（电气工程专业论文）电力系统状态变量同步测量及应用系统的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 利用先进、实用的技术实现对电力系统状态变量的同步采样对于电力系统继电 保护、故障判断、系统稳定的分析与控制以及输电线路参数在线测量等都具有重要 意义。目前，基于g p s 的同步采样方法已开始应用于电力系统状态变量的同步采样。 选用g n - 8 0 型g p s 接收设备和单片微机进行电力系统状态变量同步采集终端的硬件 设计，利用g p s 的精确授时作为其同步时钟控制采样脉冲来实现同步采样。多个采 样终端同时应用于电力系统的各个监测节点构成广域同步测量系统，开发了电力系 统状态变量同步测量数据处理及应用平台，设计了部分应用软件，可以实现线路工频 参数计算、信号谐波分析等功能。进行了试验，证实研制的系统和应用程序达到设计 要求。 关键词：g p s ，同步采样，在线测量，单片机 a b s t r a c t u s i n ga d v a n c e da n dp r a c t i c a lt e c h n i q u et or e a l i z et h es y n c h r o n o u ss a m p l i n go f p o w e rs y s t e ms t a t es i g n a l sh a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rr e l a yp r o t e c t o r , t h ej u d g m e n to f b r e a kd o w n ，s y s t e ms t a b i l i t ya n a l y s i sa n dc o n t r o la n dt h ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n to f t r a n s m i s s i o nl i n eu n d e ro p e r a t i o ne t c r e c e n t l yt h es y n c h r o n o u ss a m p l i n gm e t h o d b a s e do nt h eg p sh a sb e e na p p l i e di np o w e rs y s t e m t h i st h e s i ss e l e c t sm o d e lg n 一8 0 g p sr e c e i v e ra n ds c mt od e s i g nt h es a m p l i n gd e v i c e t h eh i g ha c c u r a t et i m es e r v i c ei s u s e dt o s y n c h r o n i z et h es a m p l ec l o c ks i g n a lt o r e a l i z es y n c h r o n o u ss a m p l i n g a t i m i n g d a t a - s a m p l i n gs y s t e mo fp o w e rs y s t e ms t a t es i g n a l sa n di t sa p p l i c a t i o ni si n t r o d u c e di n d e t a i l i ts a m p l e st i m i n g - d a t aa n ds a v e st h e mi nad a t a b a s e ，w h i c hp r o v i d e st h ec u s t o m e ra p l a t f o r mo fv a r i o u si n f o r m a t i o na n df u n c t i o n si n c l u d i n gp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n ，h a r m o n i c a n a l y s i sa n ds oo n t h r o u g he x p e r i m e n t a t i o nw ea p p r o v e dt h a tt h ep r o g r a ma n ds y s t e m t h a tw ed e v e l o p e dt h a tc a nb es a t i s f i e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t z h e n gj i n s h e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gz h i r u i k e yw o r d s ： g p s ，s y n c h r o n o u ss a m p l i n g ，m e a s u r e m e n tu n d e ro p e r a t i o n ， s c m 声明户州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力系统状态变量同步采集系统 的研究与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特j l , j j i l 以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：季p 拿兰日期：? 