北斗卫星导航系统与GPS互备授时的分布式相量测量单元.

1、第29卷第9期 电网技术V ol. 29 No. 9 2005年5月Power SystemTechno logy May 2005文章编号：1000-3673(200509-0001-04中图分类号:TM73;TM933.3+13 文献标识 码:A学科代码:470? 4054北斗卫星导航系统与GPS互备授时的分布式相量测量单元李建1,谢小荣1,韩英铎1,胡炯2,吴雅璐2,吴京涛2(1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市海淀区100084;2.北京四方同创保护与控制设备有限公司，北京市海淀区100085STUDY ON DISTRIBUTED PMU FOR SYNCHRONOUS PH

2、ASOR MEASUREMENT USING MUTUALLY BACKUP SYNCHRONIZATION SIGNALS FROM BOTH BEIDOU SATELLITE NA VIGATION SYSTEM AND GLOBAL POSITIONING SYSTEM LI Jian1,XIE Xiao-rong1,HAN Ying-duo1,HU Jiong2,WU Ya-lu2,WU Jin g-tao2(1.Departme nt of Electrical Engin eeri ng,Ts in ghua Un iversity,Haidia n District,Beiji

3、ng 100084,Chi na;2.Beiji ng Sifa ng Ton gchua ng Protecti on & Con trol Equipme nt Co. Ltd.,Haidia n District,Beiji ng 100085,Chi naABSTRACT: The buildi ng up of Beidou n avigati on satellite system developed by China offers a new opti on of the time service for synchroni zati on phasor measureme nt

4、. The feasibility of appl ying Beidou n avigatio n satellite system to wide area synchronous phasor measureme nt for domestic power system is an alyzed in respects of covered area of satellite sig nal, permissible amount of users, synchronous performa nee of time service pulse, etc. By means of comp

5、arative test of the synchronous phasor measureme nt using the time service from Beidou n avigati on satellite system and global positi oning system (GPS respectively, the availability of time service from Beidou navigation satellite system is verified. On this basis the distributed phasor measuremen

6、t unit (PMU using the mutually backup time service by both Beidou navigation satellite system and GPS is developed, and it is also the first time of applying the time service of Beidou navigation satellite system to power system.KEY WORDS: Power system com muni cati on ;Beidou n avigati on satellite

7、 system;Global positi oning system (GPS; Mutually backup synchroni zati on sig nals;Distributed phasor measureme nt unit (PMU摘要:我国自主开发的北斗卫星导航系统为同步相量测量的时钟源提供了一种 新的选择。文章从卫星信号覆盖范围、用户容限、授时脉冲的同步性能等方面分析 了将北斗授时应用于我国电力系统广域同步相量测量的可行性。使用北斗和GPS授时的同步相量测量的对比试验结果验证了北斗授时的有效性。在此基础上还研制 了北斗与GPS互备授时的分布式相量测量单元。关键词：电力系统

8、通信；北斗卫星导航系统；全球定位系统;互备授时;分布式相量 测量单元1引言同步相量测量技术及以其为基础的广域监测系统已在电力系统的实时稳定监测 中得到了日益广泛的应用，且逐渐由单纯的监测和故障记录向监测与控制相结合的 应用模式发展1。目前投入运行的同步相量测量装置都以全球定位系统(GlobalPositioning System,GPSf乍为同步时钟源2-5,相量测量的可靠性依赖于 GPS的可用 性以及授时信息的准确程度；但GPS授时的连续性、可用性和抗干扰性对于电力系 统稳定控制而言仍显得比较薄弱，主要表现在6:GPS接收机输出的时间信号长期 稳定性好、短期稳定性差，例如标称时间精度(正态分

9、布标准差1c精度为1闻的授时 卡其秒脉冲偏差可能达到10血；GPS接收机的抗干扰性能差，可能出现卫星失锁 的情况，如果飞鸟在接收天线上停留，将会导致卫星部分或全部失锁：卫星试验或调 试可能造成GPS时钟跳变，1995年曾连续两个月出现时钟跳变，跳变量达20ms对于 我国额定频率为50Hz的电力系统，同步时钟源即使仅有1ms的时间偏差，也将使相 角测量产生18的误差，足以致使控制系统误动作。针对这些问题，科研工作者结合 工程实践基金项目：国家自然科学基金资助项目(50323002,50407001Project Supported by Nati onal Natural Scie nee Fo

