全球定位系统-GPS-在电力系统中的应用概要

第20卷第6期2003年12月现代电力M ODERN E LECTRIC POWERV ol 120N o 16Dec 12003全球定位系统(GPS在电力系统中的应用申晓留周长玉雷琼(华北电力大学(北京计算机科学与技术系,北京摘要:介绍了全球定位系统(G PS 的原理,以及全球定位系统在电力系统中诸如授时校频、高精度测量等方面的应用,着重提出了一种基于G PS P ocket PC 输电线路巡检的设计方案。关键词:全球定位系统;输电线路巡检;P ocket PC中图分类号:T M769;T N927+12文献标识码:A 文章编号:(205 收稿日期:18作者简介:申晓留(1951-,男,高级工程师,研究方向为计算机在电力系统中的应用。1全球定位系统概述全球定位系统(G lobal P ositioning System ,缩写G PS 是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,于1994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。G PS 是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样,全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机3大部分组成。G PS 组成结构图见图1。图1G PS 组成结构示意图目前,全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2102万km 的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道,运行周期约为11h58min ,分布在6个轨道面上(每轨道面4颗,轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方,任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP 。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。G PS 能连续地为各类用户提供三维位置,三维速度和精确的时间信息。G PS 提供的测量信息较多,既可通过测距码测定伪距,又可测定载波多普勒频移,载波相位。地面监控部分包括4个监控间、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有G PS 用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地,它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对G PS 卫星的全部观测数据,利用这些数据计算每颗G PS 卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗G PS 卫星每天进行一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。用户接收机:前面两大部分是由专门机构投资建立,维护和运行的,一旦工作,它将昼夜不停的发送导航定位信息。这是一种可供无数用户共享的信息资源。换句话说,购买了用户接收机再与地面监控站配合,就可以完成定位信息的接受,不必再购买卫星使用权。全球定位系统能提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间。不受天气影响而且单度定位精度优于10m,采用差分定位,精度可达厘米级和毫米级,是迄今最好的导航定位系统,它的广泛应用也充分地证明了这一点。2全球定位系统的应用正如人们所说:“G PS的应用,仅受人们想象力的约束。”G PS问世以来,已充分显示了其在导航,定位领域的强大功能;许多领域也由于G PS 的出现而产生革命性的变化。目前,几乎全世界所有需要导航、定位的用户,都被G PS的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活和优质价廉所吸引。今天,G PS应用领域已涉及到如汽车、飞机、轮船、建筑、移动制导、农业甚至有赶超计算机的趋势,很快G PS将成为人们生活中最基本的,如同电话一样的生活必备品,见表1。