繼電保護(hù)及自動裝置因**對時的全球定位系統(tǒng)GPS

[繼電保護(hù)測試儀摘 要] 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動裝置因**對時而應(yīng)用全球定位系統(tǒng)。本文對應(yīng)用的幾種標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行了介紹和比較。 

[關(guān)鍵詞] 全球定位系統(tǒng) 繼電保護(hù) **對時

    隨著人類活動范圍的日趨擴(kuò)展及航海、航空、測繪、勘探技術(shù)的不斷發(fā)展和**應(yīng)用的需要，指導(dǎo)航行的方式亦由遠(yuǎn)古時代用自然恒星和指南針的方式演變?yōu)榻裉斓臒o線電導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System簡稱GPS）就是這樣一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
　　GPS是美國國防部自1973年開始研制的**代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歷時21年，于1994年正式投入運(yùn)行。它*初是為美國軍方提供服務(wù)，但隨著它的發(fā)展，在交通、測量、航空等民用領(lǐng)域里獲得了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)擁有24顆衛(wèi)星，分布于6個軌道平面上，構(gòu)成一個定時定位網(wǎng)。GPS衛(wèi)星用兩個頻率發(fā)射單射測距信號，即L1頻率為1575.42MHz和L2頻率為1227.6MHz,還廣播衛(wèi)星的估計(jì)位置。用戶同時測量到4顆恒星的距離，即可解出四個未知數(shù)，它們通常是緯度、經(jīng)度、高程和用戶鐘的改正數(shù)。如果已知其中任何一個未知數(shù)，則用的衛(wèi)星數(shù)可以減少。這樣，通過對觀測點(diǎn)和各衛(wèi)星基點(diǎn)之間的距離測量，它可以為全球各地固定式移動用戶提供用戶自身的實(shí)時三維位置、速度和時間信息，實(shí)時計(jì)算出觀測點(diǎn)**的地理位置、標(biāo)準(zhǔn)時間、速度等信息。
　　GPS提供兩種定位服務(wù)，即基于精碼（P碼）的精密定位服務(wù)（PPS）和基于粗碼（C/A）的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）。PPS信號被加密，非授權(quán)用戶不能使用，大部分民間用戶只能依賴C/A碼或SPS。這樣，基于粗碼的SPS不能完全滿足用戶在精度、可用性和完好性方面的要求。為此，從GS獲得的時間必須經(jīng)過軟、硬件的技術(shù)處理，可以使用戶所在位置的世???時（VTC）達(dá)到亞微秒的精度，滿足用戶對**時間的要求。這就使GPS具有全球覆蓋、全天候、高精度的特征，在飛機(jī)導(dǎo)航、海陸交通管理、資源調(diào)查、測繪、勘探、導(dǎo)游等方面都有廣泛的應(yīng)用。
　　在電力系統(tǒng)中，自動化信息傳輸、繼電保護(hù)及自動裝置的**對時都借助于GPS。 

一、繼電保護(hù)和自動裝置的**對時
　　為滿足遠(yuǎn)距離輸電的需要，高壓大電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，隨之快速繼電保護(hù)和多功能的自動裝置也獲得了很大的發(fā)展。電力系統(tǒng)的**對時也提到了重要的位置，它可以滿足以下各方面的需要:
1、 檢測功率平衡和控制潮流:
　　由于電力系統(tǒng)的發(fā)、供、用是同時完成的統(tǒng)一體，測錄電網(wǎng)各相關(guān)部位的電壓、電流、功角和輸送的功率就十分重要，這些信息是調(diào)度人員進(jìn)行電力調(diào)度的依據(jù)，也是維持高質(zhì)量電能的監(jiān)控基礎(chǔ)。
2、計(jì)算網(wǎng)絡(luò)電能損耗:
　　電力輸送應(yīng)遵循輸送能量損耗為*小的原則，為此，就必須在同一時刻測量處于不同位置的同一線路，受進(jìn)與送出的電能，這樣才能準(zhǔn)確計(jì)算出某元件的電能損耗，否則，正確的損耗測量是辦不到的。
3、 電力系統(tǒng)發(fā)生異常或事故時，故障錄波提供有價值的波形進(jìn)行分析:
　　電力系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚴鹿剩收箱洸ㄑb置會錄制有關(guān)波形。對這些波形的分析，必須有同一的時間基準(zhǔn)，否則就不能正確判斷事故發(fā)生的原因、判斷各種保護(hù)及自動裝置動作行為的先后順序的正確與否、判斷事故的演變和發(fā)展過程。
4、 高頻保護(hù)的調(diào)試:
　　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(shí)地模擬線路發(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?yàn)橐话銜r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(jī)控制的繼電保護(hù)試驗(yàn)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。
　　此外，對其他一些時間精度要求較高的自動裝置，如穩(wěn)定控制裝置傳輸時間的測試等均需要利用GPS來**測定。

