（电力系统及其自动化专业论文）适用于电力系统的gps装置研究.pdf

a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，p o w e rs y s t e mg p sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nd e v i c e st or e a l i z eas t u d y a n dd i s c u s s i o n a tp r e s e n ti t i sd i f f i c u l tt og u a r a n t e ef o rav a r i e t yo fp o w e rs y s t e m a u t o m a t i o nd e v i c e su n i f i e ds t a t eo fh i g h - p r e c i s i o nt i m e ，t h i sa r t i c l ew i l lb et h e i n t r o d u c t i o no fg p sh i g h - t e c hf i e l do fp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o n ，p o w e rs y s t e ma l l o w s av a r i e t yo fa u t o m a t e dh i g h - p r e c i s i o nt i m es y n c h r o n i z a t i o nd e v i c e si sa s s u r e d p a p e ro u t l i n e st h ea r e a so fg p si naw i d er a n g eo fi m e m a la p p l i c a t i o n s ，a n d e x p o u n d e di nt h ep o w e rs y s t e me l e c t r i cp o w e rd i s p a t c h i n gs y s t e m s ，r e l a yp r o t e c t i o n d e v i c e s ，e m s s c a d as y s t e m s ，f a u l tr e c o r d e r , d i s t r i b u t e dr t u ，s u b s t a t i o n i n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e ma n dt e l e m e t r y ，r e m o t ed a t a - p r o c e s s i n g ，h i g hv o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n ef a u l tl o c a t i o na p p l i c a t i o n s g p ss y n c h r o n i z e dc l o c ki np o w e rs y s t e m a p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d st oa c h i e v eam e t h o do rp r o g r a m ，a na n a l y s i so fp o w e r s y s t e mb e h a v i o ro nd i f f e r e n tt i m es y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c yo f t h ed e m a n d ，a sw e l la s t h et r a d i t i o n a lm e t h o do ft i m es y n c h r o n i z a t i o nt h e r ei sab i ge r r o r , i ti sd i f f i c u l tt o a c h i e v et h er e q u i r e m e n t so ft h ep o w e rs y s t e m ，a n dp o w e rs t a t i o na r ea l s ov u l n e r a b l et o t h ei m p a c to fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e t c ，o nt h eb a s i so ft h eu s eo fg p s t e c h n o l o g y ，t i m es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d i nt h eg p ss y s t e ma n dt h eg p st i m ea n dp o s i t i o no fp r i n c i p l eo ft h ee l a b o r a t i o n a n da n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t ht h ei n t