多通道配電網(wǎng)同步相量測量裝置模擬器的設計

引言

隨著基于同步相量測量裝置(PMU)的電力系統(tǒng)廣域測量系統(tǒng)(WAMS)在技術上逐漸成熟及其在省級以上電力調(diào)度中心的普遍應用,PMU/WAMS已經(jīng)成為電力調(diào)度自動化系統(tǒng)必要的組成部分。WAMS用于有源配電網(wǎng),其對配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)的PMU進行檢測、控制和保護,將明顯提高主動配電網(wǎng)的安全運行水平和供電可靠性,更有助于配電網(wǎng)消納分布式電源的容量和能力。在這個過程中,通信是關鍵,需要大量PMU采集并發(fā)送數(shù)據(jù),并且需要采用多種通信方式完成。若全部使用PMU實體裝置,成本很高,且缺乏靈活性。

針對以上問題,本文使用ARMcortex-A8處理器作為硬件平臺,基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)了一種低成本、支持多種通信方式、可模擬多臺PMU的多通道配電網(wǎng)同步相量測量裝置模擬器,只需一臺PMU模擬器便可替代眾多實體PMU提供相量數(shù)據(jù),且不需要配置基于GPS的同步時鐘裝置,可實現(xiàn)與數(shù)據(jù)集中器PDC或WAMS主站之間高速度、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。

1總體設計方案

該裝置總體設計可分為軟件和硬件兩部分,軟件模塊是基于Linux操作系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的集中與計算、多線程通道的建立、各種幀的封裝與傳輸,硬件模塊是以ARMcortex-A8為處理器的硬件開發(fā)平臺。

在這個PMU模擬器中,軟件根據(jù)《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)第2部分:數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》(GB/T26865.2一2011)通信規(guī)約和TCP/IP技術,設置模擬PMU的各項參數(shù)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)或以文件的形式導入獲得現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù),形成符合通信規(guī)約傳輸要求的數(shù)據(jù)報文,然后通過Socket所建立的通信連接發(fā)送給PDC主站。由于在PMU通信中,一個完整的TCP需對應建立一個Socket實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收,因此,為實現(xiàn)模擬多臺PMU相量高頻傳輸?shù)囊?軟件采用多線程非阻塞模式,以提高通信的效率。

2軟件設計

2.1軟件整體設計

在這個PMU模擬器中,軟件通過創(chuàng)建一個可以同時接受多條TCP請求(即建立多個Socket連接)的進程模擬建立多臺PMU子站,在人機界面中可以設置參數(shù)完成站點信息(指模擬廠站名稱)、數(shù)據(jù)量測信息(指相量、開關量和模擬量數(shù)據(jù))和PMU傳輸信息(指模擬PMU數(shù)量、數(shù)據(jù)端口號和傳輸幀數(shù))的配置并選擇數(shù)據(jù)來源的方式,從而以軟件自動生成的方式或以文件導入的形式生成符合《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)第2部分:數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》(GB/T26865.2一2011)通信協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)源文件和配置文件。每一個模擬子站由兩個線程進行模擬通信,分別處理命令傳輸和數(shù)據(jù)傳輸事務。在整個通信傳輸過程中,PDC主站作為客戶端,相應的模擬PMU子站作為服務端,在命令連接中完成命令報文和配置報文等的傳輸,在數(shù)據(jù)連接中完成實時的數(shù)據(jù)幀傳輸。軟件設計流程圖如圖1所示。

2.2模擬PMU子站的建立

本文中根據(jù)用戶在人機界面關于模擬PMU子站數(shù)量的設定,在一個端口中建立滿足用戶需求的多個并發(fā)Socket連接(即可以同時接受來自客戶端PDC主站的多條TCP請求),以此來模擬建立多臺PMU子站。在每臺模擬PMU子站的建立過程中,完成Socket的初始化,綁定(bind)程序所分配的特定端口,并監(jiān)聽(liSten)來自PDC主站的請求。當接收(accept)到客戶端請求后,經(jīng)連接成功后,執(zhí)行操作。詳細程序如下:

for(i=0:i<PMUSERVERNUM:i++)

(

//Socket初始化

Socketini()

//Socket綁定

bind(cmdS[i]一Si,eoz(1oca1cmd[i])):

bind(dataS[i]一Si,eoz(1oca1data[i])):

//命令、數(shù)據(jù)通道偵聽

1iSten(cmdS[i]一BBACLoG)

1iSten(dataS[i]一BBACLoG)

//命令、數(shù)據(jù)通道接收

accept(cmdS[i]一&zrom[i]一&1en[i]):

accept(dataS[i]一&zrom[i＋10]一&1en[i＋10]):

//關閉Socket

c1oSe(cmdc[i]):c1oSe(datac[i]):

c1oSe(cmdS[i]):c1oSe(dataS[i]):

