潘宇婷， 陳宇晨， 王承宇， 侯 昀

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620；2.上海市電力公司，上海200122)

基于GPS授時的電網(wǎng)頻率測量技術(shù)的研究

潘宇婷1， 陳宇晨1， 王承宇1， 侯 昀2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620；2.上海市電力公司，上海200122)

提出了一種基于GPS授時的電網(wǎng)頻率測量的新方法，系統(tǒng)以GPS接收機(jī)提供的1PPS信號為基準(zhǔn)源，結(jié)合GPS時鐘信號和恒溫晶振時鐘信號精度互補(bǔ)這一特性，通過調(diào)控恒溫晶振的壓控端，使其輸出頻率隨之改變，以維持短期和長期的時鐘精度和穩(wěn)定性。然后將此時鐘提供給DSP的定時器，通過DSP的eCAP模塊對輸入信號的上升沿進(jìn)行捕獲，記錄兩個上升沿的觸發(fā)時間得到電網(wǎng)的實(shí)時頻率。

GPS授時；恒溫晶振；粒子濾波；捕捉單元

當(dāng)代社會，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度成為一個國家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對電能的需求量日益增加，同時對電能質(zhì)量的要求也越來越高。電網(wǎng)頻率是電能質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，電能質(zhì)量的好壞直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的生活，因此保證電網(wǎng)頻率偏差小于容許值是電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)控制的重要內(nèi)容[1]。

1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由調(diào)理電路、過零檢測電路、外部恒溫晶振校準(zhǔn)模塊組成，主框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主框架圖

電網(wǎng)高壓經(jīng)過精密互感器變?yōu)樾⌒盘?，通過調(diào)理電路(放大電路、濾波電路等)進(jìn)行處理，以濾除高次諧波，避免諧波對過零檢測環(huán)節(jié)的影響，從而提高測量精度。過零檢測電路由電壓比較器MAX474、電阻和電阻元件等組成，對電網(wǎng)的正弦波進(jìn)行整形，從而可以得到與電網(wǎng)基波相同頻率的方波信號，然后輸入到DSP的捕捉單元引腳。外部恒溫晶振校準(zhǔn)模塊通過GPS校核恒溫晶振，得到高精度的時鐘信號，然后作為DSP定時器的外部輸入時鐘。

2 GPS校準(zhǔn)晶振的原理及算法研究

2.1 系統(tǒng)原理

由于受到跟蹤的衛(wèi)星數(shù)目、衛(wèi)星鐘差、傳導(dǎo)距離、電磁干擾和接收機(jī)性能等因素影響，GPS接收機(jī)輸出的1PPS信號存在一定的隨機(jī)誤差ε，ε服從正態(tài)分布ε～(0，σ2)，但是沒有累計誤差。而恒溫晶振時鐘信號的隨機(jī)誤差較小，不過由于器件老化、短期擾動和外界環(huán)境等一些因素的影響，存在頻率漂移現(xiàn)象，具有較大的累計誤差。如果恒溫晶振長期不間斷的運(yùn)行，頻率將無法滿足工作所需的精度與穩(wěn)定度，因此需要通過實(shí)時的自動調(diào)控壓控端電壓來進(jìn)行頻率校準(zhǔn)。根據(jù)GPS時鐘信號和恒溫晶振時鐘信號精度互補(bǔ)這一特性，通過調(diào)控恒溫晶振的壓控端，使其輸出頻率隨之改變，以維持短期和長期的時間精度和穩(wěn)定性[2]。

根據(jù)系統(tǒng)需要，提出系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，整個系統(tǒng)由GPS接收機(jī)模塊、時間間隔測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、時鐘管理分頻模塊、恒溫晶振、DAC和信號調(diào)理電路組成。圖2為恒溫晶振校核原理圖。

圖2 恒溫晶振校核原理圖

GPS接收機(jī)模塊：接收GPS信號，產(chǎn)生同步于UTC并與之有一定隨機(jī)誤差的1 PPS信號，經(jīng)過處理后作為恒溫晶振校準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

時間間隔測量模塊：對GPS接收模塊輸出的1PPS信號和OCXO輸出的分頻1 Hz信號的上升沿的時間間隔進(jìn)行精密測量，并把測量結(jié)果傳送給處理器模塊。

處理器模塊(DSP)：為了消除1 PPS信號的抖動，DSP對接收到的時間間隔測量模塊送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定周期的采樣，并運(yùn)用粒子濾波算法對其進(jìn)行數(shù)字濾波?？稍诳刂破髦性O(shè)置采樣周期，可取50，100等。可測得兩次時間間隔為和，相位差為，用比時法測得頻率差[3]。

DAC信號調(diào)理電路：將處理器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，并經(jīng)過調(diào)理電路變換到恒溫晶振電壓控制端可接收的電壓范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對恒溫晶振輸出頻率的調(diào)整。