e g r a t e ds c h o o lp r o g r a m so nt h es p e c i f i c r e q u i r e m e n t so ft h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o nu s i n gt h ef r i e n d so fh i - t e c hd e v e l o p m e n t c o ，l t d l i h u ag s u 2 5t y p eo fo e mb o a r d , d e s i g nas u i t a b l ei np o w e rs y s t e m su s i n g l o w - c o s tg p sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nd e v i c e d e v e l o p e dt or e a l i z et h ed e s i g no ft h e g p sc l o c ks y n c h r o n i z a t i o np o w e rs y s t e m sc o n s t i t u t et h ei d e ao fh a r d w a r ed e v i c e s d e s i g n e dd a l l a 5b a s e do n t h eu n i t e ds t a t e sl a u n c h e da n8 一b i t s i n g l e - c h i p d s 8 0 c 3 2 0h i g h s p e e dh a r d w a r ec i r c u i t r e a l i z et h ef u l le x p a n s i o no ft h es y s t e m ， i n c l u d i n gt h ep r o g r a mm e m o r ye p r o m ，p r o g r a m m a b l ei o8 2 5 5a n ds oo n ，t o e n s u r et h a to t h e ru n i t so ft h es y s t e mt oa c h i e v eav a r i e t yo ff u n c t i o n s ，a n df u l l ym e e t s t h es y s t e mr e q u i r e m e n t s t h ep r e p a r a t i o no ft h em a i np r o g r a mw i t ht h eh a r d w a r ec i r c u i t ，r e a l i z et h es y s t e m s e t t i n g s ，s u c ha ss e r i a lp o r tb a u dr a t e ，s y n c h r o n o u sp u l s et y p ea n ds oo nt oi l l u s t r a t et h e s y s t e ms o f t w a r ed e s i g nc o n c e p t sa n dt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h ed i a g r a m ，t h e p r e p a r a t i o no ft h ep r o g r a ma n dd e b u gt h r o u g ht h et h e s i sa l s oo nt h ec r i t i c a lp r o c e s s e s w e l - eh i g h l i g h t e d k e y w o r d s ：g p s ，p o w e rs y s t e m ，s y n c h r o n o u sc l o c k ，t h et i m ec o r r e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蛮蔓取 签字日期：夕年1 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彦亟取 签字日期：) o 。罗年1 月弓。日 导师签名： 签字日期：刀卵年7 月弓汐日 第一章绪论 1 1 课题研究意义 第一章绪论 随着电力系统规模的不断扩大，大容量、超高压、远距离输电日益增多，系 统结构和运行方式变得日益复杂，这将是电力系统的监测与控制面临的新问题。 一旦电网发生大的扰动，若得不到及时有效的预报、控制和保护，就有可能导致 大面积的停电事故，造成巨大的经济损失和严重的社会影响。因此，电力系统的 安全问题显得格外重要i l 之】。 从多年运行经验和理论研究电力系统都表明，电力系统运行的安全性与系统 当时的运行状态有密切的关系。因此，对于电力调度部门来说，如果能实时全面 地掌握电力系统各组成部分的运行状态，对保证系统的安全稳定、经济运行无疑 具有非常重要的意义。然而，由于电力系统地域广阔、设备众多，想获得全系统 关键点及主要设备的运行状态的同步信息，必须在全系统有统一的高精度基准时 间。