课件-基于GPS的输电线行波故障定位系统(修改版)

PAGEPAGE27专题一.基于GPS的输电线行波故障定位系统术语：GPS:全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem)行波:TravellingWave(输电线上传输的非稳态量)故障定位/故障测距:FaultLocating电压等级：10kV/35kV/110kV/220kV/500kV课题的来源目的和意义行波测距的基本原理4.1单端行波故障测距原理4.2双端行波故障测距原理课题研究的内容及技术关键GPS卫星导航全球定位系统简介5.1GPS系统5.2GPS接收机及天线5.3GPS接收机输出的信号异地高精度同步数据采集系统行波信号的数据处理—小波分析法一.课题的来源本项目由华中科技大学提出，由华中网局出资研究。二.课题的意义超高压输电线路输送距离长，暴露在旷野，且多为山区丘陵地形，其复杂故障的快速、精确定位，一直是尚未解决的难题，对系统的安全运行构成较大威胁，也给线路维护人员带来了沉重的负担。本项研究，将开发研制一种具有九十年代中期国际先进水平的新型复杂故障定位系统。该系统基于GPS行波定位原理，能快速、准确地对雷击闪络、断线、碰线、高阻接地、污闪等复杂故障定位，定位精度在±300m以内。该系统的投入，将有助于运行人员快速排除故障，形成线路故障的历史资料，为确保安全供电，提高系统运行水平，以及减轻线路维护人员的繁重劳动，提供有力的检测手段，将给电力系统带来巨大的经济效益。该系统的开发研究还将形成具有九十年代中期国际先进水平的高科技产品，考虑到全国电力网正在形成，该产品具有很大的市场容量及推广前景。三.行波测距的基本原理高压电力线发生故障时，会产生幅值很大的非稳态量，并从故障点向两端传播，称为行波。为行波传播速度接近光速，约为3.0×108米/秒。根据行波到达两端变电站的时刻来确定故障点的位置称为：行波发故障定位。行波定位可分为单端定位和双端定位。3.1单端行波故障测距原理单端测距基本原理:在被监视线路发生故障时，故障产生的电流行波会在故障点及母线之间来回反射。装设于母线处的测距装置接入来自电流互感器二次侧的暂态行波信号，使用模拟高通滤波器过滤出行波波头脉冲，形成如图1-1所示的电流行波波形。由于母线阻抗一般低于线路波阻抗，电流行波在母线与故障点都是产生正反射，所以故障点反射波与故障初始行波同极性，而故障初始行波脉冲与由故障点反射回来的行波脉冲之间的时间差△t对应行波在母线与故障点之间往返一趟的时间，可以用来计算故障距离。单端定位是利用故障点传向母线第一行波与故障点的反射行波之间的时间差计算故障位置。由于行波在各个一次设备、各条线路的连接处的反射、折射和衰减，使得故障点反射行波波头的辨识变得复杂。优点：不需要GPS等双端同步对时系统。3.2双端行波故障测距原理双端定位则只利用行波第一波头到达线路两端的时刻进行计算,只需捕捉行波第一个波头,不用考虑行波的反射与折射,行波幅值大,易于辨识。同时由于全球卫星定位系统(GPS)的出现,把时间的测量精度提高到纳秒级,从而提高了双端定位的精度(可达±150米)。因此,国内外普遍采用GPS双端定位系统。但在现场运行中，GPS双端定位系统也存在一些不足:1采样频率较高:1MHz～5MHz,故障信息存储量太大。2受采样频率的限制，无法辨识近距离故障行波。即故障靠近某一端时，另一端接收不到行波波头。3.无法检测发生在电压过零附近时刻接地的故障。4.由于GPS短时失步、卫星信号调整、天线干扰等导致时钟信号失真,可导致定位失败。四.课题研究的内容及技术关键本课题研制开发一套输电线路复杂故障GPS行波定位系统。该系统根据线路故障点电压、电流突然变化所产生的行波到达两端的时差，确定故障点的位置。该系统可对雷击闪络、断线、碰线、高阻接地、污闪等复杂故障定位，定位精度在±300m以内，该系统的投入运行，还可为系统积累大量线路故障历史资料，为故障预测、防护提供可靠依据。本项研究以一条500kV线路及其相连的两个变电站为目标，建立子系统，投入试运行。软件具有可扩展能力，以便将来实现多站分布式智能诊断系统。系统框图：关键技术：1.行波信号的无畸变提取和可靠启动记录技术2.两个变电站两端高速数据采集和大容量数据存储技术(10Msps)3.两个变电站两端高精度时钟同步技术(GPS)4.数据处理交换技术五.GPS卫星导航全球定位系统简介1.GPS系统概述全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS系统是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的美国政府有史以来投资建设的第三大航空航天项目。