（电力系统及其自动化专业论文）配电自动化中数据同步采样及算法研究.pdf

塑坚盔兰堡主堂竺堕塞一 a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d1 i v i n gs t a n d a r d sb e i n g c o n s t a n tt or a i s e ，p e o p l e d e m a n dm o r ea n dm o r ee l e c t r i cp o w e r ，m e a n w h i l er e q u i r et h ep o w e rs u p p l yq u a l i t y a n dr e l i a b i l i t yh i g h e r a n d h i g h e r t h ee x i s t i n g d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n d d i s t r i b u t i o nm o d ec a n n o tb es a t i s f i e dw i t ht h er e q u e s to ft h es o c i a ld e v e l o p m e n t b u tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i ti sp o s s i b l e t or e a l i z et h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n t h es u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ( s c a d a ) i sar e s u l to fe v o l u t i o n o fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n a m o n gs c a d a s y s t e m ，d a t a ( i n c l u d eb o t ha n a l o ga n dd i g i t a l ) s a m p l i n gi st h ei n f o r m a t i o ns o u r c e o ft h ew h o l es y s t e m s oh o wt oo p t i m i z ed a t as a m p l i n ga n di t sa l g o r i t h mr e c e i v e s m u c hc o n c e r ni ns t u d y i n gp o w e rs y s t e ma u t o m a t i o nq u e s t i o na 1 1t h et i m e t h i sp a p e rs t u d i e ss e v e r a ls y n c h r o n o u ss a m p l i n gm e t h o d sa n dd a t ap r o c e s s i n g a l g o r i t h m sa n dp u tf o r w a r dam e t h o dw h i c hc o m b i n e st h eg p sa n dt h ep h a s el o c k e d l o o p ( p l l ) t or e a l i z es y n c h r o n o u ss a m p l i n g t h ec h a p t e r1 i n t r o d u c e st h eg e n e r a l s i t u a t i o no fd e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o na n dt h ef u n c t i o n st h a ts c a d a s y s t e ms h o u l dp o s s e s s t h ec h a p t e r2 i n t r o d u c e ss e v e r a lk i n d so fs y n c h r o n o u s s a m p l i n gm e t h o d s ：b r o a d c a s t i n gf r o mac e n t r a ll o c a t i o n ，m e t h o dw i t hc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，m e t h o db a s e do i lr e f e r e n c ev e c t o ra n db r o a d c a s t sf r o ms a t e l l i t e s t h e c h a p t e r3d e t a i l e di n t r o d u c e st