笠! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换季位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 作者签名： 日 期： 关f 金导师签名：兰舅 p 学型 日期：塑! ：兰：丝 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章引言 电力系统状态变量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、 s h 及a d 转换后得到对应该状态变量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过 程。状态变量的同步采集是指在电力系统的不同采样点同时开始采样，使不同采样 点的采样结果在时间上具有同步性。电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，电 力系统的各种监测与保护装置都要用到状态变量采集这个环节，并且在诸多场合都 要求状态变量的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与 控制等都具有重要意义。 1 1 电力系统状态变量采集的现状及发展口2 3 在微型机应用的初期，对电力参数采样技术，大多采用直流采样，即采样经过 整流后的直流量，此方法软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比例变换 即可得到被测量的数值。这种直流采样方法存在一些问题，如：测量参数经整流后 产生了精度损失；整流电路参数调整困难，而且受波形因素的影响。因此，人们又 提出了交流采样，即直接对交流信号采样，然后可直接从定义出发计算各种参数。 能否采用交流采样取决于两个条件：测量精度和测量速度。在微型机应用初期， 主频低，指令功能不强。另外，a d 转换芯片速度低，成本高，所以直流采样方法 得到广泛的应用。随着电力技术的飞速发展，如今的微型机f 单片机处理速度大大 提高，同时也出现了种类繁多而且价格性能比较好的高速a d 转换器，给交流采样 提供了有力的硬件支持。输电线路参数的测量技术也随之改进，出现了基于单片机 的新一代智能化测量装置，如参考文献 2 中提到的输电线路工频参数测量装置， 它采用基于单片机的采样系统对被测量信号交流采样，并可方便地利用单片机实现 对采样数据进行谐波分析、参数计算以及结果显示等功能。近年来，随着卫星与通 信技术的发展，卫星授时服务已经由军用逐渐转为民用。其中基于全球定位系统 ( g p s ) 的同步采样方法开始应用于电力系统并获得了一定效果。 1 2 基于g p s f l , 勺同步采样在电力系统中的应用概述4 1 1 2 1 输电线路参数带电测量 在进行电力系统继电保护整定计算中，必须考虑有关线路参数的影响。但随着 系统的发展加之线路走廊受限，影响系统零序自感和零序互感的因素很多，精确计 l 华北电力大学工程硕士学位论文 算零序参数几乎是不可能的，然而零序参数按规定必须实测。但对大系统多线路停 电进行线路零序参数的测量经常是行不通的。因此根据线路参数带电测试理论，采 用基于g p s 的同步采样方法，就可实现线路参数带电测量。不但有助于提高输电线 路参数测量的精度，还可以避免参数测量给电力系统运行带来的不便和经济损失， 有着重要的经济效益。本论文设计的数据同步采样装置主要用于线路参数测量。图 1 1 为基于g p s 的线路参数带电测量系统构成示意图。图中测量系统由m 台采集系统 和m 台或1 台后台机组成，多点数据采集系统同时工作，且具有统一的时标。前置机 由高性能单片机系统构成，主要功能是a d 转换、信号处理与后台通信。后台机负 责数据存储、数据的分析与处理和线路参数的计算。 千a 图卜l 基于g p s 的线路带电测量系统构成示意图 1 2 2 基于两端同步采样的线路纵差保护 电流纵差保护是一种简单、快速而可靠的保护方式，并z 月, 匕2 , t k l 9 好地适应复杂的接 线形式。在过去，由于时间同步数据精度不高，电流纵差保护用于长线路是非常困 难的。在g p s 时钟的同步下，采样同步误差不超过t g s ，这样非同步造成的采样误差 就可以忽略，电流采样值贴上时标后送到对端，从而可得到同一时刻各端的采样值 并相减得到电流差，利用g p s 时钟可以使线路保护设计的很简单。 1 2 3 电网状态监测 电网运行状态的监测是基于g p s 同步采样技术与计算机通信技术结合而实现全 电网运行状态的实时监测。它是对电网重要节点的电压相量、发电机功角和输出功 率等运行变量进行实时测量和同步处理，并将结果送到电网调度中心。