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。GPS系统构成：由空间部分(GPS卫星星座)、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS卫星星座:GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里（20200km平均高度）高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间约为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。地面监控部分：对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。1个主控站:Coloradosprings(科罗拉多.斯平士)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、DiegoGarcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。ColoradospringsColoradosprings55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajalein用户接收机部分（GPS信号接收机）：GPS接收机的基本类型分导航型,大地型和授时型。单频型和双频型。手持导航型手持导航型GPS机车载导航型车载导航型GPS机大地性单频GPS大地性单频GPS授时型GPS接收机(OEM板)GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。2.标准定位(C码)服务，精确定位服务(P码)和美国的SA政策美国国防部在GPS的最初设计方案中，计划为用户提供两种服务即：标准定位服务和精确定位服务。标准定位服务：精度100米，民用。精确定位服务：精度10米，军用。3.无线电定位的基本原理结论：接收机最少锁定4个星才能定位!!!一个已知点求距离(前提：时钟同步):1个未知数两个已知点求距离（两个已知点时钟同步，距离已知）:2个未知数（距离和时间）结论及推广：2维定位3维定位4.DGPS差分定位DGPS是英文DifferentialGlobalPositioningSystem的缩写，即差分全球定位系统，方法是在一个精确的已知位置（基准站）上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离改正数。该差值通常称为PRC（伪距离修正值），基准站此无线电信道将数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度。DGPS是克服SA的不利影响，提高GPS定位精度的有效手段。DGPS一般可分为单基站DGPS、多基准站区域DGPS、广域DGPS和全球DGPS，全球DGPS正在酝酿中。这种系统常用于飞机场飞机的自动降落。在机场设置基准站（已知精确的经纬度），计算基站内的GPS接收机定位产生的经纬度与已知经纬度的偏差（存在随机误差）。将这个误差发给正在降落的飞机，机载GPS接收机也会存在同样的误差，差去误差大大提高定位精度。5．一个实际的GPS接收机（10年前的产品）ROCKWELLJUPITERGPS接收板Jupiter是Rockwell公司在划时代的晶片Zodialchipset基础上研制开发出的高性能的GPS接收板。12个并行通道和高灵敏度RF部分，使Jupiter具备快速捕捉和重捕卫星的能力，航迹平滑和高效率导航等，使Jupiter在城市和树林也能定位自如。·并行12通道·小于1米差分精度·抗多路径抑制·WAAS相容·高性价比·超低功耗卓越的性能使Jupiter广泛应用于航海、航空、车载、导航、手持GPS网络同步和移动电话等。高级特性：并行12通道，可以快速捕获卫星无静态漂移提供载波相位输出提供两个串口。主串口－传送定位数据。辅助串口－接收RTCMSC－104差分数据自动检测天线状态提供1PPS标准时钟、10KHZ频率输出体积最小（71×41×11毫米）一般特性：首次定位时间（TTFF）短动态性能好低功耗，＋3V（RTC）实时时钟保持从三维到二维定位，自动高度保持可人工选择卫星，设置可见星屏蔽角二进制及标准NMEA－0183协议可进行多种设置，得到多种数据可配用有源或无源天线工作和存放温度范围宽（－40℃～＋85℃）技术指标：结构并行12通道，L1波段（1575.42MHz），C/A码（1.023MHz码片速率）＋载波跟踪（载波辅助跟踪）跟踪能力同时跟踪12颗卫星动态性能速度515米/秒，加速度6g捕获时间TTFF典型重捕获时间2.0秒，TTFF典型温启动15秒，典型初始化启动45秒；TTFF典型冷启动120秒。