h em e t h o du t i l i z i n gg p sa n dp h a s el o c k e dl o o p ，a n d a l s oa n a l y s e st h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo fp l la n dt h ec o n s t r u c t i o no fh a r d w a r e c i r c u i t t h e c h a p t e r4e n u m e r a t e sa l g o r i t h m so f d a t ap r o c e s s i n g ：s i n em o d e l a l g o r i t h m ，f o u r i e ra l g o r i t h ma n ds o m eo t h e ra l g o r i t h m s i no r d e rt od e a lw i t ht h e s i g n a li n c l u d i n ga p e r i o d i cc o m p o n e n t ，am e t h o dt oi m p r o v ef o u r i e ra l g o r i t h ma n d s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ti nt h ep a p e r k e yw o r d s ： e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n s y n c h r o n o u s s a m p l i n g p h a s el o c k e dl o o p ( p l l ) g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ( g p s ) f o u r i e ra 1 9 0 r i t h m 第一章配电自动化概述 1 配电自动化的发展历程 改革开放以来我国电力工业得到了很快的发展，无论是用电量还是供电质量都有了很 大的提高。现有的配电网络和配电模式很难满足社会发展的要求，因此迫切需要应用新的 技术和方法。国家电力公司已决定将工作重点从侧重电源建设转移到侧重电网建设和改造 上，并明确提出电网建设和改造必须依靠科技进步，采用先进的技术和现代化的管理手段 来建设和改造城市电网和农村电网。国家电力公司提出的总体目标是：从现在起利用1 0 年时间，使我国城市l o k v 配电系统实现自动化运行管理，使城市供电可靠性达到9 9 9 9 。 实现配电自动化是电网建设和改造中现代化管理的重要手段。配电自动化就是在这样的环 境下得到了很快的发展。 国外配电系统自动化始于7 0 年代前后，开始主要以一个主用途为核心进行设计，以后 逐步认识、补充和完善。以英、美为代表的工业发达国家配电自动化发展较早，他们大多 采用在变电站以断路器作主保护，线路上装设多组重合器、分段器的方式，使线路故障不 反应到变电站内。应用的设备大多以油浸式真空重合器和s f 。电子控制重合器。而工业同 样发达的日本，由于其地域小，实施方案与英、美等国家有较大的差别。但是它们配电网 的发展都经历了三个阶段。第一阶段是一次设备在柱上的应用，称为柱上配电自动化阶段。 第二阶段在第一阶段上增加了通信功能，称为遥测、遥控自动化阶段。第三阶段为计算机 控制配电自动化阶段。下面介绍一下这三个阶段的特点 1 1 ： 1 1 柱上配电自动化阶段 应用于这一阶段的柱上设备主要有重合器和分段器，在发生故障时通过重合器和分段 器的动作配合，达到隔离故障区段和恢复健全区段供电的目的。根据采用的分段器的不同， 又可以分为重合器与电压一时间型分段器配合和重合器与过流脉冲计数型分段器配合两种 方式。在重合器与电压一时间型分段器配合方式下，当发生故障时重合器跳闸，随后沿线分 段器因失压而跳闸，经一段时间后重合器第一次重合，沿线分段器依次顺序自动合闸。当 合到故障点时，引起重合器和分段器第二轮跳闸，并将与故障区段相连的分段器闭锁在分 闸位置，经一段延时后重合器第二次重合就可以恢复健全区段供电。而在重合器与过流脉 塑婆查堂堡主堂垡堡壅 冲计数型分段器配合方式下，当发生故障时重合器跳闸，分段器维持在合闸位置，但是经 历了故障电流的分段器的过流脉冲计数器加一，若计数值达到整定值，则该分段器在无电 流间隙分断，当重合器再次重合时，即可达到隔离故障区段和恢复健全区段供电的目的。 以重合器与电压一时间型分段器配合方式为例，结合辐射状和环网状两种配电接线方式 说明这一方法的工作过程。 图卜l 辐射状接线方式 图卜1 给出了辐射网的基本结构。假设e 段发生故障，因故障引起变电站内的c b 跳闸， 所有的柱上开关因失压而断开。站内的c b 再次重合闸，按图示数字顺序各延时一段时间逐 级关合开关。当关至故障段e 时，若该故障为瞬时故障，线路恢复正常，若故障是永久故 障，l s 4 因关合短路而引起站内c b 再次跳闸。这时l s 4 记忆下故障并闭锁。