主站位于电 2 华北电力大学工程硕士学位论文 网各级调度中心，子站用来监测全网中关键点的母线电压相量和主要发电机功角， 并将有关p ，q ，v ，工，f 等实时信息通过通信信道传往主站电网调度中心，为调度 中心的正确决策提供可靠依据，并o - i x 电力系统暂态稳定控制奠定基础。 1 2 4 输电线路精确故障定位 高压输电线路故障定位，国内外已进行了广泛的深入研究，其方法和手段众多， 而基于g p s 的行波定位就是以输电线路故障时初始行波到达两端母线的时间差计算 故障距离。设线路的长度为三，故障点距a 端为x ，行波传到线路两端a 、b 的时刻 分别为乙，死，那么故障点的位置： 三一c q z 一) 了一 ( 1 1 ) 式中c 为光速。 行波定位有成功运行的经验，如加拿大b c h y d r o 输电网的g p s 行波定位系统， 现场运行表明：该系统能把故障精确定位在3 0 0 m 的范围内。国内投入实际运行的 x c 一2 1 输电线路行波测距装置己准确测定1 1 0 k v - 5 0 0 k v 输电线路故障距离，测量精 度不受过渡电阻、线路结构、系统参数、天气状况等因素的影响，误差不大于l k m 。 1 i2 5 直接基于两端同步采样的失步保护 失步保护是电力系统运行状态监测与控制的一个重要环节。利用g p s 同步采样 技术将输电线路一端的电压采样值贴上g p s 接收机提供的精确时标用光纤送到对 端，在对端可得到两端的同步采样值，由此得到线路两端的电压相角，失步继电器 将线路两端的电压相角及其预测值作为输入量，进而分析判断系统运行的稳定程度 并决定是否解列。 1 3 本论文的主要工作 本论文所做的工作主要包括以下几个方面： ( 1 )分析现行的几种数据采集同步方法的优点和不足。 ( 2 )研究全球定位系统( g p s ) 技术在电力系统中的应用，即如何利用g p s 技术 实现电力系统数据采集的同步性。 ( 3 )电力系统状态变量同步采集终端硬件设计及软件编制。 ( 4 )开发电力系统状态变量同步测量数据处理及应用平台，设计相应应用软件。 ( 5 )进行试验，验证研制的系统和应用程序是否达到设计要求。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章广域测量的同步方法1 目前配电网中各种测控与保护装置普遍要求交流数据量的同步采样，这对于电 力系统继电保护、故障判断、系统稳定的分析与控制等都具有重要意义。一般，采 样脉冲都是在装置内部时钟的控制下产生的。对于需要异地同步采样的装置来说， 由于装置内部晶振频率有误差，采样难以同步。但是随着电力系统的发展，。对系统 监控要求的提高，必然要求能够实现交流数据量的异地同步采样。以前运用了无线 电波广播对时的方法、基于通信信道的方法以及基于参考向量的同步方法来实现同 步采样。但是这些方法都有自身所不可克服的弱点。随着卫星与通信技术的发展， 卫星授时法已经由军用逐渐转为民用。其中基于全球定位系统( g p s ) 的同步采样方 法已经得到了一定的应用，并获得了一定效果。 2 1 传统的测量方法 2 1 1 主站广播对时法 为实现同步采样，主站在同一时刻给系统中所有的测控装置一个同步时钟脉 冲。按照传输的媒介不同，主站广播对时法可以有以下三种形式：a m 调幅广播、微 波传输系统和光纤传输系统。 2 1 1 1a m 调幅广播 a m 调幅广播主要有五种调幅方法：w w v ，w w v b ，o m e g a ，m s f d c f ，l o r a n c 等。 它们的调幅频率、时间代码格式、主要用途、时间精度、费用以及使用地点都不一 样。 在北美最普遍的广播方式是w w v ，与之配套的商用接收器和同步系统都已经比 较成型。如果信号传输延时时间恒定或者这一时间可以预测，那么这套系统就可以 达到1 0 0 1 上s 的精度。但是这个假设很难成立，所以在实际运行中只能达到几毫秒的 精度。 w w v b ( 美国科罗拉多州的f o r tc o l l i n s ) 广播是一种连续的时间基准信息通过 6 0 k h z 的载波信号传输的方式。这种方式的主要优点是信号传输延时时间相对比较 恒定而且可以事先预测。从理论上讲时间精度可以达到5 0 9 s ，但是由于信号受噪 声和幅度波动的影响，它的精度也只能达到几毫秒。 o m e g a 使用的是很低的传输频率，一般是1 0 1 4 k h z ，它的信号遍布全球范围。 由于它使用的是最长的无线电波而使信号可以传输几千公里且传输时间误差只有 4 ， 、 。 一 “奠n u lrl 华北电力大学工程硕士学位论文 几微秒。美国海军电子实验室( u s n e l ) 和美国海军研究所( u s n r l ) 已经通过实验证明 了无论通过什么路径传输，其延时时间预测精度可以达到2 至5 “s 。 m s f 是英国国家物理实验所为了使本国的时间和u t c ( u n i v e r s a lt i m eo o r d i n a t e d ) 时间保持一致而建立的广播系统，由英国电信以6 0 k h z 的频率向全国范围内发送英 国标准时间。而d c f 是由德国建立的，它的目的也是向全国范围内发送德国标准时 间，发送频率是7 7 k h z 。 