臺灣博碩士論文加值系統

同步相量量測單元(Phasor Measurement Unit, PMU)是利用全球定位系統(Global Positioning System, GPS)所提供之1PPS(1 Pulse Per Second)及時間標籤(Time Marker)來達到整個電力系統取樣時間同步化。將足夠的PMU置於所需量測地點以量測匯流排之電壓與電流相量及頻率，因為匯流排的電壓及電流取樣都是在同步之下所測得，所以不需費時求解電力潮流或狀態評估，即可全面瞭解電力系統狀態，使可靠度及安全性提昇。台電所架設之同步相量量測器ADX 3000系列因計算量日益增大，內部DSP之計算能力已不敷使用，而軟、硬體的規格及技術快速地進步，如欲提升DSP計算能力並非單純地升級DSP，而是需要硬體全面重新整合、內部軟體全部改寫，並思考增加額外的功能以因應未來需求的工作。在本論文中，我們利用嵌入式系統及FPGA來達成此目的，主要是考量嵌入式系統易於整合或取代原有的周邊功能，並有足夠的DSP計算能力；此外，還可以利用其網路功能作為對外通訊的管道，有效解決日益增加的通訊資料量所造成的資料壅塞，而FPGA可以大量簡化繁雜的數位電路設計，使嵌入式系統更容易與現有的其它功能卡結合。

By using the 1PPS (1 Pulse Per Second) and time marker provided by GPS (Global Positioning System), PMUs (Phasor Measurement Units) can sample the whole power system synchronously. PMUswill beplaced ina number ofmeasurementsitesrequired tomeasure thebusvoltageand currentPhasor,because thebusvoltage and current samples are measured simultaneously. With PMUs, we can totally know the situations of power system without solving power flow or state estimation. Therefore, the reliability and security of power system can be raised by PMUs. With the increase of applications, Taiwan Power Companyset upbythe ADX PMU products are increased. It is foreseeable that the computational load will exceed in the near future. For the real time response of operation and the convenience of clients, it is necessary to upgrade the DSP processor. However, with the great progress in hardware, it is not just to upgrade the DSP processor, but have to integrate each function cards in the ADX series products, rewrite the programs and consider the new method to expand the functions for the future demands. In this paper, we chose embedded system and FPGA to achieve these jobs. This is because embedded system is easy to integrate hardware, has enough computational capability, and has internet to transmit increasing data to users or to update firmware. Moreover, FPGA can simplify the design of digital circuits and let the embedded system easier to combine with other ADX function cards.

