多模GNSS高精度授时在电力系统中的应用分析

多模GNSS高精度授时在电力系统中的应用分析孙晓波 李冶天（黑龙江电力调度通信中心，黑龙江 哈尔滨）摘 要: 分析了电力系统对高精度同步时钟需求以及全球导航卫星系统（GNSS）应用的可行性, 给出多模GNSS授时装置的架构，举例分析GNSS高精度授时技术在电压相角测量、输电线路故障定位中的应用，其对于推动电力系统时间同步技术的发展具有重要的意义。关键词: GNSS、电力系统、高精度、授时Multi-Mode GNSS High Precision Time Service Device Application Analysis in Power System.SUN Xiaobo, LI Yetian(Heilongjiang Electric Power Dispatch Communication Center,Harbin )Abstract:：The paper analyzed the need for high precision synchronous clock and the application feasibility of Global Navigation Satellite System in power system, gave the framework of Multi-mode time service device based on GNSS, analyzed the application of high precision time service in voltage phase measurement and fault location of transmission line, showed its signification in pushing development of time synchronization technique in power system.Keyword: GNSS, power system, high precision, time service我国电力系统是以超高压输电、大机组和自动化为主要特征的现代化大电网。我国电力系统的运行实行分层控制，电力系统设备的运行往往要靠几十公里甚至数百公里外的调控中心指挥。电力系统运行瞬息万变，发生事故后更要及时处理，这些都需要统一的、精确的时间基准。为保证电网安全、经济运行，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置广泛应用，如调度自动化系统、故障录波器、微机继电保护装置、事件顺序记录装置、变电站计算机监控系统、火电厂机组自动控制系统、雷电定位系统等等，这些自动化装置都需要统一的时间基准，这是保障设备安全运行和管理的重要基础。这些装置的正常工作和作用的发挥，同样离不开统一的电力系统的时间基准。1 电力系统对高精度同步时钟需求分析随着电力系统规模的日益增大，电力系统的安全、稳定、可靠运行对时间的基准同一性、同步性及精度要求也在进一步提高，在电厂、变电站及调控中心等建立专用的时间同步系统已经显得十分迫切和必要。电网对时间同步的迫切需求主要体现在电网调度、电网故障判断等与电力生产直接相关的自动控制领域。同时，随着数字电网建设的加快,一些新的系统,如电网预决策分析系统对时间同步的需求更迫切。电力自动化设备(系统) 对时间同步精度有不同的等级要求 ,大致分为以下4 类1-4:1) 时间同步准确度不大于1 s :包括线路行波故障测距装置、同步相量测量装置、雷电定位系统、电子式互感器的合并单元等。2) 时间同步准确度不大于1 ms :包括故障录波器、SOE 装置、电气测控单元/ 远程终端装置(RTU) / 保护测控一体化装置等。3) 时间同步准确度不大于10 ms :包括微机保护装置、安全自动装置、馈线终端装置( FTU) 、变压器终端装置( TTU) 、配电网自动化系统等。4) 时间同步准确度不大于1 s :包括电能量采集装置、用电监控终端装置、电气设备在线状态检测终端装置或自动记录仪、调度中心数字显示时钟、火电厂和水电厂以及变电站计算机监控系统、能量管理系统（EMS）、电能量计量系统(TMR) 、继电保护及故障信息管理系统主站、电力市场技术支持系统等主站、负荷监控管理系统主站、配电网自动化系统主站、调度管理信息系统(OMS) 、企业管理信息系统(MIS) 等。可见，根据电力系统时间同步的现状和应用前景, 电力系统统一时钟的精度可以定为0.1 1s。