随后，c b 再次 重合，依次给正常区间供电。 图卜2 给出了环网的基本结构。假设当故障发生在c 段，站内的断路器c b i 跳闸，l s l 、 l s 2 、l s 3 因失压而断开。随后的操作过程与辐射网相同，l s 2 、l s 3 发生闭锁。只是在当d 段掉电时，环网点上的联络开关l s 4 在感受到其一端掉电后，开始延时，经过一段时间后， l s 4 合闸，将c b 2 电源供给d 段。以此实现了隔离故障区间，缩小故障范围的目的。 磐。罂b 罂。，婴d 已寸l _ 卜lh l l _ 1 e 口l s 4 r c b 2 。g 邕f 霉；ej rg 厂i 厂一 o j t 一9 一一1 一r 一一c r 一。 图卜2 环网状接线方式 1 2 遥测、遥控自动化阶段 通过无线或载波等特定的通讯方式将线路中配电自动化终端单元信息经由通讯主控制 器进入计算机。可实现以下功能：遥控柱上开关，监视变电站内变压器和馈线的电压、电 流以及站内继电器操作；监视柱上开关的合分状态，通过计算机给出故障段的信息；记录 维护工作数据；同时对区段的负荷进行控制等。 1 3 计算机控制配电自动化阶段 计算机控制配电自动化是在上述第二阶段的基础上，将各子站的信息通过主站的通讯 主控单元，送入主站的计算机系统内，进行全面的计算机管理。在实现了计算机控制配电 自动化后，可以实现以下功能：在变电站和馈线发生故障后，可以自动检测、隔离和恢复 故障，计算机系统自动计算出最佳实施过程并自动完成这一过程；对过载或需要进行维护 工作时，自动核算负荷平衡，给出配电网络的改变过程；被监视的变电站和馈线实时显示 在计算机上以便查询用户信息和设备连接信息；通过打印机等输出设备可将操作票等数据 和信息打印出来；同时还可以进行操作者的模拟训练。 我国的配电自动化虽已起步，但在技术上还缺乏较为系统的设计。我们要吸取先进的 成功经验和改进完善的技术措施，结合自身实际，在条件成熟的地方作一些试点，然后进 一步推广，逐步把我国配电自动化提高到一个新的水平。以往我国发电和配电投资的比例 为l ：0 1 2 ，大大落后于发达国家的1 ：0 6 ，这种状况今后会很快得到改善。目前国内的若 干配电自动化试点地区，通过自身努力并结合国际先进技术和设备已经获得了一定的成果 并积累了宝贵的经验。上海市东供电局在浦东金桥金藤工业园区实施了配电自动化工程， 第一期工程采用法国施耐德集团生产的环网开关柜9 台，基本达到了遥控、遥信和遥测的 目的，但规模较小，且设备依赖进口，造价高。银川城区配电自动化系统全部采用自行研 制的国产设备，采用馈线r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，远程终端单元) 、配变r t u 和建立 在w i n d o w s 9 5 、w i n d o w sn t 平台上的先进的计算机网络系统，运用s q ls e r v e r 大型数据 库系统，并采用有线通信和无线通信相结合的综合数据通道，充分利用银川地调的已有资 源，实现了配网中3 0 余条进线、几十条馈线和七个开闭所及小区变的全面监控，取得了大 量经验，该系统已经通过国家电力公司的鉴定，达到了国内领先水平。 变电站自动化和馈线自动化 配电自动化是一个完全集成在配电管理系( d m s ) 中用于配电网络运行、监视、控制、 故障诊断、故障隔离、网络重构、旨在提高配电网供电可靠性和管理水平的子系统。它包 括变电站自动化( s a ) 和馈线自动化( f a ) 。 2 1 变电站自动化 变电站自动化既可以是一个独立的自动化系统，对整个变电站实施监视、测量、保护 和控制，也可以上与控制中心或d m s 系统通信，下与馈线自动化系统相连，成为配电系统 的二级主站，同时也是调度自动化系统和配电自动化系统的接口，主要负责变电站内数据 的采集及安全监视和控制。站内远方终端( r t u ) 兼负双重职能，一方面是向调度系统传送 数据和接受操作命令；另一方面是向配电自动化系统传送数据和接受操作命令。控制对象 均是站内开关设备，因此要求站内的开关设备和远方终端具有较高的自动化程度和可靠 性。变电站是各种信息的主要来源和枢纽，因此，变电站自动化也是最早实施配电自动化 的重点。 传统的变电站自动化由许多安装在大控制室内的单项自动化装置组成，即各种继电保 护装置、自动重合闸、故障录波、故障测距等各种自动化装置，以及各种变送器、远动装 置、模拟盘和测量仪表、电度表等。此外，还需大量电缆将现场p t c t 、跳合闸线圈以及 位置信号接点一一对应地连接到上述各种自动化装置。但是这种监控系统存在很多的问 题： ( 1 ) 除继电保护将动作信号、电度将脉冲信号送到远动外，各种继电保护、自动装置 和仪表完全独立工作。即使是微机保护和远动之间，也无计算机通信，保护定值整定以及 故障录波和故障测距数据的收集等很多工作都在现场由人工完成。 ( 2 ) 需要一个大控制室来放置各种自动装置和仪表，占地面积大。 ( 3 ) 需要大量电缆将现场与各种自动装置连接，施工、安装和调试工作量大。 ( 4 ) 功能重复，如远动的本地功能和测量仪表。 ( 5 ) 各种自动装置和仪表种类及数量很多，工耗、备品备件及运行维护量大。 