GPS同步暂态录波仪的研制

-.zGPS同步暂态录波仪的研制摘要介绍了能同步记录并分析电力系统各种扰动变化过程的GPS同步暂态录波仪及其软件系统。介绍了基于暂态录波仪的输电网故障行波定位系统。该仪器性能可靠、操作方便并通过了模拟试验。关键词全球定位系统数据采集故障录波0引言在电力系统故障、操作、雷电等扰动过程中，电压、电流信号含有大量的高频分量及系统状态信息［1］。电力系统暂态保护中将故障发生瞬间产生的高频信号作为判据，抑制了常规保护的一些缺陷，具有动作速度快、受系统参数的影响小等优点［2－4］。

暂态保护与控制系统需要多通道同步高速数据采集与处理单元，而通常的微机保护一般采用稳态量判据，采样速率低，一般为600～1000Hz；故障录波仪采样率略高一点，一般为1～5kHz，主要是用来记录由系统大扰动引起的系统电流、电压及其导出量的变化，监视继电保护与平安自动装置的动作行为，满足不了暂态保护与控制分析的要求。目前在市场上出售的高速AD采集卡，其采样频率可达20MHz，但一般只有一个通道，8位精度，且不带GPS同步时钟信号。另外，高速示波器、虚拟仪器或者采样精度不够，或者采样通道数不够，或者没有同步采样(没有GPS时钟信号)，或者没有外部启动并记录启动前后数据的功能〔5〕。因此，电力系统暂态分析、暂态保护、行波定位、FACTS系统及故障检测受到高速采集系统的限制。

本文研制的GPS同步暂态录波仪是一种具有GPS时钟的高速同步采集记录分析系统，类似故障录波仪，可实现现场数据的高速同步采集。1设计方案GPS同步暂态录波仪由信号传感器、启动信号发生器、GPS同步采集控制卡、高速AD采集存储卡、PC工控机、通讯部件及分析软件组成。信号传感器、启动信号发生器安装在现场，GPS同步采集控制卡、高速AD采集卡安装在工控机内，信号通过高频电缆传输。1.1信号传感器的选取GPS同步暂态录波仪同步采集多路信号，信号由传感器引入，采集信号不经滤波处理直接进入AD转换。传感器分为电压传感器和电流传感器两种。电磁式传感器对阶跃信号的响应时延一般在数μs至数十μs之间［4］，能够满足高频测量的要求；而超高压线路的电容式电压互感器暂态特性差，以致一般超高压线路进展暂态特性分析时不采用电压信号，只采用电流信号。1.2启动信号的选取启动信号的选取关系到暂态录波动作的灵敏度，不同的使用目的，采用不同的启动信号。利用GPS同步暂态录波仪进展电力系统故障分析时，取故障跳闸信号为启动量；进展操作过电压分析时，取开关量动作信号为启动信号；进展系统扰动分析时，则采用电压、电流突变量(内部启动信号)启动。另外，由于一般系统过电压都会使避雷器动作，为了提高故障启动的灵敏度，保证在避雷器动作后能准确记录过电压的瞬变过程，在分析过电压时，采用通过避雷器的电流信号作为启动信号。依照现场对启动的可靠度和灵敏度要求不同，通常采用几个启动信号相与或相或启动。1.3同步采集脉冲及GPS准确时间的产生采用高精度恒温晶振(5MHz，误差<10-9s)产生5MHz的AD同步采集脉冲。采用单片机接收GPS串行时钟(产生年，月，日，时，分，秒时钟)。由恒温晶振驱动24位累加器，由GPS产生1Hz脉冲信号定时对累加器清零，产生0.2μs时间信号。当GPS短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真时，可临时由高精度晶振产生1Hz时钟信号定时对累加器清零，保证1h内误差小于3.6μs［6］。1.4高速AD采集多个通道同步采集，采用12位高速AD转换，每个通道16×1Mb的存储空间，每个存储值包括12位采样值、4位时间码，这样能保存10个周波的信息。AD采集由硬件(恒温晶振)控制，连续循环采集，循环存储。当启动信号到来，延时采集几个周波后，停顿采集，并中断PC工控机，读取采样值。数据传输完成后，又循环采集。1.5测量网络的形成对于*一电压等级的电网，在每个监测点安装一套GPS同步暂态录波仪，电网中任一点故障、雷击或其他原因造成的扰动，在整个电网中都有高频信号产生，因此每个监测点的GPS同步暂态录波仪都将会记录系统扰动的暂态信号。采用记录的高频信号分析系统的暂态过程，可以用来研究暂态保护原理、行波过程和设计FACTS系统的控制方案。2高速AD采集系统的设计高速采集系统由硬件控制同步循环高速采集。外部开关信号、避雷器动作信号、内部突变量信号等启动，延时记录启动后的一段数据，停顿采集，中断PC工控机，读取启动前后信息。

采集系统由GPS同步采集控制卡、高速采集存储卡、采集软件等组成。2.1GPS同步采集控制卡(1)GPS接收机采用的美国Motorola公司Vponcore8通道GPS接收机模块体积小、功耗低和定时精度高，最多可同时接收锁定8颗卫星的信号，输出时间误差<50ns的1Hz脉冲信号。