二、繼電保護(hù)**對時的實(shí)施
　　目前，我國電力系統(tǒng)繼電保護(hù)**對時，都是以美國GPS定位系統(tǒng)為時間基準(zhǔn)，選用進(jìn)口GPS接收機(jī)部件，經(jīng)二次開發(fā)研制成標(biāo)準(zhǔn)時間同步鐘，自動選擇*佳星座進(jìn)行定位、定時，經(jīng)過設(shè)備的硬件及軟件處理轉(zhuǎn)換為北京時間輸出，使在我國任何地方使用，其時間誤差小于1μs，完全可以滿足目前電力系統(tǒng)**對時的需要。
　　標(biāo)準(zhǔn)時間同步鐘的接收機(jī)通過GPS專用天線、饋線、接收頭、單片微處理系統(tǒng)，將時間日期等信息輸出到設(shè)備的外部接口，其輸出方式有多種形式可供選擇，T-GPS20系列的原理框圖見圖1。
1、GPS裝置各主要部件及作用如下:
1）、GPS信號接收器: 是專用接收GPS衛(wèi)星信號的集成電路模塊，輸出時間精度為1微秒的1PPS脈沖，并通過RS232串行口輸出國際標(biāo)準(zhǔn)時間、日期和接收器所處地理位置（經(jīng)緯度）等信息。
2）、同步脈沖發(fā)生電路: 輸出秒（1PPS）、分鐘（1PPM）、小時（1PPH）同步脈沖信號。
3）、中心處理單元: 對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。接收GPS衛(wèi)星信號接收模塊發(fā)送的國際標(biāo)準(zhǔn)時間信息及秒同步信息，換算成當(dāng)?shù)貢r間送LED數(shù)碼顯示器顯示，并按一定的格式經(jīng)串行口輸出，供繼電保護(hù)和自動裝置使用。
目前，由各研究單位和制造廠商開發(fā)的GPS衛(wèi)星同步時鐘裝置有多種產(chǎn)品，它們根據(jù)用戶的需要開發(fā)出不僅僅滿足**對時的同步時鐘，還有突發(fā)事件記錄儀、模擬同步故障測試裝置及增加毫秒輸出、微秒輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間同步鐘等。

2、GPS的輸出方式
　　全站公用的一臺GPS同步時鐘，一般有下列幾種輸出方式，以實(shí)現(xiàn)對多臺繼電保護(hù)及自動裝置的**對時:
1）、 面板的LED顯示:
裝置面板的LED數(shù)碼顯示，直接顯示當(dāng)?shù)貢r間，可以顯示時、分、秒，也可以顯示時、分、秒、日、月、年。
2）、 同步脈沖信號輸出: 它可以是秒脈沖（1PPS，1Pulsae Per Second）、分脈沖（1PPM，1Pulse Per Minute）、小時脈沖（1PPH，1Pulse Per Hour）輸出。
秒脈沖輸出有兩種方式:
　　一種是TTL電平: 它是一對標(biāo)有“+ -”的接點(diǎn)，“+”端為信號線，“-”端為地線，選用高速光耦實(shí)現(xiàn)電隔離。實(shí)際電路如圖2所示。輸出信號為負(fù)脈沖，脈沖寬度為100ms。