時鐘管理分頻模塊：對經(jīng)過校準(zhǔn)后的信號進(jìn)行分頻，產(chǎn)生1 Hz信號。

恒溫晶振：產(chǎn)生原始頻率信號，經(jīng)過校準(zhǔn)后輸出高精度時鐘信號。

2.2 粒子濾波算法的研究

恒溫晶振由于器件老化、短期擾動和外界環(huán)境等一些因素的影響，存在頻率漂移現(xiàn)象，具有較大的累計誤差。以前的研究大多認(rèn)為晶振漂移服從多項式模型，從而假設(shè)晶振衰老率為線性，利用卡爾曼濾波可以得到解析形式的跟蹤算法。但是現(xiàn)實(shí)中晶振衰老率并非常數(shù)，或者受到擾動在常數(shù)附近變化。本文中基于晶振對數(shù)衰老速率模型建立了非線性的晶振時鐘漂移模型，利用了GPS信號與晶振信號互補(bǔ)特征，提出了一種新的基于粒子濾波的時鐘誤差實(shí)時估計和補(bǔ)償算法，從而得到高精度的時鐘信號。

將本地晶振時鐘較好的短期穩(wěn)定性與GPS時鐘長期穩(wěn)定性結(jié)合起來，通過測量并估計，就可以對恒溫晶振進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到精確的時鐘。

理想中的時鐘頻率為常數(shù)，但是現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)時鐘頻率會隨著電壓、環(huán)境等因素的變化而變化。文獻(xiàn)經(jīng)過大量的測量表明晶振的漂移用對數(shù)衰老模型描述更為準(zhǔn)確。根據(jù)時鐘頻率漂移的不同假設(shè)并結(jié)合現(xiàn)有的研究，文中我們假設(shè)其為對數(shù)衰老模型[4]。

結(jié)合式(5)與(6)可以得到對數(shù)衰老模型下的時間間隔誤差模型為：

為了得到準(zhǔn)確的對數(shù)衰老模型，參數(shù)A、B、C需要經(jīng)過長時間的觀測擬合。對式(7)做進(jìn)一步變化可以得到：

圖3是粒子算法的流程圖。

圖3 粒子算法流程圖

為了將粒子算法與傳統(tǒng)的算法性能進(jìn)行比較，在Matlab環(huán)境下，對卡爾曼濾波算法、加權(quán)平均濾波算法和粒子濾波算法都進(jìn)行了仿真。其中取采樣時間間隔：fffb3e=180 s，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合產(chǎn)生A、B、C的初始值，fffb3d服從正態(tài)分布，在仿真中可取。圖4為仿真圖，由圖4可知，粒子濾波大大減少了晶振時鐘的誤差。

圖4 三種不同算法下的仿真圖

3 電網(wǎng)頻率測量在DSP中的實(shí)現(xiàn)

電網(wǎng)高電壓經(jīng)過調(diào)理電路、過零檢測電路變?yōu)橥椒讲ㄐ盘?，利用TMS320F28335的eCAP1模塊對方波的上升沿進(jìn)行捕捉，利用經(jīng)過GPS校核后恒溫晶振作為定時器的外部晶振輸入，每次捕捉完成后對32位的定時器進(jìn)行置位，其值為。則可以得到(外部恒溫晶振頻率)和與電網(wǎng)頻率之間的關(guān)系，即：

圖5 捕捉過程流程圖

4 結(jié)束語

本文提出的基于GPS時鐘信號校準(zhǔn)恒溫晶振輸出頻率，并利用粒子濾波算法對觀測值進(jìn)行處理，消除擾動帶來的誤差，最后經(jīng)過相關(guān)電路對恒溫晶振進(jìn)行補(bǔ)償。得到的精確時鐘作為定時器的外部輸入時鐘，利用精準(zhǔn)的時鐘對捕捉信號進(jìn)行計數(shù)，從而得到準(zhǔn)確實(shí)時的電網(wǎng)頻率。該方法實(shí)時性好，精度高，必將在電能質(zhì)量檢測裝置和新能源設(shè)備并網(wǎng)中得到更加廣泛的應(yīng)用[5-10]。

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Grid frequency measurement research based on GPS timing

A new method of frequency measurement based on GPS timing grid was proposed.The 1 PPS signal source received from GPS was taken as datum fountain.Combined with the accuracy complementary feature of GPS clock signal and OCXO clock signal,through regulating the voltage-controlled of OCXO,output frequency change and maintaining clock short-term and long-term accuracy and stability were made.Then this clock would provide to DSP timer.Through eCAP module of DSP to capture the rise of input signal,the grid real-time frequency could be got by recording the triggering time of the two rising along.

GPS timing;OCXO;particle filter;capture unit

TM 93

A

1002-087 X(2016)03-0709-02

2015-08-26

國家自然科學(xué)基金項目(51177099)；上海市科委基金(10160501700)

潘宇婷(1990—)，女，安徽省人，碩士生，主要研究方向為同步相量測量與電力系統(tǒng)分析。

陳宇晨，E-mail：yuchen1957@163.com