(2)24位累加器由晶振驱动，GPS时钟接收准确时，由GPS产生的1Hz信号对累加器清零；GPS时钟接收失败或时钟失稳时，则由累加器自身产生的1Hz信号定时清零，使累加器在1s内循环计数，并由其启动CPU进展秒计时。图1采集系统硬件原理图(3)逻辑器件采用ISP(超大规模可编程器件)，实现了在线可编程，方便逻辑电路功能的修改，根本上到达了逻辑电路硬件的“软化〞，其逻辑功能有：

(a)PC机口地址的译码和控制电路

(b)实现了20位地址计数器和20位地址锁存器电路

(c)实现了故障启动识别电路

(4)采集系统与PC机之间可通过中断方式或查询方式通讯、中断号及查询方式由跳线设置，可由用户改变。2.2高速AD采集卡每块AD采集卡可采集3路模拟信号，采集卡可以扩展，多块采集卡并列运行，都由GPS采集控制卡控制同步采集，并控制与PC工控机通讯，读取采集的同步数据。卡上包括稳压电源单元(DC/DC)、AD采集单元、光电隔离单元、高速数据存储单元。

(1)稳压电源单元采用高精度直流变换电源模块(DC/DC)。直流电源由PC机供给，经DC/DC变换后，供给AD转换。

(2)AD转换后的数字信号经光电隔离后送到高速存储单元。

(3)高速存储单元由高速采集控制卡控制，循环存储经AD转换后产生的数字信号。2.3通讯软件的设计设计了PC机通讯模块，能以中断方式或查询方式与采集系统建立连接，读取采集系统启动前后采集的数据，以文件形式把采集数据存入硬盘。并设计了高速采集系统自检程序，可对采集系统进展动态测试。该程序分DOS和WINDOWS两种版本，都具有良好的人机界面。3GPS暂态录波仪的误差分析录波误差主要包括两个方面：一个是GPS同步采集的时间误差，主要表现为异地GPS绝对时间控制同步采样脉冲的误差；另一个是测量数值误差。

因GPS产生的1Hz最大误差为50ns，采集系统晶振一秒钟内最大误差为1ns。在GPS正常运行时，绝对时间的最大误差由GPS产生，为50ns。在GPS短时退出，没有1Hz同步信号条件下，直接由晶振驱动采集，绝对时间误差随时间积累，1h最大误差为3.6μs，1d最大误差为43.2μs，GPS退出工作的时间越长，误差就越大。

测量误差主要是由传感器误差和AD采样误差组成。要记录系统扰动情况，必须采用保护级电流互感器(CT)，最大误差接近10%。电磁式PT准确度较高，根本能满足高速采集要求；而超高压系统电容式电压互感器(CVT)暂态响应精度低，不能用于暂态录波。作者为此设计了专用的高频电压传感器，由空心CT套接在CVT的地线上。通过高频冲击试验，精度可达3%。AD采集系统选用12位高速AD采集芯片，经测试，最后两位有飘动，精度可达10位。AD误差主要来自于电源的高频噪音、印刷电路板线路间的高频耦合等。综合起来，电流的测量误差估计在10%的*围内，电压测量误差估计在5%的*围内。4输电网故障行波定位系统如图2，在输电线两端安装GPS同步暂态录波仪，当输电线发生故障时，两端启动记录故障电流、电压的暂态变化过程并存于硬盘。采用行波分析软件，寻找行波波头到达线路两端的时刻，利用行波第一波头到达线路两端的时间差(TM—TA)进展故障定位，故障点离M端的距离为：LM=0.5［V(TM-TA)+L］式中V为行波传播速度；L为输电线路长度。图2暂态录波仪测试线路暂态过程框图对于一个输电网，如果在每一个变电站安装一台这样的暂态记录仪，就可形成基于整个输电网的行波测量网络，协同测量。如果近距故障或其他原因导致*台设备记录失败时，可由该输电网中其他设备记录的行波波头到达的时刻进展推算，从而不影响故障定位。因此基于输电网的故障行波定位系统具有“N—1〞的容错处理能力，能实现了对各种故障的准确记录和定位。5结论a.GPS同步暂态录波仪具有GPS同步多通道高速采集功能，能存储启动前后较长的数据，是故障录波仪、高速AD采集卡、虚拟仪器、高频示波器无法比拟的。

b.GPS同步暂态录波仪与基于暂态记录仪的输电网故障行波定位系统协铜工作能满足电力系统暂态过程研究及暂态保护、暂态控制设计的需要。

c.GPS同步暂态录波仪已通过模拟试验验证，其性能可靠，操作方便。作者简介：

尹项根1956年生，教授，博导，电力系主任，从事电力系统继电保护与平安稳定控制等领域的教学、研究工作

陈德树1930年生，教授，博导，从事电力系统继电保护与平安稳定控制等领域的教学、研究工作作者单位：曾祥君〔华中理工大学，**430074〕尹项根〔华中理工大学，**430074〕陈浩〔华中理工大学，**430074〕魏丰〔华中理工大学，**430074〕林福昌〔华中理工大学，**430074〕陈德树〔华中理工大学，**430074〕邹建明〔华中电力集团公司，**43