ABB贝利 SPDSI14
引言
随着全球卫星定位系统(GPS)的广泛应用，基于GPS的实时相量测量装置PMU(PhaseMeasurementUnit)很好地解决了电力系统广域空间同步测量的问题，并形成了电网广域测量系统WAMS(WideAreaMeasurementSystem)。PMU在全网统一的时间坐标系下(通过接收GPS的同步时钟信号)，对电力系统不同节点的电压和电流进行同步采样，通过数据处理生成各节点电压、电流的正序相量，由GPS给每个相量打上时间标签，然后将这些信息实时传送到控制中心。控制中心在统一的时标下，根据各个PMU的测量信息对电力系统的状态进行分析，进行全电网的稳定控制、事故预警等。
本文提出的PMU构成方案，充分利用了数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor)的集成资源，采用双CPU结构，以GPS秒脉冲为同步时钟信号，结合高速14位A／D芯片进行采样，并以USB2．0接口、CAN总线接口和以太网接口相结合的通信方式实现高速、大容量的数据传输。软件没计采用μC/OS-II实时操作系统，保证了装置的实时性和可靠性。
1PMU的构成与硬件实现
作为WAMS的关键组成部分，实时性和可靠性是最重要的，因此PMU的设计也应以此为依据。PMU的原理框图如图1所示。
来自PT／CT二次侧的电信号经前置滤波，变为适合DSP处理的小信号。然后，根据GPS输出的同步时钟秒脉冲
(PPS)经DSP(No．2)内部的捕获单元产生满足时间同步和频率同步要求的异地同步采样信号，启动A／D转换。DSP(No．1)根据变间隔的递归离散傅里叶变换(DFT)算法，每出现一个新的采样数据窗计算一次被测量信号的基波分量，然后利用GPS给相量信息加上全网统一的“时间标签”。
DSP(No．1)与DSP(No．2)之间采用同步串行接口(SPI)，实现无缝接口连接。DSP(No．2)利用液晶显示器实时显示数据和波形，以便在不必配置本地上位机时组成最小的监测单元。USB接口接本地上位机，同时也可以作为扩展口留作本地数据的携带转移。通过CAN总线和工业以太网相结合的方式实现PMU与控制中心的数据传输。下面就关键的几个部分加以详述。
1.1相量数据采集模块
PMU的核心CPU采用TI公司的TMS320LF2407A(简称为“2407A”)芯片。主要原因在于其体积小，处理速度快，适于快速傅里叶(FFT)运算，并且片内集成了CAN、SPI等总线控制器，适于控制系统。
A／D采样电路是相量数据采集模块的重要组成部分之一，同步相量测量对于A／D转换部分的精度有着较高的要求。IEEE-1344和C37规范提供了如下公式，用于计算实际所需的A／D转换有效位数：
式中：Minimumresolution为所需A／D转换的最小有效位数，Fs为模拟量最大变动倍数，Emin为幅度计算的精度要求。
电力系统中电压的最大变动倍数通常在1．5倍以内，而电流的动态范围却很大，轻载运行时可能为额定值的10％，短时过载时可能为额定值的2～3倍，而故障时将可能达到额定值的40倍。考虑到在故障情况下的相量测量并不是非常有意义(故障情况下的相量计算结果将出现相角的跳变，与实际系统不吻合)，因此，IEEE规定了电流测量的有效范围为额定负载的10％至额定负载的3倍，FS-30，当Emin=1％时，A／D转换有效位数为13．05位。
相量数据采集模块的速度与精度直接影响整个相量测量系统的性能。要实现高速数据采集，除了要有高性能的A／D转换设备，同时还需要有高速数据传输总线。从上述分析可以看出。同步采集卡的A／D转换部分要求达到13位有效精度，因此必须采用14位以上的A／D芯片方能满足要求。这部分采用14位A／D转换芯片AD7865(采样频率为3200Hz)，而不用2407A芯片自带的10位A／D，主要是考虑精度的问题；芯片AD7865为并行接口方式，而2407A的高速数据总线可以与其匹配。在进行A／D采样时不采用多通道依次扫描的工作方式，而采用配置高速采样/保持器的工作方式。为了保证系统的多路模拟输入通道的同步采样，首先要在模块的前端为每个通道配置1个采样／保持器，在采样触发脉冲到来时可同时对全部通道的模拟信号采样／保持。本文采用AD783采样／保持器来实现。相量的处理充分利用DSP的特性，进行递归DFT运算并实现频率跟踪。
1．2GPS授时模块