　　另一種是靜態(tài)空接點(diǎn)方式: 其內(nèi)部電路如圖3，當(dāng)秒脈沖到來時，光電耦合器的輸出三級管導(dǎo)通。
　　分脈沖輸出: 為靜態(tài)空接點(diǎn)方式輸出。當(dāng)分脈沖到來時，光電耦合器的輸出三極管導(dǎo)通，導(dǎo)通時間持續(xù)100ms?？战狱c(diǎn)原理圖見圖3。作為應(yīng)用實(shí)例可見圖4。

圖中光電耦合器型號: EMG17 0—24V DC/220 DC/1A
時脈沖信號也是以靜態(tài)空接點(diǎn)形式輸出。
　　這三種同步脈沖信號的前沿與VTC時間前沿誤差小于1μs，既可用于各種設(shè)備校時，也可作為各種計(jì)時或計(jì)數(shù)脈沖。

3、IRIG-B時間碼輸出:
　　IRIG時間編碼序列是美國靶場儀器組（IRIG）提出的被普遍應(yīng)用于時間信息傳輸系統(tǒng)。該時碼序列分為G、A、B、E、H、D共六種編碼格式。
　　IRIG-B時碼是六種編碼格式中的一種。通過IRIG-B碼發(fā)生器，可將GPS接收器輸送的RS232數(shù)據(jù)及1PPS轉(zhuǎn)換成IRIG-B碼，通過IRIG-B輸出口及RS232/RS422/RS485串行接口輸出，在同站內(nèi)的各種保護(hù)的管理機(jī)及測控單元內(nèi)都裝有IRIG-B碼***，通過它輸出標(biāo)準(zhǔn)北京時間及1PPS，該時間有年、月、日、時、分、秒，各種保護(hù)通過RS232接口檢測同步脈沖，以此完成繼電保護(hù)的**對時（見圖5）。 

　　IRIG-B碼有交流碼和直流碼兩種（亦即正弦調(diào)制輸出和直流偏置輸出）。前者的調(diào)制信號頻率為1000Hz，每個正弦調(diào)制的IRIG-B輸出信號均與其周圍的其他部分完全隔離; 后者的信號TTL電平，信息采用RIRG-B標(biāo)準(zhǔn)格式，每個直流偏置IRIG-B輸出信號也均與周圍的其他部分完全隔離。
　　IRIG-B時間碼輸出信息每秒一次，信息格式見圖6a、b。

　　信息每秒發(fā)送一次習(xí)慣稱為一幀，每幀發(fā)送100個符號，每個符號占有的時間是10ms。符號共有三種: 邏輯值“0”（或稱空碼），邏輯“1”，起始符（或稱標(biāo)識符）。通過改變直流電平的占空比或變化1000Hz調(diào)制信號的幅值來表示邏輯“1”與“0”及起始符。如圖6b中所示，邏輯“1”的直流電平的占空比為50%: 50%; 邏輯“0”的占空比為20%: 80%; 起始符的占空比為80%: 20%。
　　發(fā)送的每幀信息均以起始符開頭（以M·K表示），也以M·K表示每幀信息的結(jié)束，幀頭M·K的上升沿標(biāo)志新的一秒的開始，后面的符號則分別表示秒個位、秒十位、分個位、分十位、日個位、日十位、日百位……。每幀的信息中，除了幀頭和幀尾外，一幀中間是不會有相鄰的兩個M·K，由此可見，當(dāng)出現(xiàn)兩個相鄰的M·K，則表明前一個M·K是上幀之尾，后一個是本幀之頭。

