第五章基于GPS的电力系统广域测量原理与技术(研)5

基于基于GPS的电力系统的电力系统广域测量原理与技术广域测量原理与技术华中科技大学电气与电子工程学院华中科技大学电气与电子工程学院王少荣教授王少荣教授 提提 纲纲1 1 绪论绪论2 2 全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GPSGPS）的基本原理的基本原理3 3 同步相量测量单元（同步相量测量单元（PMUPMU）4 4 同步发电机功角测量同步发电机功角测量5 5 基于基于GPSGPS的广域同步时间系统的广域同步时间系统6 6 WAMS WAMS的数据交换技术的数据交换技术7 7 作为电力系统动态监测平台的作为电力系统动态监测平台的WAMSWAMS8 8 典型电力系统广域测量系统典型电力系统广域测量系统基于基于GPS的的广域同步时间系统广域同步时间系统第五章第五章5.1 WAMS需要什么样的同步时间系统需要什么样的同步时间系统 1 异步运行机制异步运行机制 WAMS可以采用不同的运行机制，常见可以采用不同的运行机制，常见的是传统的的是传统的SCADA机制。当采用传统机制机制。当采用传统机制时，只要给采集的数据打上时间标签，其它时，只要给采集的数据打上时间标签，其它过程与传统的过程与传统的SCADA相同。相同。2 同步运行机制同步运行机制 采用同步运行机制，各装置或系统的运采用同步运行机制，各装置或系统的运行由一组广域同步的脉冲信号驱动。这组脉行由一组广域同步的脉冲信号驱动。这组脉冲的相位关系如图冲的相位关系如图5.1 所示所示。wS pS clockS 1ppsS wT pT clockT 图图 5.1 4 种种广广域域同同步步定定时时信信号号的的相相位位关关系系 Figure 5.1 Phase diagram of the Four Wide-area Synchronous Signals v上述机制我们称为广域同步并行处理机制，WAMS的各个子站（包括中心站）均在一组与GPS的1PPS同步的广域同步信号驱动下运行。最基本的同步信号称为工作节拍信号。各个子站都在工作节拍信号的上升沿时刻开始“采集数据”，接着是“处理数据”和“传送数据”。如果远程信道的带宽足够，远程数据传送能够在同一个工作节拍内完成。否则，远程数据传送可能需要在几个工作节拍内完成。v采用广域同步并行处理模式具有若干优点：其一，WAMS的总延时是明确的，容易根据实际需要设定工作节拍和有序安排整个过程的各个工作步骤；其二，容易考察系统的实时性能，及时发现异常子站；其三，可以省去远程传送时间数据，只要传送帧号，从而提高远程数据传送效率。例如，“湖南电力系统状态GPS同步监测系统”的工作节拍的周期为25ms，帧号从0到199在5秒钟内循环，中心站只要检查帧号即可确定数据帧的时间标签，省去了年、月、日、时、分、秒和毫秒信息的远程传送。5.2 基于基于GPS的同步时间系统的同步时间系统 1 系统框图系统框图 由基于由基于GPS的电力系统广域同步时钟构成的的电力系统广域同步时钟构成的同步时间系统的结构如图同步时间系统的结构如图5.2所示。该系统主要由所示。该系统主要由分布在各个发电厂、变电站以及调度中心的多台同分布在各个发电厂、变电站以及调度中心的多台同步时钟组成。每台广域同步时钟又由步时钟组成。每台广域同步时钟又由GPS信号接收信号接收及预处理单元、广域同步定时信号发生器及通信接及预处理单元、广域同步定时信号发生器及通信接口口3部分组成。由于每台广域同步时钟都配置有通部分组成。由于每台广域同步时钟都配置有通信接口，所以能够通过电力系统通信网进行相互间信接口，所以能够通过电力系统通信网进行相互间的数据交换和相互间的运行状态监督，并可以采用的数据交换和相互间的运行状态监督，并可以采用传统的通信校时方法进行校时以进一步提高同步时传统的通信校时方法进行校时以进一步提高同步时间系统的可靠性。间系统的可靠性。广域同步定时信号发生器 GPS 信号接收及预处理单元 天线 图图 5.2 基基于于 GPS 的的电电力力系系统统广广域域同同步步时时间间系系统统框框图图 Figure 5.2 GPS based wide area synchronized timing for power system 通信接口 恒温晶振 通通信信系系统统 厂厂站站广广域域 同同步步时时钟钟 1 厂厂站站广广域域 同同步步时时钟钟 N 调调度度中中心心广广域域同同步步时时 钟钟 光纤 1PPS 光纤 光纤 BJT S1PPS SW SP Sclock 厂厂站站广广域域同同步步时时钟钟 i 2 GPS信号接收与预处理单元信号接收与预处理单元 GPS信号接收及预处理单元的原理框图如图信号接收及预处理单元的原理框图如图5.3所示。该单元的主要功能如下：所示。该单元的主要功能如下：（1）装置上电时对）装置上电时对GPS接收机进行初始化，保证在接收机进行初始化，保证在GPS接收机丢失原始信息时可通过重新上电恢复；接收机丢失原始信息时可通过重新上电恢复；（2）监视卫星信号接收的状况，当接收不正常时）监视卫星信号接收的状况，当接收不正常时,通通过串口发送出告警信息并闭锁过串口发送出告警信息并闭锁1PPS；（3）将）将UTC转换成北京时间，并进行闰月调整；转换成北京时间，并进行闰月调整；（4）将）将GPS接收机信号转换为适合远传的信号（输接收机信号转换为适合远传的信号（输出信号接口采用光纤接口或带有光电耦合隔离的出信号接口采用光纤接口或带有光电耦合隔离的RS-485接口），以便选择合适的天线安装位置和接口），以便选择合适的天线安装位置和提高系统的抗干扰能力；提高系统的抗干扰能力；（5）对进行）对进行1PPS“预审查预审查”，如不合格，则闭锁。