借助于统一的时间基准，可以在系统操作发生故障，特别是短时间内连续出 现事故的情况下，系统运行人员可以极其方便地分析各装置的动作行为，事故的 先后顺序、事故的起因和事故的发展过程。 对多次发生的停电事故的事后分析表明，继电保护、自动控制装置和调度人 员未能很好地配合是造成连锁故障发生的重要原因之一。因此，如何准确地判断 电力系统的异常状态和预测其发展趋势，并及时地采取有效的协调控制措施，来 避免事故的发生，已经成为电力系统监测和控制领域研究的重点1 3 - 4 1 。 从实际需要看，随着电力系统的规模日益扩大，及各种微机自动装置在电力 系统中大量应用，现代电力系统已成为一个计算机、控制、通信和电力装备及电 力电子的统一体，因此，电力系统对时钟的统一需求已经越来越迫切。将卫星定 位引入电力系统领域，可以为电力系统提供高精度、全天候、高效率、多功能、 操作简便的校时。因此本文适用于电力系统的g p s 装置研究，将在电力系统中 具有重要意义。 1 2 卫星定位技术的优势 g p s 即全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国从本世纪7 0 年代 第一章绪论 开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、 陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近 1 0 年我国测绘等部门的使用表明，g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等 显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、 航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、 地球动力学等多种学科展示出其广泛的应用前景【5 】。 目前，g p s ，g l o n a s s ，g n s s 等系统都具备导航定位功能，形成了多元化的 空间资源环境。这一多元化的空间资源环境，促使国际民间形成了一个共同的策 略，即一方面对现有系统充分利用，一方面积极筹建民间g n s s 系统。2 0 1 0 年前 后，g n s s 纯民间系统建成，全球将形成g p s g l o n a s s s g n s s 三足鼎立之势， 才能从根本上摆脱对单一系统的依赖，形成国际共有，国际共享的安全资源环境。 世界才可能进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。国际民间的这一 策略，反过来又影响和迫使美国对其卫星定位使用策略作出更开放的调整。总之， 由于多元化空间资源环境的确立，给卫星定位的发展应用创造了一个前所未有的 良好的国际环境睁引。 今后卫星定位将像目前的汽车、无线电通信一样形成产业化。美国己将广域 增强系统w a a s 计划发展成国际标准。美国已经成立了卫星定位产业协会，1 9 9 4 年美国车载卫星定位系统销量为1 8 亿美元，1 9 9 5 年为3 1 亿美元，到2 0 0 0 年 为3 0 亿美元。日本在1 9 9 4 年的车载导航也有1 2 万套。1 9 9 5 年为4 7 万套，1 9 9 6 年为7 0 万套。我国目前也有一些单位生产车载卫星定位系统。为发展我国的卫 星定位产业，武汉已经成立了中国卫星定位工程技术研究中心。 卫星定位信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天 地，手表式的卫星定位接收机，将成为旅游者的忠实向导。尽管目前大多数人还 不知道什么是卫星定位，但有人预言，卫星定位将改变我们的生活方式。今后， 所有的运载器，都将依赖于卫星定位，卫星定位就像移动电话、传真机、计算机 互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。 新中国成立后，我国的航天科技事业在自力更生，艰苦创业的征途上，逐步 建立和发展，跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。从1 9 7 0 年 4 月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功的发射了三十多颗不同类型的 人造卫星。 2 0 世纪7 0 年代后期，有关单位在多年从事理论研究的同时，引进并成功试 制了各种人造卫星观测仪器。其中有人卫摄影仪，卫星激光测距仪和多普勒接收 机。根据多年观测实践，完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1 9 8 0 年国 家大地坐标系，进行了南海群岛的联测。 第一章绪论 8 0 年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究卫星定位技术。十多年来， 我国科研人员在卫星定位基础理论研究和应用开发方面做了大量工作。8 0 年代 中期，我国引进卫星定位接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自 己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的卫星定位接收 机拥有量约在4 万台左右，其中测量类约5 0 0 - - - , 7 0 0 台，航空类约几百台，航海 类约3 万多台，车载类约数千台。而且以每年2 万台的速度在增加。