10、un dati on of Chi na(50323002,50407001.2 Power System Techn ology V ol. 29 No. 9经验探索了一些解决办法。文献7探讨了通过一元线性回归方法估计 GPS时 钟误差并在线修正的理论和实现方法，用于屏蔽时钟跳变和弥补GPS时钟短期稳定 性差时效果较好，但在较长时间失去GPS信号的情况下仍无能为力。除上述GPS授时技术方面的问题以外，更重要的问题是GPS时钟源在我国电力 系统中应用的可依赖性。GPS是由美国军方掌控的系统，其可用性和授时精度受制 于美国的GPS政策。美国在2000年5月2日取消了长达10年的选择可用性 (Se

11、lective Availability, SA政策以提高民用 GPS定位授时的精度8。实际上SA政 策的取消在很大程度上是因为2000年1月美国关于 局部屏蔽GPS信号”的技术试 验获得成功，即在需要的时候可以局部关闭 GPS信号9。作者在参与国家电力调度 通信中心组织的三峡电网以及华北电网广域监测项目的实施过程中，曾遇到电网运营部门工作人员置疑GPS的可依赖性。因此寻找可依赖的时钟源与GPS授时构成互备授时方案对于同步相量测量技术在我国电力系统的广域监测系统中的应用至关 重要。2北斗一号”卫星定位授时系统简介2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日，我国成功发射了三颗定位

12、 于赤道上空的同步卫星，完成了北斗一号”简称北斗卫星导航系统的建设。北斗是 世界上第一个区域性卫星导航系统，也是世界上继美国GPS和俄罗斯 GLONASS(Global Navigation Satellite System之后的第三个投入运行的卫星导航系 统。该卫星导航系统由我国独立自主研制开发，不受他国的控制和限制，其可用性、 可依赖性和安全性更有保障10。北斗卫星导航系统的授时功能分为单向无源授时和双向有源授时两种，授时的1 d精度分别为100ns和20ns11。自2004年北斗卫星导航系统正式向军、民用户 开放以来，已逐渐在舰船监控、水文测报和气象监测12等领域中得到应用，文献13 预

13、测2007年在我国民用市场北斗卫星导航系统的用户数将达到2025万，所带来的拉动产值将达到140亿元。3北斗授时应用于电力系统稳定监控的可行性分析3.1卫星信号的覆盖范围北斗卫星导航系统是区域性导航系统，其覆盖范围不像GPS一样遍及全球，其设 计目的是为我国及周边领域服务。北斗卫星信号的覆盖范围是北纬5 -55和东经70 -40之间的区域，上大下小，最宽处大约在北纬35,包括我国大陆及台湾等岛屿 和海域，还包括我国周边的部分国家和地区8。在此范围内能够全天候全天时地提 供高精度定位、授时和短报文通信服务。可见卫星信号的服务范围已完全覆盖了我 国电力系统所包含的区域。此外，由于北斗卫星位于赤道上

14、空 36000km的静止轨道, 高度约为GPS卫星的1.8倍，接收机相对卫星的可工作仰角范围为1075,遮蔽角比GPS小，信号不易被接收机附近的咼大物体遮蔽，该特点特别适合于向我国一些咼 山地区的变电站同步授时。3.2可接收的用户容限用户容量的限制可能对同步相量测量技术的可扩展性产生影响，因此有必要考虑北斗授时的用户容限问题。GPS能够在世界范围内获得广泛应用有赖于它是无 源定位授时系统。GPS接收机只要接收到四颗以上卫星的信号，通过解算方程组即 可获得三维位置和用户时钟相对于 GPS时钟的偏差，不需要地面中心站的介入,用户容量没有限制。北斗系统由于只有两颗工作卫星和一颗备用卫星，定位功能和双

15、向有源授时需要地面中心站的支持才能完成。因此向移动物体双向有源授时时其用户 容量取决于卫星的可用频带宽度和地面中心站的运算速度。然而电力系统同步相量 测量单元（PMU的接收天线一旦在变电站或发电厂集控中心的屋顶安装好，基本上就不再移动位置，属于固定位置授时用户。因此可以在 PMU安装好后将接收天线的三 维位置坐标通过装置接口预写入北斗授时卡，并采用单向无源授时方式，用户容量可 不受限制。3.3授时脉冲的同步性能授时脉冲的同步性能体现在上升沿同步精度和上升沿斜率两方面。北斗系统的 授时工作方式与GPS不同,GPS每秒钟可获得一次卫星星历电文,秒脉冲（Pulse Per Second,PPS的误差

