多通道配电网同步相量测量装置模拟器的设计

引言

随着基于同步相量测量装置(PMU)的电力系统广域测量系统(WAMS)在技术上逐渐成熟及其在省级以上电力调度中心的普遍应用,PMU/WAMS已经成为电力调度自动化系统必要的组成部分。WAMS用于有源配电网,其对配电网各环节的PMU进行检测、控制和保护,将明显提高主动配电网的安全运行水平和供电可靠性,更有助于配电网消纳分布式电源的容量和能力。在这个过程中,通信是关键,需要大量PMU采集并发送数据,并且需要采用多种通信方式完成。若全部使用PMU实体装置,成本很高,且缺乏灵活性。

针对以上问题,本文使用ARMcortex-A8处理器作为硬件平台,基于Linux操作系统开发了一种低成本、支持多种通信方式、可模拟多台PMU的多通道配电网同步相量测量装置模拟器,只需一台PMU模拟器便可替代众多实体PMU提供相量数据,且不需要配置基于GPS的同步时钟装置,可实现与数据集中器PDC或WAMS主站之间高速度、高可靠性的数据传输。

1总体设计方案

该装置总体设计可分为软件和硬件两部分,软件模块是基于Linux操作系统完成数据的集中与计算、多线程通道的建立、各种帧的封装与传输,硬件模块是以ARMcortex-A8为处理器的硬件开发平台。

在这个PMU模拟器中,软件根据《电力系统实时动态监测系统第2部分:数据传输协议》(GB/T26865.2一2011)通信规约和TCP/IP技术,设置模拟PMU的各项参数产生大量数据或以文件的形式导入获得现场所采集的数据,形成符合通信规约传输要求的数据报文,然后通过Socket所建立的通信连接发送给PDC主站。由于在PMU通信中,一个完整的TCP需对应建立一个Socket实现数据的发送与接收,因此,为实现模拟多台PMU相量高频传输的要求,软件采用多线程非阻塞模式,以提高通信的效率。

2软件设计

2.1软件整体设计

在这个PMU模拟器中,软件通过创建一个可以同时接受多条TCP请求(即建立多个Socket连接)的进程模拟建立多台PMU子站,在人机界面中可以设置参数完成站点信息(指模拟厂站名称)、数据量测信息(指相量、开关量和模拟量数据)和PMU传输信息(指模拟PMU数量、数据端口号和传输帧数)的配置并选择数据来源的方式,从而以软件自动生成的方式或以文件导入的形式生成符合《电力系统实时动态监测系统第2部分:数据传输协议》(GB/T26865.2一2011)通信协议规范的数据源文件和配置文件。每一个模拟子站由两个线程进行模拟通信,分别处理命令传输和数据传输事务。在整个通信传输过程中,PDC主站作为客户端,相应的模拟PMU子站作为服务端,在命令连接中完成命令报文和配置报文等的传输,在数据连接中完成实时的数据帧传输。软件设计流程图如图1所示。

2.2模拟PMU子站的建立

本文中根据用户在人机界面关于模拟PMU子站数量的设定,在一个端口中建立满足用户需求的多个并发Socket连接(即可以同时接受来自客户端PDC主站的多条TCP请求),以此来模拟建立多台PMU子站。在每台模拟PMU子站的建立过程中,完成Socket的初始化,绑定(bind)程序所分配的特定端口,并监听(liSten)来自PDC主站的请求。当接收(accept)到客户端请求后,经连接成功后,执行操作。详细程序如下:

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

(

//Socket初始化

Socketini()

//Socket绑定

bind(cmdS[i]一Si,eoz(1oca1cmd[i])):

bind(dataS[i]一Si,eoz(1oca1data[i])):

//命令、数据通道侦听

1iSten(cmdS[i]一BBACLoG)

1iSten(dataS[i]一BBACLoG)

//命令、数据通道接收

accept(cmdS[i]一&zrom[i]一&1en[i]):

