GPS 在电力系统中的应用GPS就是全球定位系统（Global Position System），是美国利用新一代卫星组 建的卫星导航系统，由空间卫星、地面监控站和用户接收机组成 ,全天候连续实 时向用户提供高精确度的位置、速度和时间信息。1985年美国政府同意将 GPS 无条件使用于全球所有的民用领域，随着时间的推移，GPS在电力系统中的应用 越来越大。一、GPS概况1959 年，美国海军委托霍普金斯大学研究用于北极星核潜艇导航的子午卫 星导航系统 Transit,1964 年研制成功，并逐步应用到其它军事和民用目的。由于 Transit卫星轨道低,受大气影响大，定位精度受到限制，为此在20世纪60年代 末，美国海军又提出了 Timation方案，计划用高约1万公里的1218颗卫星组 成定位网,同时美国空军也提出了类似功能的 621B 计划， 1973 年美国国防部成 立一个联合办公室，吸收了两个计划的优点，决定开发全球定位系统GPS。GPS 于1986年发射第一颗卫星，原计划1988年完成，但由于挑战号航天飞机失事， 直到1993年7月才部署完成。GPS由均匀分布在六条轨道上的24颗卫星（其中3颗备用）组成，在地球上 的每一个位置均能接收到 46颗卫星的信号，卫星绕地球一周12小时,每秒钟 通过L1、L2两个波段发射三种伪随机码：C/A码（粗码）、P码（精码）和和Y 码（加密的P码）。C/A码一次定位精度25m,多次定位精度8m，定时精度100nS, 全世界都可以无偿使用；P码一次定位精度10m，多次定位精度可以达到厘米级, 定时精度10nS，只能美国及其盟国军事和授权的民用部门使用。GPS 发射的信号包含卫星的识别码、卫星发射的时间及其当时所在位置、以 及相关的修正数据，根据这些信息就可以进行定位，GPS定位的方法有:伪距法、 相干波干涉法、多普勒效应和载波相位法。GPS 接收机由天线、处理单元,处理单元根据相关原理捕获四个卫星的信号， 锁定后对数据进行处理,然后秒输出脉冲信号或经过串行口输出信息。二、GPS 在电力系统中应用的必要性随着时代的进步，电力系统的不断发展，人们对电网的稳定、安全、高效提 出了更高的要求.而作为电网基本单位的变电站、发电厂和调度所内部均有众多 的计算机监控系统、保护装置、故障录波器、故障信息管理系统、安全自动装置、 远动RTU、DCS系统及能量计费系统等自动化设备，其中大部分设备的运行 变量可谓瞬息万变，对时间精度要求很高，如果设备之间没有同步到高精度的时 间基准，大家各自为政，就不能保证实时系统等重要信息的准确性。另外，各管 理监控装置对时间同步的精度要求应与所连接的自动化装置保持同一水平，以便 于故障的分析、定位，鉴定不同专业设备的责任 .例如通过故障录波、保护信息 管理系统等设备记录事件的时间、事件发生的先后次序等，对事故进行分析 .这 对于查找事故的原因、分析事故发生过程，从而减少事故隐患有着至关重要的作 用，同时也利于明确责任，加强管理。在通信信息网络中，随着网络规模的扩大，网络的系统安全日益显得重要 , 口令保护、加密、电子认证等安全措施越来越多，而许多安全措施也都需要时间 同步信号。另外，随着GPS系统的全面民用化,国内外在基于GPS的同步相量测量 单元(PMU)方面已经开展研究，尤其在硬件性能方面取得了很大进展，已经开 始装备于电力系统。这些装置可以直接测量节点电压的幅值和相角，并经由通信 传输网络传到调度中心，以对电力系统实时动态过程进行检测和分析。相量测量 装置是电力系统实时动态检测系统的基本核心组成部分，必须具备高稳定性、高 精确度，而这些设备的应用都离不开高精度的时间。例如行波测距装置、功角测 量装置等的正常运行都必须建立在高精度的同步时间基础上。总之，电网中的时间因素越来越重要，只有建立完善的时间同步机制 ,才能 保证电网的可靠、高质运行。三、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。一）电网调度自动化和故障录波器等的时间同步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。电网调度自动化要求主站端与远方终端（RTU）的时间同步。当前大多数系 统仍采用硬件通过信道对时，主站发校时命令给远方终端对时硬件来完成对时功 能。若采用软件对时，由于软件对时具有不确定性，故不能满足开关动作时间分 辨率小于10 ms的要求。用硬件对时，可达到分辨率小于10 ms,但对时硬件复 杂，并且对时期间（每10 min要对一次）完全占用信道。