16、服从正态分布，锁住的可用卫星达到四颗以上时,授时脉冲的1 c 精度在100ns以内,锁住的可用卫星少于四颗时，解算方程组的信息不够充分，授时精 度将有所降低;北斗系统单向无源授时只要锁住一颗可用卫星，即可获得授时信息，北 斗星历电文的更新率为第29卷第9期电网技术3每分钟一次，分脉冲（Pulse Per Minute,PPM的授时精度服从正态分布，授时脉冲 的1 c精度在100ns以内秒脉冲由授时卡根据星历信息再处理获得，精度在300ns以 内。为测试北斗授时脉冲的同步精度设计了北斗与GPS的授时脉冲触发对比试验,将北斗秒脉冲和GPS秒脉冲同时引入示波器，记录两个脉冲的上升沿时间差。随机 抽取

17、1200组数据进行统计，北斗与GPS的秒脉冲时间误差主要分布在 0.5 的范围 内,已满足电力系统同步相量测量技术要求。采用相同方式测试了北斗秒脉冲与 GPS秒脉冲的上升沿斜率，见图1,两者上升 沿斜率基本相同，北斗秒脉冲可在60ns以内完成上升沿跳变。4北斗与GPS互备授时的分布式PMU组成结构北斗与GPS互备授时的分布式PMU组成结构如图2所示,由北斗与GPS互备 授时单元、数据同步采集单元、数据集中处理单元组成。由于 PMU整体为分布式 设计,各单元都是单独的硬件装置，因此具有以下两大优点：数据同步采集单元可按 变电站间隔或保护小间灵活配置，显著减少了二次电缆的架设数量，并具有灵活扩充

18、的能力；北斗秒脉冲/(2V/格(100 ns/格北斗秒脉冲GPS秒脉冲图1北斗与GPS秒脉冲上升沿对比图Fig. 1 Comparison of the rise timeof PPS betwee n Beidou and GPS与GPS互备授时单元除为数据同步采集单元授时以外，还可作为变电站的中心 授时单元，通过多路光口为其他需要同步时间源的监测或保护装置授时。这样既可 充分利用北斗与GPS互备授时的高度可靠性，又可避免在厂站内为不同设备配置多 套同步时钟源所造成的不必要浪费。北斗与GPS互备授时单元分别从北斗授时卡的串口和 GPS授时卡的串口接收 信息，然后转换为TTL(Transist

19、or-Transistor Logic电平传入核心处理单元。核心处理 单元按GPS和北斗各自的授时信息格式解析出协调世界时 (Universal TimeCoordinated,UTC以及锁星状态信息。核心处理单元利用北斗与GPS的秒脉冲信息，并采用互备授时算法估计出秒脉冲的准确产生时刻同时触发秒脉冲形成单元输出高 精度的秒脉冲。输出的秒脉冲刖以h吗：I f齢持左廉dkJb11fjf ,1* 1卫比半ftwj 吐，儿出if U.“4/A*Hft1的简苗惟 H电冲空：u：电見换数据同步采集单元数据同步采集单元图2北斗与GPS互备授时的分布式PMU结构图Fig. 2 Structure of di

20、stributed PMU using backup synchroni zati on sig nals from bothBeidou and GPS4 Power System Techn ology V ol. 29 No. 9和时间信息经过 电/光转换接口 ”转换为光信号通过光纤为数据同步采集单元 授时。数据同步采集单元是PMU的基础测量单元，主要完成电压、电流和开关量的实 时同步采集，并将测量数据通过数据交换器传输到数据集中处理单元 ，它使用来自互 备授时单元的秒脉冲和时间信息实现同步采样，并完成采集数据的预处理。数据集中处理单元完成高精度相量计算、故障检测、故障录波以及与数据中心

21、 站的实时通信;该单元使用接收的同步采样数据计算电压/电流相量、频率、功率等 电气量，并对电气量进行越限检查及报警；还实时向数据中心站传送测量数据并接收 来自主站的控制命令进行故障录波等操作。5北斗与GPS授时的同步相量测量对比试验理论分析和局部试验从各方面证明了北斗授时用于同步相量测量的可行性，为在整体性能方面获得更系统更直观的数据，本 文设计了分别采用北斗授时和 GPS授时的同步相量测量对比试验。对比试验中将 两套分别由北斗授时和GPS授时的同步采集单元接入同一标准余弦波电压数据源 , 记录两者的相角测量差值，结果如图3所示(数据记录率为每秒10个数据点。0.10 0.00 -0.1060

