GPS在電力系統中的應用

杜 娟

（山西大學，山西 太原030013）

0 引 言

近年來，隨著電力系統自動化水平不斷提高，電網容量日益增大，對電力系統的穩定運行、監控及保護提出了更高的要求。全球定位系統（GPS－Global Positioning System）因其授時和測量的高精度，在電力系統中的應用日趨廣泛、深入與成熟，促進了電力系統自動化技術的變革性發展，對電力系統的安全與穩定運行發揮著重要作用［1］。

GPS在輸變電線路工程勘測中可完成線路的測圖、定位、定線等多種工作。與傳統的測量工作相比，GPS具有工作效率高、操作簡單、工作時間不間斷、定位精度高等眾多優點。傳統的用于輸配電線路測量工作的設備如經緯儀、花桿以及卷尺等設備，測量精度低，不能滿足現代架空輸配電線路的設計需要。

相對于GPS的定位功能來說，GPS的定時功能在電力系統中的應用更加重要和普遍。系統的故障定位、繼電保護系統動作的先后順序、事件順序記錄、分析電網事故的原因等需要有精確統一的時間；電網自動化、系統穩定性判別等要求電力系統具有統一的時鐘。因此，時間的精確和統一，在電力系統中是非常重要的。GPS系統的定時和授時系統具有精確、快速、可靠、共償等優點，為電力系統的時鐘統一提供了技術手段。

1 GPS定位功能在電力系統中的應用

在電力系統勘測設計中，GPS廣泛應用于發電廠、變電站、送電線路等工程測量中，特別是送電線路工程的測量［2，3］，包括航外控制及 GPS選線、定線，到施工現場利用GPS測出經緯度，對輸電線路進行初步規劃，在地形圖上確定線路大致位置，從而進行精確定位。因此，GPS為電力工程設計的方案論證和優化提供了強有力的技術手段，不僅提高了工作效率，也為工程建設的技術經濟指標創造了客觀條件。

為了進一步提高工作效率和勘測精度，將RTK技術與GPS相結合，就可以對高壓線路進行大規模的實路徑測量及實時動態測量，并且在勘測過程中勘測工序簡化，節省了大量的人力物力，避免了對地物的拆除及樹木的砍伐，有效保護了生態平衡。目前，GPSRTK已經廣泛地應用到高壓輸電線路的測量工作中［4，5］。

2 GPS同步時鐘在電力系統中的應用

2.1 輸電線路故障定位

對輸電線路進行快速準確的故障定位，是保護輸電線路的一個重要組成部分，同時也是線路檢修人員快速查找故障點，并及時予以排除的重要依據。

2.1.1 基于GPS的雙端行波原理故障定位

行波測距的基本原理是，當輸電線路發生故障時，故障點將產生向線路兩端以光速傳播的行波，若能在同一時間基準下記錄兩端首次接收到行波浪涌的時刻，就能計算出故障點的位置?；陔p端同步采樣的行波法是目前故障定位中應用較為廣泛，取得效果較好的一種方法［6－9］，這要求線路兩端的采樣裝置能夠依據統一的時間基準進行同步采樣。

文獻［8］利用GPS同步采集輸電線路雙端故障前后一段時間的電流數據，對其進行經驗模態分解，將高頻模態分量進行Hilbert變換，得到相應的時間－－頻率譜圖。時頻圖上的頻率突變時刻即為行波波頭的到達時刻，從而實現故障定位。

文獻［9］采用嵌入式技術，將輸電線路的行波檢測原理與雙端行波故障定位方法相結合，設計了一套融入現代數據采集系統、數字信號處理技術、現代通信技術GPRS、全球定位系統GPS和GIS技術的輸電線路雙端行波故障定位系統。