l o r a n c 传输的是脉冲信号，而且只通过地波传播信号，因此它很好地解决了 w w v i 、w w v b 等方式由于信号可以从地波传播也可以从天空电波传播而使得传输延时 无法确定的问题。它的时间由原子钟控制，精度最高可以达到l o o n s 。另外l o r a n c 信号还能产生1p p s 秒脉冲信号，并以u t c 时间为基准。但是由于它本身固有的频率 为l o o k h z ，这就注定它很容易受到同频率的载波信号的干扰，使得其性能受到很大 影响。 2 1 1 2 微波传输系统 在很多应用场合，希望通过微波从含有基准频率和时钟源的主站向需要同步的 远方子站传送时间信号。除非传输过程中有特殊装置，这种微波传输系统的最高时 间精度只能达到1 肛s 。它有两种形式：模拟微波和数字微波。模拟微波传输系统直接 对连续波进行移相调制，需要使用最好的微波设备才能获得l l - t s 精度。而数字微波 传输系统则由于数据打包延时和数据包传送延时使得其精度只能达到7 0 p - s 。 2 1 1 3 光纤传输系统 光纤传输系统和微波传输系统很相似，只是它是通过光纤来传送同步时间信号 的。微波传输系统由于单边传输和导频锁相而使信号失真和抖动，光纤传输系统很 好地解决了这些问题，因而输出信号更稳定更可靠，同步精度可以达到o 5 “s 。 由此可见，a m 调幅广播的几种方法在时间精度上普遍都比较低，而且只适用于 局部地区；微波传输系统的精度不够高：光纤传输系统精度虽高，但需花巨大成本 建设光纤系统。因此，这些方法都不是最佳选择。 2 1 2 基于通信信道的方法 基于通信信道的同步方法包括：采样时间补偿法、采样数据修正法和时钟校正 法。这些方法都是建立在利用通信信道传送用于同步处理的各种时间信息的基础之 上。 2 1 2 1 采样时间补偿法 5 华北电力大学工程硕士学位论文 电力系统为了使两个或多个变电站之间保持时间同步，可以从一个站( 主站) 向 另外一个站( 子站) 发送一个时间信号。这个信号包含同步时间基准信号和启动采样 的信号等信息。传输过程中产生了一个延时时间。为了消除这个延时时间，也就是 使子站的采样时间基准与时间信号传输延时无关，就必须在两个变电站的采样时间 基准之间进行补偿。总体上基于通信信道的采样时间补偿法必须执行以下四个步 骤： 1 发送个带同步时间基准的脉冲信号。 2 收回这个信号，测量传输延时间。 3 将传输延时时间传给子站。 4 对子站进行时间补偿。 2 1 2 2 采样数据修正法 采样数据修正法允许两站采样独立运行，只要求具有相同的采样频率，通过连 续测量通道延时的方法对采样数据进行修正处理。与采样时刻调整法相比，当通信 因干扰而中断或失去同步后，能很快恢复。该方法对晶振要求高，电网频率变化会 影响修正精度。这种方法在国内外应用较多，动模试验表明两端电流相位差不超过 4 0 。 2 1 2 3 时钟校正法 如图2 1 示，本方法规定线路一端为参考端，另一端为同步端。设f j 为同步端 时钟的计时时间，t 胁为参考端计时时间，并设同步端时钟超前于参考端时钟 f ( 扣r 。一f 。) ，t d 为通道传输延时。 同步端 参考端 f s l 岛4 t m 2t m 3 图2 - 1 时钟较正法 6 华北电力大学工程硕士学位论文 设在l 时刻由同步端发出一帧信息，它于t m 2 时刻到达参考端并于t 历3 时刻自参 考端返回，最后于4 时刻到达同步端。f 所2 和锄3 将由参考端在下一帧信息里发送到 同步端。由图2 1 和前面所设参数可知以下两式成立： f 所2 = t s l a t + t d( 2 1 ) ts4=3+应+td(2-2) 由上面两式，可以得出白和出的算式如下： f 一：亟垒二垒! 生亟2 二鱼2 “ 2 ( 2 3 ) a t = 虹垫乓幽( 2 - 4 ) 在同步端计算出出后，可按照缸的一定比例对同步端时钟进行校正直到岔变 为零，此时两端时钟进入同步运行状态。从出的表达式可以看出，缸的计算并未 涉及白，因此，当两端同步后，传输延时的变化将不会影响& 的大小。同时由于两 端时钟是由高速晶振控制的，同步后即使在通信中断的情况下亦能维持较长时间的 同步运行。结合自适应调整技术，可保证开始时两端时钟的快速同步，而正常运行 时使同步更稳定和更精确。两端时钟同步后，采样便可同步进行。计算出的白则可 用于对通道延时进行监视。 对于以上三种同步方法中，我们都假设在信号传输过程中，同一线路不同方向 的传输延时时间相等，但实际上是不可能的，而且随着通信信道结构的不同而有差 异。 基于通信信道的采样时间补偿法已经在现场中得到了应用，如南瑞公司的 l f p 一9 3 1 a 型光纤电流差动保护。采用时钟校正技术实现两端的同步采样的方法，与 前面两种方法相比其可靠性受通道影响最小。该方法已在a b b 公司生产的r e l 5 6 1 型 差动保护中得到应用，效果良好。但是这些方法都依赖于通信信道，如果在代码传 输过程中出现错误或者是通信信道中断，都将造成不良后果；另外，还要花巨资建 设通信信道，购买通信终端设备。 2 1 3 基于参考相量的同步方法 为使同步问题摆脱通信信道的束缚，有人提出了利用参考相量实现同步的方 法，现简单介绍其中的一种双相量比较法。 该法利用线路模型计算出代表同一量的两个相量，然后利用这两个相量的相位 7 华北电力大学工程硕士学位论文 差实现采样同步。