1、GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用GPS就是全球定位系統(tǒng)（Global Position System）,是美國利用新一代衛(wèi)星組 建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控站和用戶接收機組成， 全天候連續(xù)實 時向用戶提供高精確度的位置、速度和時間信息。1985年美國政府同意將GPS無條件使用于全球所有的民用領(lǐng)域，隨著時間的推移，GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 越來越大。一、GPS概況1959年，美國海軍委托霍普金斯大學(xué)研究用于北極星核潛艇導(dǎo)航的子午衛(wèi) 星導(dǎo)航系統(tǒng)Transit,1964年研制成功，并逐步應(yīng)用到其它軍事和民用目的。由于 Transit衛(wèi)星軌道低，受大氣影響大，定位精度受到限制，為此在20世紀(jì)60年代

2、 末，美國海軍又提出了 Timation方案，計劃用高約1萬公里的1218顆衛(wèi)星組 成定位網(wǎng)，同時美國空軍也提出了類似功能的621B計劃,1973年美國國防部成立一個聯(lián)合辦公室，吸收了兩個計劃的優(yōu)點，決定開發(fā)全球定位系統(tǒng)GPS.GPS于1986年發(fā)射第一顆衛(wèi)星，原計劃1988年完成，但由于挑戰(zhàn)號航天飛機失事，直 到1993年7月才部署完成。GPS由均勻分布在六條軌道上的24顆衛(wèi)星（其中3顆備用）組成，在地球上 的每一個位置均能接收到4-6顆衛(wèi)星的信號，衛(wèi)星繞地球一周12小時，每秒鐘 通過L1、L2兩個波段發(fā)射三種偽隨機碼：C/A碼（粗碼）、P碼（精碼）和和Y 碼（加密的P碼）.C/A碼一次定位

3、精度25m,多次定位精度8m,定時精度100nS, 全世界都可以無償使用；P碼一次定位精度10m,多次定位精度可以達(dá)到厘米級， 定時精度10nS,只能美國及其盟國軍事和授權(quán)的民用部門使用。GPS發(fā)射的信號包含衛(wèi)星的識別碼、衛(wèi)星發(fā)射的時間及其當(dāng)時所在位置、以及相關(guān)的修正數(shù)據(jù)，根據(jù)這些信息就可以進(jìn)行定位，GPS定位的方法有：偽距法、 相干波干涉法、多普勒效應(yīng)和載波相位法。GPS接收機由天線、處理單元，處理單元根據(jù)相關(guān)原理捕獲四個衛(wèi)星的信號， 鎖定后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后秒輸出脈沖信號或經(jīng)過用行口輸出信息。二、GPS在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的必要性隨著時代的進(jìn)步，電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全、高

4、效提 出了更高的要求。而作為電網(wǎng)基本單位的變電站、發(fā)電廠和調(diào)度所內(nèi)部均有眾多 的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)裝置、故障錄波器、故障信息管理系統(tǒng)、安全自動裝置、 遠(yuǎn)動RTU、DC S系統(tǒng)及能量計費系統(tǒng)等自動化設(shè)備， 其中大部分設(shè)備的運行 變量可謂瞬息萬變，對時間精度要求很高，如果設(shè)備之間沒有同步到高精度的時 間基準(zhǔn)，大家各自為政，就不能保證實時系統(tǒng)等重要信息的準(zhǔn)確性。另外，各管 理監(jiān)控裝置對時間同步的精度要求應(yīng)與所連接的自動化裝置保持同一水平，以便于故障的分析、定位，鑒定不同專業(yè)設(shè)備的責(zé)任。例如通過故障錄波、保護(hù)信息 管理系統(tǒng)等設(shè)備記錄事件的時間、事件發(fā)生的先后次序等 ，對事故進(jìn)行分析.這對 于查找事故

