线模式。 r t l 8 0 1 9 a s 工作在1 6 位模式下，d m a 按字存取，充分利用a r m 微控制器的资源。 r t l 8 0 1 9 a s 使用l p c 2 2 1 4 外部存储控制的b a n k 3 部分，r t l s 0 1 9 a s 的i o 地址为 o x 0 0 3 0 0 o x 0 0 3 1 f 。当s a 8 = i ，s a 5 = o 时选通，其地址为o x 8 3 4 0 0 0 0 0 o x 8 3 4 0 0 0 1 f 。 n e t 为的输出引脚 ， 的中断信号作为的外_rst l p c 2 2 1 4p o6r t l 8 0 1 9 a sl p c 2 2 1 4 部中断输入。 2 6 模块间的数据交换 数据采集模块与通信模块之间的数据传送采用了i d t 公司的双口r a m i d t 7 1 3 4 ，它内部有仲裁电路，比传统的双口r a m 控制逻辑简单o “。i d t 7 1 3 4 内 部含有4 k b 的存储器资源，具有两组地址、数据总线及读写控制线。a r m 和d s p 可同时对其进行读写操作。在对其内部同一存储单元访问时，要考虑写入和读出 数据的完整性。i d t 7 1 3 4 没有单独的主从处理器访问控制引脚，设计时需用软件 方式来保证a r m 和d s p 之间数据交换的正确性。 i d t 7 1 3 4 每个端口的信号，其中数据线、地址线，及读写、片选、输出使 能等控制信号的使用和一般的单端口r a m 一样，实际上任一个端口也可以当作一 般的r a m 来用。但是，由于它同时有两个端口，存储单元有一般存储单元和旗信 号( s e m a p h o r e ) 存储单元之分，此间的协调和控制涉及很多问题，所以与一般 的r a m 的使用相比又有明显的不同，具体表现为时序逻辑控制的复杂性。 第二章d s p a r m 型p 删装置的实现 i d t 7 1 3 4 每个端口的地址a o a 2 用于寻址旗信号单元，这样就有8 个地址单 元来存放8 个二进制的标志，这些标志可向另一侧声明共享的资源一方正占用。 这些旗信号的操作与r a m 的存储单元的操作相互独立。从本质上来讲，旗信号逻 辑是一种硬件互锁逻辑，用户可在自己的软件中使用这种互锁逻辑对共享资源进 行管理，避免冲突发生。i d t 7 1 3 4 2 的这种片内硬件旗信号锁存机制，使得无冲 突的软件编程成为可能。但是需要注意两点： ( 1 ) 双口r a m 的旗信号单元不能自动初始化，用户必须在使用前先对它进 行初始化，即两侧都写入l ，以求释放。 ( 2 ) 8 个s e m a p h o r e 可把双口r a m 划分为8 个存贮区域，每个双口r a m 被 划分的块的大小及块的位置没有特殊的限制，这完全由用户的软件来决定。 1 4 第三章实时操作系统和t c p i p 协议的移植 第三章实时操作系统和t c p i p 协议的移植 p m u 装置需要进行数据采集、分析和运算等工作，并要和子站的以太网通信。 作为通信核心的a r m 微控制器不但要控制以太网控制器，还要对数据采集单元的 d s p 进行适当的控制。为了使a r m 实现多任务的管理和调度，需要一个实时操作 系统。t c p i p 协议是网络通信的基本协议，以其实用性、高效性成为事实上的 协议标准。在实时操作系统的基础上，通过移植t c p i p 协议到a r b ，就可以编 写基于w i n s o e k e t 套接字的应用程序来实现p m u 和以太网的通信。 3 1 实时操作系统uc o s i i 的移植 pc o s i i 是著名的、源代码公开的实时内核，可用于各类8 位、1 6 位、3 2 位单片机或者d s p 。它具有如下特点：源代码公开、可移植性、可裁剪、可剥夺 等。此外，耻c o s - i i 提供多种系统服务，例如信号量、互斥信号量、时间标志、 消息邮箱、消息队列、块大小固定的内存管理，时间管理等。 移植时需要修改uc o s i i 的配置文件0 s f g h 和i n c l u d e s h ，与处理器 相关代码文件：o s - c p u h 、o s c