足以说明卫 星定位技术在我国各行业中应用的广泛性。 在大地测量方面，利用卫星定位技术开展国际联测，建立全球性大地控制网， 提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。组织各部f - j ( 1 0 多个单位， 三十多台卫星定位双频接收机) 参加1 9 9 2 年全国卫星定位大会战。经过数据处 理，卫星定位网点地心坐标精度优于0 2 m ，点间位置精度优于1 0 一。在我国建 成了平均边长约l o o k m 的卫星定位a 级网，提供了纳米级精度地心坐标基准。 此后，在a 级网的基础上，我国又布设了边长为3 0 - - , l o o k m 的b 级网，全国约 2 5 0 0 个点。a 、b 级卫星定位网点都联测了几何水准。这样，就为我国各部门的 测绘工作建立了各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已 完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的卫星定位联测，使海岛与全国大地网联结成 一整体。 在工程测量方面，应用卫星定位静态相对定位技术，布设精密工程控制网， 用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯 通测量等精密工程。加密测图控制点，应用卫星定位实时动态定位技术测绘各种 比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。 在航空摄影测量方面，我国航空航天人员也应用卫星定位技术进行航测外业 控制测量、航摄飞行导航、机载卫星定位航测等航测成图的各个阶段。 在地球动力学方面，卫星定位技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监 测。我国已开始用卫星定位技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川 鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变监测网、首都 圈卫星定位形变监测网。 卫星定位技术也已应用于海洋测量、水下地形测绘。此外，在军事国防、智 能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境 监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定 等领域，也都开展了卫星定位技术的研究和应用。 我国在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制 开发了卫星定位静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研 究和应用开发的同时，培养和造就了一大批技术人才和产业队伍。 第一章绪论 近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性 卫星定位跟踪站，进行对卫星定位卫星的精密定轨，为高精度的卫星定位定位测 量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分卫星定位方案的建 立，参与全球导航卫星系统( g n s s ) 和卫星定位增强系统( w 从s ) 的筹建。同时， 我国已着手建立自己的卫星导航系统( 双星定位系统) ，能够生产导航型和测地 型卫星定位接收机。卫星定位技术的应用正向更深层次发展。 g p s 卫星上载有高稳定度的时间频率标准铯原子钟或氢钟，它们功耗 小、重量轻且体积小。铯原子钟的频率稳定度为( 1 2 ) 10 j 3 d ，氢钟的频率 稳定度可达1 0 以5 d 。它们能保证所有的卫星能够在一个月或更长的时间内独立 工作而无需地面校正，保证了精密授时与定位的要求【9 1 。因此，利用g p s 信号， 可以非常方便地构成一个精确的标准时间同步的方法。 g p s 的主要优点利1 0 】： 1 全球全天候连续工作，用户数量不限； 2 高精度。g p s 可以为用户提供高精度的三维位置( 经度、纬度、高度，) 和 精确的时标( 精度为a s 级) ； 3 可以实现实时导航； 4 g p s 采用了扩频和伪码技术，抗干扰能力很强； 5 可靠性高，信号易于获得。 基于上述原因g p s 在各个行业取得了很广泛的应用。 1 3 卫星定位应用在电力系统中的优势 目前，卫星定位系统已应用于电力调度系统、继电保护装置、e m s( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m )s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统、故障录波器、分布式r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 、变电站综合自动化系 统及遥测、遥信的数据处理、高压输电线路故障测距等 i f - 1 2 】。卫星定位技术的具 体应用及优点如下。 电站内安装的故障录波器、事件记录仪、微机继电保护及安全自动装置、远 动及微机监控系统采用统一的参考时间后，有助于分析电力系统故障与操作时各 种装置动作情况及系统行为，搞清事故的起因与发展过程。这是保证电力系统安 全运行，提高运行水平的一个重要措施。 