5、的原因、分析事故發(fā)生過程，從而減少事故隱患有著至關(guān)重要的作用， 同時也利于明確責(zé)任，加強管理.在通信信息網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)安全日益顯得重要， 口令保護(hù)、加密、電子認(rèn)證等安全措施越來越多 ，而許多安全措施也都需要時間 同步信號。另外，隨著GP S系統(tǒng)的全面民用化，國內(nèi)外在基于GP S的同步相量測量 單元（PMU）方面已經(jīng)開展研究，尤其在硬件性能方面取得了很大進(jìn)展，已經(jīng) 開始裝備于電力系統(tǒng).這些裝置可以直接測量節(jié)點電壓的幅值和相角，并經(jīng)由通 信傳輸網(wǎng)絡(luò)傳到調(diào)度中心，以對電力系統(tǒng)實時動態(tài)過程進(jìn)行檢測和分析。相量測 量裝置是電力系統(tǒng)實時動態(tài)檢測系統(tǒng)的基本核心組成部分，必須具備高穩(wěn)定

6、性、 高精確度，而這些設(shè)備的應(yīng)用都離不開高精度的時間。例如行波測距裝置、功角 測量裝置等的正常運行都必須建立在高精度的同步時間基礎(chǔ)上?？傊?，電網(wǎng)中的時間因素越來越重要，只有建立完善的時間同步機制，才能 保證電網(wǎng)的可靠、高質(zhì)運行。三、GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用相對于GPS的定位功能來說，GPS的定時功能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加重 要和普遍。電力系統(tǒng)中如微機保護(hù)及安全自動化系統(tǒng)、遠(yuǎn)動及微機監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào) 度自動化系統(tǒng)、故障錄波器、事故記錄儀等許多自動化裝置，都需要一個精確的 時間標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對時間標(biāo)準(zhǔn)的精確度也提出了更高的要求。（一）電網(wǎng)調(diào)度自動化和故障錄波器等的時間同步傳統(tǒng)的定時方式

7、有兩種：（1）電網(wǎng)調(diào)度中心通過通信通道同步系統(tǒng)內(nèi)各個電 站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)度中心到達(dá)各個電站的距離 不一樣，通信延時也不一樣，因此只能保證系統(tǒng)時鐘在毫秒級誤差的水平；（2）利用廣播、電視、天文臺等的無線報時信號，這種方式一般一個小時報送一次，一個小時內(nèi)會積累較大的誤差，同樣還由于信號傳播延時，時間誤差較大，很難 達(dá)到毫秒級，此外還容易受到電站內(nèi)的電磁干擾影響。電網(wǎng)調(diào)度自動化要求主站端與遠(yuǎn)方終端（RTU）的時間同步。當(dāng)前大多數(shù)系 統(tǒng)仍采用硬件通過信道對時，主站發(fā)校時命令給遠(yuǎn)方終端對時硬件來完成對時功 能.若采用軟件對時，由于軟件對時具有不確定性，故不能滿足開關(guān)動作時間

8、分 辨率小于10 ms的要求。用硬件對時，可達(dá)到分辨率小于 10 ms,但對時硬件復(fù) 雜，并且對時期間（每10 min要對一次）完全占用信道。當(dāng)發(fā)生 YX變位時，主站 主機CPU還要做變位時間計算，占用 CPU的開銷.利用GPS的定時信號可克服 上述缺點，GPS接收機的時間碼輸出接口為 RS232C及并行口，用戶可任選用行 或并行方式，還有一個秒脈沖輸出接口 （1PPS）,輸出接口可卞g據(jù)需要選用.目前，微機故障錄波器均有機內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時間環(huán)節(jié)。 由于時間元件自身誤差和不 同型號的錄波器時間元件差異，往往造成各站故障錄波器在故障時記錄時間差異 較大，對分析系統(tǒng)事故帶來不便。而 GPS技術(shù)可以獲得高可

