摘? 要: 在電力系統全網" title="全網">全網同步監測裝置GPS接口模塊設計中,要注意雙口" title="雙口">雙口RAM相關程序設計以保證接口板" title="接口板">接口板與計算機總線數據交換的可靠性及利用接口板內部晶振" title="晶振">晶振構成守時鐘以削弱對單個PPS秒脈沖的依賴性。就此給出了有實際應用價值的具體實現方案。
關鍵詞: 全網同步監測裝置? GPS接口模塊? 雙口RAM? PPS秒脈沖? 晶振
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電力系統全網同步監測裝置[1]以基于GPS精確授時技術的PMU(相量測量單元)裝置為基本組件,用于解決黑龍江東部電網窩電問題的區域穩定控制系統,是其在工程實踐中的一個具體應用。區域穩定控制系統自1997年3月投運以來,有效地提高了黑龍江東部電網的運行極限,同時也為全網同步監測裝置和GPS精確授時技術在電力系統中的廣泛應用積累了豐富的實際經驗。
電力系統全網同步監測裝置中GPS接口板的高可靠性和高準確性是整個裝置正常工作的必要前提。對GPS 接口板的改進和完善是優化全網同步監測裝置整體性能的關鍵步驟。本文依據IEEE-1344的相關標準,結合區域穩定控制系統在實際運行中遇到的各種現象,提出了電力系統全網同步監測裝置GPS接口板設計中值得注意的兩個問題,即提高GPS接口板與計算機總線系統" title="總線系統">總線系統數據交換的可靠性和利用GPS接口板內部晶振構成守時鐘以削弱對單個PPS秒脈沖的依賴性。對此本文給出了有實際應用價值的具體實現方案。
1 GPS接口模塊設計中應注意的問題
全網同步監測裝置中GPS接口板的主要功能是將 GPS接收設備提供的標準串行通訊接口和PPS秒脈沖轉換為基于計算機總線的高精度時間定標系統。即:①從串行通訊接口獲得的報文中提取出有用的時間信息和鎖星數目、狀態等信息,將這些信息并行送入計算機總線中;②利用單片機及其外部晶振將統計意義下高精度的PPS秒脈沖倍頻成為同步、均勻、穩定的600Hz全網同步數據采集觸發脈沖。 因此,GPS接口板與計算機總線系統間數據傳輸的可靠性和600Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性可以作為衡量GPS接口板性能的重要標準。
GPS接口板除向計算機總線系統提供時間標簽外,還要接收總線傳來的命令和狀態字節,以實現全網同步監測裝置下位機部分主從CPU結構的協調運行。接口板上單片機與計算機總線系統數據交換頻繁,時序復雜多變。為解決計算機總線和單片機讀寫速度不同的矛盾,通常選用雙口RAM做為數據緩沖器和數據存儲器。這部分數據傳輸容易出現由于雙端口RAM使用不當引起的對同一地址的讀/寫和寫/寫爭用,造成數據誤讀、數據內容不確定等問題。因此,結合雙口RAM硬件工作特點、實際數據流量及流向,合理設計相關的軟件,可以提高GPS接口板與計算機總線系統數據交換的可靠性。
600Hz脈沖與PPS秒脈沖間的同步性、自身均勻性是實現全網同步監測的關鍵指標。同步監測技術對GPS接收機提供秒脈沖的精確度要求通過GPS 接口板轉化為對600Hz脈沖精確度要求。通常在將PPS秒脈沖倍頻成為600Hz同步采樣脈沖的過程中,過于依賴單個PPS秒脈沖的精度,若某個PPS秒脈沖誤差過大,則對應該秒的600Hz同步采樣脈沖將會失步調整,使得相應的采集數據不可用。實際運行數據、試驗數據和文獻[2,3]顯示PPS秒脈沖誤差過大的原因主要有以下4種:①PPS秒脈沖的高精度是統計意義下的。對一個具體的秒脈沖,實測其偏差可能高達250ns。這樣的亞微秒級偏差對倍頻算法和同步精度的影響可以忽略,但實際運行中不排除可能遇到更大的偏差。當偏差達到微秒級時,會有明顯的影響;②GPS接收機短期衛星失鎖。此時PPS秒脈沖由接收機內部電路繼續維持供給,由于誤差無法得到定時校正,積累誤差會導致PPS秒脈沖精度不能滿足要求;③衛星試驗、太陽風暴等因素也有可能導致PPS秒脈沖誤差過大;④運行現場電磁干擾強烈。干擾可通過作用于系統電源或單片機PPS秒脈沖輸入口產生偽PPS秒脈沖,作用于系統電源的電磁干擾可通過配備UPS電源來抑制,而串入PPS秒脈沖輸入口的干擾很難通過簡單的硬件方法根除。