表1GPS应用领域表G PS应用于导航G PS应用于授时校频G PS应用于高精度测量船舶远洋导航和进港引水电力、邮电、通讯等网络的时间同步各种等级的大地测量和控制测量个人通讯终端(与手机、PDAP ocket PC、电子地图等集成一体准确时间的授入道路和各种线路放样飞机航路引导和进场降落准确频率的授入水下地形测量地面车辆跟踪和城市智能交通管理地壳形变测量,大坝和大型建筑物变形监测汽车自主导航GIS应用紧急救生工程机械(轮胎吊,推土机控制个人旅游及野外探险精制农业G PS的广泛应用改变了人们的工作方式,提高了工作效率,带来了巨大的经济效益。我国的G PS应用发展迅速,短短数年G PS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域。随着G PS的不断改进以及软、硬件的不断完善,应用领域也正在不断的开拓。3全球定位系统在电力系统中的应用在电力系统中,全球定位系统的应用领域也在不断扩大。311授时校频应用于继电保护和自动装置的精确对时快速继电保护和多功能自动装置随着高电压大电网的应运而生获得了很大的发展。电力系统的精确对时也提到了重要位置。它可以满足以下几方面的需要:检测功率平衡和控制潮流。由于电力系统的发、供、用是同时完成的统一体,测录电网各相关部位的电压、电流、功角和输送的功率就十分重要,这些信息是调度人员进行电力调度的依据,也是维持高质量电能的监控基础。电力输送应遵循输送能量损耗为最小的原则,所以就必须在同一时刻测量处于不同位置的同一线路,受进与送出的电能,这样才能准确计算出某元件的电能损耗,否则,正确的损耗测量是办不到的。电力系统发生异常或事故时,故障录波装置会录制有关波形。对这些波形的分析,必须有同一时间的基准,否则就不能正确判断事故发生的原因、判断各种保护及自动装置动作行为的先后顺序的正确与否、以及发展过程。高频保护调试需要在线路两侧的高频保护上同时加故障量,以真实的模拟线路发生区内或区外故障时高频保护的动作行为。在线路两侧同时加故障量,靠一般时钟的工作精度是办不到的,这是因为一般时钟的工作精度是秒级,而作为快速保护的高频保护其工作时间是毫秒级,采用G PS准确定时功能就可以满足同时加故障量的要求。电力市场竞价上网的实时报价也需要交易中心与发电厂准确对时。G PS准确定时功能可以使交易中心与发电厂有一规范、精确的时间参照标准。312高精度测量应用于煤场盘点火力发电厂的燃煤管理是生产管理的重要环节,对电厂的经济指标有着直接影响,因而迫切需要快速、准确地测出煤场的存煤量,以便于电厂进行成本核算、经济效益评估和科学管理。目前燃煤57第6期申晓留等:全球定位系统(G PS在电力系统中的应用电厂煤场存煤量的测量(盘煤,一般采用人工计量的方法,即先用推土机对煤堆进行整形,人为地推成近似梯形,再用经纬仪和米尺进行人工丈量。这种方法不仅耗费大量工时和人力,而且计量也不准确,受人为因素影响较大。G PS 的出现将使这种传统方法成为历史。利用G PS 系统快速测量整个煤场各特征点, 并记录其空间坐标,可绘制煤堆任意视角的立体图形,从而计算出全煤场煤堆的体积,再乘以煤的比重,即可得到煤场的储煤量。采用它不需对煤堆进行整形,就可方便地测出煤场的存煤量,体积测量误差小。采用G PS 系统的目的在于提供一种结构紧凑、操作简单、测量精度高的盘煤方法。它也可用于其他领域内对不规则形体的体积计算。图2基于G PS 的煤场点示意图4基于GPS Pocket PC 的输电线路巡检设计方案在电力系统中,架空高压输电线路是一重要组成部分。为了保证高压输电线路的安全、稳定运行就必须加强线路的运行维护工作(主要包括:按一定周期对线路进行巡视、测量、检修逐步提高线路设备的健康水平,使之处于完好的状态,保证安全可靠的输送电能。定期对输电线路进行巡视是维护工作的最重要的环节。目前,国内电力行业所普遍采用的线路巡检方式主要有两种,一种是传统的人工巡检方式,即人工巡视、手工记录的模式,这种方式存在着人为因素较多,管理不便等问题;另一种方式是半自动化方式,这种方式对于巡检可靠性的提高起到一定作用,但还存在着成本高、安装复杂、不便管理等不足,尚未得到广泛的推广和应用。所以除个别地区500kV 线路有选择地进行航巡、航测外,绝大部分地区线路巡视工作仍然依靠人工在地面逐基杆塔进行,由于地区线路的巡视工作在野外,使巡视人员有可能疏忽漏检,甚至不去巡检,而且对发现的线路某部件缺陷只进行手工记录,最后交给管理人员进行人工汇总分析,易出错,工作量也比较大。因此急待开发一种智能型的线路巡视系统,可以及时准确地完成巡视工作、减轻巡视人员工作量,也为管理者提供有效的监督依据,进而达到提高工作效率及管理水平的目的。图3G PS 输电线路智能巡检系统组成示意图67现代电力2003年基于G PS 的输电线路智能巡检系统由G PS 夹克、P ocket PC (我们这里选用了“康柏”的掌上电脑、线路巡检管理主机组成。