随着计算机和通信技术的发展，特别是数字信号处理技术的广泛应用，发展了以直接 交流采样为基础的微机保护和远动；并出现了不同程度地将保护、自动重合闸、故障录波、 故障测距等自动装置以及测量和控制等集成在一起的变电站综合自动化系统。变电站综合 浙江大学硕士学位论文 自动化满足了电力系统安全、稳定和经济、优化运行的要求，并且逐步实现了无人值班和 调度自动化。 2 2 馈线自动化 馈线自动化是从变电站围墙外到用户电表之间的配电线路，它主要是监测配电网故障 并定位、隔离故障区段、网络重构，自动恢复供电。典型的基于f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ， 馈线终端单元) 的馈线自动化系统的组成如图卜3 所示。图中，各f t u 分别采集相应柱上 开关的运行情况，如负荷、电压、功率和开关当前位置、贮能完成情况等，并将上述信息 由通信网络发向远方的配电网自动化控制中心。各f t u 还可以接受配网自动化控制中心下 达的命令进行相应的远方倒闸操作。在故障发生时，各f t u 记录下故障前及故障时的重要 信息，如最大故障电流和故障前的负荷电流、最大故障功率等，并将上述信息传至 9 a s ( g i s t r i b u t i o nh u t o m a t i o ns y s t e m ，配网自动化系统) 控制中心，经计算机系统分析 后确定故障区段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式隔离故障区段、恢复健全区段供电。 区域工作站实际上是一个通道集中器和转发装置，它将众多分散的采集单元集中起来和 d a s 控制中心联系，并将各采集单元的面向对象的通信规约转换成为标准的远动规约( 如 i e c 6 1 8 5 0 、c d t 、d n p 和m o d b u s 等) ，这样配电网自动化s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ，监视控制与数据采集) 系统和变电站、开闭所的数据采集装置就可以 直接借鉴调度自动化的成熟技术口1 。 一馈线 o f t u 一控制线 一通信线 分断开关。联络开关 一断路器 图卜3 典型的基于f t u 的馈线自动化系统的组成 堂垩查堂堡主兰堡垒苎 基于f t u 的馈线自动化系统在正常和异常情况下，都能实时监视线路的负荷，无论配 网的结构是辐射状、树状还是环网状，也无论是开环还是闭环，都能够通过远方操作优化 运行方式，在事故后迅速地自动隔离故障区段，并通过分析故障前线路的负荷情况，自动 以最佳的方式恢复健全区段供电。此外，基于f t u 的馈线自动化系统还能利用f t u 实现微 机保护，能够随配电网结构的改变远方修改定值，实现自适应保护。 3 配电网监视控制与系统数据采集s c a d a 配电网的复杂性和重要性使得其离不开监视和控制。传统的监控任务使用模拟屏实现， 屏上有一个系统接线图，描述了系统的概貌。接线图由仪表、指示灯、模拟开关、操作按 钮等组成，从现场采集的各种信号被传送到接线图上相应的元件。从系统接线图上就可以 清楚地看到系统的运行情况，同时还可以通过模拟屏对分散的现场设备进行控制。模拟屏 相当直观，但是造价比较高，而且占地面积很大，维护不便。随着系统的不断扩容，模拟 屏的修改工作量很大；同时占地面积也进一步增大，有时不得不重新修建新的房子；另外 随着系统的扩大，模拟屏的直观性也变差。随着计算机技术和通信技术的发展，使用计算 机来实现配电网的监控，使用计算机屏幕来实时显示系统的接线图已经变得切实可行。配 电网监视控制与系统数据采集s c a d a 就是这种发展过程中的一个产物。 s c a d a 是“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 ”的缩写，就是监视控制和数 据采集的意思。s c a d a 系统完成了远方现场运行参数、开关状态的采集和监视、远方开关 的操作、远方参数的调节等任务，并为采集到的数据提供共享的途径。从功能上来看，配 电网s c a d a 主要是实现“四遥”功能，即： 1 遥信：采集配电网的各种开关设备的实时状态，通过配电网的通信信道传送到监控 计算机。 2 遥测：采集配电网的各种电量( 如电流、电压、用户负荷、电度等) 的实时数值，通 过配电网的信道送到监控计算机。 3 遥控：操作人员通过监控计算机发送开关开合命令，通过配电网信道传到现场，使 现场的执行机构操作开关的开合，达到给用户供电、停电的目的。 4 遥调：操作人员通过监控计算机或高级监控程序自动发送参数调整命令，通过配电 网的信道传送到现场，使现场的调节机构对待定的参数进行调节，达到负荷大小、电压、 功率因数调节等目的。 浙江大学硕士学位论文 具体地讲，配电网监视控制与系统数据采集s c a d a 应具备如下功能： 1 数据采集功能：采集线路上各开关设备( 如断路器、负荷开关等) 正常运行时的电 流、电压和开关的位置信号，以及现场设备的监视信号等。 2 数据处理功能：当线路发生故障时，应根据远方终端单元r t u 或馈线终端单元f t u 采集的信息，自动判断线路故障区段和故障性质( 相间短路或单相短路故障) ，并对开关的 动作次数进行统计，同时以图形或表格方式输出各种信息。 