應當指出PPS秒脈沖誤差過大屬于偶然現象。通常情況下,PPS秒脈沖的精度是合乎要求的。基于PPS秒脈沖統計意義下穩定性好的特點,借助單片機外部晶振恒溫條件下的高穩定性,通過軟件設計可以實現實用化的守時鐘。GPS接口板內部晶振構成的守時鐘可以削弱接口板正常工作時對單個PPS秒脈沖精度的過分依賴,提高GPS接口板的抗干擾能力,在各種極端情況下仍可正常工作,從而提高整個全網同步監測裝置的抗干擾能力。
2 GPS接口板的實現
2.1 GPS接口板框架結構
GPS接口板在考慮了提高GPS接口板與計算機總線系統數據交換的可靠性和利用GPS接口板內部晶振構成守時鐘以削弱對單個PPS秒脈沖的依賴性兩個問題的基礎上,盡量使硬件電路的設計清晰、簡潔,這有利于提高GPS接口板的可靠性,原理框圖見圖1。
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GPS接口板的特點如下:①提供一路高精度600Hz同步采樣脈沖和用于時鐘標簽的全球同步的微秒級計時;②提供全網同步監測裝置下位機部分系統級復位功能;③GPS接收機可以就地接入,也可通過RS-422遠程接入;④允許計算機總線系統側主CPU對本板發2種中斷,用于實時數據通訊和保護系統程序不發生意外死循環;⑤通過雙口RAM與計算機總線系統實現數據通訊;⑥利用單片機及其外部晶振實現板內的守時鐘,以此削弱對單個PPS秒脈沖精度的依賴。
2.2 有關雙口RAM的軟硬件設計
GPS接口板選用的雙口RAM為DALLAS公司的DS1609,其內部自帶地址鎖存功能,允許數據、地址總線復用,與單片機和計算機總線的接口電路簡潔可靠。DS1609相關軟件設計要求較高,因為它允許兩端同時訪問存儲單元,但芯片本身不提供硬件的訪問沖突仲裁邏輯,潛在的訪問沖突必須通過軟件設計的方法來避免[4]。
GPS接口板運用“郵箱法”思想并結合實際數據流量及流向設計雙口RAM相關程序。這里郵箱指標志存儲器,它總是成對出現。實際應用中,可以根據需要約定若干對郵箱。每對郵箱負責一個存儲區段兩側端口的寫操作狀態顯示;多對郵箱存在的情況下允許兩端口在同一時刻對不同存儲單元執行寫操作,程序設計靈活,有助于提高器件的利用率。
運用“郵箱法”設計雙口RAM程序時要注意:獲得某存儲單元的寫操作權限前,應查詢相應郵箱,判斷對側端口是否正在對此存儲單元執行寫操作;對某存儲單元完成寫操作后,應在相應郵箱中標識出來,釋放寫操作權。還應注意到,雙口RAM兩側獲得寫操作權存在優先級問題,因為存在兩側同時獲得寫操作權的可能。為此,程序默認某一側優先級更高,優先級低的一側在獲得寫操作權的過程中需查詢兩次標志存儲器。當其第一次查詢判斷對側未進行寫操作時,應將相應標志存儲器置位以示取得寫操作權,插入短延時(此延時需根據兩側CPU實際速度確定)后,第二次查詢對側狀態。若此時對側也已取得寫操作權,則本側釋放寫操作權。這樣就可確保任何情況下對同一存儲區段同一時刻只有一側獲得寫操作權。
“郵箱法”的設計思想主要包含兩層意思:①郵箱自身可確保沒有讀/寫(Read/Write)沖突和寫/寫(Write/Write)沖突,可以通過查詢一對存儲器內容實現。特殊情況下, 可由單個存儲器實現;②郵箱是一個存儲區段兩側讀寫狀態的標志,利用此信息可以避開各種可能的沖突。