2 GNSS在电力系统应用的可行性全球导航卫星系统不仅是一个全天侯的导航系统,而且是一个高准确度的授时系统5、6。GNSS 可以通过以下几种方式授时7、8：1）、单站单星, 就是应用一台GNSS 接收机,在一已知坐标观测站上进行测时的方法, 测时的精度与跟踪的卫星有关,同时还决定于卫星的轨道误差、观测站的坐标误差、卫星钟差、大气折射改正误差以及电离层改正等误差影响。2）、单站多星测时法。就是应用一台GNSS 接收机,需要能收到4 颗以上卫星的观测站上进行测时的方法。测时的精度与接收机钟差精度因子TDOP有关，同时还决定于卫星的轨道误差、观测站的坐标误差、卫星钟差、大气折射改正误差以及电离层改正等误差影响。3）、共视法。在两个观测站或多个观测站各设一台GNSS接收机,并同步观测同一颗卫星来测定两用户时钟的相对偏差,从而达到高精度地时间比对的目的。共视法可以消除卫星钟差的影响,同时明显减弱卫星的轨道误差以及大气折射误差的影响。在GPS 共视法的同步观测误差小于1s 时,能有效地减弱SA 的影响。利用GNSS共视法进行时间比对,所得相对钟差与测站之间的距离和使用的观测值有关。对于5000km 距离,如果要求1ns 的时间传递精度,则需1m 的轨道精度。精度一般能达到数十ns 到几个ns 。4）、综合法。与单站多星测量模式相似,在各站观测所有在视的卫星,但同时又像共视法同步观测,交换两站数据综合处理。结果与共视法的精度相当,但提高了可靠性。根据上述分析可见，卫星导航系统能够很好满足各类电力系统对时间同步精度要求。根据电力系统卫星导航接收机天线安装后保持固定的特点，电力系统时间同步装置能够只要一颗卫星基于单站单星模式就可以实现授时，提高了系统的可用性，同时也可以利用观测卫星的冗余性，进行数据修正提高授时的精度。目前我国电力系统配备的时间同步装置主要以GPS为主，为了保证电力系统的稳定性和安全性，部分厂站配备了GPS和北斗一代的双系统备份。全球将逐步完善四大卫星系统即中国的北斗二代系统、美国的GPS、欧洲的GALILEO和俄罗斯的GLONASS系统，系统间具有很好的兼容性和互操作性，将来可供兼容接收机使用的卫星数量大约有120个，如表1所示9-12。因此，为了确保电力系统安全稳定可靠地运行,必须考虑到时钟源的互为备用，不能只选一个时钟源, 应该选择2个或2个以上不同表1 全球卫星导航系统卫星数量现状及预测的时钟源。基于多系统兼容的卫星导航的单星授时将成为电力系统理想的时钟。3 多模GNSS单星授时装置的架构GNSS 同步时钟的主要功能是接收GNSS 卫星的高精度同步时间信息，并以此为电力系统各种自动化装置的时钟对时，保证电力系统的时间同步。GNSS 同步时钟主要由GNSS 信号接收单元、中心处理单元以及同步脉冲生成及输出信号扩展单元构成。其结构如图1 所示。图1多模GNSS单星授时装置的架构1）、GNSS 信号接收单元多模GNSS单星授时模块信号接收单元的主要任务是负责接收来自GNSS系统的导航信号，GNSS接收的射频模块是基于杭州中科微电子公司的HZG07V2和美国MAXIM公司的max2769。这些模块能够通过配置工作于BD2、GPS、GALILEO等L频段的多种参考频率。2）、中心处理单元中心处理单元基带信号处理部分通常采用基于FPGA+ARM+DSP的软件接收机架构。利用电力系统授时装置位置固定的特点，即已知的接收机的位置信息，修正影响时间精度的因素，如对卫星时钟误差、相对论误差，电离层延迟误差、对流程延迟误差，同时利用卫星的冗余性校正本地时钟误差。在此基础上，计算出GNSS 信号从卫星到接收天线的传播延时，解调出GNSS 卫星所发送的导航电文，实时计算出测站的时间信息，输出与国际标准时间UTC 保持高度同步的秒脉冲选通信号1PPS (1PPS 为标准的TTL 逻辑电平，它上升沿与UTC 的秒脉冲上升沿保持高度同步，误差为1s)，并通过RS-232/485 等串行接口输出与1PPS脉冲前沿相对应的UTC 标准时间、日期及接收器所处方位等信息。图2 多模GNSS单星授时卫星导航模块整体设计多模GNSS单星授时卫星导航模块整体设计如图2所示。其中GNSS基带部分由Altera Cyclone III的EP3C120F780I7和TI公司的基于内置DSP和ARM9内核的SoCDaVinci构成，这样可使授时装置具备多星座GNSS融合带来的授时的连续性、可用性、完好性，以及软件接收机方便性、灵活性、易于升级等特点。