GPS及其在電力系統中的應用

王蘊

[關鍵詞]GPS；電力系統；故障測距；電網調度自動化

GPS（全球定位系統）可向用戶提供連續、實時、高精度的三維位置，三維位置，三維速度和時間信息。它由GPS衛星星座、地面監測系統和GPS信號接收機三部分組成，它的最大優點之一是：用戶只要有GPS接收機，就能自主地在任何地點，任何時間進行測時和定位。各行業均對GPS的定位及精確時間特點，開展廣泛的應用研究。電力行業應用GPS的研究已逐步到達實用階段。

一、GPS全球定位系統簡介

1973年美國發射了第1顆NAVSTAR衛星，開始了世界首套全球衛星定位系統（Global Posi-tioning System，簡稱為GPS）的建設。該定位系統的最終配置是由24顆NAVSTAR衛星構成，其信號有效地覆蓋著整個地球。

GPS系統每秒向地球發送一次信號，其內容為精度達1μs的時間信息。該信號在全球任何位置均可以收到。為了正確地接收上述信號，GPS接收機分兩部分內容接收。首先接收到的是每秒開始時間精度為1μs的1PPS選通脈沖（Impulseproduced every second），第二部分接收到的是一串信息，包括國際標準時UTC（Universal Co-ordi-nate Time）的時間、日期及接收機本身所在方位。

GPS系統采用了特殊的信號調制技術，接收機將接收到的信號解碼后可以將本身時鐘與衛星時鐘對準，同時測出它與衛星之間的距離，算出本身所處的位置（經、緯度）。接收器能補償信號在衛星與接收器之間的傳輸延時，輸出與國際標準時（UTC）誤差為1μs的秒脈沖選通信號，并通過串行口輸出國際標準時間、日期、所處方位等信息。

目前，基于微機型的故障錄波裝置、事件記錄裝置、安全自動裝置、遠動裝置等在電網中已經得到了越來越多的運用。對于時鐘的同步也提出了嚴格的要求，希望能夠達到1ms甚至μs級的精度。GPS系統的出現正好滿足了這一要求。

二、GPS在電力系統中的應用

由于GPS的定位和授時系統的準確性和開放性，因此在電力系統中的應用非常廣泛，可以用于故障定位、故障錄波、狀態確定、電機勵磁和調速、功角測量等。在保護方面已用于電力系統的失步保護、線路的電流縱差保護等，還用于電網的綜合自動化系統、繼電保護裝置的同步精確對時。

1.故障測距。GPS衛星時鐘的出現，給研制雙端行波測距原理的裝置創造了有利條件。線路故障后，正常的負荷電流躍變為短路電流。由此產生由故障點向線路兩端運動的電流行波浪涌，假設線路全長為L，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間分別為Tm、Tn。線路兩側通過通訊網絡交換信息后，就可以計算出故障點到M、N兩端的距離分別為：

Xm=L/2+（Tm-Tn）×V/2

Xn=L/2+（Tn-Tm）×V/2

行波測距原理的關鍵是準確地記錄下故障初始行波到達線路兩端的時間，誤差應嚴格控制在幾個μs以內。因為對架空線而言，1個μs的時間誤差對應于約 150 m的測距誤差。對電力電纜而言，1個ms的時間誤差對應于約70～100 m的測距誤差。利用GPS衛星時鐘的1 PPS秒脈沖與串行口時間信息，就可以很容易地滿足誤差要求。基于該原理的行波測距裝置已在東北電網中試運行。

對于常規的阻抗原理的測距裝置，在時鐘統一后，可以精確地計算線路兩端故障電源的相位關系。補償由故障時過渡電阻帶來的計算誤差。

2.系統運行功角實時監測。若能實時同步測得系統兩端電壓之間相位差，則可監視二端運行電氣相角，對系統穩定運行有現實意義。GPS接收機每臺之間時間誤差1μs（電氣角度為0.018°，50Hz），完全可滿足電力工業控制調節應用。利用通訊手段將兩端測量結果傳送到調度控制中心，則可作為運行判據和以此建立調節控制手段。

3.電網調度自動化同步時間。電網調度自動化要求主站端與遠方終端（RTU）的時間同步。當前大多數系統仍采用硬件通過信道對時，主站發校時命令給遠方終端對時硬件來完成對時功能。若采用軟件對時，由于軟件對時具有不確定性，故不能滿足開關動作時間分辨率小于10 ms的要求。用硬件對時，可達到分辨率小于10 ms，但對時硬件復雜，并且對時期間（每10 min要對一次）完全占用信道。當發生YX變位時，主站主機CPU還要做變位時間計算，占用CPU的開銷。利用GPS的定時信號可克服上述缺點，GPS接收機的時間碼輸出接口為RS232C及并行口，用戶可任選串行或并行方式，還有一個秒脈沖輸出接口（1PPS），輸出接口可根據需要選用。

4.故障錄波器時間同步。目前，微機故障錄波器均有機內標準時間環節。由于時間元件自身誤差和不同型號的錄波器時間元件差異，往往造成各站故障錄波器在故障時記錄時間差異較大，對分析系統事故帶來不便。而GPS技術可以獲得高可靠性及高精度的秒脈沖（1PPS）及通過串口輸出時間。在SA生效時，定時精度實用上可達0.5μs。用GPS來不斷修正原來錄波器時間元件，可使全系統故障錄波器時間同步。

5.雷電定位系統。大地落雷是可以探測到的，利用設置不同地理位置的探測站，測量探測站獲得雷電信號的時間差。由于每個站只能確定雷電信號源的方位，因此用3個以上站的測量結果就可以計算出落雷位置。當然，必須知道探測站的地理位置精確的經、緯度和電力桿塔或設備的地理位置，而且要有同一的精確時間源。各探測站信息傳到處理中心進行雷電定位，精度可達≤1km。

6.自動控制與調節的標準時間。利用GPS技術可提供自動化中需要的精確同步時間，可制作出精確的守時鐘，GPS守時鐘綜合精度可優于0.5 μs。

7.完善繼電器保護試驗裝置。線路的縱聯保護裝置安裝在線路兩側，常規的聯調試驗方法費時費力。且只能利用單端法進行，利用GPS衛星同步時鐘，可以使兩端的測試裝置按照預先約定的時間順序啟動，同時將故障量施加于兩側的保護裝置，可以更為全面地檢驗保護裝置的動作行為。目前DOUBLE公司的F2000系列、OMICRON公司的CMC系列、PRO-GRAMMA公司的FREJA300系列繼電保護綜合測試儀均具備GPS同步時鐘接口，實現End-Endtest mode，在 500 kV天瓶線的調試中，用F2253繼電保護綜合測試儀對GEC公司的LFCB-102分相電流差動保護裝置實現了 End-End testmode，確保了保護裝置的穩定運行。

三、結束語

隨著對電力系統運行要求的提高和自動化技術的發展，利用GPS同步測量可以快速精確的獲得電力系統的歷史數據和實時狀態，GPS技術的應用必將對電力系統的安全穩定控制帶來革命性的變革，因此必然成為今后發展的重點。□

（編輯/穆楊）