運用“郵箱法”設計雙口RAM程序的優點是:①既使不細致入微地考慮雙口RAM兩側相關程序的時序,也可確保不會發生讀/寫沖突和寫/寫沖突,尤其適用于通訊頻繁且時序復雜的系統;②減小雙口RAM兩側程序的關聯性,便于程序設計的結構化、模塊化,提高了程序的可維護性和可繼承性。
2.3 GPS接口板內守時鐘的軟硬件設計
利用GPS接口板內單片機及其外接晶體可以構成晶振,電路設計簡潔可靠。對Intel單片機MCS80C196KC而言,取標稱值為16MHz的晶體,電容Cx1和Cx2取值相同,綜合考慮其掩蓋雜散電容的效果和上電延時,通常取為30pF。
單片機外接晶體構成的皮爾斯振蕩器的特點是頻率精度不高,但頻率穩定度很高。晶振的頻率精度是指晶振的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差,精度引起的偏差會給測量系統引入累積誤差。常用石英晶體的相對頻率精度在10-5～10-6量級,實測16MHz晶體絕對頻率精度在300Hz～400Hz,此偏差在單片機的計數器TIMER1中對應計數誤差為二十次左右。晶振頻率穩定度在此是指秒級間隔內的瞬時穩定度,即由晶振“相位噪聲”引起的頻率隨機變化,瞬時穩定度通常會給測量系統引入隨機誤差。這種誤差相對值通常在10-9量級,它對TIMER1的影響可以忽略。
基于單片機外部晶振恒溫條件下的高穩定性,結合PPS秒脈沖統計意義下穩定性好的特點,通過程序設計可以實現實用化的守時鐘。GPS接口板中對PPS秒脈沖的處理以及構成板內守時鐘的工作主要在HSI中斷子程序中完成。HSI中斷由PPS秒脈沖觸發,程序流程圖見圖2。
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GPS接口板HSI中斷程序設計充分考慮了實現同步算法過程中可能遇到的各種情況,具體說明如下:
(1)程序對板上各元器件以及外界環境有自適應能力,體現在算法隨時利用計數器T1記錄、更新PPS秒脈沖到來的間隔并由此計算采樣脈沖的輸出時刻。算法不會由于晶振頻率精度不高而引入誤差,同時算法自動完成對晶體振蕩器的溫度補償且不受晶體老化的影響。
(2)判斷①、②利用T1的溢出次數和計數值通過程序設計識別干擾脈沖。一旦判斷是干擾脈沖,立刻恢復相關變量內容并跳出中斷,以此提高GPS接口板的抗干擾能力。
(3)判斷③、④利用連續若干次PPS秒脈沖間隔內T1的計數值及其穩定性確定當前PPS秒脈沖是否穩定可靠,放棄使用精度不高的PPS秒脈沖。這種情況下仍以上一個穩定可靠的PPS秒脈沖作為同步的標準,以此消除個別偏差過大的PPS秒脈沖的影響。
(4)由GPS接收機時間報文確定接收機衛星失鎖后,算法同樣認為PPS秒脈沖處于不穩定狀態。以最近一個穩定可靠的PPS秒脈沖作為同步標準計算采樣脈沖的輸出時刻,在短期內(數十秒內)采樣脈沖仍可保持較高的精度。
用“郵箱法”設計雙口RAM相關程序能夠提高單片機和計算機總線系統間數據交換的可靠性,結合程序具體特點可對“郵箱法”做出適當改進。通過GPS接口板程序設計可以實現實用化的板內守時鐘,提高GPS接口板的抗干擾能力,延長其在一些惡劣環境下連續可靠工作的時間。對各指標的針對性試驗和長期工程實踐運行記錄表明了這些實現方案的必要性和有效性。
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參考文獻
1 閔 勇,丁仁杰,任 勇.電力系統全網同步監測系統.清華大學學報,1997；37(7):86～88
2 丁仁杰,閔 勇,馮亞東.基于GPS的全網同步時鐘的建立和誤差校正.清華大學學報,1997；37(7):74～77
3 王元虎,周東明. 衛星時鐘在電網中應用的若干技術問題.中國電力,1998；31(2):10～16
4 Dallas Semiconductor.Application Note 62 on Dual Port?RAM.1998