基于微功率無(wú)線的三相同步錄波技術(shù)方案及其低功耗設(shè)計(jì)

李紹文，許 健

（1.長(zhǎng)沙醫(yī)學(xué)院 信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.威勝信息技術(shù)股份有限公司，長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

10 kV 配電網(wǎng)故障錄波功能已經(jīng)成為配電網(wǎng)系統(tǒng)短路、接地故障等過(guò)程分析的關(guān)鍵手段之一[1-3]。暫態(tài)錄波型故障指示器作為故障定位有效的輔助手段，越來(lái)越為國(guó)家電網(wǎng)有限公司所認(rèn)可。但仍受制于低功耗[4-7]、取電能力[8-10]和三相同步錄波[11-12]等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展水平，其中三相同步錄波技術(shù)是核心技術(shù)之一，其精度直接影響零序合成的精度，最終影響故障分析的結(jié)果?？紤]到10 kV 配電網(wǎng)的安全性，基于微功率無(wú)線的三相同步錄波技術(shù)適合應(yīng)用在暫態(tài)錄波型故障指示器中。目前，故障同步錄波主要有2 種方案。一種是基于高精度授時(shí)模塊和高精度守時(shí)晶振的同步錄波方案[13-14]，該方案采用高精度GPS 模塊給控制芯片提供絕對(duì)時(shí)間信息，并根據(jù)這個(gè)同步的絕對(duì)時(shí)間信息來(lái)控制交流采樣。該方案實(shí)現(xiàn)成本高，且難以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。另一種是通過(guò)授時(shí)協(xié)議的同步錄波方案[15-18]，該方案通過(guò)協(xié)議計(jì)算各種延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)時(shí)間同步，進(jìn)而控制交流采樣。該方案過(guò)度依賴通信，軟件處理邏輯相對(duì)復(fù)雜。以上2 種方案都是根據(jù)絕對(duì)的時(shí)間信息對(duì)采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)進(jìn)行清零處理，并通過(guò)高精度的守時(shí)晶振來(lái)保證對(duì)時(shí)后的采樣同步的。本文設(shè)計(jì)了一種基于微功率無(wú)線的低功耗三相同步錄波技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)比相鄰2 次對(duì)時(shí)之間的采樣位置信息，計(jì)算出B 相、C 相相對(duì)于A 相的采樣計(jì)數(shù)偏移，并逐步微調(diào)B 相、C 相的采樣間隔來(lái)同步于A 相采樣，最終實(shí)現(xiàn)了A，B，C 三相同步錄波。

1 基于微功率無(wú)線的三相同步錄波技術(shù)方案

1.1 具體方案

如圖1 所示，在終端無(wú)線對(duì)時(shí)后，A，B，C三相各自保存當(dāng)前采樣點(diǎn)位置信息。在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中，以芯片外設(shè)RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）來(lái)控制ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）采樣周期，故采樣點(diǎn)位置信息由采樣點(diǎn)當(dāng)前計(jì)數(shù)值和對(duì)應(yīng)時(shí)刻RTC 計(jì)數(shù)寄存器計(jì)數(shù)值2 部分組成。以32.768 kHz 晶振為例，一個(gè)RTC 計(jì)數(shù)寄存器的最小時(shí)間單元TickRTC為30.52 μs，若采樣點(diǎn)間隔為244.16 μs（8×30.52 μs），以A 相為例，其位置信息計(jì)算為：

圖1 總體技術(shù)方案流程

式中： A（N）為A 相位置信息；CNTRTC_Tick為RTC計(jì)數(shù)寄存器的計(jì)數(shù)值；CNTADC為ADC 的采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)值。B 相、C 相位置信息計(jì)算同理。在A 相計(jì)算采樣點(diǎn)位置信息后，周期性計(jì)算相鄰2 次對(duì)時(shí)的采樣點(diǎn)位置信息差值：

B 相、C 相位置信息差值的計(jì)算同理。在A相獲得采樣點(diǎn)位置信息差值后，通過(guò)無(wú)線把采樣點(diǎn)位置信息差值A(chǔ)（N）Diff發(fā)送給B 相、C 相。在B相接收到A 相的采樣點(diǎn)位置信息差值后，同時(shí)計(jì)算B 相采樣點(diǎn)位置信息差值相對(duì)于A 相采樣點(diǎn)位置信息差值的初始偏移：

如圖2 所示，在B（N）與B（N+1）之間，要使得B 相采樣點(diǎn)位置與A 相的采樣點(diǎn)位置逐步同步，則需要連續(xù)調(diào)整BA（N）Diff/TickRTC個(gè)采樣點(diǎn)，直到B（N）在時(shí)間軸上逐步逼近A（N）。C 相處理方式與B 相一致。一般情況下，在對(duì)時(shí)周期為5 s的間隔內(nèi)，由于晶振頻偏的存在，B 相采樣點(diǎn)位置距離A 相同一采樣點(diǎn)位置最大偏移不會(huì)超過(guò)一個(gè)采樣點(diǎn)間隔，即244.16 μs，那么其最大調(diào)整次數(shù)不會(huì)超過(guò)8 次，所需要的同步收斂時(shí)間小于2 ms（8×244.14 μs）。