巡检人员在到达所需检查的地点后,将输电线路上各个巡视点的情况记录在P ocket PC 中,同时从G PS 中记录当时的地理位置信息和当前时间信息。一次巡检结束, 只需将P ocket PC 中数据与线路巡检管理主机的数据进行同步就可以了。G PS P ocket PC 的组合可以完满地达到方便快捷、数据精确的要求。这是由于使用了G PS 定位能避免由于巡检人员责任心不强造成的巡检不到位、漏检等现象,而P ocket PC 又可以方便地记录输电线路上各巡视点的情况。图4P ocket PC G PS 手持终端登陆界面首先,G PS 手持终端管理软件通过通讯接口从管理主机接收本次巡视任务;然后,巡检人员在到达巡检点后,使用G PS 手持终端接收G PS 卫星信号,并把接收到的G PS 信号和本次巡视任务中巡视点的经纬度坐标进行比较,查询比较之后,显示出对应巡视点的详细巡检内容及相应的下一步操作。若该巡视点存在缺陷,可以从G PS 手持终端管理软件的缺陷库中选择相应缺陷并进行记录,一次巡检结束后,再将这些数据通过通讯接口一次上传到管理主机,从而进行分析、统计、查询等操作。在线路巡检中使用G PS ,关键是要在指定地点将G PS 传回的卫星数据记录下来。若当前没有和卫星取得联系,那么G PS 所传回数据的其中一种格式为:S |G PR MC ,UT C -TI ME ,V ,。这串数据是警告用户,通讯尚未连通,巡视人员暂缓进行巡检操作。下面是一个卫星数据格式的例子:G PR MC ,204 700,A ,3 ,N ,11 ,W 。S |G PRMC 表示所取得的G PS 数据格式属于哪种类型,具体解释见表2。表2GPS 夹克的N MEA 数据结构数据NME A 0183协议说明S |G PRMCG PS 推荐的最短数据UT C -TI ME 24小时制的标准时间,按照小时分钟秒的格式A A 或者V A 表示数据“OK ”,V 表示一个警告LAT 纬度值,精确到小数点前4位,后3位N LAT -DIR N 表示北纬,S 表示南纬LON 经度值,精确到小数点前5位,后3位WLON -DIRW 表示西经,E 表示东经G PS 在输电线路巡检中的使用,使得巡检中不按照巡视路线巡检、漏检、巡视不到位、不及时和做虚假巡视记录的现象得以解决。巡检人员每次巡检的路线、时间都将准确地通过卫星记录在P ocket PC 中,为管理者提供了有效的监督依据,进而达到提高工作效率及管理水平的目的。5结束语随着G PS 技术在导航定位、授时校频、高精度测量方面的开发、推广和应用,必将不断推动电力系统中自动化技术的发展,极大地提高整个电力系统的工作效率。G PS 输电线路智能巡检系统将使输电线路巡检工作向标准化、规范化、智能化靠拢,减轻巡视人员和管理人员的工作量,进一步提高输电线路的生产管理水平,具有良好的市场发展前景。77第6期申晓留等:全球定位系统(G PS 在电力系统中的应用参考文献1周忠漠等1G PS卫星测量原理与应用M1北京:测绘出版社,199212刘基余等1全球定位系统原理及其应用M1北京:测绘出版社,199513李洪涛等1G PS应用程序设计M1北京:科学出版社,199914向前等1G PS在贵州东部电网“4124”继电保护误动事故分析中的应用J1电网技术,2000,24(1:222315王峥等1变电站全球定位系统脉冲校时的研究与实践J1江苏电机工程,2002,21(2:16181 6池勇1G PS全球定位系统在电力系统中的应用J1浙江电力,2000(3:22241Application of G lobal Positioning System in the E lectric Pow er SystemShen Xiaoliu,Zhou Changyu,Lei Qiong(Dept1of C omputer Science and T echnology,NCEPU(B J,BeijingAbstract:This paper introduced the G lobal P ositioning Systems principle,as well as G lobal P ositioning System in power system such as giving the application scheme of calibrating frequency,the measure of high ac2 curacy1Based on the G PSP ocket PC a kind of design scheme about transmission netw ork check is presented1K ey w ords:global positi