如图2 2 示为某一线路的正序分量万型等值模型，其中磊、三， 和“、h 分别是线路两端的正序电流和电压相量，置、 三1 、 c 1 分别为线路正序 参数。 凡且z l 划l + j w l ! j o 玉+ a 由电路模型得： 图2 - 2 万型等值模型 五= 三巾粤磊 屯= 一k ij ：i + j 晕欢il = i i 七j v i 一z l ( 国导旬 式中，屯、吒均为线路正序电流，但由线路两端电流矗、 a 端电压为基准时计算出的b 端电压吖。 b ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 矗分别计算出；) 为以 五和丘虽然在物理上代表同一电流量，但由于计算时具有不同的参考电流，故 两者之间存在相位差。该相位差的大小正好反映了两端参考电流之间的相位差，由 此可给出两端采样时钟在时间上的差异；对此差异进行时间补偿就可以使两端数据 采样同步。这是基于电流量的同步方法。 同理，我们也可以比较由a 端电压砖计算出的b 端电压略和b 端直接测量得到的 电压，它们在物理上代表同一电压量，它们之间的相位差同样代表了两端参考电 压之间的相位差。由此可得到基于电压量的同步方法。 需要指出，该法具体应用时，线路两端应首先选用适当的算法将参加比较的电 流或电压相量在故障前估计出来，然后传到另一侧与本地相量进行比较，因此这种 同步方法的准确性将取决于线路模型的准确性和相量估计的精度，同时还要考虑各 种误差因素的影响，如c t 、p t 、线路参数、时钟漂移等。该方法的主要优点在于它 8 华北电力大学工程硕士学位论文 不需借助通道传递用于同步处理的任何时间信息，不需计算通道延时，消除了前述 方法中两个方向传输延时相等的假设所带来的不良影响。 2 2 基于g p s i 驹同步测量方法 在i e e es t d1 3 4 4 1 9 9 5 中对同步时钟源提出了要求：“同步时钟信号必须在任 何视量装置所在位置保持不问断，可靠性要高于9 9 8 7 ( 每月间断时间小于1 4 , 时) ， 同步时钟信号必须使同步采样装置和u t c 时钟保持精度在l l x s 的同步范围内。”按照 这个标准，前面叙述的三种同步方法似乎很难满足要求，因此人们利用了高精度高 可靠性的卫星授时法来实现电力系统的同步采样。可以采用的同步卫星系统有两 种：g o e s ( g e o s t a t i o n a r yo p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t a ls a t e l l i t e ) 卫星和 g p s ( g l o b a lp o siti o ns y s t e m ) 卫星。 g o e s 卫星的主要任务是进行气象预测，特别是预测西半球的龙卷风，其次才是 同步时间传送。如果g o e s 接收器所在位置已经预先编程，那么接收器从时间信号中 解码得出的时间与u t c 标准时间的误差可以控制在2 5 9 s 之内。由于这一系统只有两 颗卫星，任一卫星故障都会使一些地方接收不到信号。接收天线使用碟形卫星天线， 如果卫星移动，天线就必须跟着作调整。另外，g o e s 卫星使用的是4 6 8 m h z 的频率， 它会受到地面的移动通信系统和日食的干扰。鉴于这些原因，这一系统没有得到广 泛的应用。 g p s 卫星是由美国国防部历时2 0 多年建成的无线电导航系统，一共由2 4 颗卫星 组成，其时钟由艳原子钟控制，并向全世界发布标准u t c 时间，精度相当高。它的 基本精度是0 2 p , s ，利用高级解码和处理技术还可以提高其精度，一般情况下0 5 弘s 是可信的。g p s 的初衷是用于军事领域，而若将它应用在电力系统或其它非军事领 域，势必产生一些问题，如军用与民用时间精度要求不一样和费用等。因此美国运 输部和国防部联合制定了联邦无线电导航计划( f r p ) ，计划中承诺：在任何情况下， g p s 将无偿对民用开放至少1 0 年，除非国家处于紧急状态，并且保证在9 2 的时问内 精度不低于0 5 # s ，在9 9 9 的时间内精度不低于1 1 9 s ，这个计划每两年更新一次。 这个精度已经能够满足i e e es t dt 3 4 4 1 9 9 5 中提出的要求，l “s 对于5 0 h z 的电网相 当于0 0 1 8 。的电角度，也能够很好地满足同步采样的要求。 2 2 1g p s 简介 g p s 即全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是美国海军在7 0 年代逐渐建 立起来的全球卫星导航系统，g p s 系统主要有三部分组成：空间部分、地面部分、 接收部分。空间部分主要包括2 4 颗卫星，分布在6 个轨道平面上，我们对地面上 9 华北电力大学工程硕士学位论文 某一位置进行定位时，就是利用其中的3 颗卫星分别确定该位置的经度、纬度以及 高度，以实现该位置的三维坐标定位。地面部分主要对整个系统进行监视和控制， 并向卫星发射电文用以保持星历的精度。接收部分是接收g p s 定位、导航和授时信 息的设备，对终端用户来说，这一部分是最重要的，我们可以不关心g p s 的组成结 构和原理，但必须利用接收设备接收我们感兴趣的信息。