现有的电网自动化装置是由不同厂家在不同时期制造的，对信号利用方式不 尽相同，大致有以下几种形式：脉冲同步方式、串行口方式、i r i g b 方式等， 卫星定位继电保护同步时钟对这些信号方式都能满足。 第一章绪论 调度上经常通过比较电钟( 也称工频钟) 与标准时间的差异来比较系统频率 误差积累情况。如果标准时间不准确，这一比较也就失去了意义。而使用卫星同 步时钟的输出时间信号可以解决这一问题。 知道电网各节点( 电站) 之间的电压相位关系，可以更好地了解电力系统的静 态与动态行为，帮助调度人员进行合理的发电量及负荷调度。采取有针对性的稳 定措施，通常的做法是把节点电压、电流幅值及功率值送人调度中心，e m s 系统 根据这些测量值、网络结构及节点阻抗值计算出主要电站间的电压相位关系，作 为系统状态变量显示出来。由于计算量很大，需要数秒时间完成一次计算，并且 会出现不收敛的情况。 在系统的时钟统一后，做到各电站输入信号的采样脉冲同步，可以很容易地 通过软件或硬件方法测出电站间电压的相位关系。要保证相位测量的准确性，采 样脉冲同步误差要很小。利用广播电台及类似手段的对时方式是不合适的，它们 的对时误差在毫秒级，而1 m s 的时间误差对5 0 h z 系统来说就是1 8 0 的相角差，显 然是不能接受的。 实际应用中，电站的相位测量装置应采用高稳定度的晶振( 1 s 的积累误差不 超过1 | is ) ，并每秒被卫星同步时钟的1 p p s 脉冲同步一次，输入信号采样脉冲 可按要求由该晶振时钟信号分频获得，这样可以做到整个系统采样脉冲时间误差 在几个微秒以内对应相角测量误差不大于0 1 度。为了达到区分电站之间的电 压相位关系的目的，还要有一定的通信规约，使得调度中心能识别每一电站送上 来的电压相位测量的参考时间。 阻抗原理的测距装置精度受过渡电阻影响严重，在系统的时钟统一后，调度 中心可利用故障线路两端的故障录波器送上来的数据，根据线路两侧故障电流的 相位关系，减小过渡电阻对母线处测量阻抗的影响，给出较为精确的故障点位置。 卫星同步时钟的出现，为研制双端行波测距原理的装置创造了条件。线路故 障后产生向线路两端运动的电流行波浪涌。通过常规电流互感器可以准确地获取 线路电流行波信号，检测电流行波到达母线的时刻。( 行波在线路上传播速度一 般是3 0 0 m l ls 。1 微秒时间误差对应约1 5 0 m 的测距误差) 。利用接收卫星定位卫 星信号的继电保护同步时钟秒脉冲1 p p s 与串行口时间信息输出，可以很容易地 做到这一点。双端行波测距装置原理简单、测距精度高而稳定，无疑是对传统的 测距技术的革命。 自适应继电保护中，在使用卫星定位卫星时钟的输出对采样进行同步后，继 电保护可以获取包括电压、电流相位在内的更全面的系统状态信息，以对继电保 护装置的整定值、灵敏度、动作速度等进行在线调整，实现自适应保护 1 3 - 1 6 】。 在高压线路纵联保护的远距离双端测试中，要在线路两端同时加上故障量， 第一章绪论 其关键就在于两端继电保护测试仪时间同步的问题，g p s 卫星同步时钟的成功 开发，使我们可以利用g p s 时间信号控制测试仪器，在双端约定的统一时刻按 实验人员输入的故障参数同时发生故障，从而圆满地解决这一问题。 目前卫星定位观测可在一天2 4 小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起 雾刮风、下雨下雪等气候的影响。 随着卫星定位系统的不断完善，软件的不断更新，目前，2 0 k i n 以内相对静 态定位，仅需1 5 2 0 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站和基准站 相距在1 5 k i n 以内时，流动站观测时间只需1 2 分钟；快速动态相对定位测量时， 流动站出发时观测1 - - 2 分钟，然后可随时定位，每站观测仅需几秒钟。 卫星定位测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可以 节省大量的造标费用。由于不需要点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密， 使选点工作更为灵活，也可省去经典大地网中传算点、过渡点的测量工作。 随着卫星定位接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化 的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大的减轻了测量工作的紧张 程度和劳动强度。 1 4 本文所做工作 本文针对电力系统现有装置标准时间精度低、受外界影响大、效率低、功能 单一、操作繁琐的问题，提出采用同步卫星g p s 系统作为电力系统的同步时钟的 方案；设计出系统软硬件： 1 、设计出基于美国d a l l a 5 公司推出的8 位高速单片机d s 8 0 c 3 2 0 的硬件电 路。 2 、实现系统充分扩展，包括程序存储器e p r o m 、可编程i o8 2 5 5 等，保证 了系统其他单元各种功能的实现，充分满足了系统要求。 3 、采用独立式键盘，能够满足对系统进行设置的要求，简化了系统，降低 了成本。 4 、采用l e d 静态显示构成良好的人机通道，节省c p u 的时间，提高c p u 的 工作效率。 5 、配合硬件电路编制主程序，实现对系统的设置，如串行口波特率、同步 脉冲类型等等。 