解决同步采样脉冲产生的问题是实现同步相量测量单元子站的关键技术之一。GPS授时模块主要负责同步采样触发脉冲的产生和精确的授时功能。它从GPS接收机的串行口接收数据并提取当前标准时间，同时接收GPS的秒脉冲信号(PPS)，并由DSP(No．2)的30MHz时钟频率倍频，产生用于触发A／D进行转换的脉冲，以实现每周波采样64点。高精度(1μs同步精度)的GPS时钟源是同步相量测量技术的基础。为了降低对GPS的依赖性，采用高精度抗干扰自同步技术，由DSP(No．2)自身高精度晶振提供相当精确的秒脉冲，在短时失去GPS信号或GPS信号受到强干扰情况下实现高精度授时。
1．3数据的通信传输模块
数据的通信传输模块采用USB2．O技术实现高速度实时数据的传输。USB是一种新的、双向的、同步传输并可热插拔的点对点数据传输总线，具有同步带宽、灵活稳定、易于安装等优点。其传输速度最高可达480Mbps，远高于一般的串行总线接口。传统的RS-232、RS-485传输速度较慢，且安装麻烦，已不能满足此要求。PCI总线虽然速度较快，但安装麻烦，也小易实现本地数据的携带转移。利用USB接口传输速率大、时延小、差错率极低的特点，能有效、快速地完成PMU实时测量数据高速上传以及工控机对PMU的操作与控制。
CAN的直接通信距离最远可达10km，通信速率最高可达1Mb／s(通信距离小于40m时)。CAN节点在自身发生错误时有自动关闭功能，不会影响其他节点的正常工作。由于DSP(2407A)集成有CAN模块，所以实现比较方便。
针对PMU数据通信的高速、实时的特点，采用EZ-USBSX2系列的CY7C68001芯片与DSP(No．2)结合，实现PMU与现场上位机(工控机)之间测量数据的实时传输。另一部分是PMU与控制中心的通信。这部分采用CAN总线和工业以太网相结合的方式。
2PMU的软件平台
为了提高数据采集系统的实时性与可靠性，采用μC／OS-II实时操作系统平台，并在此平台上开发了USB设备驱动程
序、模拟量幅值与相位计算等程序。
μC／OS-II是一种可移植、可裁减、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分代码是用ANSIC编写的，只有小部分与硬件相关的代码是用汇编语言编写的，易于移植。μC／OS-II功能强大，支持56个用户仟务，支持信号量、消息邮箱、消息队列等多种常用的进程间通信机制，可剥夺实时内核使得任务级系统响应时间得到最优，而响应时间是可知的，很适合于对实时性要求比较高的系统。现已成功应用到很多领域，其稳定性与可靠性已经得到检验。2000年7月，μC／OS-II通过非常严格的测试，取得了美国航空管理局(FAA)的认证，说明它可用于与人性命攸关的安全重要系统。
TMS320LF2407满足μC／OS-II移植的条件，TI公司提供的编译器CodeComposer也支持C语言和汇编语言开发，本文在此平台七进行操作系统移植和软件开发。μC／OS-II操作系统的组成义件分为3类：与处理器无关的代码文件；与处理器有关的代码文件，以及μC／OS-II与应用相关的设置文件。当然，移植工作完成后编写应用程序，还应包括应用文件。移植所需要做的工作仅仅是修改部分与处理器有关的文件。这类文件包括：OS_CPU.H、0S_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C三个文件。
在本应用中，笔者建立了7个应用任务，优先级分别为4、5、6、7、8、9、1O；同时为每个任务分配了一个消息邮箱，使用基于消息邮箱事件的通信机制进行任务间通信与任务切换。整个软件的基本结构如图2所示。
任务AD_Task()：DSP(N0．1)采样电压、电流信号。分配邮箱：pAd_Mbox。
任务DFT_Task()：DSP(No．1)进行相量递归DFT计算。分配邮箱：pDFT_Mbox。
任务SPI_Task()：DSP(No．1)通过SPI总线向DSP(No．2)发送相量数据和有功、无功信息。分配邮箱：pSPI_Mbox。
任务USB_Task()：DSP(No．2)通过USB总线向上位机传送相量数据和有功、无功信息。分配邮箱：pUSB_Mbox。
任务CAN_Task()：DSP(No．2)通过CAN总线在工业以太网传送相量数据和有功、无功信息。分配邮箱：pCAN_Mbox。
任务GPS_Task()：DSP(No．2)配合GPS的秒脉冲实现高精度授时功能并启动A／D转换。分配邮箱：pGPS_Mbox。