目前g p s 主要用于定位和 导航，授时功能使用的比较少。而对于电力系统来说，要实现电力系统的综合自动 化，使整个系统不同位置的自动化装置能同时正确动作，则主要是使用g p s 的同步 授时功能。 2 2 2g p s 接收板g n - 8 0 的原理及性能 近几年，微型高性能g p s 接收机大大的扩大了它的应用领域。g p s 接收机g n 一8 0 ， 利用最新发展的信号处理技术和高速搜索引擎技术，实现了性能上的较大改进，具 有低功耗、高灵敏度以及更快的首次定位时间等特点。，g n - 8 0 的性能指标如下： 接收频率： 1 5 7 5 4 2m h z 跟踪代码： c a 码 通道数： 1 6 通道并行接收 搜索能力：2 5 6 通道 跟踪灵敏度： 一1 4 1 d b m 通讯速度：4 8 0 0 b p s 协议： n m e a o l 8 3 数据格式：i p p s 与u t c 时间同步 秒脉冲精度：7 8 n s 2 0 n s ( i p p s 与u t c 时间同步，且两秒之间没有误差) t t f f 首次定位时间：热启动：5 秒( 历书、星历、时间、位置有效时) 温启动：3 5 秒( 历书、时间、位置有效，星历无效时) 冷启动1 ：4 2 秒( 位置有效，历书、时间、星历无效时) 冷启动2 ：4 6 秒( 历书、星历、时间、位置均无效时) 2 2 3 基于g p s 白c j 数据同步采样 g p s 的出现以及其民用化，为电力系统的自动化装置带来了新的契机。如何利 用g p s 的同步授时功能，实现数据采集的同步性，已成为近年来电力系统研究的热 点之一。电力系统中利用g p s 进行数据同步采样主要采用以下两种方法。 2 2 3 1 基于时间标签的数据同步采样叩3 i 0 华北电力大学工程硕士学位论文 这种数据同步采样方法的主要思路为：利用g p s 接收板发出的串口时间信息和 同步秒脉冲，在测量系统内建立整个测量系统的实时时钟，由串口时间信息建立测 量系统的年、月、日和时、分、秒，由同步秒脉冲和计数器建立测量系统的微秒级 时钟，使得测量系统可以在任意时刻读出精度达到1 微秒的时间；在采样过程中， 不但获得采样点的值，同时由c p u 对该采样点打上时间标签；在对采样数据的处理 中，一般采用过零点比较的方法，即比较被测信号与参考电压过零点的时间差，进 而换算出它们的相角差来。 采用这种方法进行数据采集，它的主要优点在于可以保证整周期采样，即对于 不同地点的数据采样系统，分别利用锁相环技术，每个周期固定的采样多少个点的 值，当系统频率发生漂移时，也能够根据锁相环自动改变采样频率，保证在每个周 期都平均采样相同的点数，避免了在进行数据处理时利用傅立叶变换带来的误差。 当然，采用该种方法进行采样时，也存在很多的不足之处。传输信息量大，不 仅有每个点的采样值，还有该点的采样时间；硬件电路繁杂，还需要专门设计锁相 环单元；数据处理较为复杂，需要分别对每路信号进行过零点比较，才能得出相角 差来；此外，软件时钟可能产生较大的误差，当受外界信号干扰时，时钟的不准确 会造成采样数据失效。 因此，采用这种方法的数据采集系统比较适用于系统监测、故障录波等方面的 自动装置。比如在系统监测方面的装置，它需要长时间的运行，因此，必须保证整 周期采样，减少累积误差；再如故障录波装置，运行于电力系统故障状态下，系统 频率可能波动比较大，对采样频率需要不断进行调整。 2 2 3 2 基于绝对时间的数据同步采样n 3 这种采样方法的主要思路就是固定频率采样，即所有采样装置都按照一个固定 的频率对信号采样，并利用g p s 设备来保证所有的采样装置都在同一个时刻开始按 照同一个频率进行采样。其具体做法可以采用高稳定晶振构成震荡电路产生一个稳 定的采样频率，并通过单片机以及g p s 发出的同步秒脉冲来控制这个采样频率，使 其在某个预先设定的时间开始发出启动采样，以此来保证各个采样装置在同一时间 开始采样。而且，在下一个秒脉冲到来的时候，再将秒脉冲与采样频率同步一次， 以消除晶振电路给采样频率带来的积累误差，确保各个采样装置的每个相应采样点 的时刻都相同。采样波形与g p s 秒脉冲的波形如图2 - 3 所示： 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 3 秒脉冲与采样波形图 保证采样波形与每个秒脉冲的上升沿同步，使得不同地方的采样装置都在同一 个时刻开始采样，并且保证每个采样点的时刻都相同。对采样的数据可以直接分别 进行傅立叶变换，得出基波的幅值和初相( 相对采样起始时刻) j 简化了数据的处 理。 由于采用这种同步采样方法始终按照一个固定的频率采样，所以，当系统频率 发生漂移时，必然将对计算的结果带来一定的误差。 一般来说，电力系统频率偏差不允许超过1 ，即4 9 f 5 1 ；根据电力系统有 关规程，系统在正常运行情况下，要求频率偏差不超过0 2 ，即4 9 8 f 5 0 2 ；实际 情况中系统的频率是相当稳定的，偏差不会超过0 0 5 ，即4 9 9 5 f 5 0 0 5 。以采样 1 6 点为例，对照以上三组频率偏差的情况下，仍然按照原来的频率采样，即采样频率始 终为8 0 0 h z ，并对采样的数据利用傅立叶变换求出幅值和相位，利用m a tl a b 防真计算结 果如表3 1 示。 