圖2 B 相采樣點(diǎn)調(diào)整時(shí)序

A，B，C 三相接收到無(wú)線對(duì)時(shí)后，以A 相采樣點(diǎn)位置為對(duì)比，B 相、C 相通過(guò)對(duì)比計(jì)算相鄰2 次對(duì)時(shí)周期的采樣位置信息偏差，獲得初始的同步偏移值，并通過(guò)逐步調(diào)整自己的采樣點(diǎn)間隔，在采樣時(shí)間軸上逐步逼近A 相，使其同步于A 相。從軟件實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，B 相、C 相處理邏輯和A 相處理邏輯不一致，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，無(wú)線通信次數(shù)也相應(yīng)增加。但是，以RTC 最小時(shí)間單元作為調(diào)整時(shí)間單元，采用逐步逼近的調(diào)整方式，其三相錄波同步精度高。

1.2 方案同步性能影響因素

（1）晶振頻率。以晶振頻率32.768 kHz 為例，其RTC 計(jì)數(shù)寄存器的最小時(shí)間單元為30.52 μs，以此晶振作為RTC 時(shí)鐘來(lái)源來(lái)控制ADC 觸發(fā)周期。由此可知，在同步調(diào)整的過(guò)程中，其最小同步調(diào)整間隔為30.52 μs。從軟件處理邏輯上考慮，理論上能達(dá)到的最高同步處理精度為61.04 μs（2個(gè)最小同步調(diào)整間隔）?？梢姡д耦l率越高，其同步調(diào)整的精度越高，三相同步誤差就越?。坏?dāng)晶振頻率達(dá)到一定極限值時(shí)，其最終同步效果會(huì)受到軟件處理耗時(shí)及硬件響應(yīng)的限制。

（2）晶振頻偏。在三相完全同步后，隨著時(shí)間的推移，因晶振頻偏的存在，其三相采樣點(diǎn)的同步性變差。可見，晶振頻偏的大小是影響三相同步的關(guān)鍵因素之一。晶振頻偏越小，其三相采樣同步性就保持得越好，所需要的終端對(duì)時(shí)間隔也就越大。

（3）前端采樣硬件回路的相移。通常前端采樣硬件回路通過(guò)互感器把線上電流轉(zhuǎn)化成二次電流，并經(jīng)由轉(zhuǎn)化電路將電信號(hào)送到芯片采樣端口進(jìn)行采樣。A，B，C 三相同時(shí)采集同一個(gè)硬件信號(hào)，用示波器觀察其芯片采樣端口的波形，發(fā)現(xiàn)不同相的采樣波形依然存在同步誤差?？梢?，該同步誤差由硬件設(shè)計(jì)本身引起，后續(xù)的軟件同步機(jī)制無(wú)法消除該同步誤差，故在硬件設(shè)計(jì)上應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，以避免前端采樣硬件回路的相移。

（4）無(wú)線通信延時(shí)。由于硬件的差異，同一終端對(duì)時(shí)信號(hào)到達(dá)A，B，C 三相裝置的時(shí)間不同。由于同一硬件對(duì)于相鄰2 次對(duì)時(shí)信號(hào)的延時(shí)是一致的，以相鄰2 次對(duì)時(shí)的采樣位置信息差值作為同步調(diào)整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可避免不同硬件對(duì)通信延時(shí)的影響。

（5）同頻干擾。無(wú)線電信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)與另一相同或相近頻率無(wú)線電信號(hào)相互干擾，致使信號(hào)畸變，進(jìn)而導(dǎo)致接收端無(wú)法有效解析該電信號(hào)，最終導(dǎo)致同步失敗。某一空間內(nèi)同頻信號(hào)越多，其三相同步失敗的可能性就越大。目前，一般是通過(guò)跳頻或錯(cuò)頻的方式來(lái)解決同頻干擾的問題。

（6）無(wú)線對(duì)時(shí)間隔。因晶振頻偏的存在，隨著時(shí)間的推移，其三相采樣點(diǎn)的同步性變差，這就需要對(duì)A，B，C 三相實(shí)施周期性的無(wú)線對(duì)時(shí)。終端無(wú)線對(duì)時(shí)間隔越大，其最大同步誤差也就越大。但無(wú)線對(duì)時(shí)的間隔需要綜合考慮晶振頻偏和功耗的影響。晶振頻偏小，則可以適量加大無(wú)線對(duì)時(shí)間隔，從而達(dá)到降低裝置功耗的目的。

綜上所述，晶振頻率與頻偏、前端采樣硬件回路的相移、同頻干擾和無(wú)線對(duì)時(shí)間隔是影響三相錄波同步性能的主要因素。對(duì)于單次的對(duì)時(shí)同步失敗，根據(jù)同步調(diào)整機(jī)制，其同步采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)不會(huì)發(fā)生突變，其三相同步性誤差也是一個(gè)漸變的過(guò)程。若對(duì)時(shí)間隔相對(duì)較小，在對(duì)時(shí)失敗的情況下，其整體的三相同步性能仍然較好。可見，該方案對(duì)時(shí)同步失敗的冗余度較好。