4、 RS232/RS422/RS485串行輸出口:
輸出均為廣播方式，發(fā)送的信息特性如下:
1） 工作波特率有9600、4800、2400、1200四種（波特率是每秒鐘傳送“0“或”1“電平的脈沖個數(shù)）。用戶可任意選擇，但如果話路質(zhì)量不高則應(yīng)選擇工作波特率較低的，這樣傳輸?shù)男Ч麜眯?br>2） 數(shù)據(jù)格式: 格式較多，例舉如下:
數(shù)據(jù)位（信息位） 7位（ASCII碼）
起始位 1位 停止位 2位
校驗(yàn)位 1位（偶校驗(yàn)）
3） 信息格式: 每分鐘發(fā)送一次，格式為:
T代表一幀信息的頭，后面相繼為年+，年個位，……。其中，北京時間標(biāo)志位為1，GPS同步標(biāo)志位為1時，表示時鐘同步良好，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)北京時間。GPS同步標(biāo)志位為1時，表示時鐘同步良好，發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)北京時間。GPS同步標(biāo)志位為0時，表示時鐘失去同步，發(fā)送時間不準(zhǔn)確。例如: 現(xiàn)在是北京時間96年9月19日，星期五，8點(diǎn)20分，則發(fā)送信息格式為: T96 <CR ><LF>
如果裝置剛上電或裝置失去同步后一小時，則裝置的信息格式里的GPS同步標(biāo)志位將為0。
4） 串行數(shù)據(jù)接口輸出的1PPM為一分鐘一次的10ms脈沖，后沿有效，為串行信號傳輸**定時。信息格式見圖7。


　　對于RS232/RS422/RS485串行輸出方式而言，信息格式的輸出和脈沖格式的輸出是缺一不可的，前者輸出準(zhǔn)確的年、月、日、時、分、秒的信息，告之被同步設(shè)備; 而后者發(fā)出的脈沖，則告之被同步設(shè)備: 準(zhǔn)確時間的到來，下降沿為信號**定時。
　　綜上所述，利用GS裝置滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動裝置的**對時有同步脈沖信號輸出方式、IRIG-B時間碼輸出方式、RS232/RS422/RS485串行輸出口方式可供選擇，而且每種輸出方式的個數(shù)可根據(jù)應(yīng)用要求而擴(kuò)展。

三、結(jié)論
　　隨著GPS技術(shù)的開發(fā)、推廣和應(yīng)用，成功地解決了由于電力系統(tǒng)發(fā)展而帶來的高壓網(wǎng)絡(luò)中，繼電保護(hù)和自動裝置的**對時問題，而且實(shí)現(xiàn)了一個站內(nèi)的多套繼電保護(hù)和自動裝置共享一臺GPS資源，做到了投資省、對時方式靈活、對時準(zhǔn)確，為電力系統(tǒng)的裝置調(diào)試、事故分析、監(jiān)控繼電保護(hù)和自動裝置的動作行為、電能損耗計(jì)算、電量平衡、負(fù)荷管理、穩(wěn)定控制等提供了有力的幫助，必將大大地推動電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動化技術(shù)的發(fā)展。◎ 

參 考 文 獻(xiàn)
1、 接收GPS衛(wèi)星信號的電力系統(tǒng)同步時鐘 電力系統(tǒng)自動化 1995年3月 徐丙垠 李桂義 冀有黨等
2、差分GPS與廣域GPS增強(qiáng) 共同走向科學(xué)——百名院士科教系列報(bào)告集 魏子卿
3、GPS—1標(biāo)準(zhǔn)時間同步鐘及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 江蘇電機(jī)工程 1996.12 王支 唐翔 張永號
4、 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）在高頻保護(hù)試驗(yàn)中的應(yīng)用研究 貴州電力技術(shù)第2卷 1999.6 謝百明 任勇 康鵬

繼電保護(hù)測試儀 http://www.shrixing88.com.cn/s04/shrixing88/yjml/20090511/2309673/1.html