由表3 1 结果可以看出，在电力系统实际运行情况下，对短肘采样计算来说， 系统的频率漂移对计算结果不会产生较大的误差。因此，本文对电力系统状态变量 的同步测量中应用该种同步采样方法，同步采样装置的硬件电路设计也是主要针对 输电线路参数的在线测量。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 1频率漂移引起的误差 频率幅值幅值误差相位相位误差 f = 4 9h z 0 9 9 8 5 5 7 0 1 4 4 3 0 9 5 1 4 2 94 8 5 7 1 f = 4 9 8h z 1 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 3 0 9 9 0 2 7 50 9 7 2 5 f 三4 9 9 5h z1 0 0 0 0 1 4o 0 0 1 4 0 9 9 7 5 9 60 2 4 0 4 f = 5 0h z 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 f = 5 0 0 5h z0 9 9 9 9 7 70 0 0 2 3 1 0 0 2 4 3 30 2 4 3 3 f = 5 0 2h z0 9 9 9 8 5 30 0 1 4 7 1 0 0 9 7 3 60 9 7 3 6 f = 5lh z0 9 9 7 8 3 40 0 2 1 6 6 1 0 4 8 8 4 94 8 8 4 9 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章电力系统状态变量信号同步采集终端及系统设计 本章在上一章介绍的基于g p s 的同步采样方法基础上进行了同步采样终端设 计，多个该同步采样终端应用于电力系统的不同采样点，构成了电力系统状态变量 信号同步采集系统。 3 1同步采集终端硬件设计h 7 9 1 们n 1 | 3 1 1采集终端整体结构 状态变量同步采集终端以8 0 3 1 单片机为核心组成单片机控制单元，进行数据存 储器和i l o 口扩展，在g p s 接收板发出的秒脉冲的同步作用下，利用a d 转换芯片完成 对正常运行的输电线路两端电压、电流的同步采样功能。状态变量同步采集终端整 体结构如图3 - 1 所示。 电源部分是通过一个开关电源产生单片机供电电源+ 5 v 和1 2 v ，键盘只有四个 按键，通过按键来实现功能选择，完成测量，存储等功能，测量的结果并可通过l c d 显示输出j c p u 系统以由8 0 3 1 单片机为核心，外加程序存储器e p r o m 2 7 2 5 6 ，数据存储器 r a m 6 2 6 4 ，e 2 p r o m 2 8 6 4 ，译码电路由一片7 4 l s l 3 8 和一片7 4 l s l 3 9 实现，地址锁存器 由7 4 l s 3 7 3 实现。i o 口扩展由一片8 2 5 5 完成，实现对打印机的控制，输出液晶显 示的控制和键盘的输入。 。 到 图3 一l 状态变量同步采集终端整体结构框图 1 4 测信号输入 华北电力大学工程硕士学位论文 g p s 接收设备选用f u r u n o 公司生产的g n 一8 0 型g p s 接收板，它的输出包括串口 数据和一个同步秒脉冲，由c p u 系统读取其串口数据，用于提取u t c 标准时间信息； 而秒脉冲则提供给同步采样波形发生单元，使其输出与秒脉冲同步的采样波形，用 于测量信号通道s h 的启动控制。 测量信号通道实现对3 路电压信号、3 路电流信号、以及零序电压和零序电流 共8 路信号的同步采样。由r 、c 网络组成低通滤波电路，a d 转换采用a d 5 7 4 a ， 采样保持器采用l f 3 9 8 ，由一片a d 7 5 0 3 构成多路选择电路。 数据采样结束后，利用与计算机相连接的串口电路，将输电线路两端的采样数 据分别送入计算机中处理并计算出输电线路的各项工频参数。 3 1 2c p u 系统 m c s 5 1 系列单片机是目前应用较广泛的单片机，特别适用于各类自动控制系 统，如工业过程控制系统，伺服系统，分布式控制系统，变频调速电机控制系统等， 还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器，以及高性能的计算机外部设备控制 器和办公自动化设备控制器。8 0 3 1 单片机属于m c s 一5 1 系列，它包括一个8 位c p u ， 1 2 8 字节的片内r a m ，两个1 6 位定时记数器，2 1 个特殊功能寄存器s f r ，4 个8 位 并行i o 口( 其中p 0 、p 2 为地址数据总线，可寻址6 4 k b 的r a m 和6 4 k b 的e p r o m ) ， 一个可编程全双工串行口，一个片内震荡器及时钟电路。 3 1 2 1 地址分配与译码电路 8 0 3 1 可以分别寻址6 4 k b 的数据存储器r a m 和6 4 k b 的程序存储器e p r o m ，即利 用外接程序存储器读选通信号p s e n 作为2 7 2 5 6 的片选信号，同时将e a 引脚接低电 平( c p u 从片外r o m 取指令) ，故程序存储器2 7 2 5 6 的地址为：0 0 0 0 h 一一7 f f f h 。