任务LCD_Task()：DSP(No．2)通过液晶模块实时显示信息。分配邮箱：PLCD_Mbox。
由上节对堆栈的分析可知，任务栈最少需要25个地址。笔者为每个任务分配了100个地址(200字节)的任务栈空间。使用函数OSTaskCreate()创建各任务。该函数的第三个参数为栈顶地址．为OSTaskStkInit()所调用。要注意，2407A的堆栈是递增的，故应传递任务栈的最低地址；而又由于任务程序是采用C语言编写的，编译器对ARl的偏移范围可能会超过任务栈栈顶。虽然在这种情况下ARl是可恢复的，但仍可能会影响最低地址之前的地址内容。所以笔者建议对其进行适当后移。
幅值与相角计算程序得到采样数据后，利用离散傅里叶算法(DFT)，可分别计算出每路电压、电流信号的幅值与相位，生成相量形式的电压与电流数据。
结语
本文设计的PMU，硬件上采用了嵌入式微处理器DSP的双CPU结构，软件上采用μC／OS-II操作系统。通过μC／OS-II管理各个功能模块之间的任务调度、中断处理、信息的交互等操作，使整个系统具有高实时性、高可靠性、可热插拔等特点；同时也提高了软件开发的效率，缩短了开发周期。同步相量测量单元的研制是一个复杂的课题，其实现还存在很多难点。本设计只涉及其中一部分，许多通信环节及同步相量的高级应用问题还需在令后的工作中进一步完善和提高。
伴随着科技的进步，电动汽车技术得到迅速的发展，相比内燃机汽车，电动汽车具有零排放、高性能效率、低噪声、低热辐射、易操纵和易维护等优点，将是未来汽车发展的方向，也是现行研究的热点。
本文给出一种车载超级电容测试系统，该系统采用基于磁补偿原理的霍尔闭环电流、电压传感器采集总线信号，以抗高压脉冲干扰的STC51高速单片机进行信号处理，并采用仪用放大、电流传输、模拟信号隔离、5阶低通滤波等措施，尽可能地减少信号传输过程的噪音，通过对超级电容组件充放电测试，表明本系统具有抗干扰能力强，检测精度高等优点，能很好的满足车载超级电容高电压大电流环境下的测试要求。
电动汽车的动力电池有如下三类：燃料电池、蓄电池和超级电容。燃料电池、蓄电池和超级电容在能量密度和功率密度上有互补性[1]。单一使用蓄电池、绕料电池或者超级电容，难以用作电动汽车的动力源。混合电池是一比较理想的解决方法，采用混合电池驱动系统，特别利用超级电容快速充放电能实现汽车制动能量回收，以及燃料电池超大能量密度支持汽车持久行驶，使得燃料电池/超级电容组成的混合驱动系统成为电动车驱动的最佳方案[2]。
对于车载用电源，为达到较高功率和能量，超级电容往往采用多块单体串联的形式，伴随着电容串级的提升，电池整体电压也随之提高，对于车载电池，超级电容工作电压常达到几百伏，而这样高峰值的电压引起的波动会带来强烈的电磁干扰，为电容组件的检测带来很大的困难，同时由于串联超级电容往往采用大电流充放电（通常在50A-150A之间），电压、电流变化十分迅速，如中型客车用超级电容以150A电流放电时，端电压会在1
分钟之内由300V减到70V，而200V恒压冲电时电流也会在几分钟内由50A增大到150A左右，这样迅速的充放电速度和幅度带来的噪音影响也是十分巨大。
针对超级电容特殊的工作状况，本论文给出一种超级电容电池检测系统，通过对超级电容组件进行充放电循环试验采集其电压、电流参数、并与标准参数对比，从而验证出本检测系统能在强电压电流变化情况下快速实现较高的检测精度。
1检测系统原理及各模块实现
1.1检测对象
测试用超级电容采用上海奥威科技开发有限公司提供的两组串联不对称电极双电层超级电容组件。
1.2系统原理介绍
超级电容管理系统可以实现对超级电容工作电流和电压的实时采集，超级电容管理系统整体结构框图如图1所示，系统共由3个主要模块组成：现场电压、电流、采集与调理模块（即采集模块），信号隔离与MCU信号处理模块（即中央处理模块），电源管理模块，采集模块内、霍尔电压、霍尔电流传感器分别为超级电容电压和电流进行现场采集，采集信号经过仪用放大、然后转化为4mA-20mA电流信号并发送到中央处理模块，中央处理模块内，采集模块发送的4mA-20mA电流信号，经过电流电压变换后，再进行隔离放大、AD转换并送到MCU，MCU将数据处理后通过CAN接口传送到上位机，当检测到数据异常时MCU输出故障信号，以便工作人员能及时采取措施，电源管理模块为各功能模块提供稳定隔离的电压，增加RS232通信串口，以便MCU程序烧录。
