摘要：提要简述了全球定位系统(GPS)的构成以及定位的基本原理,同时介绍了GPS在电力工程测量中的应用。
关键词：全球定位系统;电力工程;测量
0 引言
全球定位系统(简称GPS),美国从20世纪七十年代开始研制的用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统。GPS是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此,GPS技术转入民用后,率先在测量领域得到广泛应用。电力工程所处地形条件复杂,常规测量难以满足精度及工期要求,GPS控制测量则充分显示其优越性。本文主要介绍GPS的构成以及在电力工程测量中的应用。
1 GPS构成与工作原理
GPS主要有三部分构成,分别是空间卫星星座、地面监控站及用户设备。
GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道平面的倾角为55°,卫星的平均高度为20,200km,运行周期为11小时58分。卫星用L波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15°以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。
GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据,计算各卫星的轨道参数、钟差参数等,并将这些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。
GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标。
图1 GPS同步时钟的原理框架
2卫星同步时钟简介
目前，基于微机型的故障录波装置、事件记录装置、安全自动装置、远动装置等在电网中已经得到了越来越多的运用。对于时钟的同步也提出了严格的要求，希望能够达到1 ms甚至μs级的精度。GPS系统的出现正好满足了这一要求。
GPS接收器能够送出非常精确的时间信息，但该信息是固定不变的。它必须经过转换后才能满足系统内已经使用或将要使用的各种装置对同步源的要求。 各个制造厂商以及用户对同步的要求是各不相同的，有些使用不同幅值、不同频率、不同时延的脉冲同步方式，而有些使用标准的串行编码方式，比如MSF格式或IRIG－B格式，用户大多喜欢使用当地时钟格式（比如北京时间）而不喜欢使用UTC时钟格式。于是就必然地出现了一种规约转换器。将GPS接收器送出的固定信息转换成各种不同的格式输出，以满足各种装置及用户的要求。该规约转换器就俗称为GPS同步时钟，其原理框图如图1所示。
(1）GPS信号接收器：用于接收GPS卫星信号，输出时间精度为1μs的1PPS脉冲，并经RS－232口输出UTC标准时间、日期及接收器所处位置等信息，接收器天线装在1个直经约3cm、高约8 cm的塑料圆棒内，天线一般应安装在房顶上，以便有开阔的视野；
(2）脉冲电路：输出秒（1 PPS）、分（1 PPM）、时（1 PPH）同步脉冲信号输出格式可以是电平输出或静态空接点输出；
(3）中央处理单元：将来自GPS的UTC标准时间信息换算成当地时间，送液晶显示器显示，并按照一定的格式经串行口输出；
(4）RS－232／485接口：输出每秒一次的当地时间、日期等信息、波特率可选；
(5）MSF、IRIG－B、BCD接口：按照各自阿的标准格式输出时间、日期码。
3 GPS在电力系统中的应用
相对于GPS的定位功能来说，GPS的定时功能在电力系统中的应用更加重要和普遍。电力系统中如微机保护及安全自动化系统、远动及微机监控系统、调度自动化系统、故障录波器、事故记录仪等许多自动化装置，都需要一个精确的时间标准，而且随着电力系统的发展，对时间标准的精确度也提出了更高的要求。 传统的定时方式有两种：（1）电网调度中心通过通信通道同步系统内各个电站的时钟，这种方式需要专用的通信通道，由于从调度中心到达各个电站的距离不一样，通信延时也不一样，因此只能保证系统时钟在毫秒级误差的水平；（2）利用广播、电视、天文台等的无线报时信号，这种方式一般一个小时报送一次，一个小时内会积累较大的误差，同样还由于信号传播延时，时间误差较大，很难达到毫秒级，此外还容易受到电站内的电磁干扰影响。