9、靠性及高精度的秒脈 沖（1PPS及通過串口輸出時間。在 SA生效時，定時精度實用上可達(dá) 0。5so 用GPS來不斷修正原來錄波器時間元件，可使全系統(tǒng)故障錄波器時間同步。GPS為電力系統(tǒng)時鐘同步提供了新的技術(shù)保證。就算廣泛應(yīng)用于民用的GPS 粗碼，理論上定時精度可以達(dá)到 0.1微秒，現(xiàn)在市場上銷售的接收機的定時精度 都可以達(dá)到1微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的定時方式。利用GPS同步電力系統(tǒng)的時鐘， 必將是電力系統(tǒng)主要的定時方式，同時也為電力系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。有了統(tǒng)一精確的時間，既可實現(xiàn)全廠（站）各系統(tǒng)在GPS時間基準(zhǔn)下的運行監(jiān)控和事故后的故障分析，也可以通過各開關(guān)動作、調(diào)整的先后順序及準(zhǔn)確時

10、問來分析事故的原因及過程.統(tǒng)一精確的時間是保證電力系統(tǒng)安全運行，提高運行 水平的一個重要措施。GPS時間同步系統(tǒng)由主時鐘、時間信號傳輸通道、時間信 號用戶設(shè)備接口（擴(kuò)展裝置）組成。主時鐘一般設(shè)在電廠（站）的控制中心，包括 標(biāo)準(zhǔn)機箱、接收模塊、接收天線、電源模塊、時間信號輸出模塊等。對于電廠、 變電站，考慮其重要性，整個電廠、變電站配置 2臺主時鐘，一主一備，2臺主時 鐘以冗余熱備模式工作，完成 GPS衛(wèi)星信號的接收、處理，及向時間擴(kuò)展設(shè)備 提供標(biāo)準(zhǔn)同步時間信號（RS422電平方式IRIG-B）0（二）相量測量和新一代的動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)電力系統(tǒng)中的電壓和電流波形基本上是正弦波，頻率、幅值和相角是

11、正弦波的三個要素，在同一電力系統(tǒng)中，頻率是相同的，幅值也很容易測量，但相角測量確是一個未解的難題.相角測量的主要困難是同一電力系統(tǒng)中各個電站的母線 電壓和線路電流的相角必需是相對于同一個時間標(biāo)準(zhǔn)。 若能實時同步測得系統(tǒng)兩 端電壓之間相位差，則可監(jiān)視二端運行電氣相角，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行有現(xiàn)實意義。GPS接收機每臺之間時間誤差1產(chǎn)（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量結(jié)果傳送到調(diào)度控制中 心，則可作為運行判據(jù)和以此建立調(diào)節(jié)控制手段 .GPS高精度的定時為相角測量提供了解決方案.在美國，IEEE電力系統(tǒng)繼電 保護(hù)和控制委員會設(shè)立了一個

12、專業(yè)委員會 H7,專門研究同步相量測量單元PMU （Phasor Measurement Unit）的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn).PMU裝置內(nèi)的時鐘每秒鐘通過 GPS 接收機同步一次，一秒鐘間隔內(nèi)由裝置內(nèi)部的高穩(wěn)定度晶振產(chǎn)生，這樣安裝在電力系統(tǒng)內(nèi)不同電站的PMU采樣時間誤差在幾個微秒之內(nèi)，對應(yīng)的相角誤差不超 過0。1° ,可以滿足相角測量的要求。長期以來，由于相角不能測量，電力系統(tǒng)的潮流分布只能根據(jù)各個節(jié)點的電 壓幅值、有功功率和無功功率，以及當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立和求解非線性 方程來得到，由于解非線性方程需要反復(fù)迭代，計算量大，計算時間長，因此得不到實時的潮流分布，調(diào)度員只能根據(jù)經(jīng)驗間接地判別