2.1.2 基于GPS的雙端同步數據故障定位

同步數據測量是指兩端用于測距的電壓電流基波向量具備同一參考基準，可不經轉換直接參加測距運算，算法簡單，測距精度高。文獻［10］借助GPS技術同步采集線路兩端的電壓和電流數據，采用分布參數線路模型，精確考慮分布電容對輸電線路的影響，求解非線性方程，實現故障定位。文獻［11］提出的故障定位算法則無需線路參數，利用故障時正、負序網絡中各自電壓、電流間的關系，導出了故障定位方程，只需借助GPS實現同步采集線路兩端的電壓、電流數據。與傳統方法相比，該算法不受線路參數變化、故障發生地點環境以及故障過度電阻等的干擾，實現簡單、靈活，實用性更強。

2.1.3在線故障定位

電力系統發生單相接地故障占到電網故障總數的80%以上，當發生單相接地故障時，由于架空線路大都采用小電流接地方式，因此故障電流很小，定位故障區段就比較困難。隨著用戶對供電質量要求的不斷提高，迫切需要開發一種在線故障定位裝置，該裝置能在故障發生后，迅速對故障點進行檢測和定位［12，13］。文獻［12］提出了基于零序功率方向的在線故障定位方法，判斷故障和非故障路徑上零序電壓和零序電流的相位差，利用GPS的秒脈沖為相位獲取提供基準，借助通用分組無線業務（GPRS）傳送相位信息，實現配電網在線故障定位。文獻［13］研究基于零序功率方向和五次諧波分量法的在線定位方法，利用GPS技術和軟件跟頻技術實現了配電網廣域零序相量的獲取，并通過CSD通信網絡進行遠程無線數據傳輸。在線路的零序電流測量節點處，將變電站測量的零序電壓與線路節點的零序電流相位進行比較，依據零序功率方向法和五次諧波分量法，準確判斷故障點的位置，仿真實驗結果表明該裝置能較好完成信號同步測量與傳輸，可以實現小電流接地系統單相接地故障的檢測與定位。

2.2 電網調度自動化的同步時間

隨著電網自動化微機化水平的不斷提高，電力系統對高精度時鐘的要求也越來越迫切?；贕PS對時技術［14－18］，可實現高精度的時間基準，保證系統的時間精度和時間同步。

文獻［14，15］中的電廠統一采用GPS衛星同步時鐘，各種保護、控制、通訊設備將以GPS衛星同步時鐘作為基準，定時、實時發送校時信號，保證了電廠各種設備時鐘的準確度。當電廠、系統設備出現異常，電網發生故障時，各種設備動作時序清晰明了，對分析電廠、電網復雜事件極為有利。

文獻［16，17］中的變電站時間同步系統是在站內配置一套GPS對時標準時間主鐘裝置與時鐘擴展裝置，通過輸出各種類型的對時信號將站內所有微機設備的時間與國際標準時間同步，為系統故障的處理和分析提供了準確的時間依據，同時也是提高電網運行管理水平的必要技術手段。

2.3 穩定性判別

基于GPS的電力系統暫態穩定預測方法是先利用 GPS同步時鐘構成的相量測量單元［19，20］（PMU）采集各發電機的角速度、功角、發電磁輸出功率、機械輸入功率，然后再根據發電機單元模型和系統拓撲結構來預測各發電機未來的行為，并由此判斷系統的暫態穩定性。

國外曾成功地進行了利用GPS同步時鐘構成PMU測量系統在暫態過程中各節點電壓相角的現場試驗［21］。法國研制出同樣的相角測量裝置，安裝于法國的西南部電網。美國IEEE H7專門委員會研制的PMU可進行10回出線的測量，測量精度為2°，主要用于電力系統穩定控制、分析及故障錄波等［22］，在美國西部幾大州電網推廣使用。

我國也已開展相關的研究［23－27］，并取得了一定進展。

文獻［23］利用GPS同步時鐘獲得系統各機組的功角或系統內最大搖擺角，然后通過模糊神經網絡進行暫態穩定性預測。

文獻［24］［25］主要是利用基于GPS同步時鐘的PMU來獲得暫態過程中各節點電壓相位或各發電機的轉子角度，進而預測系統的未來搖擺情況，并施加相應的控制措施。

文獻［26］利用GPS相量測量單元采集所得的各發電機功角及角速度等變量，根據發電機單元模型預測發電機未來的行為，并由預測結果來判別系統的穩定性。

文獻［27］利用GPS同步時鐘獲得系統各機組的功角，然后由時間序列法進行預測，并通過模糊控制器實行在線實時修正，進而確定電力系統暫態穩定性。由于所有參數都是根據實時采樣數據計算的，所以能更準確地反映網絡結構、負載變化等真實情況。

2.4 電力設備智能巡檢

電力行業的首要任務是保證電力系統的安全運行，對設備進行定期檢查是有效管理電力設備的手段之一。傳統的設備巡檢方法普遍采用手工紙介質記錄、人工巡視等方式，存在很多人為因素，缺少科學有效的監督機制，易造成隱患或引發事故，無法滿足信息管理的需要。為消除傳統設備巡檢的缺陷，建設GPS智能巡檢系統［28，29］，在線路巡檢過程中引入現代化的科技手段［30－32］，如應用 GIS嵌入式技術、射頻識別技術（即RFID技術）、手機或掌上電腦進行巡檢管理，加快巡檢管理向現代化、信息化、標準化、規范化、智能化靠攏，從而在巡檢中及時發現問題，預防各類故障，不僅提高了巡檢的效率和準確度，減輕了巡視人員和管理人員的工作量，還能有效監督和考核巡檢人員的工作。

文獻［30］采用RFID和GPS相結合的技術，設計了一套適合電力系統輸電線路和變電站的巡檢系統。該系統提供客觀、規范、科學的管理與監督手段，對設備維護、巡檢、檢測等工作品質進行嚴格控制，為管理者提供了有效的管理手段和監督依據，提高了電力系統的設備管理水平，實現了數據采集的無紙化和自動化，以及對應用結果和存儲數據方便、高效地查詢。

文獻［31］北京超高壓公司結合華北電網輸電線路運行的特點，設計開發了基于GPS的“輸電線路GPS巡檢管理系統”，創造性地運用了GPS、計算機網絡通信技術和掌上電腦的最新成果，實現了輸電線路巡檢管理的信息化、電子化和智能化，最大限度地減少了錯檢、漏檢，保障了電力線路的長期高效穩定運行。

2.5 繼電保護

GPS在電力系統繼電保護中的典型應用主要在以下幾個方面：

2.5.1 線路差動保護

差動保護由于其快速、簡單和可靠等特點，已經作為主保護廣泛應用在發電機、變壓器和母線等設備上［33］。電流差動保護的基本原理即基爾霍夫電流定理：同一時刻流入某個節點或廣義節點的電流代數和為零。所以，關鍵問題就在“同一時刻”上。傳統的定時方式很難保證線路兩端設備采樣時間的統一，GPS的出現為線路差動保護的發展和應用帶來了新的契機。文獻［34］通過在線路兩端同時向各自的保護加入模擬區內或區外的各種類型故障量，采用GPS光纖差動保護的試驗方法，實現了對線路光纖差動保護兩側裝置動作正確性的同時性校驗。該試驗方案已成功運用于咸寧電網110 kV塘浮I回、塘浮II回兩條線路的光纖差動保護聯調中。文獻［35］利用雙套電流差動保護配置及回路接線的調整實現500 kV同塔線路保護及按相重合閘，并通過RTDS系統仿真和現場GPS同步故障回放實現了雙端同時跨線故障校驗，驗證了保護邏輯和回路接線的正確性，使福建第一條500 kV同塔線路自適應重合閘成功投入運行。

2.5.2 線路縱聯保護試驗

帶有通道的輸電線路縱聯保護在超高壓輸電線路中進行保護試驗時，為了分析保護的效果，記錄下來的兩端電壓電流波形必須有一個共同的時間標準，以保證試驗的同步性。運用GPS衛星同步時鐘，將線路兩端的繼電保護試驗裝置同步［38］，使兩端的測試裝置按預先約定的時間順序啟動，產生模擬線路故障的電壓電流信號，可以準確、全面地檢驗線路兩端的線路縱聯保護裝置的動作行為。