第二章卫星定位在电力系统中的应用 第二章卫星定位在电力系统中的应用 相对于g p s 的定位功能，g p s 的定时功能在电力系统中的应用更加重要和普 遍。如电力系统中微机保护及安全自动化系统、远动及微机监控系统、调度自动 化系统、故障录波器、事故记录仪等许多自动化装置，都需要一个精确的时间标 准，而且随着电力系统的发展，对时间标准的精确度也提出了更高的要求。 2 1 基于g p s 系统在相量测量中应用 电力系统内各枢纽点母线电压是电力系统的状态相量，它们的大小和相位能 反映电力系统的实际运行状态，因此，实际测量电力系统内各厂站母线的电压相 量，特别是它们的相位与相位的关系，对于实时进行电力系统的稳定性判别和控 制，有着非常重要的意义。 2 1 1 相量测量的原理 电力系统中的电压和电流波形基本上正弦波，频率、幅值和相角是正弦波的 三个要素，相量幅值的大小可以由交流电流、电压表来测量，在同一电力系统中， 频率是相同的，幅值也很容易测量，而相位的大小则取决于时间参考点( t = o ) 的 选择，因此要比较两个相同频率的正弦信号的相位( 即相对角) ，选择的时间参考 点必须相同，相角测量的主要困难是同一电力系统各个站点的母线电压和线路电 流的相角必须是相对于同一个标准时间。由此必须要有高精度的同步时钟支持， 所以相量测量的难点是相角测量，而电力系统中各母线电压间的相角差是表征系 统运行的一个重要参数【1 7 1 。 相量是电工原理中交流电路分析的基本工具，引入相量概念后，电路方程由 微分方程变成线性方程，给分析和计算带来许多方便，但其前提是电路( 或系统) 在稳定状态下其频率、电流及各点电压的幅值及它们之间的相位关系是不变的， 而严格地说，当系统处于非稳定运行时它们之间的关系不固定，不能用相量表示。 当系统状态处于缓慢变化时( 如电力系统低频振荡) 、电流、电压关系仍可用一组 相量的组合来精确描述：而当系统状态发生急剧变化时( 如短路的暂态过程) ，在 半个或一个周波的视窗内观测到的相量与稳态下的相量是一致的，并可用于继电 保护，因而可以说相量的变化描述了系统状态的变化轨迹。 第二章卫星定位在电力系统中的应用 例如：同步电压相量测量就是在同步采样下直接测量电网中各母线电压( 通 常为正序电压) 的幅值和相位【1 8 】。如图2 1 表示时间参考点不同，u 和u 的相 角也不等，参考点时间误差大小直接影响相量的测量。 ，r n f弋 l t 一 -o。二 = 0 图2 - 1 相角的测定 在电力工程中，正弦信号用相量表示为： x ( f ) = 西s i n ( 研+ 咖 相量法表示：x = x e 力= x c o s 缈+ s i n p 式中x 一正弦信号有效值。 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 从正弦信号相量与其频谱的关系中，可以通过傅里叶变换的方法来求相量。 即上式中的正弦信号可展开为： x ( t 1 = , j 2 x s i n ( r o t ) = a c o s c o t + b s i n a , , t ( 2 3 ) 则其频谱函数为： x ( c o ) ：2 重x ( t ) d a d t ：4 - 2 x d 2 ( 2 4 ) 1 r 这就是f f t 和d f t 求相量的基础 2 1 2 电力系统对同步精度的要求 电力系统不同行为对同步精度的要求如表2 1 所示。 表2 - 1 应用项目相角精度要求时间精度要求 状态估计( 静态) 0 5 0 2 5 p s 状态估计( 动态) 1 0 5 0 p s 稳定监测和控制 1 0 5 0 p s 自适应保护 0 1 0 b s 传统的定时方式有两种：一是电网调度中心通过通信通道同步系统内各个电 站的是中，由于从调度中心到达各个电站的距离不一样，通信延时也不一样，因 此只能保证系统时钟在毫秒级的水平；另一种方式是利用广播、电视、天文台等 第二章卫星定位在电力系统中的应用 的无线报时信号，这种方式一般一个小时报送一次，一个小时内会积累较大的误 差，还由于信号传播延时，很难达到毫秒级，此外还容易受到电站内的电磁干扰 影响。要达到实时精确测量之目的，一是要在统一时间基准下进行同步测量，二 是要由足够精度。误差在l m s 以上，对于频率为5 0 h z 的系统来说，l m s 的非同 步误差将带来1 8 0 的相位误差。如果要求保证相位误差术1 0 的水平，就必须要求 同步时间精度不大于5 5 p s 。由此可见，若以同步精度为1us 的g p s 时间作为 基准对各电站母线电压进行同步测量，则能完全满足要求。这一同步相量测量过 程可通过基于g p s 的同步采样技术来实现。 2 1 3 基于g p s 的相量测量方法 基于离散型傅里叶变换d f t 的递归算法，就是把连续模拟量经采样、模数 变换后得到的离散数字量转换成频域从而得到相量值。d f t 测量相位方法如下： 设采样序列为( ，x 。，k 。) ，那么其基波频域值为： x ：鱼掣腕百霈 由此得到各相相量( x a ，x b ，x c ) ， 序相量为： 五= ；( 疡+ 口x b + a 2 赢) 相应的幅值和相位也就得到了，其正 ( 2 - 6 ) 2 其中：口：p 7 r 相量大小取决于t = 0 的时刻，也就是时间参考点的时刻。 这种算法的优点是其本身有滤波作用( 采样前已经抗混叠滤波器滤波) ，受非 周期分量和谐波分量的影响较小，且可以测量频率的偏差。缺点是如果系统频率 发生变化，而采样间隔没作相应调整时，测量的相位将有误差。 