電力自動化系統GPS技術的應用

摘 要：電力的自動化系統是近年來興起的建立在網絡通訊技術上的新型供電系統，自動化的系統使得電網的性能更加的穩定，供電的安全性更加的可靠。而供電網也正向著大區域大電網的方向發展，這就要求系統需要一個統一的時間，而這個要求可以通過GPS的授時技術實現。此外GPS可以為電力自動化提供精確地定位導航功能，可以為電網的一體化提供基礎環境。

關鍵詞：導航；定位；授時 GPS ； 電力自動化

中圖分類號： TN96 文獻標識碼：A

所謂的電力系統就是通過輸電線路網將發電廠、遍地哪站以及用戶有機聯系起來，這個脈絡中一般是通過調度所進行信息反映和控制的，而設備的信息數據一般是通過遠動裝置進行傳輸。這就會造成信息傳輸的滯后問題，因為我國空間范圍廣，各個環節之間的聯系往往是通過上級的調撥和命令傳達，而上級對于下級的了解僅僅是通過各地匯報的數據。由于信息傳達和測算匯總都需要時間，并且發出指示也需要時間，這之間的時間差往往就造成了上級所得到的數據其實是地方的歷史數據，這種信息的滯后使得上級單位不能及時了解各站的突發狀況。原始的電網系統由于規模小，空間限制性不凸顯，信息的滯后性不會帶來嚴重的后果，但是隨著全國電網的建設，三峽電站的建成以及西電東送等項目的展開，電力系統趨于復雜化，早期的電力管理模式對電力系統的改善和發展產生了制約。全國性的電網建設對統一時間提出了新的要求，而GPS技術恰恰能夠滿足此要求。

1GPS技術

GPS研制與上世紀七十年代，是美國國防部研發的全球定位系統。GPS通過衛星導航，為用戶提供所需要的服務，即全天候的導航、精確的定位以及授時。

GPS的工作原理是通過地面用戶接受設備接受來自空間衛星的信號來工作的，其組成主要由空間衛星，用戶設備和地面監控三個部分。而空間部分是由二十四個導航衛星組成，由于衛星的位置安排在了六個軌道平面，這就致使在任何時候任何地方，都至少能夠觀察到四顆衛星， GPS可以全天候高效服務就是因為其這種特殊的結構安排。另外用戶的導航只是接受設備，這就使得GPS系統可以向多個用戶服務，單向傳輸數據。此外，GPS衛星都安裝有原子鐘，這種原子鐘的誤差極小，可以長期穩定的提供高精度的授時信息。由于GPS的結構的特殊性，設備的精確性，可以根據不同用戶的需求提供精準的定位和時間信息，也可以根據區域的不同提任何地點的時間信息。

2GPS技術的應用

電力自動化和電網規模的對監控系統提出了更高的實時要求，雖然通過計算機的監控功能可以對系統時間的統一作出一定的調整，但是由于網絡的覆蓋空間限制，大多數的區域還是互相獨立的。這種時間比較方法無論是精確程度還是范圍的調整都滿足不了現代系統的需求。由于系統的調度是需要通過對各地的反饋信息進行分析計算后，做出如何調整的命令，命令的執行先后以及故障分析都對時間的統一有著要求。此外在繼電保護工作中分析事故的發生原因也依賴于精準的時間，包括檢測系統頻率，管理電路負載，統計電路系統的運行報表等等一系列的工作都需要系統各站有著統一的時間。因此各電站的時鐘統一對于自動化的電網系統十分的重要。

表1和表2分別給出了電力自動化領域中不同應用場合對數據同時性的要求和各種提供同步時鐘的方法所能達到的時間精度。

表1 電力自動化領域中不同應用場合對數據同時性的要求

應用

范圍角度

精度（0）位置

精度（m）時間

精度（μs）

狀態估計

（靜態）0.5-25

態估計

（動態）1.5-50～250

穩定監測

和控制狀1-50

相角

測量0.1-5

故障

定位-304.80.5

自適應

繼電保護0.1-5

注：“-”：表示沒有此項要求。

表2 各種同步時鐘信號源誤差比較

信號源誤差（ms）

WWW5

WWWVB2

OMEGA10

MSFDCF10

Loran-c0.020

GOES1

GPS0.0005*

模擬微波傳輸系統1

數字微波傳輸系統0.070

光纖傳輸系統0.5

注：* 廠商提供數據為O.1μs，實測0.5 μs

從表2可見，無論從時間精度還是從可靠性角度考慮，GPS是電力自動化系統的統一時鐘的最佳選擇。理論上其定時精度可達0.5μs，且接收設備成本低廉。因此采用GPS技術構成電力自動化系統統一時鐘可以滿足絕大部分應用場合下對同時性的要求。由于目前產品化的接收機只提供標準的串行通訊接口和PPS秒脈沖，圖1給出了利用GPS PPS秒脈沖建立電力系統同步時鐘的原理圖。

利用GPS的授時和定位功能，可以提高野外高壓輸電線路巡視的自動化程度。將GPS接收機與掌上電腦相結合，一方面可以使巡視人員實時的記錄線路的數據、工作狀態，進行數據匯總報告，提高了巡檢質量，規范了巡檢標準，有效降低人為因素帶來的漏檢或錯檢問題，徹底消除了標準不統一、責任不明確等問題；同時加強了運行巡檢工作的過程控制與監督，使部門管理層能有效監督人員的工作狀態成為可能，從而最大程度提高工作效率，最終保證輸變電設備的高效率、低故障率安全和可靠運行。另一方面，企業降低了生產運營成本，降低了巡檢人員的勞動強度，還可以防止巡檢人員在偏遠荒漠地區迷路。

GPS在繼電保護中的用途有兩個：線路差動保護和保護聯合調試。

電流差動保護原理就是基爾霍夫電流定理：同一時刻流入某個節點或廣義節點的電流的代數和為零。差動保護由于其簡單、可靠和快速等特點，已經作為主保護廣泛應用的母線、變壓器和發電機等設備上，但是用在長距離的輸電線路就比較困難， GPS的出現為線路差動保護的發展和應用帶來了新的契機。

帶有通道的輸電線路縱聯保護在超高壓輸電線路中有著重要的意義。這些保護試驗時，為了分析保護的效果，記錄下來的兩端的電壓電流波形就必須有一個共同的時間標準，以保證試驗的同步性。

結語

電力系統正向著規模化、全國化、智能化、自動化的方向發展，而GPS技術應時而生，其授時和定位功能正是現代電力系統所需要的，有了精確的定位和統一實時準確的時間信息，電力系統的穩定性和可靠性大大提升。這種新型的及時高效的技術應用為建設全國性的集成規模電網提供了有力支持，但是，由于各地的建設情況的區別，新技術的應用還需要多方的實踐和研究。

參考文獻

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