，如不合格，则闭锁。1PPS UTC 微处理器 应用系统 GPS接收机OEM板 天线 图图5.3 GPS信信号号接接收收与与预预处处理理单单元元原原理理框框图图 Figure 5.3 Scheme of GPS signals receiving and preprocessing synchronized timing for power system 光纤接口 光纤接口 1PPS 北京时间（BJT）3 广域同步定时信号发生器广域同步定时信号发生器 广域同步定时信号发生器的原理框图如广域同步定时信号发生器的原理框图如图图5.4所示。该单元的核心器件是所示。该单元的核心器件是DSP和高和高精度和高稳定度的恒温晶体振荡器。它们配精度和高稳定度的恒温晶体振荡器。它们配合相应的软件在装置内部实现准确稳定的合相应的软件在装置内部实现准确稳定的“守时钟守时钟”。该守时钟在。该守时钟在GPS信号正常时与信号正常时与GPS信号接收及预处理单元送来的信号接收及预处理单元送来的1PPS同同步，当步，当GPS信号不正常时独立运行。信号不正常时独立运行。SCI 图图 5.4 广域同步定时信号发生器原理框图广域同步定时信号发生器原理框图 Figure 5.4 Scheme of wide area synchronized timing signal generator synchronized timing for power system 恒温晶振 S1PPS SW SP Sclock 光纤接口 1PPS 北京时间（BJT）CAP CAP I/O I/O I/O I/O I/O SCI 北京时间 光纤接口 光纤接口 光纤接口 光纤接口 光纤接口 光纤接口 5.3 GPS校频和余数分摊法校频和余数分摊法v以GPS的上升沿为准，对恒温晶振的时钟信号进行M秒计数，并重复N次，得到N个计数值。将这N个数从小到大排列，去掉其中最小的L个数据和最大的L个数据，对剩余的数求平均值，则有：12()/(2)avLLN LMWWWNL12()/(2)avLLN LMWWWNLv由于GPS的没有累计误差，只有随机误差，所以可以把上式求得的值将看成是振荡器时钟信号的M秒钟的准确计数值。设除以M的商为a，余数为b，则有：/avMMabMv由于恒温晶振的频率准确度非常高，有理由认为在一段时间内，恒温晶振的频率是非常稳定的，频率基本不变。以M秒为循环对恒温晶振的时钟信号计数以实现守时钟。该守时钟为：1秒a+1个时钟周期，对于前b秒 1秒a个时钟周期，对于后M-b秒 可见，把余数分摊到前b秒去，故称为余数分摊法。bM-bM5.4 渐进同步法渐进同步法v将GPS的和广域同步定时信号发生器产生的秒脉冲信号分别引入DSP的两个捕获输入端，每当它们的上升沿到来时，就在捕获寄存器中得到一个相应时刻得计数值。比较两个捕获寄存器得到的计数值，就可以知道两个秒脉冲信号是否同步，如果不同步，也可以通过它们求得需要调整同步的方向和调整量。DPS应用系统1PPS1PPSCAP1CAP21PPS1PPS1PPSTT渐进同步法v当调整量较小时，可以采用一次调整到位的方法进行调整。但对于过小的调整量，可以不作调整，因为GPS的秒脉冲本身也不是绝对没有误差的，也存在着相位抖动问题。如果在出现非常小得误差时就进行调整，就会将这种抖动传递给输出信号，这显然是不合理的。渐进同步法v当需要调整的量较大时，应采用多次调整逐渐逼近的方法，即渐进同步法。采用这种方法时，先设定一个调整步长，每次调整时最多调整一个步长的调整量，调整步长的选择要兼顾相位抖动和调整速度两个方面。渐进同步法v采用渐进同步法有两个方面的好处：一是输出的同步定时信号相位抖动小；二是即使受到比较大的干扰也不大可能错误同步。因为一次只调了一个步长，即使本次调整不当，在下一个秒脉冲到来时即可得到纠正。注意：为了提高抗干扰性注意：为了提高抗干扰性能我们采用了窄脉冲开窗法。能我们采用了窄脉冲开窗法。有效1PPS无效1PPS无效1PPS5.5 GPS授时信号失效对策授时信号失效对策 你认为可以采取什么对策？你认为可以采取什么对策？5.5 GPS授时信号失效对策授时信号失效对策 1采用窄脉冲开窗法虑除采用窄脉冲开窗法虑除 不合格的不合格的1PPS;5.5 GPS授时信号失效对策授时信号失效对策 2 采用渐进同步法避免错误跟踪采用渐进同步法避免错误跟踪 1PPS的异常抖动；的异常抖动；5.5 GPS授时信号失效对策授时信号失效对策 3 用户实际采用守时钟的输出，用户实际采用守时钟的输出，而非而非GPS接收机的接收机的1PPS,保证了稳定性；保证了稳定性；5.5 GPS授时信号失效对策授时信号失效对策 4 GPS授时信号连续失效时，依靠授时信号连续失效时，依靠守时钟维持同步，采用高精度、高稳守时钟维持同步，采用高精度、高稳定度晶体振荡器，采用余数分摊法等定度晶体振荡器，采用余数分摊法等能够较长时间（能够较长时间（8小时）维持时间系统小时）维持时间系统广域同步；广域同步；谢谢谢谢!