1、GPS 在电力系统中的应用 2005 年第 11 期(总第 85 期) -冼月萍，黄 玢，李世作（广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）【摘 要】文章首先介绍全球定位系统 GPS 的基本情况和定位定时原理，然后论述了 GPS 在电力系统相量测量以及构建新一代安全监测系统、故障测距、雷电监测、继电保护等。【关键词】全球定位系统；电力系统；相量测量【中图分类号】 V474.25；TM76 【文献标识码 】 A 【文章编号】 1008-1151(2005)11-0101-02【收稿日期】2005-08-27GPS 就是全球定位系统（Global Position System） ，是美国利
2、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 12-18 颗卫星
3、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 4-6 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
4、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。伪距法比较简单但定位精度较差，普通的接收机多采用伪距法，伪距法定位的基本原理如下：c 为光度，T 为接收机收到第一个卫星信号的时间，i 为收到后三个卫星信号的延迟时间，由接收机内部的时钟确定，1 =0，Ti 为每一个卫星发射信号的时间， (x，
5、y，z)为接收机所在位置，(xi，yi，zi)为卫星所在位置，解上面四个方程就可以得到 T 和(x，y，z)等四个变量。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。传统的定时方式有两种：（1）电
6、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。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
7、，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。（一）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，传统的定时方式误差在 1ms 以上，对于频率为 50Hz 的系统来说，1ms 就相差 18，很明显这是不能接受的，电力系统不同行为对同步精度的要求如表1 所示。表 1 电力系统对同步精度的要求GPS 高精度的定时为相角测量提供了解决方
8、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
9、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。（二）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
10、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。设线路长度为 L，在 T0 时刻距离 1 端为 D 的 0 处发生故障，根据电磁场理论，在 0处就会产生两个分别往 1 端和 2 端的反射波，利用 GPS 很高的定时精度，在线路两端检测故障行波分别到达的时间 T1 和 T2，如图 1 所示，很明显： 图 1 故障测距原理图式中 c 为电磁波的速度，约为 3108m/s。根据上式，要使得测距误差在 300m 之内，时间的误差就必须小于 0.5s。（三）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
11、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。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。（四）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
12、主保护广泛应用的母线、变压器和发电机等设备上，但是用在长距离的输电线路就比较困难，问题就在于“同一时刻”上，传统的定时方式很难保证线路两端设备采样时间的统一，GPS 的出现为线路差动保护的发展和应用带来了新的契机。带有通道的输电线路纵联保护在超高压输电线路中有着重要的意义。这些保护试验时，为了分析保护的效果，记录下来的两端的电压电流波形就必须有一个共同的时间标准，以保证试验的同步性。三、结论随着电力系统往大容量大网络的不断发展，以及自动化水平的不断提高，对统一标准时间提出了更高的要求。GPS 由于其高精度的定时功能，必将在电力系统发挥更加广泛的应用。【参考文献】1徐丙垠，李桂义，李京，等接收 GPS 卫星信号的电力系统同步时钟电力系统自动化，1995， （3） 2韩英铎，王仲鸿，林孔兴，等电力系统中的三项前沿课题清华大学学报，1997， （7） 3卢志刚，郝玉山，康庆平，等电力系统相角测量及应用电力系统自动化，1997， （4） 4张文涛，邱宇峰，郑旭军.GPS 及其在电力系统中的应用电网技术，1996， （5）
