继电保护及自动装置因精确对时的全球定位系统GPS

      

继电保护及自动装置因精确对时的全球定位系统GPS

[继电保护测试仪摘 要] 电力系统继电保护及自动装置因精确对时而应用全球定位系统。本文对应用的几种标准形式进行了介绍和比较。 

[关键词] 全球定位系统 继电保护 精确对时

    随着人类活动范围的日趋扩展及航海、航空、测绘、勘探技术的不断发展和军事应用的需要,指导航行的方式亦由远古时代用自然恒星和指南针的方式演变为今天的无线电导航、卫星导航,全球定位系统(Global Positioning System简称GPS)就是这样一个卫星导航系统。
  GPS是美国国防部自1973年开始研制的第二代卫星导航系统,历时21年,于1994年正式投入运行。它最初是为美国军方提供服务,但随着它的发展,在交通、测量、航空等民用领域里获得了广泛的应用。该系统拥有24颗卫星,分布于6个轨道平面上,构成一个定时定位网。GPS卫星用两个频率发射单射测距信号,即L1频率为1575.42MHz和L2频率为1227.6MHz,还广播卫星的估计位置。用户同时测量到4颗恒星的距离,即可解出四个未知数,它们通常是纬度、经度、高程和用户钟的改正数。如果已知其中任何一个未知数,则用的卫星数可以减少。这样,通过对观测点和各卫星基点之间的距离测量,它可以为全球各地固定式移动用户提供用户自身的实时三维位置、速度和时间信息,实时计算出观测点精确的地理位置、标准时间、速度等信息。
  GPS提供两种定位服务,即基于精码(P码)的精密定位服务(PPS)和基于粗码(C/A)的标准定位服务(SPS)。PPS信号被加密,非授权用户不能使用,大部分民间用户只能依赖C/A码或SPS。这样,基于粗码的SPS不能完全满足用户在精度、可用性和完好性方面的要求。为此,从GS获得的时间必须经过软、硬件的技术处理,可以使用户所在位置的世界时(VTC)达到亚微秒的精度,满足用户对精确时间的要求。这就使GPS具有全球覆盖、全天候、高精度的特征,在飞机导航、海陆交通管理、资源调查、测绘、勘探、导游等方面都有广泛的应用。
  在电力系统中,自动化信息传输、继电保护及自动装置的精确对时都借助于GPS。 

一、继电保护和自动装置的精确对时
  为满足远距离输电的需要,高压大电网应运而生,随之快速继电保护和多功能的自动装置也获得了很大的发展。电力系统的精确对时也提到了重要的位置,它可以满足以下各方面的需要:
1、 检测功率平衡和控制潮流:
  由于电力系统的发、供、用是同时完成的统一体,测录电网各相关部位的电压、电流、功角和输送的功率就十分重要,这些信息是调度人员进行电力调度的依据,也是维持高质量电能的监控基础。
2、计算网络电能损耗:
  电力输送应遵循输送能量损耗为最小的原则,为此,就必须在同一时刻测量处于不同位置的同一线路,受进与送出的电能,这样才能准确计算出某元件的电能损耗,否则,正确的损耗测量是办不到的。
3、 电力系统发生异常或事故时,故障录波提供有价值的波形进行分析:
  电力系统出现异常或事故,故障录波装置会录制有关波形。对这些波形的分析,必须有同一的时间基准,否则就不能正确判断事故发生的原因、判断各种保护及自动装置动作行为的先后顺序的正确与否、判断事故的演变和发展过程。
4、 高频保护的调试:
  高频保护调试需要在线路两侧的高频保护上同时加故障量,以真实地模拟线路发生区内或区外故障时高频保护的动作行为。在线路两侧同时加故障量,靠一般的时钟是办不到的,这是因为一般时钟的工作精度是秒级,而作为快速保护的高频保护其工作时间是毫秒级,由一般时钟造成的误差,无法保证两侧所加故障量的同时性。而采用具有GPS准确定时功能由PC机控制的继电保护试验装置来保证两侧所加故障量的同时性,其时间误差是微秒级的,可以满足同时加故障量的要求。
  此外,对其他一些时间精度要求较高的自动装置,如稳定控制装置传输时间的测试等均需要利用GPS来精确测定。