}

2.3時間控制

時間控制模塊的設計目的是控制每臺PMU按照設置的通信速率實時傳輸數(shù)據(jù)。本軟件調(diào)用了Linux系統(tǒng)下Setitimer函數(shù)中的ITIMERPRoF定時模式。當定時到達后,產(chǎn)生SIGPRoF信號,并通過Sigaction函數(shù)來設置觸發(fā)該信號的處理函數(shù)timezunc,在timezunc函數(shù)中對PMU命令通道和數(shù)據(jù)通道發(fā)送處理進行精確控制。詳細程序如下:

//間隔發(fā)送SIGRoF信號

Setitimer(ITIMERPRoF一&va1一NULL):

//定時結(jié)束接收SIGRoF信號

Sigaction(SIGPRoF一&act一NULL):

//定時器執(zhí)行函數(shù)

2.4實時傳輸報文傳輸

本文選用的通信協(xié)議為《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)第2部分:數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》(GB/T26865.2一2011)中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,根據(jù)規(guī)定,需要生成的傳輸報文有四種類型,分別是數(shù)據(jù)幀、配置幀、頭幀和命令幀。下面以數(shù)據(jù)幀為例對實時報文的通信傳輸進行介紹。

2.4.1幀的封裝過程

模擬PMU子站需根據(jù)主站下發(fā)文件中描述的要求,將量測數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時標和數(shù)據(jù)名稱等信息按技術規(guī)范封裝成數(shù)據(jù)幀,如圖2所示。

2.4.2幀的傳輸過程

在PMUServerTAPR函數(shù)中,PMU子站根據(jù)主站發(fā)送的命令請求確定需要傳輸?shù)膱笪念愋?并改變相應的標志位,觸發(fā)命令通道或數(shù)據(jù)通道發(fā)送處理函數(shù)將傳輸報文發(fā)送給PDA主站。如子站接收到開啟實時數(shù)據(jù)傳輸命令,則觸發(fā)數(shù)據(jù)連接通道定時上傳本地生成的實時數(shù)據(jù)報文給PDA主站。當主站成功接收實時數(shù)據(jù)報文后,則此次實時數(shù)據(jù)傳輸流程完成。詳細程序如下:

//PMU服務器端數(shù)據(jù)通道發(fā)送處理

intServerData(chardatazrame[]一inti)

(

//子站收到"開啟實時數(shù)據(jù)傳輸"命令

iz(TxtaSk[i].SDBTBoNF=1)

createpmudatazrame(i一data):

//配置生成數(shù)據(jù)幀并發(fā)送給主站

TxtaSk[i].SDBTBoNF=0:

+

3硬件選型

從裝置總體設計角度考慮,經(jīng)綜合比較后選用BRMcortex-B8處理器的工控機,其各模塊連接圖如圖3所示。

其中,各部分的使用功能說明如下:

(1)BRMcortex-B8最小系統(tǒng)板:即為BRMcortex-B8處理器及其相關部分。其使用功能為:與其他各模塊相連,對各模塊發(fā)出命令,完成PMU模擬器與WBMS主站或PDA之間的數(shù)據(jù)處理過程。

(2)通信接口:包括以太網(wǎng)口、Wi-Fi裝置和RS232串口三部分。其使用功能為:用戶可在軟件中選擇有線或無線兩種通信方式來實現(xiàn)PMU模擬器與PDA或WBMS主站之間的網(wǎng)絡連接與數(shù)據(jù)傳輸。其中,以太網(wǎng)口和Wi-Fi裝置分別實現(xiàn)有線方式和無線方式的連接。

(3)數(shù)據(jù)讀取接口:包括USB接口和TF卡接口兩部分。其使用功能為:用戶可在軟件中選擇外部導入和內(nèi)部讀取兩種方式來作為PMU模擬器的數(shù)據(jù)來源,其中USB接口和TF卡接口實現(xiàn)讀取外部已有的PMU相量數(shù)據(jù)文件的功能,內(nèi)部讀取功能則用于讀取PMU模擬裝置內(nèi)部存儲中已預先放入的PMU相量數(shù)據(jù)的文件。

4實驗與結(jié)果

通電后,裝置可自動啟動PMU模擬程序,并進入相關參數(shù)設置頁面。以模擬10臺PMU為例,詳細說明如下:

(1)在模擬PDC軟件中設置與模擬PMU子站連接的相關參數(shù),如圖4所示。

(2)連接成功后,PMU子站與PDC主站實時傳輸數(shù)據(jù),如圖5所示。

(3)以模擬10臺PMU子站為例成功運行,如圖6所示。

5結(jié)語

本文針對實體PMU裝置用于測試的缺陷,設計了基于ARMcortex-A8處理器和Linux操作系統(tǒng)的多通道配電網(wǎng)同步相量測量裝置模擬器,詳細描述了數(shù)據(jù)報文從產(chǎn)生到傳輸?shù)膶崿F(xiàn)過程。經(jīng)實際檢測,本裝置可以很好地滿足測試要求。用戶可以靈活選擇模擬PMU裝置的數(shù)量,配置相關參數(shù),從而實現(xiàn)與數(shù)據(jù)集中器PDC或WAMS主站之間的高速度、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸。