一種基于GPS授時的高精度無線同步核相技術(shù)

陳兢　耿軍　肖鋒　房春雪

【摘要】由于傳統(tǒng)無線同步核相技術(shù)在進行同步采樣時存在時間延遲，同步核相精度較低，針對此問題，本文提出一種基于GPS授時的高精度無線同步核相技術(shù)，首先對GPS報文進行解析獲取GPS時間，利用GPS時間和PPS脈沖信號準確控制同步采樣時刻進行同步核相，然后基于此核相原理設計研制出基于GPS授時的無線同步核相儀，并對相距一定距離的多處電壓、電流值進行無線同步核相，測量結(jié)果表明，在1000米范圍內(nèi)，基于GPS授時的無線同步核相儀能實現(xiàn)相位誤差小于0.05的精度，滿足電力系統(tǒng)二次核相的測量要求，克服了傳統(tǒng)無線同步測量技術(shù)同步精度較差的問題，為提高電力系統(tǒng)同步核相精度和其他同步測量精度提供了新的解決思路。

【關(guān)鍵詞】GPS授時；無線同步核相；GPS報文；PPS脈沖

引言

無線核相技術(shù)在電力系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)中占有重要地位。在電力系統(tǒng)中，相序是反應電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標，交流電力系統(tǒng)ABC三相在正常情況下，三相電壓、電流對稱，相位相差120°，但在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，ABC三相不再對稱，因此通過對ABC三相電壓和電流進行核相可以提前預測和快速找到電力系統(tǒng)故障類型，及時做出應對措施，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

二次核相技術(shù)因其測量信號額定值較低、不直接對運行線路測試等因素成為廣泛使用的核相技術(shù)。無線同步核相技術(shù)是對電力系統(tǒng)中相距一定距離的分布式電壓電流信號進行同步測量的一種有效方法。目前電力系統(tǒng)中常用的無線同步核相技術(shù)是通過無線通訊模塊發(fā)送同步采樣信號實現(xiàn)異地同步采樣核相，此種無線同步核相技術(shù)由于同步采樣信號在無線傳輸時存在時間延遲造成核相精度較低，為了提高核相精度，一些專家和學者提出了時間延遲補償算法，但無線信號傳輸過程中的時間延遲與傳輸距離、信號強度等因素有關(guān)，造成時間延遲補償算法較為復雜，參數(shù)較難確定。

為了提高核相精度，本文提出一種基于GPS授時的高精度無線同步核相技術(shù)。基于GPS授時的高精度無線同步核相技術(shù)通過對GPS報文進行解析，獲得準確的GPS時間，利用GPS時間和PPS脈沖信號準確控制同步采樣時刻進行異地同步核相。本文第一節(jié)首先對GPS授時技術(shù)進行介紹，第二節(jié)對基于GPS授時的無線同步核相技術(shù)工作原理進行說明，第三節(jié)使用基于GPS授時的無線同步核相儀分別進行實驗室測試和現(xiàn)場測試，并對測試結(jié)果進行分析，第四節(jié)為本文結(jié)論。

1、GPS授時技術(shù)

GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)是現(xiàn)階段技術(shù)最完善的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一。

GPS系統(tǒng)分為三個基本部分 ：一是作為空間部分的GPS衛(wèi)星星座；二是作為地面控制部分的地面監(jiān)控系統(tǒng)；三是作為用戶設備部分的GPS信號接收機。本文中主要對用戶設備部分也就是GPS信號接收機進行研究和設計。

GPS接收機功能是接收衛(wèi)星播發(fā)的信號，獲取定位觀測值，提取導航電文中的廣播衛(wèi)星、星歷、衛(wèi)星時鐘、鐘差及電離層延遲修正參數(shù)等，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，完成導航、定位和授時任務。

本文中設計的GPS接收機如圖1所示。

圖1中GPS接收機通過微處理器串口接受GPS報文并對其進行解析，解析出當前GPS時間、當前衛(wèi)星狀態(tài)、當前可視衛(wèi)星個數(shù)、當前鎖定衛(wèi)星個數(shù)等有效信息，同時通過微處理器GPIO口獲取PPS脈沖，獲取其脈沖上升沿，為之后的異地同步核相做準備。

圖2為用GPS定位成功時示波器捕獲到的GPS報文和PPS脈沖。圖2中PPS脈沖寬度為100ms，1秒內(nèi)完整的GPS報文為600ms。GPS授時模塊采用NMEA 0183協(xié)議。用串口捕捉到的1秒內(nèi)完整的GPS報文如下表1所示。

表1中列出了每秒鐘GPS授時模塊發(fā)出的11條報文，報文中包括了時間信息、跟蹤衛(wèi)星信息、可視衛(wèi)星信息、地理位置信息、速度信息等多種信息。

本文中主要對GPS時間信息、天線狀態(tài)、可視衛(wèi)星顆數(shù)和跟蹤衛(wèi)星顆數(shù)進行解析，具體的分別對$GNRMC，$GNGGA，$GPGSV，$GPGSV和$GNZDA報文進行解析。

2、基于GPS授時的無線同步核相技術(shù)

基于GPS授時的無線同步核相技術(shù)的工作原理圖如圖3所示。

圖3中A、B機分別作為對分布式電壓電流信號進行同步核相的主從機。

A機作為主機主要執(zhí)行以下操作：

從GPS接收機接收到GPS報文和PPS脈沖信號發(fā)送給微處理器進行解析處理；

微處理器對GPS報文進行解析獲得當前GPS時間，將當前GPS時間延遲2s后作為采樣時間存入本機存儲器，并通過無線通訊模塊將采樣時間和采樣命令發(fā)送給B機；

繼續(xù)接收和解析GPS報文，若當前GPS時間等于采樣時間，等待PPS脈沖上升沿，AD采樣模塊在第一個PPS上升沿時刻執(zhí)行采樣命令，并將本機即A機采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器；

微處理器接收無線模塊發(fā)送的B機采樣數(shù)據(jù)；

微處理器將A機采樣數(shù)據(jù)和B機采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶顯示屏進行顯示。

至此A機（主機）完成一個同步采樣流程。

B機作為從機主要執(zhí)行以下操作：

通過無線通訊模塊接收A機發(fā)送的采樣時間和采樣命令；

接收和解析GPS報文，若當前GPS時間等于采樣時間，等待PPS脈沖上升沿，AD采樣模塊在第一個PPS上升沿時刻執(zhí)行采樣命令，并將本機即B機采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器；

微處理器通過無線模塊將B機采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給A機進行處理和顯示；

微處理器將B機采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給液晶顯示屏進行顯示。

至此B機（從機）完成一個同步采樣流程。

從以上流程可以看出主從機均以GPS時間和PPS脈沖上升沿作為采樣時刻，而PPS脈沖上升沿精確對應某一個UTC時刻，誤差為幾十ns，因此主從機的同步誤差為幾十ns。將100ns換算為工頻交流信號的角度數(shù)為0.0018?，考慮到此設計中AD采樣模塊精度和主從機各個模塊運算和傳輸速度差異，此設計中主從機核相的同步誤差最大為0.05?。

傳統(tǒng)的無線同步核相儀主機的AD采樣模塊在收到微處理器的同步采樣命令之后開始采樣，從機通過串口接收無線通訊模塊發(fā)送的同步采樣命令之后，再控制AD采樣模塊開始采樣，兩者的采樣開始時刻時間差為主機的微處理器向無線通訊模塊發(fā)送采樣命令的時間、主機無線通訊模塊發(fā)送采樣命令時間、從機無線通訊模塊收到采樣命令向從機微處理器發(fā)送采樣命令的時間三者之和，此時間約為幾十到底幾百us，所以傳統(tǒng)無線同步核相儀同步誤差至少為0.3?。

基于GPS授時的無線同步核相技術(shù)可以有效地提高同步核相精度，此技術(shù)不僅限于應用于有主從機兩臺機子的雙機同步核相，也可用于多機同步核相。

3、測試結(jié)果及分析

在實驗室中用繼保之星輸出固定交流電壓電流值，繼保之星輸出的A、B、C各相交流電壓電流值分別如表2所示。

表2 A、B、C各相交流電壓電流值

A相 B相 C相

電壓幅值（V） 57.70 57.70 57.70

電壓相位（°） 0 240 120

電流幅值（A） 1.00 1.00 1.00

電流相位（°） 10 250 130

首先使用傳統(tǒng)的無線同步核相儀主機和從機同時對表2所示的電壓電流值進行測試，測試結(jié)果如表3所示。測試中，A、B、C三相交流信號的相位隨具體測試時刻變化而變化，為了更好的對比測試結(jié)果，表3中A、B、C三相電壓和電流相位均以主機測試數(shù)據(jù)中的A相電壓相位為參考相進行計算和顯示。

從表3中可以看出：傳統(tǒng)的無線同步核相儀主機和從機在測試同一電壓電流信號時，主從機測試數(shù)據(jù)中電壓幅值和電流幅值最大差值為0.03，由于電壓幅值和電流幅值為定值，測試中幅值差值不與采樣時刻的同步性有關(guān)，而只與采樣模塊的精度及其他模塊的精度、響應速度有關(guān)。表3測試數(shù)據(jù)中，主從機電壓相位和電流相位差值最大值為0.66°，最小值為0.35°，此數(shù)據(jù)較能反映同步采樣的同步精度。

然后使用本文設計的基于GPS授時的無線同步核相儀主機和從機同時對表2所示的電壓電流值進行測試，測試結(jié)果如表4所示。表4中A、B、C三相電壓和電流相位也均以主機測試數(shù)據(jù)中的A相電壓相位為參考相進行計算和顯示。

表3 傳統(tǒng)無線同步核相儀測試結(jié)果

A相 B相 C相

主機 電壓幅值（V） 57.72 57.65 57.68

電壓相位（°） 0.00 240.53 119.79

從機 電壓幅值（V） 57.69 57.67 57.69

電壓相位（°） 0.38 239.87 120.14

差值 電壓幅值（V） 0.03 0.02 0.01

電壓相位（°） 0.38 0.66 0.35

主機 電流幅值（A） 0.97 0.99 0.98

電流相位（°） 10.54 250.36 130.57

從機 電流幅值（A） 0.99 0.98 0.99

電流相位（°） 10.12 249.87 130.22

差值 電流幅值（A） 0.02 0.01 0.01

電流相位（°） 0.42 0.49 0.35

表4 基于GPS授時的無線同步核相儀測試結(jié)果

A相 B相 C相

主機 電壓幅值（V） 57.71 57.65 57.68

電壓相位（°） 0.00 240.23 240.09

從機 電壓幅值（V） 57.69 57.67 57.69

電壓相位（°） 0.04 240.20 240.14

差值 電壓幅值（V） 0.02 0.02 0.01

電壓相位（°） 0.04 0.03 0.05

主機 電流幅值（A） 0.98 0.99 0.98

電流相位（°） 10.14 250.36 130.18

從機 電流幅值（A） 0.99 0.98 0.99

電流相位（°） 10.12 250.35 130.22

差值 電流幅值（A） 0.01 0.01 0.01

電流相位（°） 0.02 0.01 0.04

表5 基于GPS授時的無線同步核相儀測試結(jié)果

A相 B相 C相

主機 電壓幅值（V） 57.38 56.82 57.25

電壓相位（°） 12.62 253.01 132.15

從機 電壓幅值（V） 57.36 56.90 57.22

電壓相位（°） 12.60 253.03 132.12

差值 電壓幅值（V） 0.02 -0.02 0.03

電壓相位（°） 0.02 -0.04 -0.03

從表4中可以看出：傳統(tǒng)的無線同步核相儀主機和從機在測試同一電壓電流信號時，主從機測試數(shù)據(jù)中電壓幅值和電流幅值最大差值為0.02，與表3中的幅值差值差別不大，而主從機的相位誤差最大值為0.05°，最小值為0.01°，與表3中相比，同步精度大大提高，驗證了本文提出的基于GPS授時的無線同步核相技術(shù)的高精度。

同時國網(wǎng)黃石供電公司檢修分公司工作人員，利用本文設計的基于GPS授時的無線同步核相儀主機和從機在220KV智能變電站進行現(xiàn)場試驗，兩臺儀器分別測量Ⅰ段母線和Ⅱ段母線端子箱電壓，進行同步采樣。其中一次同步采樣結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出， 兩條母線測量幅值相差最大為0.03V，兩條母線測量相位相差最大為0.04?。理論上兩條母線的相位應該相等，說明測試設備的測試結(jié)果最多偏差了0.04?。進一步驗證了本文中基于GPS授時的無線同步核相技術(shù)的精度。

4、結(jié)論

本文為解決傳統(tǒng)無線同步核相技術(shù)同步精度較低的問題，在傳統(tǒng)無線同步核相技術(shù)基礎上引入GPS授時模塊，提出基于GPS授時的高精度的無線同步核相技術(shù)，通過理論分析論證了基于GPS授時的無線同步核相技術(shù)的精度比傳統(tǒng)無線同步核相技術(shù)的精度高，并設計同步核相儀進行了實驗驗證，實驗結(jié)果進一步驗證了理論分析的正確性，基于GPS授時的高精度無線同步核相技術(shù)為提高電力系統(tǒng)中同步核相和其他同步測量技術(shù)提供了新的解決思路和方法。

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作者簡介：陳兢（1973-），男， 助理工程師，中專，從事繼電保護工作；耿軍（1973-），男，工程師，專科 ，從事繼電保護工作；肖鋒 （1978-），男，助理工程師，本科，從事繼電保護工作；房春雪，（1993-），女，工程師，碩士研究生，從事電力電子技術(shù)研究和繼電保護工作。