致謝辭i
中文摘要ii
ABSTRACT iii
目錄iv
圖目錄vii
表目錄x
第一章 緒論1
1.1. 研究背景1
1.2. 研究動機與目的2
1.3. 論文架構2
第二章 同步相量量測系統4
2.1. 前言4
2.2. 全球衛星定位系統4
2.2.1. 全球衛星定位系統之定義5
2.2.2. GPS系統之架構5
2.2.2.1. 太空部分6
2.2.2.2. 地面控制部分6
2.2.2.3. 使用者部分7
2.2.3. GPS定位原理7
2.2.4. GPS訊息格式8
2.3. 同步相量量測單元10
2.3.1. 同步相量量測單元基本架構及欲發展架構11
2.3.2. ADX3000系列13
2.3.3. ADX3000系列架構之更新15
2.3.4. 國內外使用狀況及相關應用探討16
第三章 嵌入式系統軟硬體發展平台19
3.1. 前言19
3.2. Analog Devices Inc. Blackfin 19
3.2.1. Blackfin運算單元核心架構20
3.2.2. Blackfin ADSP-BF537 22
3.2.3. ADSP-BF537 EZ-KIT Lite 23
3.3. VisualDSP++ 29
3.3.1. VisualDSP++ Kernel 30
3.4. Altera DE2發展板32
3.4.1. Quartus II 34
3.5. 新舊buffer母卡之比較37
第四章 發展功能介紹39
4.1. 前言39
4.2. GPS時間標籤取出及顯示39
4.2.1. GPS接收機40
4.2.2. RS232和RS485之差異41
4.2.3. UART驅動42
4.2.4. GPS時間標籤取出43
4.2.5. 液晶顯示螢幕模組44
4.2.5.1. MC34063A 54
4.3. 網路通訊驅動及鍵盤寫入56
4.3.1. 鍵盤驅動57
4.4. DRAM存取59
4.5. Watchdog Timer及獨立開機62
4.6. 倍頻器與觸發時間62
4.7. 雙嵌入式系統傳輸64
4.8. 發展功能整合66
第五章 結論及未來發展69
5.1. 結論69
5.2. 未來發展69
參考文獻71
圖目錄
圖2-1 同步相量量測單元系統4
圖2-2 全球衛星定位系統衛星圖5
圖2-3 GPS架構圖6
圖2-4 衛星定位示意圖8
圖2-5 超級終端機接收GPS訊號圖10
圖2-6 微處理機為核心之PMU架構圖11
圖2-7 嵌入式系統為核心之PMU架構圖12
圖2-8 新型PMU之架構圖12
圖2-9 多嵌入式系統之新型PMU架構圖13
圖2-10 ADX3000系列13
圖2-11 ADX3000系統硬體架構圖14
圖2-12 介面卡架構圖15
圖2-13 整合後介面卡架構圖16
圖2-14 設置同步相量量測單元之監測站 17
圖2-15 控制中心遠端介面18
圖3-1 Analog Devices Inc. 19
圖3-2 Blackfin537基本架構圖20
圖3-3 Blackfin運算單元核心21
圖3-4 Blackfin ADSP-BF537之功能方塊圖22
圖3-5 ADSP-BF537 EZ-KIT Lite 23
圖3-6 ADSP-BF537 EZ-KIT Lite之架構圖 23
圖3-7 處理器與週邊匯流排架構圖25
圖3-8 PPI方塊圖25
圖3-9 一個Master對應一個Slave 27
圖3-10 Master對應至三個Slave 27
圖3-11 Master對應多個Slave 28
圖3-12 Two Wire Interface傳送時序圖28
圖3-13 UART傳輸時序圖28
圖3-14 VisualDSP操作介面30
圖3-15 ADZS-HPUSB-ICE 30
圖3-16 VDK歷史訊息31
圖3-17 VDK狀態時序圖32
圖3-18 Altera DE2發展板33
圖3-19 Altera DE2週邊介面圖34
圖3-20 Quartus II設計流程圖35
圖3-21 Quartus II介面圖36
圖3-22 Quartus II燒錄介面圖36
圖4-1 發展功能方塊圖39
圖4-2 整體連接圖40
圖4-3 GPS時間標籤至液晶螢幕上顯示40
圖4-4 GPS接收機41
圖4-5 兩端接地電位不同42
圖4-6 RS485傳輸示意圖42
圖4-7 文字型液晶螢幕45
圖4-8 繪圖型液晶螢幕45
圖4-9 Vo與VR 48
圖4-10 文字型液晶螢幕ASCII碼48
圖4-11 文字型液晶螢幕控制流程49
圖4-12 文字輸出於文字型液晶螢幕49
圖4-13 Vo、VR及負電壓52
圖4-14 繪圖型液晶螢幕ASCII碼52
圖4-15 WinHex介面53
圖4-16 繪圖型液晶螢幕控制流程53
圖4-17 圖案輸出於繪圖型液晶螢幕54
圖4-18 文字輸出於繪圖型液晶螢幕54
圖4-19 MC34063A轉負電壓之電路圖56
圖4-20 網路顯示鍵盤所按之數字56
圖4-21 鍵盤內部構造圖58
圖4-22 鍵盤與74C922之電路圖59
圖4-23 DRAM與ADSP-BF537連接60
圖4-24 TMS-4416-12讀取時序圖61
圖4-25 TMS-4416-12寫入時序圖61
圖4-26 VisualDSP++5.0燒錄介面62
圖4-27 倍頻器完成圖63
圖4-28 觸發時間示意圖64
圖4-29 雙嵌入式系統65
圖4-30 雙嵌入式系統傳輸資料65
圖4-31 VDK整合5個執行緒66
圖4-32 網路顯示所輸入取樣頻率67
圖4-33 網路執行緒程式流程圖67
圖4-34 整合後硬體68
圖5-1 PPI使用腳位70
圖5-2 未來整合後系統70
表目錄
表2-1 衛星資料組8
表2-2 GPRMC、GPGSV訊息格式表9
表3-1 ADSP-BF537記憶體分配表24
表3-2 Programmable Flags於模擬版上之用途26
表3-3 Altera DE2週邊介面表33
表3-4 新舊buffer母卡之比較37
表4-1 文字型液晶螢幕腳位46
表4-2 文字型液晶螢幕控制指令47
表4-3 繪圖型液晶螢幕腳位50
表4-4 繪圖型液晶螢幕控制指令51
表4-5 MC34063A基本資訊及外部元件計算公式55
表4-6 鍵盤掃描關係表57
表4-7 鍵盤與ADSP-BF537對應腳位58
表4-8 DRAM與ADSP-BF537對應腳位60
表4-9 倍頻器連接腳位63
表4-10 雙嵌入式系統連接腳位64

中文部份
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英文部份
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[10]MC34063A Data Sheet, Rev 5, 1996.
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[16]VisualDSP++ 5.0 Kernel (VDK) Users Guide, Revision 3.3, September 2009.
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[18]Zhang Ruihua, Du Yumei, and Yuhong Liu, ‘‘ New Challenges to Power System Planning and Operation of Smart Grid Development in China” Power System Technology , 2010.