1.3各主要模块的实现
本测试系统分别采用四块电路板，以实现三大功能模块——采集模块、中央处理模块和电源管理模块。即电压采集与初调理板、中央处理板以及电源板，下边着重介绍电压、电流采集模块和中央处理模块的实现。
1.3.1采集模块的实现
采集模块包括总线电流的采集、总线电压的采集两个部分，图2即为电流采集原理图，采用霍尔电流传感器隔离被测系统，比传统的基于电阻采样的电流分压电路精度高，安全性能好，抗干扰能力强，本文选用Honywell公司的基于磁补偿原理的霍尔闭环电流传感器CSNK591，测量范围±1200A，线性精度达到0.1%，总体精度达到0.5%，响应速度小于1μs，完全满足了系统的要求。采集信号经精密电阻转变为电压信号，再由仪用放大器放大为±5V双极性电压信号，系统选用AD620BR仪用放大芯片，该芯片在增益较低时具有较大的共模抑制比（G=10时，共模抑制比最小为100dB），能较强地抑制由于温度、电磁噪声等因素引起的共模干扰，放大信号通过OP27GS芯片抬升至0-10V单极性信号，经过射极跟随器送至变送器XTR110KU，转为4mA-20mA的电流信号送到中央处理模块，之所以将采集信号转变为4mA-20mA电流信号，是考虑到与工业接口标准的统一，并采用电流传感抗干扰能力强。
总线电压的采集同样选用基于磁补偿原理的闭环霍尔电压传感器VSM025A，实现原理与电流采集相同。
1.3.2中央处理模块实现
中央处理模块是测试系统的核心部分，包括MCU和AD单元、模拟信号二次调理单元、故障输出单元和CAN接口单元等，如图3所示。
采集模块输入的4mA-20mA电流信号首先经过模拟信号二次调理单元，进行信号的变送、隔离、滤波和放大。模拟信号的隔离方式很多，常用的方法为隔离放大
器、线性光耦以及电压频率转化，其中隔离放大器和线性光耦隔离电压高、抗干扰能力强、线性度高，但线性光耦隔离线路复杂，需要调整的参数较多，并且当输出电压比较小时，线性度较差，故本文选用BB公司高精度ISO124U隔离运算放大器完成输入模拟信号的隔离，隔离后的信号经5阶Butterworth低通滤波MAX280电路过滤高频干扰，随后通过一射极跟随器送出。
二次调理后的采集信号，经过12位高速AD7891送至MCU，MCU对数据进行处理并将数据通过CAN接口传送到上位机，单片机选用STC系列8位高速单片机STC89C58RD+。该单片机具有强抗干扰性，4kV快速脉冲干扰（EFT）和高抗静电（ESD），可通过6000V静电，很好地满足了超级电容高电压大电流的工作环境，该单片机可实现6时钟模式，在本系统采用24M晶振情况下，单片机工作频率可达到4MIPS，相当于普通51系列单片机运行速度的4倍。
另外，测试系统设置3通道故障诊断输出，能显示欠压、过压、过流等状态，测试系统与上位机采用抗干扰能力强、稳定性好的CAN通信方式，保证测试系统送入上位机数据的可靠性。
实际系统有模拟±1
5V，数字±5V，模拟±12V供电需求，电源管理模块在提供系统各部分所需电压的同时，进行模拟、数字电路隔离，从而避免两类电压互相影响，各部分电源入口都增加了TVS保护，防止浪涌电压对系统的损坏，同时在诸多电源入口处设置相应的滤波电路，如在AD供电入口处增加了π形滤波电路，较好地消除电源信号对所供电路的干扰。
另外，外部连线均采用屏蔽线，能较强地屏蔽线路传输中的电磁干扰，所有电流板使用型材铝盒包装，采用标准航空接头与外界联线，这样在保护电路板的同时隔离外界磁场。
2测试系统实测结果对比及分析
2.1测试内容
实验选定以70A和150A两种模式对两组串联的超级电容组件进行充放电测试，首先，对电容进行恒流充电，当总线电压达到300V时，转为恒压充电，当总线电流降低到10A时进行70A恒流放电，如此循环测试5个周期。
2.2实验结果及分析
图4、图5、图6给出了两种情况下的测试曲线对比，其中，图4表示70A和150A的两种标准测试情况下，电流的变化曲线，图5、图6表示两种情况下，电压曲线特性，可以看出两者的匹配程度很好，电压测试精度高于电流测试精度，这是由于一方面充放电系统本身电压比电流控制精度要高，另一方面电流传感器安置在电容箱体内并且仅靠单体电容，电容充放电时产生的噪声干扰比较严重，同时，霍尔电流传感器孔径较大，穿过电流总线后仍有一定空隙，在一定程度上影响了测试精度，对比各组电流曲线，可以看出随着电流的增大，测试结果的相对误差减小，但绝对误差保持一致，不超过3A。