GPS为电力系统时钟同步提供了新的技术保证。就算广泛应用于民用的GPS粗码，理论上定时精度可以达到0.1微秒，现在市场上销售的接收机的定时精度都可以达到1微秒，远远超过了传统的定时方式。利用GPS同步电力系统的时钟，必将是电力系统主要的定时方式，同时也为电力系统的发展奠定了坚实的基础。
3.1相量测量和新一代的动态安全监测系统
电力系统中的电压和电流波形基本上是正弦波，频率、幅值和相角是正弦波的三个要素，在同一电力系统中，频率是相同的，幅值也很容易测量，但相角测量确是一个未解的难题。相角测量的主要困难是同一电力系统中各个电站的母线电压和线路电流的相角必需是相对于同一个时间标准，传统的定时方式误差在1ms以上，对于频率为50Hz的系统来说，1ms就相差18°，很明显这是不能接受的。
GPS高精度的定时为相角测量提供了解决方案。在美国，IEEE电力系统继电保护和控制委员会设立了一个专业委员会H7，专门研究同步相量测量单元PMU（Phasor Measurement Unit）的规则和标准。PMU装置内的时钟每秒钟通过GPS接收机同步一次，一秒钟间隔内由装置内部的高稳定度晶振产生，这样安装在电力系统内不同电站的PMU采样时间误差在几个微秒之内，对应的相角误差不超过0.1°，可以满足相角测量的要求。
长期以来，由于相角不能测量，电力系统的潮流分布只能根据各个节点的电压幅值、有功功率和无功功率，以及当时的网络结构和参数，建立和求解非线性方程来得到，由于解非线性方程需要反复迭代，计算量大，计算时间长，因此得不到实时的潮流分布，调度员只能根据经验间接地判别系统的稳定性，电力系统的安全监控无法根据简单的相角条件来实现。 新一代的动态安全监测系统利用现代的通信技术，将分布在各个电站的PMU测量到的电压电流相量、有功无功、发电机的功角等信号传送到调度中心，由中央处理单元对这些信号进行处理，以便对电力系统进行稳态检测、动态行为监测、稳定监测、故障分析等，有利于值班员对系统稳定性的判别，增强事故后干预、防止事故扩大或连锁发展的能力。
3.2雷电监测系统
雷电破坏是电力系统故障的主要因素。尽管雷电是一种随机的自然现象，但是可以通过多年的监测，得到雷电活动的统计规律，这对电力系统规划和设计，减少雷害损失有着重要的意义。
雷电监测系统由中心主站和分布在不同位置的基站组成，雷闪时产生电磁波往空间的各个方向传播，各个基站测量接收到电磁波的时间和电磁波的幅值，并传送达中心主站，中心主站根据这些信息就可以计算出，雷闪的位置及雷电流的大小。与故障测距一样，雷电监测的精度主要依赖于时间的精度，GPS的使用就是为了保证各个基站和中心主站有一个共同的时间标准。
3.3 继电保护
GPS在继电保护中的用途有两个：线路差动保护和保护联合调试。 电流差动保护原理就是基尔霍夫电流定理：同一时刻流入某个节点或广义节点的电流的代数和为零。差动保护由于其简单、可靠和快速等特点，已经作为主保护广泛应用的母线、变压器和发电机等设备上，但是用在长距离的输电线路就比较困难，问题就在于“同一时刻”上，传统的定时方式很难保证线路两端设备采样时间的统一，GPS的出现为线路差动保护的发展和应用带来了新的契机。 带有通道的输电线路纵联保护在超高压输电线路中有着重要的意义。这些保护试验时，为了分析保护的效果，记录下来的两端的电压电流波形就必须有一个共同的时间标准，以保证试验的同步性。
4 结论
随着电力系统往大容量大网络的不断发展，以及自动化水平的不断提高，对统一标准时间提出了更高的要求。GPS由于其高精度的定时功能，必将在电力系统发挥更加广泛的应用。
参考文献
[1]徐丙垠，李桂义，李京，等．接收GPS卫星信号的电力系统同步钟．电力系统自动化，1995，（3）．
[2]韩英铎，王仲鸿，林孔兴，等．电力系统中的三项前沿课题．清华大学学报，1997，（7）．
[3]卢志刚，郝玉山，康庆平，等．电力系统相角测量及应用．电力系统自动化，1997，（4）．
[4]张文涛，邱宇峰，郑旭军.．GPS及其在电力系统中的应用．电网技术，1996，（5）．
论文作者:谢友亮,高外
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/6
标签：电力系统论文; 相角论文; 测量论文; 时间论文; 时钟论文; 信号论文; 雷电论文; 《电力设备》2017年第16期论文;