22、00 12000 18000记录点数测量的相角差/(0.05 -0.05 (a连续30min记录的相角差曲线记录点数测量的相角差/(6001200180024003000 0.02 0.00 -0.02-0.06 -0.04 -0.08(b前5min记录曲线的放大显示图3使用北斗授时与采用GPS授时的PMU的相角测量差值Fig. 3 Differenee of phase measurement between PMU using Beidou timing and that using GPS tim ing图3的纵坐标为北斗授时与GPS授时测量同一数据源的相角差，两套装置测量 同一数据源的

23、相角差在0.05以内,包括两套装置硬件特性的微小差异所产生的相角 差和北斗与GPS授时同步误差产生的相角差。由图 3可见,大约每600个采样点(即 1min相角差会有一次微小的跳变，跳变范围在0.02以内。产生该微小跳变是由于在 每个整分时刻到来的北斗分脉冲会校准输出的秒脉冲，秒脉冲的微小跳变反映为相角差测量 的微小跳变。从示波器上也可看到，在每个整分时刻北斗与 GPS秒脉冲的时间差出 现了几百纳秒的跳变。对于真实电力系统中的同步相量测量系统,0.02的相角误差与一次电压/电流互感器的相位时延误差、采样误差、系统噪声等各种误差相比约 小1个数量级,可以忽略不计除对比试验以外，还进行了互备授时性

24、能试验。当装置运行于互备授时状态时 ， 遮蔽或长时间拔除GPS或北斗授时源时，装置能够迅速判别出不正常的时钟源，并能 排除不正常时钟源对授时精度的影响，此后利用正常运行的时钟源提供持续可靠的 授时信号，整个过程对同步相量测量不产生任何影响。6结论(1将北斗卫星授时系统应用于电力系统同步相量测量技术中，可弥补长久以来使用GPS作为唯一同步时钟源而存在的风 险性和不可依赖性，解决了将同步相量测量技术应用于广域监测的时钟源可靠性问 题。(2北斗与GPS互备授时的同步相量测量单元采用分布式体系结构 ，增强了同步 相量测量装置配置的灵活性和可扩充性以及互备授时单元的利用效率。参考文献1谢小荣，李红军,吴

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35、ased on the syn thetic syn chro-sig nal to the TCSC con trolJ.Automatio n of Electric Power Systems,2001,25(20:24-29.13 周长春，徐政，王冠.多机电力系统扭振相互作用的研究综述J.电网技术,2004,28(6:1-4.Zhou Chan gch un,Xu Zhen g,Wa ng Guan.A survey on torsi onal in teracti on in multi- machi ne power gridJ.Power System Tech nology,2

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37、 M.Power Techn ologies In c,2001.收稿日期：2004-12-03。作者简介：胡国文(1957-,男，博士研究生 教授，主要研究方向为电力电子技术与电力系统无 功柔性补偿技术及节能技术；王仲鸿(1930-,男教授，博士生导师,TCSC控制和动模装置部分的项目负责人；程明(1961-,男，教授，博士生导师，主要从事电机、电器与控制及电力电子技术与 电力驱动方面的研究工作。(上接第 4 页 continued from page 4Wang Y uan hu,Zhou Don gmi ng.Some tech ni cal problems of satellite

38、clock applied on power networkJ.EIectric Power,1998,31(2:10-13.7 曾祥君，尹项根,Li K K,等.GPS时钟在线监测与修正方法J.中国电机工程学报，2002,22(12:41-46.Zeng Xiangjun,Yin Xian gge n,Li K K et al.Methods for mon itori ng and correct ing GPS-clockJ.Proceedi ngs of the CSEE,2002,22(12:41-46.8 Sa ndhoo K,Turner D,Shaw M.Modernization of the globalpositi oning systemC.Proceedi ngs of the 13th Intern ati onal Tech no logy Meet ing of the Satellite Division of the Institute of Navigation,Salt Lake,2000: 2175-2183.9 帅平,曲广吉，向开恒.现代卫星导航系统技术的研究进展J.中国空间科学技术,2