2 1 4 基于g p s 的同步相量测量框图 基于g p s 的同步相量测量单元由接收天线、g p s 接收机和数据处理单元部分 组成。如图2 2 所示。电力系统的相量测量就是在高精度的时钟同步下，在电网 各枢纽点测量电压和电流的相量并传送到相应的装量和数据集中器中，以供实时 监测、保护和控制之用。 第二章卫星定位在电力系统中的应用 图2 2 相量测量单元框图 如图2 2 所示，基于g p s 的双端系统电压相量同步测量方案是在双端系统 的两个节点上安装相同的相量测量装置p m u ( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ) ，其主 要由数据采集环节和微处理器构成。主要工作原理大致如下：各p m u 的采样时钟 一般由高稳晶振构成，震荡信号每隔一秒被g p s 同步时钟的i p p s 同步一次，使 其相位锁定在g p s 时间基准上，同步后的晶振信号按采样频率要求经分频后用 作采样脉冲，保证各测量点采样的同步进行；来自p t 副边的电压经隔离变换、 模拟低通滤波后被建立在g p s 时间基准上的同步采样系统所采样，经a d 依次 转换后按顺序放入固定r a m 区；各p m u 的微处理器根据递归d f t 算法，每过 一个采样周期计算一次所有被测量的各相基波分量和对应的正序分量，然后利用 g p s 同步时钟串口提供的时间信息和数据窗第一个采样点的顺序编号给计算结 果置以相应的“时间标签，然后将计算结果连同它们的时间标签按照一定的通 信规约实时传送至调度中心。由于各测量点的采样是同步进行的，同一时刻计算 出的相量将具有统一的参考基准，其相位关系可直接进行比较。由此可实现对整 个系统的实时监控。至于多端系统的相量测量方案与双端系统类似，只要在各个 节点上安装如上所述的相同的相量测量装置p m u 即可。 2 2 基于g p s 在输电线路故障定位中应用 在电力系统中，输电线路经常发生各种故障，由于线路很长，并且很多线路 地形复杂，要寻找故障地点就非常费时费力又耗资。传统的故障测距方法利用电 压除以电流得到阻抗，然后根据线路参数估计故障距离，由于线路故障大多为非 金属短接，过渡阻抗无法确定，造成误差很大。因此，对电力系统输电线路进行 快速准确的故障定位是保证系统安全稳定运行的有效途径之一。 2 2 1 故障测距的原理 随着电力系统调度自动化的迅速发展和微处理机式故障录波器的开发应用， 第二章卫星定位在电力系统中的应用 故障分析测距的全过程可以自动完成，而线路两端的电气量的应用又将使故障测 距的精度大为提高。 采用双端信息的故障测距算法的核心问题就是双端信息采样是否同步。所谓 同步采样是指：在任何采样时刻，不同装置的电压、电流基波相量采样估计值具 有统一的参考基准，相互之间可以直接进行比较。 用行波法实现双端测距装置，在故障线路两端分设检测元件，用以检测到达 两个母线的初始行波而构成两端测距，若能在同一时间基准下测量出两端首次接 受到行波浪涌的时间，则能容易地计算出故障的距离。由于光速为3 1 0 5 l 【m s ， 当两端时间测量上有l p s 的误差时，即可产生1 5 0 m 的测距误差。因此，要想获 得高精度测距结果，两端计时系统必须保持微妙级同步，这是解决双端行波测距 应用的关键问题。 输电线路发生故障一瞬间，从故障点向线路两端会产生一个电压的瞬变，这 就是通常所说的行波。故障点将产生向线路两端以光速传播的行波，随着计算机 技术的不断提高，现在的智能设备已经可以对行波信号进行监测和记录。如果这 些记录有准确的时间基准，通过分析两侧接收时间的差异就可以得到准确的故障 位置。 设线路全长为l ，行波在线路中传播速度为v ，故障后在线路s 、r 两端接收 到故障初始行波浪涌的时间分别为t s 、t r ，两侧通过电话或自动通信联络交换信 息后可以计算出故障点到s 、r 端的距离为： x 。：一l + ! 墨二墨2 兰 ( 2 7 ) 。 22 x ：一+ ! 墨二圣! 竺 “o l 22(2-8) 双端行波测距方案的关键是准确地记录下电流行波到达线路两端的时间，以 保证故障测距误差。 这种测距方法适用范围广，不受过渡电阻、系统参数、串补电容、线路不对 称及互感器变换误差等因素的影响，但另外一方面，行波传输的速度接近光速， 也就是说，如果两侧时间有lps 的误差，测出的距离就会误差1 5 0r n 。故障测 距对时间同步的要求非常之高，加上考虑散射因素的影响，因此故障测距对同步 时间的精度要求在o 5l ls 左右【2 0 2 1 1 。 用行波法实现测距装置，在故障线路两侧分设检测元件，用以检测到达两个 母线的初始行波而构成两端测距。为了准确标定故障初始行波浪涌到达两端母线 的时刻，线路两端必须配备高精度和高稳定度的实时时钟，而且两端时钟必须保 持精确同步。如图2 - 3 基于g p s 时间基准的测距原理图。 第二章卫星定位在电力系统中的应用 图2 3 基于g p s 时间基准的测距原理图 由图2 3 所示，它主要有高速数据采集单元、计算机、g p s 接收机、启动单 元和通信通道组成。启动单元根据突变量原理构成启动判据，在故障点方向来的 行波波头到达时，启动元件动作。在启动元件动作后，启动高速数据采集单元对 故障信息进行监测、采集、记录和处理，并把计算结果传送给计算机数据处理单 元；g p s 接收机把由g p s 同步时钟提供的g p s 时间信息传送给计算机，同时记录 下被硬件行波启动元件所触发的时刻，并经由串行口传送给计算数据处理单元， 为故障初始时刻贴上时间标签，用于实现两段测距的时间依据。