3 控制操作功能：正常运行过程中投、切开关，并能带负荷遥控投、切环网开关或 负荷开关；遥控投、切空载线路、空载变压器或线路电容器；当馈线发生故障时能自动隔 离故障区段，自动恢复对非故障区段的供电。 4 时间告警功能：遥测量越限、设备运行异常及保护和开关动作时发出声、光报警 信号，并记录、打印、归档。 5 报表功能：生成各种表格、日报、月报、年报等。表格的形式和大小由用户任意 生成。报表定时打印，同时也可随机打印或者拷贝。 6 图形功能：用户可自行编辑、绘制各种图表，提供多窗1 3 的画面显示。画面具有 平移、滚动、缩放、漫游和自动整理等功能。 7 数据库管理功能：借助于窗口，用户方便地对数据库进行创建、删除、修改、读 写、检索、显示，并保证网络上各工作数据的一致性。 8 对时功能：为了保证全网时钟的统一，除网上各机与主机时钟保持一致外，还应 与r t u 或f t u 的时钟保持一致。 要想实现以上功能( 如遥信和遥测) ，配电网的基本信息比如电流、电压和开关状态信 息是必不可少的。配电网的基本信息是由配电现场的远方终端单元；r t u 或馈线终端单元f t u 所收集的。此外，数据还可以手工输入。例如，在没有r t u 或f t u 装置的地方，或者是通 信中断的地方，读表或观察所得的数据可通过电话告知操作员，以便输入计算机。因此数 据采集就显得尤为重要。在配电自动化中系统中，需采集的数据量很多，但从它们的性质 来说，可分为数字量和模拟量。下面我们作具体的说明： 1 数字量的采集遥信的基础 断路器、隔离开关等设备的状态和跳合闸回路的状态以及告警之类的信号等都可以用 数字量来描述。这些状态信号的采集通常使用数字输入板，这种板上有许多端口，一个端 口称为一个位，并且每个端口和状态设备的一个触点相连，触点的开合转化为对应端口输 浙江大学硕士学位论文 入状态的变化。一个状态设备往往有多个触点，因此要占用数字输入板的多个输入端1 2 1 。 通常这种电路是由微处理器的w o1 ：3 来实现的。监控系统在正常工作时，只有在状态发生 改变时才会将状态传送到监控中心。但也有一些监控系统则采用特殊的状态扫描机制，周 期性地收集和传送所有的状态信息，这就要求传送设备具有足够的传输能力。由于采用了 微处理器，我们可以通过软件来设置。对于一些重要的状态信息，比如开关的位置状态， 我们要求做到周期性地采集信息，而对于一些非重要的状态信息，只需要在某些状态发生 变化时才进行状态扫描和传送，这就合理地利用了c p u 的有限资源。 2 模拟量的采集遥测的基础 配电网要收集多种类型的模拟量的测量值，如电流、电压、有功、无功、温度等，这 类测量值代表测量点的瞬时状态。在计算机中，数字量是用二进制的形式存放的，而对于 模拟量只有先转化为数字量才能存放。因此对于模拟量要先进行a d 转换。a d 转换是由 专用的a d 转换器完成的。有些c p u 是自带a d 转换功能的，但是当我们要求得到较高的 精度时，它往往不能满足要求，所以可以采用专用的a d 转换器，比如a d 7 8 7 4 ，a d s 7 8 1 3 等。但是在a d 转换过程中，还是会有许多值得研究的问题，比如a d 采样脉冲的获得， 采样频率的选取，同步采样的实现，采样所得数据的处理和算法等等。本文正是对这些问 题进行了研究和讨论，并获得了一些关于同步采样和算法的结论。 第二章数据采集的几种同步方法 目前配电网中各种测控与保护装置普遍要求交流数据量的同步采样，这对于电力系统 继电保护、故障判断、系统稳定和暂态分析等都具有重要意义。一般，采样脉冲都是在装 置内部时钟的控制下产生的。对于需要异地同步采样的装置来说，由于装置内部晶振频率 有误差，采样难以同步。但是随着电力系统的发展，对系统监控要求的提高，必然要求能 够实现交流数据量的异地同步采样。早先，在国外运用了无线电波广播对时的方法和基于 通信信道的方法、以及基于参考向量的同步方法来实现同步采样。但是这些方法都有自身 所不可克服的弱点。随着卫星与通信技术的发展，卫星授时法已经由军用逐渐转为民用。 其中基于全球定位系统( g p s ) 的同步采样方法已经得到了广泛的应用，并获得了良好的效 果。 1 主站广播对时法 为实现同步采样，主站在同一时刻给系统中所有的测控装置一个同步时钟脉冲。按照 传输的媒介不同，主站广播对时法可以有以下三种形式：a m 调幅广播、微波传输系统和光 纤传输系统【3 】。 1 1 t 5 t 调幅广播 a m 调幅广播主要有五种调幅方法：w w v 、w w v b 、o m e g a 、m s f d c f 、l o r a n c 等。它们的 调幅频率、时间代码格式、主要用途、时间精度、费用以及使用地点都不一样，表2 - 1 作 了详细的比较。 在北美最普遍的广播方式是w w v ，与之配套的商用接收器和同步系统都已经比较成型。 如果信号传输延时时间恒定或者这一时间可以预测，那么这套系统就可以达到1 0 0 us 的 精度川。但是这个假设很难成立，所以在实际运行中只能达到几毫秒的精度。 