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

//关闭Socket

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

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

}

2.3时间控制

时间控制模块的设计目的是控制每台PMU按照设置的通信速率实时传输数据。本软件调用了Linux系统下Setitimer函数中的ITIMERPRoF定时模式。当定时到达后,产生SIGPRoF信号,并通过Sigaction函数来设置触发该信号的处理函数timezunc,在timezunc函数中对PMU命令通道和数据通道发送处理进行精确控制。详细程序如下:

//间隔发送SIGRoF信号

Setitimer(ITIMERPRoF一&va1一NULL):

//定时结束接收SIGRoF信号

Sigaction(SIGPRoF一&act一NULL):

//定时器执行函数

2.4实时传输报文传输

本文选用的通信协议为《电力系统实时动态监测系统第2部分:数据传输协议》(GB/T26865.2一2011)中的数据传输协议,根据规定,需要生成的传输报文有四种类型,分别是数据帧、配置帧、头帧和命令帧。下面以数据帧为例对实时报文的通信传输进行介绍。

2.4.1帧的封装过程

模拟PMU子站需根据主站下发文件中描述的要求,将量测数据、数据时标和数据名称等信息按技术规范封装成数据帧,如图2所示。

2.4.2帧的传输过程

在PMUServerTAPR函数中,PMU子站根据主站发送的命令请求确定需要传输的报文类型,并改变相应的标志位,触发命令通道或数据通道发送处理函数将传输报文发送给PDA主站。如子站接收到开启实时数据传输命令,则触发数据连接通道定时上传本地生成的实时数据报文给PDA主站。当主站成功接收实时数据报文后,则此次实时数据传输流程完成。详细程序如下:

//PMU服务器端数据通道发送处理

intServerData(chardatazrame[]一inti)

(

//子站收到"开启实时数据传输"命令

iz(TxtaSk[i].SDBTBoNF=1)

createpmudatazrame(i一data):

//配置生成数据帧并发送给主站

TxtaSk[i].SDBTBoNF=0:

+

3硬件选型

从装置总体设计角度考虑,经综合比较后选用BRMcortex-B8处理器的工控机,其各模块连接图如图3所示。

其中,各部分的使用功能说明如下:

(1)BRMcortex-B8最小系统板:即为BRMcortex-B8处理器及其相关部分。其使用功能为:与其他各模块相连,对各模块发出命令,完成PMU模拟器与WBMS主站或PDA之间的数据处理过程。

(2)通信接口:包括以太网口、Wi-Fi装置和RS232串口三部分。其使用功能为:用户可在软件中选择有线或无线两种通信方式来实现PMU模拟器与PDA或WBMS主站之间的网络连接与数据传输。其中,以太网口和Wi-Fi装置分别实现有线方式和无线方式的连接。

(3)数据读取接口:包括USB接口和TF卡接口两部分。其使用功能为:用户可在软件中选择外部导入和内部读取两种方式来作为PMU模拟器的数据来源,其中USB接口和TF卡接口实现读取外部已有的PMU相量数据文件的功能,内部读取功能则用于读取PMU模拟装置内部存储中已预先放入的PMU相量数据的文件。

4实验与结果

通电后,装置可自动启动PMU模拟程序,并进入相关参数设置页面。以模拟10台PMU为例,详细说明如下:

(1)在模拟PDC软件中设置与模拟PMU子站连接的相关参数,如图4所示。

(2)连接成功后,PMU子站与PDC主站实时传输数据,如图5所示。

(3)以模拟10台PMU子站为例成功运行,如图6所示。

5结语

本文针对实体PMU装置用于测试的缺陷,设计了基于ARMcortex-A8处理器和Linux操作系统的多通道配电网同步相量测量装置模拟器,详细描述了数据报文从产生到传输的实现过程。经实际检测,本装置可以很好地满足测试要求。用户可以灵活选择模拟PMU装置的数量,配置相关参数,从而实现与数据集中器PDC或WAMS主站之间的高速度、高可靠性的数据传输。