通过时间信息通 道完成系统中两侧计算机的远程数据输。 2 2 2 基于g p s 同步时钟的测距框图 基于g p s 的测距单元由天线、接收模块和数据采集单元组成如图2 - 5 所示， 其内部硬件电路和处理软件对接收机的信号进行解码和处理，从中提取并输出两 种时间信号：一是间隔为1 s 的脉冲信号，即i p p s ，其脉冲前沿与国际标准时间 ( 格林威治时间) 的同步误差不超过1us ；二是经r s 2 3 2 串行口输出与i p p s 相对应的国际标准时间和日期代码。 褊黼码之重孓蚕 时间信息码一 图2 _ 4g p s 时间信息的接收和输出波形示意图 a b t c 匿凳卜回 l 集单元l l 1 。仉 l 图2 5 基于g p s 同步采样装置框图 第二章卫星定位在电力系统中的应用 同步采样原理由高精度晶振构成的振荡器经过分频能产生满足采样率要求 的时钟信号，它每隔1 s 被g p s 的p p s 信号同步一次，保证振荡器输出的脉冲信 号的前沿与g p s 时钟同步。各装置都以振荡器输出的经过同步的时钟信号作为采 样脉冲输出控制各自的数据采集，所以采样同步。g p s 接收机经标准串口将时间 信息传送给数据采集装置，给采样数据以“时间标签“，一用于数据传送和处理 2 2 】。 2 3 基于g p s 在电流纵差保护的应用 电流差动保护原理就是同一时刻流入某个节点或广义节点的电流的相量和 为零。差动保护由于其简单、可靠和快速等特点，已经作为主保护广泛应用于母 线、变压器和发电机等设备上，但用在长距离的输电线路上就比较困难，问题就 在于“同一时刻”上，传统的定时方式很难保证线路两端设备采样时间统一，采 用g p s 同步采样技术为线路差动保护带来新的契机。 在诸多类型的输电线路继电保护之中，电流差动保护作为一种原理简单、具 有绝对选择性和工作可靠的保护方式，一直受到人们的重视，尤其是对于高压和 超高压同杆并架双回线，分相电流差动是唯一可靠选择故障相的保护原理。在传 统的导引线保护不能满足长线的要求而电力载波通道又十分拥挤的情况下，g p s 同步采样技术、数字微波技术和数字光纤通信技术的发展，为数字电流差动保护 的开发开辟了新的途径。与传统模拟差动保护不同，数字电流差动保护必须利用 两端的瞬时采样数据进行差动比较。为了使保护正确动作，线路的两端要进行同 步采样或者进行采样的同步化处理。这是实现电流差动保护的关键所在。目前可 归纳为三种同步方法： ( 1 ) 基于数据通道的同步方法 基于数据通道的同步方法包括：采样时刻调整法、采样数据修正法和时钟校 正法。这些方法都是建立在用通道传送用于同步处理的各种时间信息的基础之 上。采样时刻调整法保持主站采样的相对独立，其从站根据主站的采样时刻进行 实时调整，能保持两侧较高精度的同步采样。但由于从站采样完全受主站的控制， 当通道传输时延发生变化时，会影响同步精度，甚至造成数据丢失，其可靠性受 通道影响较大。 采样数据修正法允许两端采样独立运行，只要求具有相同的采样率，通过连 续测量通道延时的方法对采样数据进行修正处理。与采样时刻调整法相比，当通 信因干扰而中断或失去同步后，能很快恢复。同时，采用传送相量而不是瞬时值 的方案，能在通道出现误码的情况下使保护动作时间最多延长1 2 个采样间 隔。该方法对晶振要求高，电网频率变化会影响修正精度。 第二章卫星定位在电力系统中的应用 时钟校正法采用时钟校正技术实现两端的同步采样，与前面两种方法相比， 其可靠性受通道影响最小基于数据通道的各种同步方法在实际中获得了应用。虽 然以上三种同步方法各有特点，但它们都要求通道在传送电流数据的同时传送 用于同步处理的各种时间信息，因此，可靠性不同程度地受到通道的影响；另一 方面，这三种方法都假定通道两个方向传播时延相等，这对于某些具有弹性负载 的复用通信系统而言可能会引起误差，这些通信路线的改变会导致通道传输时延 有大到1 0 m s 的变化 2 3 j 。 ( 2 ) 基于参考相量的同步方法 为使同步问题完全摆脱通道的束缚，有人提出了利用参考相量实现同步的方 法。需要指出，该法具体应用时，线路两端应首先选用适当的算法将参加比较的 电流或电压相量在故障前估计出来，然后传到对侧与本地相量进行比较，因此这 种同步方法的准确性将取决于线路模型的准确性和相量估计的精度，同时还要考 虑各种误差因素的影响，如c t 、p t 、线路参数、时钟漂移等。该方法的主要优 点在于它不需借助通道传递用于同步处理的任何时延，消除了前述方法中两个方 向传输时延相等的假设所带来的不良影响。所以，该方法还需进一步完善。 ( 3 ) 基于g p s 的同步方法 随着全球定位系统( g p s ) 的出现，g p s 传递的时间能在全球范围内与国际 标准时( u t c ) 保持高精度同步，是迄今为止最为理想的全球共享无线电时钟信号 源。因此，利用g p s 卫星同步时钟实现双端的同步采样，可以大大减小电流差 动保护的同步采样误差。基于g p s 的同步方法精度高( 2 | ls ) ，不需通道联系，不 受电网频率变化影响，是一种理想的同步方法。数字电流差动保护的动作原理和 模拟电流差动保护的相同，其特点是将线路两端的波形数字化，以脉码通信方式 ( p c m ) 传送数字信息，而后利用微型计算机进行动作判定。如图2 6 是基于g p s 同步时钟的数字电流差动保护的基本原理框图。 s r 图2 击基于g p s 的电流差动保护原理框图 如上图2 - 6