二、继电保护精确对时的实施
  目前,我国电力系统继电保护精确对时,都是以美国GPS定位系统为时间基准,选用进口GPS接收机部件,经二次开发研制成标准时间同步钟,自动选择**星座进行定位、定时,经过设备的硬件及软件处理转换为北京时间输出,使在我国任何地方使用,其时间误差小于1μs,完全可以满足目前电力系统精确对时的需要。
  标准时间同步钟的接收机通过GPS专用天线、馈线、接收头、单片微处理系统,将时间日期等信息输出到设备的外部接口,其输出方式有多种形式可供选择,T-GPS20系列的原理框图见图1。
1、GPS装置各主要部件及作用如下:
1)、GPS信号接收器: 是专用接收GPS卫星信号的集成电路模块,输出时间精度为1微秒的1PPS脉冲,并通过RS232串行口输出国际标准时间、日期和接收器所处地理位置(经纬度)等信息。
2)、同步脉冲发生电路: 输出秒(1PPS)、分钟(1PPM)、小时(1PPH)同步脉冲信号。
3)、中心处理单元: 对整个系统进行监控。接收GPS卫星信号接收模块发送的国际标准时间信息及秒同步信息,换算成当地时间送LED数码显示器显示,并按一定的格式经串行口输出,供继电保护和自动装置使用。
目前,由各研究单位和制造厂商开发的GPS卫星同步时钟装置有多种产品,它们根据用户的需要开发出不仅仅满足精确对时的同步时钟,还有突发事件记录仪、模拟同步故障测试装置及增加毫秒输出、微秒输出的标准时间同步钟等。

2、GPS的输出方式
  全站公用的一台GPS同步时钟,一般有下列几种输出方式,以实现对多台继电保护及自动装置的精确对时:
1)、 面板的LED显示:
装置面板的LED数码显示,直接显示当地时间,可以显示时、分、秒,也可以显示时、分、秒、日、月、年。
2)、 同步脉冲信号输出: 它可以是秒脉冲(1PPS,1Pulsae Per Second)、分脉冲(1PPM,1Pulse Per Minute)、小时脉冲(1PPH,1Pulse Per Hour)输出。
秒脉冲输出有两种方式:
  一种是TTL电平: 它是一对标有“+ -”的接点,“+”端为信号线,“-”端为地线,选用高速光耦实现电隔离。实际电路如图2所示。输出信号为负脉冲,脉冲宽度为100ms。

  另一种是静态空接点方式: 其内部电路如图3,当秒脉冲到来时,光电耦合器的输出三级管导通。
  分脉冲输出: 为静态空接点方式输出。当分脉冲到来时,光电耦合器的输出三极管导通,导通时间持续100ms。空接点原理图见图3。作为应用实例可见图4。

图中光电耦合器型号: EMG17 0—24V DC/220 DC/1A
时脉冲信号也是以静态空接点形式输出。
  这三种同步脉冲信号的前沿与VTC时间前沿误差小于1μs,既可用于各种设备校时,也可作为各种计时或计数脉冲。

3、IRIG-B时间码输出:
  IRIG时间编码序列是美国靶场仪器组(IRIG)提出的被普遍应用于时间信息传输系统。该时码序列分为G、A、B、E、H、D共六种编码格式。
  IRIG-B时码是六种编码格式中的一种。通过IRIG-B码发生器,可将GPS接收器输送的RS232数据及1PPS转换成IRIG-B码,通过IRIG-B输出口及RS232/RS422/RS485串行接口输出,在同站内的各种保护的管理机及测控单元内都装有IRIG-B码解码器,通过它输出标准北京时间及1PPS,该时间有年、月、日、时、分、秒,各种保护通过RS232接口检测同步脉冲,以此完成继电保护的精确对时(见图5)。 

  IRIG-B码有交流码和直流码两种(亦即正弦调制输出和直流偏置输出)。前者的调制信号频率为1000Hz,每个正弦调制的IRIG-B输出信号均与其周围的其他部分完全隔离; 后者的信号TTL电平,信息采用RIRG-B标准格式,每个直流偏置IRIG-B输出信号也均与周围的其他部分完全隔离。
  IRIG-B时间码输出信息每秒一次,信息格式见图6a、b。

