GPS技術在斷路器控制器中的應用

王承宇 陳宇晨 侯 昀 陳衛蘭

(1.上海工程技術大學電子電氣工程學院，上海 201620；2.上海市電力公司，上海 200122； 3.南方電網樂昌供電局，廣東 樂昌 512200)

隨著對電力系統運行要求的提高和自動化技術的發展，對控制的響應提出了更高的要求。GPS的高精度定位功能，為電力系統的事故分析、故障測距、穩定判斷與控制技術的發展提供了極大方便[1，2]。GPS是以全球24顆定位人造衛星為基礎，向全球提供三維位置及速度等信息。只要有GPS接收機，就能在任何地點和時間進行測試和定位。各行業都開展了廣泛的應用研究。GPS導航系統由地面控制部分，空間部分和用戶裝置3部分組成。地面控制部分又由主控站、地面天線、監測站及其通信輔助系統構成；空間部分由24顆衛星組成，分布在6個軌道平面；用戶裝置部分則由GPS接收機和衛星天線組成。

電力行業應用GPS的研究已逐步到達實用階段。筆者基于ARM技術和GPS技術，設計斷路器控制器的快速定位終端，為實現對配電網中故障斷路器的快速搶修提供精確的位置信息。

1 控制器主框架①

斷路器控制器具有電流保護、距離保護、零序保護、環網常閉、環網常開、自動重合、故障錄波及故障測距等功能。線上電壓、電流經互感器轉變為小信號，再經外部處理電路(如濾波及采樣保持等)后在STM32F103VET6控制芯片里進行A/D轉換與計算，然后通過主控制芯片進行通信和輸出/輸入控制。控制器與開關本體通過控制電纜和航空插件進行電氣連接，實現保護與自動監控。本控制器還配有GPS衛星定位模塊和GPRS通信模塊，實現了定位和無線通信功能，當用戶負荷側發生相間短路故障或單相接地故障，控制器在執行保護動作的同時，向監控中心自動上傳故障和開關信息，在后臺軟件地圖上可標識出開關具體的地理位置，實現了故障點快速定位。筆者設計的斷路器控制器主框架如圖1所示。

圖1 斷路器控制器主框架

斷路器控制器可配合10kV真空斷路器，用于10kV線路及電器設備等的保護和控制。控制器集保護與控制單元于一體。

2 GPS模塊

2.1 GPS定位原理

測量學中的交會法測量里有一種測距交會確定點位的方法。與其相似，GPS的定位原理就是利用空間分布的衛星和衛星與地面點的距離交會得出了地面點位置。設衛星已知坐標(ai，bi，ci)，接收機的位置為(ak，bk，ck)，近似值為(ak0，bk0，ck0)，改正數為(δa，δb，δc)，則有：

(1)

將式(1)展開為泰勒級數可取至一次項，并令：

則觀測方程可表示為：

ρ′=ρ+cδt

考慮到電離層改正與對流層改正，并取：

則有：

(2)

式(2)中有4個未知數，至少需要4個衛星才可以求解。

設觀察衛星數m≥4，則：

用矩陣表示為：

V=Xka+Lk

2.2 GPS模塊的選擇

筆者選用的GPS模塊的核心為NEO-6模組，有50個通道，追蹤靈敏度高達-161dBm，測量輸出頻率最高可達5Hz。GPS模塊自帶高性能無源陶瓷天線，兼容3.3V和5.0V單片機系統，并自帶可充電后備電池(支持溫啟動或熱啟動)。GPS模塊總共有4個管腳，具體為：RXD，模塊接收腳(TTL電平)，接ARM的TXD；TXD，模塊發送腳(TTL電平)，接ARM的RXD；GND，接地；VCC，電源，2.7～5.0V)。

通過GPS模塊，單片機都可以很方便地實現GPS定位，GPS模塊的電路如圖2所示。

圖2 GPS模塊電路

2.3 GPS定位信息

U-blox的輸出語句有十余種，其主要語句有GPALM(歷書數據)、GPGGA(GPS標準數據，定位數據)、GPGSV(衛星狀態)、GPGSA、GPRMC、GPVTG、PGRME、PGRMF、PGRMT、PGRMV(GARMIN定義的語句，3D速度信息)、LCGLL及LCVTG(NMEA標準語句)等。筆者選用GPGGA語句編寫的GPS定位信息的程序為：

void NMEA_GPRMC_Analysis(nmea_msg*gpsx,u8*buf)

{

u8*p1,dx;

u8 posx;

u32 temp;

float rs;

p1=(u8*)

strstr((const char*)buf,"S|GPRMC");

if(posx!=0XFF)得到緯度

{

temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);

gpsx->latitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2);

rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2);gpsx->latitude=gpsx->latitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;/

}

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,4);if(posx!=0XFF)gpsx->nshemi=*(p1+posx);

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,5);if(posx!=0XFF)得到經度

{ temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);

gpsx->longitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2);rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2);

gpsx->longitude=gpsx->longitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;

}

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,6);if(posx!=0XFF)gpsx->posslnum=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);得到高度

{

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,9);}

}

3 GPS電子地圖的設計與實現

控制器配有GPS定位模塊和GPRS通信模塊，當用戶負荷側故障時，控制器在執行保護動作的同時，向監控中心自動上傳故障位置信息，然后上位機的GPS電子地圖上可標識出故障斷路器的地理位置，可為故障點快速定位。

GPS電子地圖的數字地圖庫是以地圖數字化數據為基礎的數據庫，是存儲在計算機中的地圖內容各要素(如斷路器位置、輸配電線路、地貌及居民地等)的數字信息文件、數據庫管理系統及其他軟件和硬件集合。通過數字地圖庫，可以迅速確定故障點，從而采取進一步的措施。

4 結束語

實際應用結果表明，筆者基于ARM技術和GPS技術，設計的電力行業斷路器控制器的快速定位終端，在對配電網中故障斷路器進行快速搶修時，提供了精確的位置信息。這為GPS在電力行業的實際應用開辟了新思路。