北斗衛星時鐘解耦控制電網信息同步采集系統設計

賈超廣，肖海霞

(1.解放軍信息工程大學 導航與空天目標工程學院，鄭州 450052；2.河南工程學院，鄭州 450052)

1 引言

國家電網公司在“2009特高壓輸電技術國際會議”上提出了“堅強智能電網”的發展規劃，按照規劃，2011～2015年為全面建設階段，“十二五”期間，國家堅強智能電網必將得到長足的發展。文獻[1～3]都分別提到作為堅強智能電網基礎部分之一的電網信息采集系統，已經難以適應堅強智能電網的要求，需要進行升級和更新換代。文獻[4]指出電力系統隨著自身的發展變得越來越復雜，在許多場合都需要電網信息的同步采集，這對電力系統繼電保護、故障判斷和系統穩定的分析與控制等都具有重要意義，并且，文獻[5～6]提到電力系統的各種監測與保護裝置對電網信息采集的同步精度要求也越來越高。文獻[7～8]指出應用于我國電網中同步數據采集系統大都是采用基于全球定位系統(global positioning system，GPS)的同步相量測量裝置 (phase measurement unit，PMU)，電網的穩定運行對GPS的依賴也越來越強。本文基于雙時鐘源信息融合技術，將北斗衛星授時系統應用于電力系統信息采集同步系統中，設計了電網信息同步采集系統，可彌補長久以來使用 GPS 作為唯一同步時鐘源而存在的風險性和不可依賴性，同時解決了依靠單一時鐘源帶來的系統可靠性問題。

2 雙時鐘源授時原理

2.1 GPS和北斗系統時間系統

文獻[9]提到GPS系統時間(global positioning system time，GPST)屬于原子時系統，是一種連續計時系統，由GPS主控站里的一組高精度原子鐘所控制，是GPS系統建立的專用時間系統。GPST秒長與協調世界時(universal time coordinated，UTC)相同，但GPST不含閏秒修正，它與UTC的時刻規定與1980-01-05 T 00：00：00相同，隨著時間的積累，兩者之間的差異表現為秒的整數倍。

文獻[10]指出北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)是我國完全自主的衛星導航定位系統，為全球四大衛星導航定位系統之一，為用戶提供全天候的定位、簡報文通信和精密授時三大服務。該系統有自己獨立的時間系統，秒長與UTC相同，授時精度單向授時50 ns，雙向授時可達20 ns。

2.2 衛星單向授時原理

衛星授時具有授時精度高、覆蓋范圍廣等特點，是目前各行業授時應用的發展方向。

在單向授時模式下，接收機不需要與地面中心站進行交互，但需已知接收機精確坐標。地面中心站保持精確的系統標準時間，定時播發授時信息，并為定時用戶提供時延修正值，包括上行傳輸時延、衛星到接收機的下行時延、對流層時延、電離層時延等。接收機根據本地精確坐標及衛星信號傳輸時延，計算出鐘差并經修正得出本地精確的時間。圖1為衛星系統單向授時基本原理。

2.3 雙時鐘源自適應無縫切換技術

為保證輸出時間的正確性、安全性、可靠性以及準確時間的連續性，系統對GPS 接收機和BDS接收機的同步秒脈沖 (pulse per second，PPS)信號分別同時進行監測和處理，并對兩時鐘源進行實時比對，兩時鐘源構成互為熱備份。

圖1 衛星單向授時基本原理

另外，系統采用衛星系統自主完好性監測算法對跟蹤到的BDS和GPS衛星的健康狀況進行實時判斷，同時監測BDS和GPS的導航電文、時標特性等，系統將根據衛星的健康狀況同時考慮兩時鐘源的歷史電文的誤碼率及歷史時標的準確度、可用度和穩定度來判斷參考時鐘源可用性，從而確定時鐘源。

為避免時鐘源切換時的時間抖動給系統造成的時間系統崩潰，采用自適應平滑切換技術來保證時間的連續穩定，從而實現了雙時鐘源的無縫切換，保證了系統的時間同步性能。

3 系統整體結構

基于雙時鐘源的電網信息同步采集系統整體結構如圖2所示。

圖2 電網信息同步采集系統整體結構

同步采集系統主要由前端信號調理電路、A/D 轉換器、嵌入式處理器、GPS+BDS接收機及其外圍電路等組成。其中，前端信號調理電路包括變換電路、放大器和濾波器等，電網模擬信號經過前端信號調理電路和 A/D 轉換器后變成數字信號被傳送到嵌入式處理器中。嵌入式處理器采用ALTEAR EP2C20F484，其根據雙時鐘源融合信息實時修正時間，為系統采集的電網信息打上統一的時間標簽，最終經以太網控制器完成向上層監控中心提供電網精確同步信息的功能。

4 軟件設計

同步采集系統的軟件設計主要由以下幾個子程序模塊組成：多時鐘源融合子程序、定時采集子程序、網絡管理子程序、系統管理子程序、協議處理子程序和數據處理子程序等。同步采集系統程序流程圖如圖3所示。

圖3 同步采集系統程序流程

4.1 多時鐘源融合子程序

多時鐘源融合子程序根據接收到的GPS和BDS時間信息進行實時比對，并參考兩系統完好性監測信息及歷史導航電文、時標信息等，最終判定是否開啟自適應平滑切換開關。

4.2 定時采集子程序

為實現輸電線路信息采集端及集中器的同步性，同步采集系統接收多時鐘源融合子程序發出的時間信息，并判斷采樣時間點，根據采樣時間點按照預先輸入的采樣開始時間進行電網信息同步采集，在即將到來的同步秒脈沖的上升沿自動開始采樣，采樣控制波形由同步采樣波形發生單元控制。

4.3 數據處理子程序

數據處理子程序對 A/D 轉換結果進行必要的處理，以得到電壓、電流信號的幅值和相位，包括對 A/D 轉換結果進行變比轉換和將A/D 轉換結果轉換為實際的電壓、電流采樣值。另外，還要利用快速傅立葉變換(fast Fourier transform，FFT)對離散的采樣數據進行計算，得到電壓、電流信號的基波及各次諧波的幅值和相位。本文采用的是基2時分傅立葉變換，這種算法與直接FFT計算相比隨著取樣點的增加運算量呈級數級減少。

另外，網絡管理子程序用于信息同步采集系統上行通信的管理，主要負責數據的接收和發送；系統管理子程序主要包括系統設置、用戶登錄、系統信息、數據維護等；協議處理子程序按照Q/GDW 376.2-2009《電力用戶用電信息采集系統通信協議：集中器本地通信模塊接口協議》解析輸入的命令幀，并完成信息采集系統的參數讀取和設置等。

5 結論

本文以GPS和BDS時鐘源作為雙時鐘源設計了電網信息同步采集系統，將高精度計時信息疊加到所采集的數據中，保證了同步控制系統的時間精度，有助于提高輸電線路參數測量的精度，在輸電線路參數在線測量、電網狀態監測、電量信息采集、輸電線路精確故障定位等功能使用中有著重要的實用價值和經濟效益，有利于電網的實時監測、安全評估、保護和實時決策。應用結果表明，該電網信息同步采集系統同步精度高、性價比優良，具有較高的推廣使用價值。

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