1.3 改善前的同步方案

如圖3 所示，該方案由終端發(fā)起對(duì)時(shí)信號(hào)，A，B，C 三相在接收到無(wú)線對(duì)時(shí)信號(hào)后，對(duì)其采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)清零處理。若忽略三相各自接收到無(wú)線信號(hào)的延時(shí)，三相接收終端無(wú)線對(duì)時(shí)后，其對(duì)時(shí)后端采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)在時(shí)間上完全保持一致，達(dá)到了三相同步的目的。在終端對(duì)時(shí)時(shí)刻前端，假設(shè)A相處在N 計(jì)數(shù)采樣點(diǎn)，由于晶振頻偏的存在，B相可能處在N-1 計(jì)數(shù)采樣點(diǎn)，當(dāng)對(duì)時(shí)成功后，A相、B 相采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)均清零，重新開始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)后端的同步。但是，在對(duì)時(shí)時(shí)刻前端，B相就會(huì)缺少一個(gè)N 計(jì)數(shù)采樣點(diǎn)，這樣B 相就存在一個(gè)采樣點(diǎn)間隔的同步誤差，若采樣點(diǎn)間隔為250 μs，則最大同步誤差就會(huì)達(dá)到250 μs；若其中某一相對(duì)時(shí)失敗，其采樣點(diǎn)則完全失去同步。從軟件實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，該同步方案的A，B，C 三相處理邏輯一致，軟件處理邏輯相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但存在三相同步性差或完全失去同步的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 改善前的同步方案流程

2 低功耗設(shè)計(jì)

在三相同步對(duì)時(shí)過(guò)程中，一方面要提高無(wú)線通信的成功率，另一方面要盡可能在無(wú)線通信方面降低其功耗?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種低功耗的無(wú)線通信機(jī)制。

通常接收端無(wú)線通信模塊有3 種工作模式，即接收模式、發(fā)送模式和休眠模式。若一直處在接收模式下，其功耗遠(yuǎn)高于休眠模式。為降低接收端的功耗，采用周期性喚醒的通信模式，如圖4 所示。

圖4 接收端通信時(shí)序

為了保證通信的成功率，發(fā)送端在發(fā)送對(duì)時(shí)信號(hào)前會(huì)有一定數(shù)量的廣播喚醒幀信號(hào)，以確保喚醒接收端，進(jìn)而讓接收端能夠及時(shí)接收到對(duì)時(shí)幀信號(hào)。發(fā)送端通信時(shí)序如圖5 所示，其中t2為喚醒幀信號(hào)發(fā)送間隔。為保證接收端能被穩(wěn)定喚醒，則需滿足如下條件：

圖5 發(fā)送端通信時(shí)序

即任意時(shí)刻的一次對(duì)時(shí)操作，發(fā)送端的喚醒幀能夠超過(guò)接收端的休眠區(qū)間，到達(dá)接收端的喚醒區(qū)間，且能在接收端喚醒區(qū)間執(zhí)行2 次以上。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

采用晶振頻率為32.768 kHz、晶振頻偏為±2×10-5、RTC 觸發(fā)采樣、采樣間隔為244.14 μs、對(duì)終端對(duì)時(shí)間隔5 s、排除前端采樣硬件回路的相移影響，在暫態(tài)錄波型故障指示器上應(yīng)用三相同步錄波技術(shù)，其裝置線上測(cè)試如圖6 所示。A，B，C 三相線上電流輸出設(shè)置為10 A，相位差依次設(shè)置為120°，暫態(tài)錄波型故障指示器對(duì)線上電流進(jìn)行100 次錄波，其單次錄波如圖7 所示，三相同步錄波精度數(shù)據(jù)如表1 所示。統(tǒng)計(jì)100 次錄波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其三相同步精度均在1.10°（對(duì)應(yīng)61.04 μs）以內(nèi)，與理論設(shè)計(jì)相符。表2 中給出了改進(jìn)前的A，B，C 三相同步錄波精度，其最大同步精度達(dá)到了4.450°，無(wú)法滿足國(guó)家電網(wǎng)有限公司對(duì)三相同步的指標(biāo)要求。

圖6 裝置線上測(cè)試圖

表1 A，B，C 三相同錄波精度（°）

表2 改進(jìn)前的A，B，C 三相同錄波精度（°）

圖7 暫態(tài)錄波型故障指示器錄取A，B，C 三相波形

圖8 為暫態(tài)錄波型故障指示器靜態(tài)功耗測(cè)試圖。測(cè)試結(jié)果顯示，其平均靜態(tài)功耗約為56 μA，滿足國(guó)家電網(wǎng)有限公司企標(biāo)要求。

圖8 暫態(tài)錄波型故障指示器靜態(tài)功耗測(cè)試圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前三相同步錄波成本高、精度差的現(xiàn)狀，提出了一種基于微功率無(wú)線的三相同步錄波方案，分析了三相同步精度的影響因素，并給出了低功耗的無(wú)線通信機(jī)制。通過(guò)在暫態(tài)錄波型故障指示器上的大批量應(yīng)用及測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的可行性。