13、系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)的安全監(jiān)控?zé)o法根據(jù)簡單的相角條件來實現(xiàn)。新一代的動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)利用現(xiàn)代的通信技術(shù)，將分布在各個電站的 PMU測量到的電壓電流相量、有功無功、發(fā)電機的功角等信號傳送到調(diào)度中心， 由中央處理單元對這些信號進(jìn)行處理，以便對電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢測、動態(tài)行為監(jiān)測、穩(wěn)定監(jiān)測、故障分析等，有利于值班員對系統(tǒng)穩(wěn)定性的判別，增強事故后干預(yù)、防止事故擴(kuò)大或連鎖發(fā)展的能力。（三）故障測距在電力系統(tǒng)中，輸電線路經(jīng)常發(fā)生各種故障，由于線路很長，并且很多線路地形復(fù)雜，尋找故障地點就非常費時費力費錢。 傳統(tǒng)的故障測距方法利用電壓除 以電流得到阻抗，然后根據(jù)線路參數(shù)估計故障距離，由于線路故障大多非金屬短

14、 接，過渡阻抗無法確定，因此誤差很大。目前世界各國的故障測距技術(shù)均以發(fā)展測量故障行波到達(dá)母線觀察點之間 的時間，利用兩端母線測量行波到達(dá)時間之差，或測量行波往返一次所需時間來 測量距離.早期的行波測距裝置有 A、B、C型3種型式，可靠性均不甚理想.現(xiàn)代 微電子技術(shù)的發(fā)展已提供許多可靠手段，其中精確時間源可以由GPS來提供。最簡單的表示是故障點到測量點之間的距離， 用行波傳輸?shù)絻啥藴y得的時間差可 直接算出.基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的雙端行波故障定位系統(tǒng)是利用行波的第一個波 頭到達(dá)線路兩端的時間差來計算故障點的位置的.由于行波的傳播速度非?？欤s為光速的98%）,因此對行波波頭到達(dá)線路兩端時刻的

15、時間精度要求非常高。 采用GPS以同步輸電線路兩端的電氣量，進(jìn)行故障定位，可以極大地簡化算法、 兩端數(shù)據(jù)同步過程和故障定位裝置的附加設(shè)備，提高故障信號的提取效率，并且具有很高的定位精度.GPS同步時鐘技術(shù)的引入將大大促進(jìn)雙端量故障定位技術(shù) 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用（四）雷電監(jiān)測系統(tǒng)雷電破壞是電力系統(tǒng)故障的主要因素。盡管雷電是一種隨機的自然現(xiàn)象 ，但 是可以通過多年的監(jiān)測，得到雷電活動的統(tǒng)計規(guī)律，這對電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計 ，減 少雷害損失有著重要的意義。大地落雷是可以探測到的，利用設(shè)置不同地理位置的探測站，測量探測站獲 得雷電信號的時間差.由于每個站只能確定雷電信號源的方位，因此用 3個以上 站的測量結(jié)

16、果就可以計算出落雷位置。 當(dāng)然，必須知道探測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間源。各探測站 信息傳到處理中心進(jìn)行雷電定位，精度可達(dá)0 1 km。雷電監(jiān)測系統(tǒng)由中心主站和分布在不同位置的基站組成，雷閃時產(chǎn)生電磁波 往空間的各個方向傳播，各個基站測量接收到電磁波的時間和電磁波的幅值，并傳送達(dá)中心主站，中心主站根據(jù)這些信息就可以計算出， 雷閃的位置及雷電流的 大小。與故障測距一樣，雷電監(jiān)測的精度主要依賴于時間的精度，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(biāo)準(zhǔn)。（五）繼電保護(hù)GPS在繼電保護(hù)中的用途有兩個：線路差動保護(hù)和保護(hù)聯(lián)合調(diào)試.