  信息每秒发送一次习惯称为一帧,每帧发送100个符号,每个符号占有的时间是10ms。符号共有三种: 逻辑值“0”(或称空码),逻辑“1”,起始符(或称标识符)。通过改变直流电平的占空比或变化1000Hz调制信号的幅值来表示逻辑“1”与“0”及起始符。如图6b中所示,逻辑“1”的直流电平的占空比为50%: 50%; 逻辑“0”的占空比为20%: 80%; 起始符的占空比为80%: 20%。
  发送的每帧信息均以起始符开头(以M·K表示),也以M·K表示每帧信息的结束,帧头M·K的上升沿标志新的一秒的开始,后面的符号则分别表示秒个位、秒十位、分个位、分十位、日个位、日十位、日百位……。每帧的信息中,除了帧头和帧尾外,一帧中间是不会有相邻的两个M·K,由此可见,当出现两个相邻的M·K,则表明前一个M·K是上帧之尾,后一个是本帧之头。

4、 RS232/RS422/RS485串行输出口:
输出均为广播方式,发送的信息特性如下:
1) 工作波特率有9600、4800、2400、1200四种(波特率是每秒钟传送“0“或”1“电平的脉冲个数)。用户可任意选择,但如果话路质量不高则应选择工作波特率较低的,这样传输的效果会好些。
2) 数据格式: 格式较多,例举如下:
数据位(信息位) 7位(ASCII码)
起始位 1位 停止位 2位
校验位 1位(偶校验)
3) 信息格式: 每分钟发送一次,格式为:
T代表一帧信息的头,后面相继为年+,年个位,……。其中,北京时间标志位为1,GPS同步标志位为1时,表示时钟同步良好,发送标准北京时间。GPS同步标志位为1时,表示时钟同步良好,发送标准北京时间。GPS同步标志位为0时,表示时钟失去同步,发送时间不准确。例如: 现在是北京时间96年9月19日,星期五,8点20分,则发送信息格式为: T9609195082011 <CR ><LF>
如果装置刚上电或装置失去同步后一小时,则装置的信息格式里的GPS同步标志位将为0。
4) 串行数据接口输出的1PPM为一分钟一次的10ms脉冲,后沿有效,为串行信号传输精确定时。信息格式见图7。


  对于RS232/RS422/RS485串行输出方式而言,信息格式的输出和脉冲格式的输出是缺一不可的,前者输出准确的年、月、日、时、分、秒的信息,告之被同步设备; 而后者发出的脉冲,则告之被同步设备: 准确时间的到来,下降沿为信号精确定时。
  综上所述,利用GS装置满足电力系统继电保护及自动装置的精确对时有同步脉冲信号输出方式、IRIG-B时间码输出方式、RS232/RS422/RS485串行输出口方式可供选择,而且每种输出方式的个数可根据应用要求而扩展。

三、结论
  随着GPS技术的开发、推广和应用,成功地解决了由于电力系统发展而带来的高压网络中,继电保护和自动装置的精确对时问题,而且实现了一个站内的多套继电保护和自动装置共享一台GPS资源,做到了投资省、对时方式灵活、对时准确,为电力系统的装置调试、事故分析、监控继电保护和自动装置的动作行为、电能损耗计算、电量平衡、负荷管理、稳定控制等提供了有力的帮助,必将大大地推动电力系统的继电保护和自动化技术的发展。◎ 


参 考 文 献
1、 接收GPS卫星信号的电力系统同步时钟 电力系统自动化 1995年3月 徐丙垠 李桂义 冀有党等
2、差分GPS与广域GPS增强 共同走向科学——百名院士科教系列报告集 魏子卿
3、GPS—1标准时间同步钟及其在电力系统中的应用 江苏电机工程 1996.12 王支 唐翔 张永号
4、 全球卫星定位系统(GPS)在高频保护试验中的应用研究 贵州电力技术第2卷 1999.6 谢百明 任勇 康鹏

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