数 据存储器以及其他芯片的地址则通过译码电路进行扩展，本装置中译码电路由一片 3 8 译码器7 4 l s l 3 8 和一片7 4 l s l 3 9 构成，如图3 2 所示。对于八选一多路开关， 则由8 0 3 1 的p l 口直接控制。 1 5 华北电力大学工程硕士学位论文 v a l ll ay o 1 5 8 2 5 5 a 1 22 by l 二1 4 a 1 33二1 3 8 2 5 4 cy 2 ：1 28 2 5 4 ： y 3 二1 1 y 1 4 ， y 4 二1 0 l 王； e l y 5 ：9 e 2y 6 二7 c c l 6 。 e 3y 7 f y 2 匿ey si 莲 图3 2译码电路原理图 7 4 l s l 3 8 的输入地址线a 1 l ，a 1 2 和a 1 3 ，网络标号y l 为7 4 l s l 3 9 的y l 输出， 译码后8 2 5 5 的片选信号地址为4 0 0 0 h ，8 2 5 5 a 口对应4 0 0 0 h ，b 口对应4 0 0 1 h ，c 口 对应4 0 0 2 h ，控制口对应4 0 0 3 h ；y 2 、y 3 分别作为计数器8 2 5 4 一l 、8 2 5 4 2 的片选信 号，地址分别为：5 0 0 0 h 和5 8 0 0 h ；6 2 6 4 的地址为：2 0 0 0 h 一3 f f f h ；2 8 6 4 的地址为： 0 0 0 0 h _ 1 f f f h ：a d 5 7 4 a 的地址为：o c 0 0 0 h 。 3 1 2 2 外部存储器的扩展 ( 一) e p r o m 的扩展 由于8 0 3 1 无片内r o m ，所以必须进行片外程序存储器的扩展。考虑到用户程序 的大小，本装置中选用e p r o m 2 7 2 5 6 作为程序存储器，其存储容量为。3 2 k b 。在与8 0 3 1 单片机的扩展连接中，e p r o m 的连线主要有三类：地址线，数据线和控制线。 在8 0 3 1 单片机中，p 2 口被用作地址总线，负责传递高8 位地址码，p 0 口作地 址数据总线，当p o ，p 2 共同指定地址后，p 0 还要成为数据总线，因此需要用一个 地址锁存器来锁存p o 口第一次提供的状态。在本装置中地址锁存器选用带三态缓 冲输出的8 d 锁存器7 4 l s 3 7 3 ，地址锁存器置于信号a l e 的控制之下，当a l e - 1 时， 总线上的信息为存储器的全1 6 位地址，当a l e = o 时，由p 0 提供的低8 位地址便被 锁存，p 0 改作数据总线。e p r o m 的控制线主要有：片选线，输出允许线。片选线直 接与8 0 3 1 的外部程序存储器读选通信号p s e n 相连，输出允许线与读选通信号直接 相连。当取指令时，该芯片被选通，在读信号有效期间，e p r o m 输出允许有效，数 据总线上为指定某单元的程序代码，在读信号的上升沿出现时，c p u 读入这一数据。 ( 二)r a m 的扩展 8 0 3 1 单片机内部只有1 2 8 字节的r a m ，其中包括2 1 字节的s f r ( 特殊功能寄存 1 6 一 一一一一6一， 一睨一 眦一a垤 一e 一一 簧忙 1，堕蓥jn l 蛩 慧 华北电力大学工程硕士学位论文 器) ，对于通常用户系统来说数据存储器的容量远远不够，因此需要进行外部数据 存储器的扩展。本装置中选用一片6 2 6 4 作为外部数据存储器，其容量为8 k b ，6 2 6 4 数据线和地址线的连接与e p r o m 的连接方法相似，它的控制线包括两个片选端和读 写信号线。两个片选端其中一个c s 2 接a 1 3 ；另一个c s l 接7 4 l s l 3 9 的输出y 0 。读 写信号线则分别与8 0 3 1 单片机的读信号和写信号线连接。 ( 三) e e p r o m 的扩展 e e p r o m 是电可擦除可编程只读存储器，是近年来开始被广泛重视的一种只读存 储器。e e p r o m 的主要优点是能在应用系统中进行在线改写，并且能够在断电的情况 下保存数据而不需要保护电源。因此，在智能仪表控制装置，分布式监测系统、开 发装置等各种智能化应用系统中被广泛的使用。本装置中选用2 8 6 4 作为e e p r o h , i ， 其容量为8 k b ，它对硬件电路没有特殊的要求，直接采用+ 5 7 电压，操作简单，通 常不需要单独的擦抹操作，可在写入的过程中自动擦除，其连接方法与r a m 的连接 方法相同。 3 1 2 3i 0 扩展电路 8 0 3 1 单片机的i o 口线不多，而且p o 和p 2 口被地址数据总线占用，不能提 供给用户使用，而在本装置中显示器、键盘需要占用t o 口地址，因此必须进行i o 口的扩展。8 2 5 5 是一种在单片机应用系统中广泛被采用的通用可编程并行输入输出 接1 3 ，其内部包含有三个端口，具有三种工作方式，可以由用户编程选择，使用灵 活方便，通用性能强。在本装置中选用一片8 2 5 5 进行i o 口的扩展。 8 2 5 5 的数据总线是双向三态的8 位驱动器，与8 0 3 1 单片机的数据总线直接相 连，实