關鍵詞：功角；全球定位系統；GPSOEM電路；秒脈沖；UTC；授時
中圖分類號：TM930 文獻標識碼：A 文章編號：1006—6977(2006)01—0053—04
1 引言
電力系統中的功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率動態(tài)變化及其穩(wěn)定性是相互誘發(fā)、相互關聯的，其中，發(fā)電機功角狀況是電力系統運行的主要狀態(tài)變量．也是系統穩(wěn)定運行的標志。因此，實時測量發(fā)電機的功角是電力系統穩(wěn)定監(jiān)視和控制的關鍵。
電力系統內部各送端、受端的分布廣泛而分散，若在各端安裝一臺GPS接收機，則GPS的全球性和高精度就能保證各地時間信號與UTC的相對誤差都不超過lμs。這種全球范圍內的高精度時間同步在電力系統檢測和測量中具有極高的利用價值。文中設計了基于GPS的功角測量裝置，可通過GPS接收板提供的秒脈沖和其時間標記來進行異地同步數據采集，實踐證明其效果很理想。
2 GPSOEM接收GPS標準時間
2．1 GPS OEM接收板
該GPS接收模塊采用GARMIN公司的GPSOEM板，型號為GPSl5L。它采用+5V電源供電．有12通道，最多可同時跟蹤12顆衛(wèi)星，如開通秒脈沖，可同時跟蹤11顆衛(wèi)星。
接收板自動捕獲衛(wèi)星信息時間小于2s，熱啟動時間約為15s(所有數據已知)，冷啟動時間約為45s(初始位置和時間未知)。自動定位需要5min(歷書已知，初始位置和時間未知)。
NMEA0183信息更新輸出間隔從1s到900s可調，RS-232輸出，輸入可為RS-232或者具有RS-232極性的TTL電平。波特率從300bps~38400bps可選。
GPS OEM接收板在任意時刻能同時接收其視野范圍里4~11顆衛(wèi)星的信號，其內部硬件電路和軟件通過對接收到的信息進行解碼和處理，能從中提取并輸出二種時間信號：一是間隔為1s的同步脈沖信號1PPS(電平為3V)，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs：二是包括在串口輸出信息中的UTC(Coordinate Universal Time協調世界時)絕對時間(年、月、日、時、分、秒)，它是與1PPS脈沖相對應的，如圖1所示。
2．2 GPS OEM接收板的串行數據格式
GPS接收板的串口通信協議為：串口的傳輸率可調．默認值為4800bps。無奇偶校驗，8個數據位，1個起始位，1個停止位。GARMIN的GPS 0EM板輸出的數據是以美國國家海洋電子協會(National Marine Electromcs Association)的NMEA0183 ASCII碼接口協議為基礎的。輸出為多條語句，內容包括經度、緯度、速度、方位角、高度、世界時、星歷等信息。輸出秒脈沖(1PPS)的精度高達±1μs。
NMEA0183輸出語句的結構如圖2所示。其中以ASCII碼為輸出形式的NMEA 0183的RMC語句如下：
Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data(RMC)推薦定位信息
$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh<CR><LF>
$GPRMC：定位數據語句起始標志
<l>UTC時間，hhmmss(時分秒)格式。
<2>定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位 ……
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式 ……
2．3 GPS OEM板精確時間的提取及應用
秒脈沖是一電平信號，且其上升沿對應著一精確的UTC時刻。因此，可用此電平信號的上升沿對其他設備(如單片機、計算機等)進行控制或觸發(fā)，這樣，即可記錄下秒脈沖上升沿到來的準確時刻，再從RS-232接口傳輸的GPRMC語句獲取UTC時刻，經計算處理即可求得設備的精確時鐘差，從而得到精確的UTC時刻，實現GPS的精確授時。
