GPS及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

王蘊(yùn)

[關(guān)鍵詞]GPS；電力系統(tǒng)；故障測(cè)距；電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化

GPS（全球定位系統(tǒng)）可向用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維位置，三維速度和時(shí)間信息。它由GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和GPS信號(hào)接收機(jī)三部分組成，它的最大優(yōu)點(diǎn)之一是：用戶只要有GPS接收機(jī)，就能自主地在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間進(jìn)行測(cè)時(shí)和定位。各行業(yè)均對(duì)GPS的定位及精確時(shí)間特點(diǎn)，開展廣泛的應(yīng)用研究。電力行業(yè)應(yīng)用GPS的研究已逐步到達(dá)實(shí)用階段。

一、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(guò)串行口輸出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、日期、所處方位等信息。

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(lái)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1ms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。

二、GPS在電力系統(tǒng)中的應(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)。

1.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)槎搪冯娏鳌Ｓ纱水a(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(guò)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。基于該原理的行波測(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(guò)渡電阻帶來(lái)的計(jì)算誤差。

2.系統(tǒng)運(yùn)行功角實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。若能實(shí)時(shí)同步測(cè)得系統(tǒng)兩端電壓之間相位差，則可監(jiān)視二端運(yùn)行電氣相角，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有現(xiàn)實(shí)意義。GPS接收機(jī)每臺(tái)之間時(shí)間誤差1μs（電氣角度為0.018°，50Hz），完全可滿足電力工業(yè)控制調(diào)節(jié)應(yīng)用。利用通訊手段將兩端測(cè)量結(jié)果傳送到調(diào)度控制中心，則可作為運(yùn)行判據(jù)和以此建立調(diào)節(jié)控制手段。

3.電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化同步時(shí)間。電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化要求主站端與遠(yuǎn)方終端（RTU）的時(shí)間同步。當(dāng)前大多數(shù)系統(tǒng)仍采用硬件通過(guò)信道對(duì)時(shí)，主站發(fā)校時(shí)命令給遠(yuǎn)方終端對(duì)時(shí)硬件來(lái)完成對(duì)時(shí)功能。若采用軟件對(duì)時(shí)，由于軟件對(duì)時(shí)具有不確定性，故不能滿足開關(guān)動(dòng)作時(shí)間分辨率小于10 ms的要求。用硬件對(duì)時(shí)，可達(dá)到分辨率小于10 ms，但對(duì)時(shí)硬件復(fù)雜，并且對(duì)時(shí)期間（每10 min要對(duì)一次）完全占用信道。當(dāng)發(fā)生YX變位時(shí)，主站主機(jī)CPU還要做變位時(shí)間計(jì)算，占用CPU的開銷。利用GPS的定時(shí)信號(hào)可克服上述缺點(diǎn)，GPS接收機(jī)的時(shí)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(gè)秒脈沖輸出接口（1PPS），輸出接口可根據(jù)需要選用。

4.故障錄波器時(shí)間同步。目前，微機(jī)故障錄波器均有機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間環(huán)節(jié)。由于時(shí)間元件自身誤差和不同型號(hào)的錄波器時(shí)間元件差異，往往造成各站故障錄波器在故障時(shí)記錄時(shí)間差異較大，對(duì)分析系統(tǒng)事故帶來(lái)不便。而GPS技術(shù)可以獲得高可靠性及高精度的秒脈沖（1PPS）及通過(guò)串口輸出時(shí)間。在SA生效時(shí)，定時(shí)精度實(shí)用上可達(dá)0.5μs。用GPS來(lái)不斷修正原來(lái)錄波器時(shí)間元件，可使全系統(tǒng)故障錄波器時(shí)間同步。

5.雷電定位系統(tǒng)。大地落雷是可以探測(cè)到的，利用設(shè)置不同地理位置的探測(cè)站，測(cè)量探測(cè)站獲得雷電信號(hào)的時(shí)間差。由于每個(gè)站只能確定雷電信號(hào)源的方位，因此用3個(gè)以上站的測(cè)量結(jié)果就可以計(jì)算出落雷位置。當(dāng)然，必須知道探測(cè)站的地理位置精確的經(jīng)、緯度和電力桿塔或設(shè)備的地理位置，而且要有同一的精確時(shí)間源。各探測(cè)站信息傳到處理中心進(jìn)行雷電定位，精度可達(dá)≤1km。

6.自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。利用GPS技術(shù)可提供自動(dòng)化中需要的精確同步時(shí)間，可制作出精確的守時(shí)鐘，GPS守時(shí)鐘綜合精度可優(yōu)于0.5 μs。

7.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。

三、結(jié)束語(yǔ)

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，利用GPS同步測(cè)量可以快速精確的獲得電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)，GPS技術(shù)的應(yīng)用必將對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制帶來(lái)革命性的變革，因此必然成為今后發(fā)展的重點(diǎn)。□

（編輯/穆楊）