当发生YX变位时，主站 主机CPU还要做变位时间计算，占用CPU的开销。利用GPS的定时信号可克 服上述缺点，GPS接收机的时间码输出接口为RS232C及并行口，用户可任选串 行或并行方式，还有一个秒脉冲输出接口（1PPS）,输出接口可根据需要选用.目前，微机故障录波器均有机内标准时间环节.由于时间元件自身误差和不 同型号的录波器时间元件差异，往往造成各站故障录波器在故障时记录时间差异 较大，对分析系统事故带来不便。而 GPS 技术可以获得高可靠性及高精度的秒 脉冲（1PPS）及通过串口输出时间。在SA生效时，定时精度实用上可达0.5 uso 用 GPS 来不断修正原来录波器时间元件,可使全系统故障录波器时间同步.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。有了统一精确的时间，既可实现全厂（站）各系统在 GPS 时间基准下的运 行监控和事故后的故障分析，也可以通过各开关动作、调整的先后顺序及准确时 间来分析事故的原因及过程.统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运 行水平的一个重要措施.GPS时间同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间 信号用户设备接口（扩展装置）组成。主时钟一般设在电厂（站）的控制中心， 包括标准机箱、接收模块、接收天线、电源模块、时间信号输出模块等。对于电 厂、变电站,考虑其重要性，整个电厂、变电站配置 2 台主时钟,一主一备，2 台 主时钟以冗余热备模式工作，完成GPS卫星信号的接收、处理，及向时间扩展设 备提供标准同步时间信号（RS422电平方式IRIGB）。（二）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。若能实时同步测得系统两端 电压之间相位差，则可监视二端运行电气相角，对系统稳定运行有现实意义。GPS接收机每台之间时间误差ls（电气角度为0.018 ,50Hz）,完全可满足 电力工业控制调节应用。利用通讯手段将两端测量结果传送到调度控制中心，则 可作为运行判据和以此建立调节控制手段。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。（三）故障测距在电力系统中,输电线路经常发生各种故障，由于线路很长,并且很多线路地 形复杂，寻找故障地点就非常费时费力费钱.传统的故障测距方法利用电压除以 电流得到阻抗，然后根据线路参数估计故障距离，由于线路故障大多非金属短接, 过渡阻抗无法确定,因此误差很大。目前世界各国的故障测距技术均以发展测量故障行波到达母线观察点之间 的时间，利用两端母线测量行波到达时间之差，或测量行波往返一次所需时间来 测量距离。早期的行波测距装置有A、B、C型3种型式，可靠性均不甚理想。 现代微电子技术的发展已提供许多可靠手段，其中精确时间源可以由GPS来提 供。最简单的表示是故障点到测量点之间的距离，用行波传输到两端测得的时间 差可直接算出。基于全球定位系统（GPS）的双端行波故障定位系统是利用行波的第一个波 头到达线路两端的时间差来计算故障点的位置的。由于行波的传播速度非常快 （约为光速的 98），因此对行波波头到达线路两端时刻的时间精度要求非常高。 采用 GPS 以同步输电线路两端的电气量,进行故障定位，可以极大地简化算法、 两端数据同步过程和故障定位装置的附加设备，提高故障信号的提取效率，并且 具有很高的定位精度。 GPS 同步时钟技术的引入将大大促进双端量故障定位技 术在电力系统中的应用（四）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.大地落雷是可以探测到的，利用设置不同地理位置的探测站，测量探测站获 得雷电信号的时间差。由于每个站只能确定雷电信号源的方位，因此用3个以上 站的测量结果就可以计算出落雷位置。当然，必须知道探测站的地理位置精确的 经、纬度和电力杆塔或设备的地理位置,而且要有同一的精确时间源.各探测站信 息传到处理中心进行雷电定位，精度可达W1 km。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。（五）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