用計時型單片機與GPS 0EM接收板組合，對OEM板的lPPs輸出進行整形，用其來控制單片機的中斷和軟件計數脈沖，再把0EM板RS232口輸出的數據送到單片機的串口輸入端，為單片機提供1PIPS對應的UTC時刻值，其授時精度最高可以達10-6s以上。而且單片機具有精度高、可靠性高、體積小等優(yōu)點。用秒脈沖結合RS-232輸出的時間數據進行授時，這種方法需接收二種信號，即秒脈沖的電平信號（+3V)和RS-232格式中的UTC信號。而電平信號與RS-232格式信號不一致，因此，需分兩個端口分別接收。在本次設計中，采用AT89S51型單片機接收RS-232時間數據，每秒更新一次。對應的UTC秒脈沖上升沿控制觸發(fā)另一C8051F021型單片機同時采集3相電壓和電流信號，然后將采集的信號和AT89S51型單片機存儲的對應時標數據送到上位機進行下一步分析。
2．4 GPS授時系統的硬件組成
GPS衛(wèi)星時鐘接收機由GPS接收天線(5MHz，3V)、GPS OEM接收板(GARMIN公司的GPSl5 L)、ADM202E、單片機(AT89S51)、鎖存器(74LS574)、雙口RAM(CY7C13l的容量為1K)組成。硬件結構如圖3所示。
由于AT89S5l型單片機的輸出為0V～5V的_TTL電平，而OEM板配置的是RS-232標準串行接口，二者的性能規(guī)范不一致，不能直接進行通信。為使1TTL電平與RS-232標準協調，采用一種雙路發(fā)送／接收集成電路(ADM202E)。該電路的功耗低，只需單電源（+5V）供電，片內具有兩套電壓提升器構成的4倍電壓變換器，能產生+10V和-10V電壓，這樣就使單片機和0EM板之間的電壓完全匹配。
在AT89S51型單片機系統中．當對外部數據存儲器進行讀寫操作即執(zhí)行MOVX@DPTR，A（累加器A中數據送片外數據存儲器），MOVX A，@DPTR(片外數據存儲器中數據送累加器A1指令時，DPTR的低8位地址在鎖存信號ALE的下降沿被鎖存在地址鎖存器中。高8位地址直接送到目標．然后8位數據直接送往目標器件。
雙端口。RAM最重要的特點是每個器件有2組數據總線、地址總線及控制總線。只要不是同時訪問同一個存儲單元，就允許2個端口同時對片內任何存儲單元進行獨立的讀，寫操作而互不干擾；如果2個端口同時訪問同一個存儲單元．則由片內的仲裁邏輯決定訪問哪個端口。
在硬件設計中，經常需要2個設備有權訪問同一塊存儲區(qū)，如果使用常規(guī)的單端口存儲器，那么當某一個設備正在訪問時．別的設備則無法訪問．嚴重降低了工作效率．而且不論是采用HOLD信號使某一設備“掛起”的方法．還是采用二套總線二選一的方法，都給邏輯電路的設計增添了負擔。相比之下，使用雙端口RAM的好處至少有二點：首先，可將2個設備的總線與雙端口RAM的2個端口分別相連，邏輯設計簡潔明了；其次．只要安排得當，雙口RAM無沖突地為2個端口服務，則可使訪問效率比常規(guī)單端口RAM提高l倍。
2．5 GPS授時系統的軟件設計
系統軟件主要分為初始化、GPS數據接收存儲、數據傳送子程序3部分。軟件流程如圖4所示。
首先將GPS OEM接收板通過串口與PC連接好，接通主電源和備用電源，用自帶的接收軟件SNSRCFG設置初始化信息，只輸出一條GPRMC語句，保證每秒接收存儲時間信息的精度；然后轉化為NMEA格式，連接上傳，則初始化信息就自動將被保存在板內的永久性存儲器中，下次上電時將會自動生效。如需更改則要再次修改參數和再次上傳。
系統上電后硬件復位，設置UART的波特率為19200b／s，數據通信格式為10位異步收發(fā)；授時接收系統進入正常工作狀態(tài)，單片機(AT89S51)通過RS-232串行方式接收GPS OEM板的衛(wèi)星數據。通過查詢字頭，接收OEM板GPRMC輸出語句中的時、分、秒和年、月、日信息。沒有用的信息跳過。由于接收到的是UTC時間．出于習慣考慮，將UTC時間轉化為北京時間。
本地時間=GPS時間+時區(qū)值
北京位于第8時區(qū)，時區(qū)值為+8。將接收到的時間信息轉化為北京時間，按日、月、年、時、分、秒的順序存儲在片內30H到3BH這12個單元中。然后用MOVX指令將數據送到片外雙口RAM的0C00H到0COBH中，供另外需要時間信息的CPU調用。圖5為某次仿真結果，時間是北京時間2005年4月15日9時lO分8秒。
3 結束語
GPS具有全球性、全天候、精度高等優(yōu)點，利用GPS精密授時功能可以快速、精確、同步地獲得功角測量系統中的歷史數據和實時狀態(tài)。實踐證明．這種全球范圍內的高精度時間同步在電力系統檢測和測量中發(fā)揮了極大的作用，GPS技術的應用必將對電力系統的安全檢測、穩(wěn)定控制帶來革命性的變革，GPS技術的采用將大大促進和帶動電力系統自動化技術的發(fā)展和提高。
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