GPS全球定位系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
時(shí)間:2009-04-02 21:19:22來源:hesp
導(dǎo)語:?GPS系統(tǒng)每秒向地球發(fā)送一次信號(hào),其內(nèi)容為精度達(dá)1μs的時(shí)間信息。該信號(hào)在全球任何位置均可以收到。為了正確地接收上述信號(hào),GPS接收機(jī)分兩部分內(nèi)容接收。
1 GPS全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1973年美國(guó)發(fā)射了第1顆NAVSTAR衛(wèi)星,開始了世界首套全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Posi-tioning System,簡(jiǎn)稱為GPS)的建設(shè)。該定位系統(tǒng)的最終配置是由24顆NAVSTAR衛(wèi)星構(gòu)成,其信號(hào)有效地覆蓋著整個(gè)地球。
GPS系統(tǒng)每秒向地球發(fā)送一次信號(hào),其內(nèi)容為精度達(dá)1μs的時(shí)間信息。該信號(hào)在全球任何位置均可以收到。為了正確地接收上述信號(hào),GPS接收機(jī)分兩部分內(nèi)容接收。首先接收到的是每秒開始時(shí)間精度為1μs的1PPS選通脈沖(Impulseproduced every second),第二部分接收到的是一串信息,包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)UTC(Universal Co-ordi-nate Time)的時(shí)間、日期及接收機(jī)本身所在方位。
GPS系統(tǒng)采用了特殊的信號(hào)調(diào)制技術(shù),接收機(jī)將接收到的信號(hào)解碼后可以將本身時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn),同時(shí)測(cè)出它與衛(wèi)星之間的距離,算出本身所處的位置(經(jīng)、緯度)。接收器能補(bǔ)償信號(hào)在衛(wèi)星與接收器之間的傳輸延時(shí),輸出與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC)誤差為1μs的秒脈沖選通信號(hào),并通過串行口輸出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、日期、所處方位等信息。
2 衛(wèi)星同步時(shí)鐘簡(jiǎn)介
目前,基于微機(jī)型的故障錄波裝置、事件記錄裝置、安全自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置等在電網(wǎng)中已經(jīng)得到了越來越多的運(yùn)用。對(duì)于時(shí)鐘的同步也提出了嚴(yán)格的要求,希望能夠達(dá)到1 ms甚至μs級(jí)的精度。GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)正好滿足了這一要求。
GPS接收器能夠送出非常精確的時(shí)間信息,但該信息是固定不變的。它必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能滿足系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)使用或?qū)⒁褂玫母鞣N裝置對(duì)同步源的要求。
各個(gè)制造廠商以及用戶對(duì)同步的要求是各不相同的,有些使用不同幅值、不同頻率、不同時(shí)延的脈沖同步方式,而有些使用標(biāo)準(zhǔn)的串行編碼方式,比如MSF格式或IRIG-B格式,用戶大多喜歡使用當(dāng)?shù)貢r(shí)鐘格式(比如北京時(shí)間)而不喜歡使用UTC時(shí)鐘格式。于是就必然地出現(xiàn)了一種規(guī)約轉(zhuǎn)換器。將GPS接收器送出的固定信息轉(zhuǎn)換成各種不同的格式輸出,以滿足各種裝置及用戶的要求。該規(guī)約轉(zhuǎn)換器就俗稱為GPS同步時(shí)鐘,其原理框圖如圖1所示。
?。?)GPS信號(hào)接收器:用于接收GPS衛(wèi)星信號(hào),輸出時(shí)間精度為1μs的1PPS脈沖,并經(jīng)RS-232口輸出UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、日期及接收器所處位置等信息,接收器天線裝在1個(gè)直經(jīng)約3cm、高約8 cm的塑料圓棒內(nèi),天線一般應(yīng)安裝在房頂上,以便有開闊的視野;
?。?)脈沖電路:輸出秒(1 PPS)、分(1 PPM)、時(shí)(1 PPH)同步脈沖信號(hào)輸出格式可以是電平輸出或靜態(tài)空接點(diǎn)輸出;
?。?)中央處理單元:將來自GPS的UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息換算成當(dāng)?shù)貢r(shí)間,送液晶顯示器顯示,并按照一定的格式經(jīng)串行口輸出;
?。?)RS-232/485接口:輸出每秒一次的當(dāng)?shù)貢r(shí)間、日期等信息、波特率可選;
(5)MSF、IRIG-B、BCD接口:按照各自的標(biāo)準(zhǔn)格式輸出時(shí)間、日期碼。
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3 GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘的應(yīng)用
由于GPS的定位和授時(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和開放性,因此在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛,可以用于故障定位、故障錄波、狀態(tài)確定、電機(jī)勵(lì)磁和調(diào)速、功角測(cè)量等。在保護(hù)方面已用于電力系統(tǒng)的失步保護(hù)、線路的電流縱差保護(hù)等,還用于電網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、繼電保護(hù)裝置的同步精確對(duì)時(shí)。
3.1標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘同步源
利用同1個(gè)信號(hào)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)的所有時(shí)鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)或定期同步對(duì)時(shí),可以達(dá)到統(tǒng)一時(shí)鐘的目的。目前大致有3種對(duì)時(shí)方式:
?。?)電網(wǎng)中心調(diào)度所通過通訊通道同步系統(tǒng)中各時(shí)鐘;
?。?)利用廣播電臺(tái)、電視臺(tái)、天文臺(tái)的無線報(bào)時(shí)信號(hào);
?。?)利用GPS全球定位系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。
第一種同步方式是目前遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)普遍采用的方式,該同步方式需要占用通道時(shí)間。由于信號(hào)通過通道傳送到不同廠,站的延時(shí)不相同,所以只能保證時(shí)間的誤差在ms級(jí)以上的水平,并且對(duì)通道的要求高。
第二種同步方式受氣候影響比較大,與廠、站所在地理位置也有很大關(guān)系,并且容易受到電磁波的干擾,丟失信號(hào)。
第三種同步方式是目前最理想的同步方式,即GPS時(shí)鐘同步方式。GPS系統(tǒng)每秒發(fā)送一次信號(hào),其時(shí)間精度在1μs以內(nèi),在全球任何位置均能可靠接收到信號(hào),是理想的同步時(shí)鐘源。
GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘有多種接口輸出方式,如脈沖同步方式、串行口同步方式、編碼同步方式等,完全可以滿足各類裝置的同步要求。目前在華東電網(wǎng)中,已對(duì)微機(jī)型故障錄波器(HATHWAY公司的DFR16/32、ABB公司的INDACTIC650、METHA公司的THRANSCAN),微機(jī)型線路保護(hù)裝置(LFP-900系列、WXB-11系列)等設(shè)備進(jìn)行了同步對(duì)時(shí),運(yùn)行情況良好。
3.2相位測(cè)量
為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要控制系統(tǒng)中關(guān)鍵點(diǎn)位間的電壓相位差。
在系統(tǒng)的時(shí)鐘統(tǒng)一后,就可以做到輸入信號(hào)的采樣脈沖同步,通過軟件方法就可以很容易地測(cè)出各電站間電壓的相位關(guān)系。
要保證相位測(cè)量的準(zhǔn)確性,采樣脈沖的同步誤差就要求非常小,必須嚴(yán)格控制在幾個(gè)μs之內(nèi)。對(duì)50 Hz系統(tǒng)來說1度對(duì)應(yīng)于55μs。而利用廣播電臺(tái)或類似手段的對(duì)時(shí)方式顯然是不適合的,它們的對(duì)時(shí)誤差是毫秒級(jí)的,而1 ms對(duì)于50Hz系統(tǒng)來說就是18度的相位差,是絕對(duì)不能接受的。唯有GPS衛(wèi)星時(shí)鐘才能滿足這一要求,利用GPS衛(wèi)星時(shí)種的1 PPS脈沖同步方式,可以使整個(gè)系統(tǒng)的采樣脈沖時(shí)間誤差保持在幾個(gè)μs以內(nèi),對(duì)應(yīng)的相角測(cè)量誤差也就不大于0.5度,完全滿足了系統(tǒng)的要求。
3.3故障測(cè)距
GPS衛(wèi)星時(shí)鐘的出現(xiàn),給研制雙端行波測(cè)距原理的裝置創(chuàng)造了有利條件。線路故障后,正常的負(fù)荷電流躍變?yōu)槎搪冯娏?。由此產(chǎn)生由故障點(diǎn)向線路兩端運(yùn)動(dòng)的電流行波浪涌,假設(shè)線路全長(zhǎng)為L(zhǎng),行波的傳播速度為V,故障后在線路兩端M、N接收到故障初始行波浪涌的時(shí)間分別為Tm、Tn。線路兩側(cè)通過通訊網(wǎng)絡(luò)交換信息后,就可以計(jì)算出故障點(diǎn)到M、N兩端的距離分別為:
Xm=L/2+(Tm-Tn)×V/2
Xn=L/2+(Tn-Tm)×V/2
行波測(cè)距原理的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地記錄下故障初始行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間,誤差應(yīng)嚴(yán)格控制在幾個(gè)μs以內(nèi)。因?yàn)閷?duì)架空線而言,1個(gè)μs的時(shí)間誤差對(duì)應(yīng)于約150 m的測(cè)距誤差。對(duì)電力電纜而言,1個(gè)ms的時(shí)間誤差對(duì)應(yīng)于約70~100 m的測(cè)距誤差。利用GPS衛(wèi)星時(shí)鐘的1 PPS秒脈沖與串行口時(shí)間信息,就可以很容易地滿足誤差要求?;谠撛淼男胁y(cè)距裝置已在東北電網(wǎng)中試運(yùn)行。
對(duì)于常規(guī)的阻抗原理的測(cè)距裝置,在時(shí)鐘統(tǒng)一后,可以精確地計(jì)算線路兩端故障電源的相位關(guān)系。補(bǔ)償由故障時(shí)過渡電阻帶來的計(jì)算誤差。
3.4完善繼電器保護(hù)試驗(yàn)裝置
線路的縱聯(lián)保護(hù)裝置安裝在線路兩側(cè),常規(guī)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。且只能利用單端法進(jìn)行,利用GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘,可以使兩端的測(cè)試裝置按照預(yù)先約定的時(shí)間順序啟動(dòng),同時(shí)將故障量施加于兩側(cè)的保護(hù)裝置,可以更為全面地檢驗(yàn)保護(hù)裝置的動(dòng)作行為。目前DOUBLE公司的F2000系列、OMICRON公司的CMC系列、PRO-GRAMMA公司的FREJA300系列繼電保護(hù)綜合測(cè)試儀均具備GPS同步時(shí)鐘接口,實(shí)現(xiàn)End-Endtest mode,在500 kV天瓶線的調(diào)試中,用F2253繼電保護(hù)綜合測(cè)試儀對(duì)GEC公司的LFCB-102分相電流差動(dòng)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了End-End testmode,確保了保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。
[b]4 結(jié)論
[/b] 隨著對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行要求的提高和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,對(duì)同步時(shí)鐘的要求愈來愈嚴(yán)格。GPS衛(wèi)星信號(hào)的同步時(shí)鐘,能很好地滿足電力系統(tǒng)同步時(shí)間的要求,為電力系統(tǒng)事故分析、故障測(cè)距、穩(wěn)定判斷與控制技術(shù)方面的發(fā)展提供了極大的方便。