3）、同步脉冲生成及输出扩展单元同步脉冲发生电路主要扩展同步时钟的校时脉冲输出，使系统的同步授时能够更加方便灵活。为了提高装置的可靠性，输出信号通常通过光电隔离后输出，输出的同步脉冲既可以是有源TTL电平形式，也可以是静态空接点形式。为满足电力系统多种信号类型、多个输出接口的通信要求，通过总线扩展出多个输出接口，输出 PPM、1PPH、RS- 232 和IRIG- B 等多种信号输出接口，可以做到一机多用。4 高精度GNSS同步时钟在电力系统中的应用在电力系统中，为了分析电力系统故障的起因和发展过程，要求厂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，这些系统均在同步的时钟下工作。电网调度自动化也要求主站端与远方终端的时间同步。GNSS的同步时钟以其对时的精确、快速、可靠等优点，可为电站和线路走廊的设计、施工提供帮助；可用于电力系统的实时状态监测，进而对电力系统进行分析与控制；可用于故障顺序记录、故障录波、故障定位、相量测量、励磁调速等；可用于电力系统的失步保护、线路电流差动保护、继电保护装置的同步精确定时；还可用于电网的综合自动化以及配电网络的管理和组织等。GNSS高精度授时技术在电压相角测量、输电线路故障定位的应用如下所述12。1）GNSS 定时在电压相角测量中的应用电压相角的测量,通常是将电网上送端的电压波形通过专用通道传递到受端处,并和受端处的电压波形相比较,从而得出两端的电压相角。由于这种方法在异地通讯传输上有很大的延时,因此,测量的实时性得不到保证,测量精度也不能满足要求。另一种方法是在电网上对两点的电压相位进行同步采样,这种方法要求异地两个时钟必须有较高的同步精度。高精GNSS同步时钟提供的标准时间用来同步异地测量装置中的时钟,使所有测量装置都运行在同一时间基准上，从而有利于提高整个测量系统的精度。2）基于GNSS 的输电线路故障定位输电线路故障定位一直是电力系统急需解决的难题。GNSS 用于电力系统中,使得两端同步采样的故障定位方法得以实现。输电线路发生故障时,线路两端测量的电压、电流量是故障点距离的函数,因此通过求解包含故障距离的电压和电流平衡方程式来对故障点定位。5 结论本文在分析了电力系统对高精度同步时钟需求的前提下，分析了GNSS高精度授时的特点和在电力系统中应用的可行性, 给出多模GNSS授时装置的架构，分析GNSS高精度授时技术在电压相角测量、输电线路故障定位等方面的应用。可见，将GNSS同步时钟技术应用于电力系统中，不仅大大提高了电力系统的自动化程度，为我国大电网安全稳定运行提供保障，而且使电力系统管理上更具人性化、公正化、信息化。参考文献1王国栋,杜志伟.基于GPS 的同步时钟研制及其在电力系2统中的应用.湖北电力,2005,29(5):27-292 姜彤,艾琳,杨以涵.北斗导航系统及其在电力系统中的应用.华东电力,2009,37 (4):612-6153 于跃海,张道农,胡永辉.电力系统时间同步方案.电力系统自动化,2008,32(7):82-864 张岚,张斌.电力时间同步系统的建设方案. 电力系统通信,2007,28(171):23-275 谭述森.卫星导航定位工程M.第一版. 北京:国防工业出版社,2007 :1-146 E.D.Kaplan.Understanding GPS: Principles and Applications, Second Edition, Artech House Publishers, 20077 张晓飞.GPS同步时钟技术在电力系统中的应用分析. 广西电业,2009(4):82-908 武珂.浅谈GPS在电力系统中的应用.中州煤炭，2005(6):22-23 9 ICD-GPS-200C.NAVSTAR GPS space segment navigation user interfaces (IRN-200C-004).ARINC Research Corporation, April, 2000.10 ESA / European GSA (2008) Galileo Open Service Signal In Space Interface Control Document (OS SIS ICD), Draft 1, Published on 14 February, 2008, 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