（测试温度－30～＋85摄氏度）定位精度小于25米（无SA时），小于100米2dRMS(有SA时)。时间精度1PPS秒脉冲输出，精度1us。频率输出10KHz频率输出，与1PPS信号同步，精度1us。输出信息经度、纬度、高度、速度、航向、时间、载波相位、自检等几十个数据的十几条组合输出信息（Rockwell二进制格式），输出间隔可调，NMEA－0183，TTL接口差分GPSRTCMSC－104（ROCKWELL二进制和NMEA两种格式）高度－1000～60000英尺基准面189种标准基准面，5种用户自定义基准面，缺省为WGS－84天线可配有源微带扁片天线模块，接收板提供电源（25mA,5V），或配无源天线（电缆损耗<3db）。电源直流＋5±0.25V,抗100mV（最大）纹波电压干扰。后备电源外部＋5V±0.25V~+3+0.5V直流。板上自带超大容量电容。功耗在＋5V+0.25V时，典型205mA/1025mW,最大240mA/1200mW尺寸/重量41×71×11毫米，25克接口数据/电源：国际标准20针（2×10）插头，射频：OSX（或MCX型，超超小型，搭锁式）操作环境温度：－40～＋85摄氏度。湿度：95％不冷凝6.GPS接收机输出的信号及数据格式GPS接收机一般输出两种信号：1PPS秒脉冲和TTL电平的串口时标数据。1PPS脉冲的前沿和UTC时间对准串口输出的数据主要有两种格式：NMEA-0183格式（ASCII）为国际标准格式；接收机厂家自定义的二进制格式；;Trimble公司的LassenIQ接收机输出的NMEA-0183格式的命令有：;MessageID;1.$GPGGA:GPSFixData(*)(默认输出：取出卫星个数);2.$GPZDA:Time&Date(需要设置才能输出：取出日期和时间);==============================================================================;2007.05.0119时19分17秒记录有卫星5颗;$GPZDA,111917.00,01,05,2007,,*69;$GPGGA,111917.00,3030.7159,N,11424.5045,E,1,04,2.88,00013,M,-013,M,,*45 ：七个逗号后，是卫星个数 ;$GPZDA,111918.00,01,05,2007,,*66;$GPGGA,111918.00,3030.7159,N,11424.5045,E,1,04,2.88,00013,M,-013,M,,*4A;;2007.05.0120时记录有卫星=>无卫星;$GPZDA,120528.00,01,05,2007,,*6B;$GPGGA,120513.0,,,,,0,00,,,,,,,*7C ：七个逗号后，是卫星个数！;$GPZDA,120529.00,01,05,2007,,*6A;$GPGGA,120513.0,,,,,0,00,,,,,,,*7C;;2007.05.0120时12分记录第1次上电，未经初始化！无卫星,无时间;$GPZDA,,,,,,*48 ;$GPGGA,,,,,,0,00,,,,,,,*66 ：七个逗号后，是卫星个数！;$GPZDA,,,,,,*48;$GPGGA,,,,,,0,00,,,,,,,*667.GPS系统和北斗系统的应用从技术指标上来分类，分为定位应用和授时应用。定位应用最广泛，其次是授时应用。我们实验室研究高精度授时系统。从行业上来说，成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域。北斗卫星导航系统中国北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗的“三步走”发展规划：2000年建成了卫星导航试验系统，即“北斗一代”；2012年底，“二代”系统覆盖了亚太地区；根据规划，第三步是在2020年左右，成为覆盖全球的、性能更好的国产导航系统。北斗一代是独特的有源通信，即用户向多颗卫星发请求定位信号，获得应答后定位（用户功耗很大）。北斗二代经历了从有源定位到无源定位的转变，便于和GPS等其它卫星导航系统之间的兼容与互操作，将成为发展方向