17、電流差動保護(hù)原理就是基爾霍夫電流定理： 同一時刻流入某個節(jié)點或廣義節(jié) 點的電流的代數(shù)和為零.差動保護(hù)由于其簡單、可靠和快速等特點，已經(jīng)作為主 保護(hù)廣泛應(yīng)用的母線、變壓器和發(fā)電機等設(shè)備上 ，但是用在長距離的輸電線路就 比較困難，問題就在于“同一時刻”上，傳統(tǒng)的定時方式很難保證線路兩端設(shè)備 采樣時間的統(tǒng)一 ,GPS的出現(xiàn)為線路差動保護(hù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了新的契機。帶有通道的輸電線路縱聯(lián)保護(hù)在超高壓輸電線路中有著重要的意義。這些保護(hù)試驗時，為了分析保護(hù)的效果，記錄下來的兩端的電壓電流波形就必須有一個 共同的時間標(biāo)準(zhǔn)，以保證試驗的同步性。高頻保護(hù)調(diào)試需要在線路兩側(cè)的高頻保護(hù)上同時加故障量，以真實地模擬線

18、路發(fā)生區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障時高頻保護(hù)的動作行為 .在線路兩側(cè)同時加故障量，靠一 般的時鐘是辦不到的，這是因為一般時鐘的工作精度是秒級， 而作為快速保護(hù)的 高頻保護(hù)其工作時間是毫秒級，由一般時鐘造成的誤差，無法保證兩側(cè)所加故障 量的同時性。而采用具有GPS準(zhǔn)確定時功能由PC機控制的繼電保護(hù)試驗裝置來 保證兩側(cè)所加故障量的同時性，其時間誤差是微秒級的，可以滿足同時加故障量 的要求。四、GPS在電力系統(tǒng)應(yīng)用的市場分析根據(jù)上述GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，GPS在電力系統(tǒng)應(yīng)用的市場規(guī)模 十分巨大。（一）電網(wǎng)調(diào)度自動化和故障錄波器等的時間同步用于電網(wǎng)調(diào)度自動化和故障錄波器等時間同步的 GPS系統(tǒng)一般安裝在電力

19、 公司的調(diào)度中心，為了保證系統(tǒng)的可靠運行，一般安裝兩臺 GPS系統(tǒng)，一主一 備，互為備用.目前我國的調(diào)度中心分為五級調(diào)度體制，截至2005年底，我國電力調(diào)度中心總數(shù)為：國家電力調(diào)度中心1個，區(qū)域電力調(diào)度中心6個，省及直轄市電力調(diào) 度中心34個，地級電力調(diào)度中心 333個，縣級電力調(diào)度中心2862個，共計3236 個，因此用于電網(wǎng)調(diào)度自動化和故障錄波器等時間同步的GPS系統(tǒng)共計需安裝6472 臺.（二）相量測量和繼電保護(hù)用于相量測量和繼電保護(hù)的GPS系統(tǒng)一般安裝在變電站內(nèi)。以往的變電站、 電廠內(nèi)的絕大部分設(shè)備所使用的時間都是由設(shè)備內(nèi)部時鐘提供的，由于設(shè)備內(nèi)部時鐘的質(zhì)量差異，工作一段時間后，會導(dǎo)致各設(shè)備的時間出現(xiàn)較大偏差。在目前 新投產(chǎn)的變電站、電廠中一般在站內(nèi)配置一套小型的同步系統(tǒng)，接收統(tǒng)一的G PS時間信號作為統(tǒng)一的信號源，然后傳到站內(nèi)各設(shè)備，稱之為“局部同步”。根據(jù)這樣的設(shè)計，變電站內(nèi)一般安裝兩臺 GPS系統(tǒng)，一主一備，互為備用。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2005年末，全國有500kV變電站近150個，220kV變 電站約2600多個，110kV變電站約8500個，66kV/35kV變電站有25500多個。 另有數(shù)據(jù)顯示，全國110KV以下、35KV以上的終端變電站有26000余座.根據(jù) 以上統(tǒng)計，全國共有變電站約6275