基于GPS的縱聯保護端對端試驗已成功應用于電力系統中［36－38］。

2.6 動態安全監測

電網的動態安全監測系統利用GPS實現同步相量測量技術［39］，采用相量方式記錄并監視系統狀態的相量，電力系統中任一變電站都可接收GPS發來的準確時間脈沖給當地測量電壓波形以時間標記，測量單元可以兼顧電力系統穩態、暫態的過程測量要求，再利用光纖通信系統將各變電站的測量收集匯總處理后，就可得到各變電站之間相量的動態變化，并據此實施相量控制，實現電力系統的動態安全監測。

電力系統新一代動態安全監測系統，主要包括動態相量系統、同步定時系統、通信系統和中央信號處理機4部份。相角測量裝置設置于發電廠或變電站，參考站設置在系統的主力發電廠或樞紐變電站，中央信號處理機設置于調度中心，分散于各地的相角測量裝置和中央信號處理機通過電力通信網相連。分布在各個電站的PMU測量到的有功無功、電壓電流相量、發電機的功角等信號傳送到調度中心，由中央處理單元對這些信號進行處理，以便對電力系統進行動態行為監測、穩態檢測、故障分析等，有利于值班員判別系統穩定性，防止事故擴大。

2.7 電能質量監測

利用GPS的授時功能對電能質量參數進行高精度監測［40］，不僅有電壓、頻率、諧波等各種穩態指標，還可提供更為直觀的分析結果，以利于對電能質量問題做出決策，如要求系統進行故障預測、故障識別、干擾源識別、信息共享等。文獻［40］提出了一種基于GPRS無線通信和GPS同步采樣的低成本電能質量監測裝置，GPS對時技術的引入既提高了系統同步采樣精度，又為故障識別、諧波源源定位及諧波狀態估計提供了重要的前提條件。

2.8 事故分析

電力系統發生事故后，能準確地分析事故原因是非常重要的。但不同地點的保護動作與故障錄波器記錄的時間不同步，使一些事故分析不清。只有借助于精確統一的時間才能根據各套保護的先后順序，正確分析電網發生事故的原因。利用GPS同步時鐘系統，當電網繼電保護動作時，給保護動作和錄波器一個精準的同步時間，分辨率達到微秒級，自動記錄事件狀態變化的時間，實現事件順序記錄［41］，清楚地顯示故障暫態過程的行為順序，給事故分析帶來準確的信息。

2.9 失步保護

當系統發生失步振蕩時，系統失步的判據是發電機的功角。由于功角不能直接測量，而安全自動裝置的研究和實現難度較大，既要考慮各種變化著的運行方式，又要考慮各種故障類型，即使通過非線性仿真得到功角，也只是一個近似值。而借助于GPS實現功角實時測量［42，43］，就可以簡化分析，易于實現。

2.10 雷電定位

雷電破壞是電力系統故障的主要因素之一，雷電定位系統對電力系統的規劃和設計，減少雷害損失有著重要的意義［44－46］。

雷電定位系統由中心主站和分布在不同位置的基站組成，雷閃時產生的電磁波往空間的各個方向傳播，各個基站測量電磁波的幅值和接收到電磁波的時間，并傳送到中心主站，中心主站根據這些信息就可以計算出，雷閃的位置及雷電流的大小。與故障定位一樣，雷電監測的精度主要取決于時間的精度，GPS的使用就是為了保證各個基站和中心主站有一個共同的時間標準。文獻［45］介紹的雷電定位系統，采用GPS實現時鐘的精度和統一，應用時差定位理論進行雷擊探測定位分析，及時、準確、直觀地檢測到故障點，可靠地對雷電進行定性和定量分析，為及時排除輸電線路雷擊故障提供了有效的依據。

3 結束語

GPS系統精確的定位和授時功能，為電力系統中的電力勘測、故障定位、繼電保護、事故分析、穩定性判別和自動化調度等帶來了新的技術突破。GPS系統將極大地提高整個電力系統的工作效率，推動電力系統自動化技術的發展。特別在發展智能電網的今天，GPS系統將不斷增強電網的安全穩定性，為電網的穩定運行和監測保駕護航，為打造堅強的智能電網提供重要的保障。

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