w w v b ( 美国科罗拉多州的f o r tc o l l i n s ) 广播是一种连续的时间基准信息通过6 0 k h z 的 载波信号传输的方式。这种方式的主要优点是信号传输延时时间相对比较恒定而且可以事 先预测。从理论上讲时问精度可以达到5 0 p - s ，但是由于信号受噪声和幅度波动的影响， 它的精度也只能达到几毫秒1 4 1 。 o m e g a 使用的是很低的传输频率，一般是1 0 1 4 k h z ，它的信号遍布全球范围。由于它 塑垩丕堂堡：! 兰笪丝苎一 使用的是最长的无线电波而使信号可以传输几千公里且传输时间误差只有几微秒。美国海 军电子实验室( u s n e l ) 和美国海军研究所( u s n r l ) 已经通过实验证明了无论通过什么路 径传输，其延时时间预测精度可以达到2 至5 us ”1 。 m s f 是英国国家物理实验所为了使本国的时间和u t c ( u n i v e r s a l t i m ec o o r d i n a t e d ) 时间保持一致而建立的广播系统，由英国电信以6 0 k h z 的频率向全国范围内发送英国标准 时间。而d c f 是由德国建立的，它的目的也是向全国范围内发送德国标准时间，发送频率 是7 7 k h z 。 l o r a n c 传输的是脉冲信号，而且只通过地波传播信号”1 ，因此它很好地解决了w w v 、 w w v b 等方式由于信号可以从地波传播也可以从天空电波传播而使得传输延时无法确定的 问题。它的时间由原子钟控制，精度最高可以达到l o o n s 【6 】。另外l o r a n c 信号还能产生 1 p p s 秒脉冲信号，并以u t c 时间为基准。但是由于它本身固有的频率为l o o k h z ，这就注定 它很容易受到同频率的载波信号的干扰，使得其性能受到很大影响。 表2 一la m 调幅广播的几种同步时钟信号源 类型传输频率时间代码格式主要用途时间精度费用( k $ )使用地点 w w v2 5 2 0 删z b c d i p p s i r i g时间 5 m s1 美国 聊b6 0 k h z b c d i r i g频率和时间2 m s 2 + 美国加拿大 o m e g a1 0 1 4 k l l z i r i g b c d 1 p p s航海 2 5 us3 全世界 m s f d c f 6 0 k h z 7 7 k h zi r i g b t t l时间1 - 1 0 m s 3 英国德国 l o r a n cl o o k h z1 p p s航海l o o n s3 1 0 北半球 1 2 微波传输系统 在很多应用场合，希望通过微波从含有基准频率和时钟源的主站向需要同步的远方子 站传送时间信号。除非传输过程中有特殊装置，这种微波传输系统的最高时间精度只能达 到lus 。它有两种形式：模拟微波和数字微波。模拟微波传输系统直接对连续波进行移相 调制，需要使用最好的微波设备才能获得lhs 精度。而数字微波传输系统则由于数据打包 延时和数据包传送延时使得其精度只能达到7 0 us ”。 1 3 光纤传输系统 光纤传输系统和微波传输系统很相似，只是它是通过光纤来传送同步时间信号的。微 波传输系统由于单边传输和导频锁相而使信号失真和抖动，光纤传输系统很好地解决了这 些问题，因而输出信号更稳定更可靠，同步精度可以达到0 5 us 。 由此可见，a m 调幅广播的几种方法在时间精度上普遍都比较低，而且只适用于局部地 区；微波传输系统的精度不够高：光纤传输系统精度虽高，但需花巨大成本建设光纤系统。 因此，这些方法都不是最佳选择。 2 基于通信信道的方法 基于通信信道的同步方法包括：采样时间补偿法、采样数据修正法和时钟校正法。这 些方法都是建立在利用通信信道传送用于同步处理的各种时间信息的基础之上。 2 1 采样时间补偿法 电力系统为了使两个或多个变电站之间保持时间同步，可以从一个站( 主站) 向另外一 个站( 子站) 发送一个时间信号。这个信号包含同步时间基准信号和启动采样的信号等信息。 传输过程中产生了一个延时时间。为了消除这个延时时间，也就是使子站的采样时间基准 与时间信号传输延时无关，就必须在两个变电站的采样时间基准之间进行补偿。总体上基 于通信信道的采样时间补偿法必须执行以下四个步骤： 1 发送一个带同步时间基准的脉冲信号。 2 收回这个信号，测量传输延时间。 3 将传输延时时间传给子站。 4 对子站进行时间补偿。 主 站 子 站 t s l t t 图2 - i 采样时间补偿法 其原理如图2 一i 所示。其中f 。：，一0 “+ 1 1 ，代表主站采样脉冲序列 浙江大学硕士学位论文 而“，t ：，3 ，0 ，f 砌川，代表予站采样脉冲序列，“f ”代表采样脉冲，假设主 站和子站都是同频率等间隔采样。在开始同步采样以前，由主站向子站发送一帧计算信号 传输延时时间0 的命令信息，子站收到后将命令码和子站处理延时时间一起传送回主站。 假设从主站到子站的延时时间0 与子站到主站的延时时间：相等，“为主站收回信号的时 刻，那么就可以计算出传输延时时间： 0 3 ( 1 0 l t ) 2 ( 2 - 1 ) 假设主站在t 。时刻将包含传输延时时间t 。和进行采样时间补偿的命令信息发给子站， 子站收到信息的时刻是o ，那么就可以计算出子站与主站之间采样脉冲的时间差： a t = 0 一( f m 一岛) ( 2 2 ) 如果血 0 ，表示子站采样超前主站；如果出 0 ，表示子站采样滞后主站。于是我们可 以对子站的下一采样脉冲删+ ”进行调整，其采样时刻为( 川) = ( 0 + t ) - a t 。为了稳定调 节，常常采用以下方法调整： u + 1 ) = 妈+ d 一焉a t ( 2 - 3 ) 其中2 “稳定调节系数，当两站稳定同步后，即可将采样数据进行传送。采样时间补偿 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，能保持两站较高 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，甚至造成数控丢失，其可靠性受通道影响较大。 2 2 采样数据修正法【8 】 主 站 子 站 图2 - 2 采样数据修正法 t t 如图2 2 所示，主站和子站在各自晶振控制下以相同的采样频率进行独立采样，采样 点如图中所示。设，m 时刻由主站发送一帧信息给子站，信息中包括时间标签，。、，。时刻 的电流采样数据l 一以及其它状态和时间信息。该信息经通道延时。后到达子站，到达时 芦螯影沁 _ i j 一且援 卫、心地 o 浙江大学硕士学位论文 刻记为，：。再经过f 。延时后，子站在，。时刻也向主站发送一帧信息，该信息包括时间标签 ，主站刚送来的时间标签，。，、延时f 。( ，。= t s 3 - r ：) 以及f 。时刻的电流采样数据，舻该 信息经通道延时0 ：后到达主站，到达时刻记为f ：。在发送信息和接收信息使用同一通道的 情况下，假设f 。和屯：相等，那么即可由下式计算出通道延时： +f ，d = ，d 1 = ，d 2 = ：! i ：- ! ! l 二! 二 ( 2 4 ) t 。计算出之后，子站采样时刻f 。在主站时间轴上所对应的时刻f 二便可计算出，算式如下： f 二= f ：一t 。( 2 - 5 ) 为满足主站和子站需要同时刻电流数据的要求，须将时刻的电流数据，。，变换到f 。， 或，。时刻的值。一般情况下，采用本方法进行数据传递时，传送的是对应某一采样时刻经 富氏变换得到的基波电流相量。因此，对应r 。，t m 。时刻的子站电流相量可由屯乘以适当 的旋转因子而得到。比如，与r 。时刻对应的子站电流相量为： j 。4 = ，。3 e 7 2 矽：3 ( 2 6 ) 同理可计算出f 。，时刻对应的子站电流相量。这就是采样数据修正法。 采样数据修正法允许两站采样独立运行，只要求具有相同的采样频率，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。该方法对晶振要求高，电网频率变化会影响修正精度。这种 方法在国内外应用较多，动模试验表明两端电流相位差不超过4 。 2 3 时钟校正法f 。 同步端 参考端 t s 1ts 4 t m 2 t m 3 图2 - 3 时钟较正法 t s t m 如图2 3 所示，本方法规定线路一端为参考端，另一端为同步端。设为同步端时钟 的计时时间，f m 为参考端计时时问，并设同步端时钟超前于参考端时钟f ( a t ：一) ，0 为通道传输延时。 设在f ，。时刻由同步端发出一帧信息，它于，。：时刻到达参考端并于r 。，时刻自参考端返 回，最后于，。时刻到达同步端。t i n 2 和，。，将由参考端在下一帧信息里发送到同步端。由图 2 - 3 和前面所设参数可知以下两式成立： | m z 2 t ；l a t l d t 。4 2 t m 3 + a t + “ 由( 2 7 ) 、( 2 8 ) 两式，可以得出和出的算式如下 铲坠玉兰必 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 岔：虹竺止= 坠叠1 2 ( 2 一l o ) 2 在同步端计算出血后，可按照f 的一定比例对同步端时钟进行校正直到出变为零，此 时两端时钟进入同步运行状态。从，的表达式可以看出，的计算并未涉及t 。，因此，当 两端同步后，传输延时的变化将不会影响f 的大小。同时由于两端时钟是由高速晶振控制 的，同步后即使在通信中断的情况下亦能维持较长时间的同步运行。结合自适应调整技术， 可保证开始时两端时钟的快速同步，而正常运行时使同步更稳定和更精确。两端时钟同步 后，采样便可同步进行。计算出的t 。则可用于对通道延时进行监视。 对于以上三种同步方法中，我们都假设在信号传输过程中，同一线路不同方向的传输 延时时间相等，但实际上是不可能的，而且随着通信信道结构的不同而有差异。表2 2 中 列出了几种不同信道结构的组成、影响不同方向传输延时时间差的主要误差因素和期望误 差【1 “。类型1 利用了两条光缆，如果两条光缆安装在同一套管里，那么在传输2 5 0 0 k m 时 绝对时间误差小于2 0 0 n s 。这个误差主要是由光缆长度不对称、传输特性不同和波长不 同等原因引起。类型2 和类型3 利用了波长分隔多路复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x ， w d m ) 技术，不同方向信号传输共用一条光缆，因而克服了光缆长度不对称这一主要误差因 素。类型2 的传输延时时间差主要由波长不同引起，波长分别为1 3 u1 1 1 和1 5 um 的信号 传输4 0 k m 时绝对时间误差小于l o o n s l ”1 。类型3 采用了传输延时矫正的方法，因此绝对时 间误差可以小于l n s 【”】。 基于通信信道的采样时间补偿法已经在现场中得到了应用，如南瑞公司的l f p 一9 3 1 a 型 浙江大学硕士学位论文 光纤电流差动保护。采用时钟校正技术实现两端的同步采样的方法，与前面两种方法相比， 其可靠性受通道影响最小。该方法已在a b b 公司生产的r e l 5 6 1 型差动保护中得到应用，效 果良好。但是这些方法都依赖于通信信道，如果在代码传输过程中出现错误或者是通信信 道中断，都将造成不良后果；另外，还要花巨资建设通信信道，购买通信终端设备。 表2 - 2儿种信道结构的比较 类型信道结构主要误差因素 期望误差 类型 苴 1 光缆氏度不对称 1us 通 1 哑二二 一 2 光缆传输特性不同 2 0 0 n s ( 典型) 1 道一 二二二i h 2 3 波长不同 4 光缆长度不同 1 - 、厂- 类型 i 波长不同 w d m 迹二二二二 l o o n s ( 典型) 2 一 _ 一 22 光缆长度不同 多 通 道 类型 薹黼点 二 波长稍微不同 i n s 3 一一x 2 基于参考相量的同步方法 为使同步问题摆脱通信信道的束缚，有人提出了利用参考相量实现同步的方法，现简 单介绍其中的一种双相量比较法】。 图2 4万型等值模型 该法利用线路模型计算出代表同一量的两个相量，然后利用这两个相量的相位差实现 采样同步。如图2 4 所示为某一线路的正序分量石型等值模型，其中砖、j 。和玩、五t 分别 是线路两端的正序电流和电压相量，蜀、厶、c 1 分别为线路正序参数。由电路模型得： 当小 t i t n i 鱼。 砒 咎 孔n | i j 鱼。 tlt_卫t 叶 j 。：t j 旱矿 j 。t ：n ，国拿砍 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 碗( 椰= 攻一z ，( 一，导攻) ( 2 一1 3 ) 二 式中，j ，、j ，- 均为线路正序电流，但由线路两端电流j 。、j 。分别计算出；吒舢为以a 端 电压为基准时计算出的b 端电压k 。 ，和，t 虽然在物理上代表同一电流量，但由于计算时具有不同的参考电流，故两者 之间存在相位差。该相位差的大小正好反映了两端参考电流之间的相位差，由此可给出两 端采样时钟在时间上的差异；对此差异进行时间补偿就可以使两端数据采样同步。这是基 于电流量的同步方法。 同理，我们也可以比较由a 端电压坟计算出的b 端电压碗。和b 端直接测量得到的电 压矿，它们在物理上代表同一电压量，它们之间的相位差同样代表了两端参考电压之间的 相位差。由此可得到基于电压量的同步方法。 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( 我们将在以后的章节中 讨论) 将参加比较的电流或电压相量在故障前估计出来，然后传到另一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间信息，不需计算通道延时，消除了前述方法中 两个方向传输延时相等的假设所带来的不良影响。 4 卫星授时法 在i e e es t d1 3 4 4 1 9 9 5 中对同步时钟源提出了要求”】：“同步时钟信号必须在任何测 量装置所在位置保持不间断，可靠性要高于9 9 8 7 ( 每月间断时间小于1 小时) ，同步时 钟信号必须使同步采样装置和u t c 时钟保持精度在l 1 1s 的同步范围内。”按照这个标准， 前面叙述的三种同步方法似乎很难满足要求，因此人们利用了高精度高可靠性的卫星授时 法来实现电力系统的同步采样。可以采用的同步卫星系统有两种：g o e s ( g e o s t a t i o n a r v o p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t a ls a t e l l i t e ) 卫星和g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 卫星。 g o e s 卫星的主要任务是进行气象预测，特别是预测西半球的龙卷风，其次才是同步时 间传送。如果g o e s 接收器所在位置已经预先编程，那么接收器从时间信号中解码得出的时 浙江大学硕士学位论文 问与u t c 标准时间的误差可以控制在2 5us 之内。由于这一系统只有两颗卫星，任一卫星 故障都会使一些地方接收不到信号。接收天线使用碟形卫星天线，如果卫星移动，天线就 必须跟着作调整。另外，g o e s 卫星使用的是4 6 8m l t z 的频率，它会受到地面的移动通信系 统和日食的干扰。鉴于这些原因，这一系统没有得到广泛的应用。 g p s 卫星是由美国国防部历时2 0 多年建成的