GPS在RTU中的應用

2004年12月合肥學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版第14卷第4期2004Journal of Hefei University( Natural SciencesⅤol.14,No.4GPS在RTU中的應用儲忠,章義剛,李秀娟,張林,閆復利(合肥學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系,安徽合肥2302)摘要:電網(wǎng)的運行狀況瞬息萬(wàn)變,調度監控系統要準確了解、判斷、管理和指揮電網(wǎng)的運行,必須要有統一時(shí)鐘。論述了RTU對時(shí)間同步精度的要求,在此基礎上提出了利用GFS來(lái)提高RTU對時(shí)精度該方法具有授時(shí)精度高并能有效地進(jìn)行電網(wǎng)相量異地同步測量等優(yōu)點(diǎn)關(guān)鍵詞:RTU( Remote Terminal Unit);GrS( Global Positioning System);相量測量中圖分類(lèi)號:P2284文獻標識碼:A文章編號:1009-1297(2004)04-0028-04隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機通信技術(shù)的飛速發(fā)展,變電站綜合自動(dòng)化也得到了迅速發(fā)展。變電站從有人值班到無(wú)人值班,接著(zhù)進(jìn)入遠方監控的無(wú)人值班階段。自80年代后期以來(lái),隨著(zhù)微處理器和通信技術(shù)的發(fā)展,利用CPU構成的遠端測控裝置(RTU),實(shí)現了變電站遙測、遙信、遙控、遙調等“四遙”功能。伴隨著(zhù)當前多媒體技術(shù)的發(fā)展,在傳統“四遙”基礎上又增加了遙視與遙聽(tīng)功能,即實(shí)現了配電監控系統的“六遙”功能,從而大大提高了配電系統的供電質(zhì)量。而現代電網(wǎng)正以高電壓、大機組、遠距離輸電為主要特征,電網(wǎng)運行狀況千變萬(wàn)化,電網(wǎng)調度監控系統須能準確了解、判斷、管理和指揮電網(wǎng)的運行。因此,電網(wǎng)調度監控系統必須要有一個(gè)統一時(shí)鐘,以便于掌握故障發(fā)生的時(shí)間和分析故障產(chǎn)生的原因特別是計算機技術(shù)引人電網(wǎng)調度自動(dòng)化系統以來(lái),要求時(shí)鐘的精度由分秒級提高到毫秒級?；谏鲜隹紤],本文提出了基于GPS的RTU對時(shí)分析,它是利用GPS定時(shí)的高精度和異地的高度統一,來(lái)實(shí)現配電系統RTU的統一對時(shí),為電網(wǎng)相量實(shí)時(shí)同步測量提供重要依據,從而大大縮短了系統故障排除的時(shí)間,提高了配電系統的可靠性。1GPS的工作原理GPS系統是由美國國防部出資100多億美元于70年代建立的全球定位系統。該系統有24顆衛星(其中三顆為備用衛星)分布于6個(gè)軌道平面上,構成一個(gè)全球定時(shí)定位網(wǎng),其主要由空間星座部分、地面監控部分和用戶(hù)部分組成。GPS定時(shí)定位接收機可同時(shí)跟蹤場(chǎng)內8顆GFS衛星信號。并選擇其中四顆最佳,利用衛星跟蹤算法自動(dòng)改正時(shí)延后給出準確的實(shí)時(shí)時(shí)間及其定位信息。其工作原理如下GPS將接收的衛星導航信息經(jīng)過(guò)串口輸出,分為兩種格式。一種是NMEA-0813(美國國家海洋電子協(xié)會(huì )指定的通訊標準),一種是洛克維爾二進(jìn)制數據格式。NEMA-0183格式為ASCⅡ碼,比較易讀,對般性的用途,使用比較方便。但如果需要詳細的數據或者精確的時(shí)間信息,則必須使用洛克維爾二進(jìn)制格式,它包括三種類(lèi)型的信息:1000型(時(shí)間和緯度信息),1002型(測位狀態(tài)),1108型(和1PFS同步的時(shí)間信號)。其中可以利用和秒脈沖同步的1108型來(lái)獲取時(shí)間信息,它按固定格式輸出。GPS接收板每秒輸出20個(gè)字節的文件,開(kāi)始是固定的頭文件(十進(jìn)制的1108),然后是校驗位,緊接著(zhù)就是包含收稿日期:2004-03-20修回日期:2004-10-04中國煤化工基金項目:安徽省教育廳自然科學(xué)基金資助項目(基金項目號2003CNMHG作者簡(jiǎn)介:儲忠(1969-),男,安徽岳西人,合肥學(xué)院計算機科學(xué)與技末系講師,在讀碩士研究生有從本周起算到當前時(shí)刻這一段中的秒數(和UTC一致)。所有數據調制成二進(jìn)制的數據流,通過(guò)RS232串口輸出。我們可通過(guò)串口接收該數據流后,再經(jīng)查找和計算,得出準確得時(shí)間值(精確到秒)并存儲。此外,GPS接收板還提供了標定每一秒開(kāi)始得1PPS信號,這個(gè)信號和UTC時(shí)間同步到幾個(gè)微秒。為了獲取和UTC時(shí)間同步,利用1PS產(chǎn)生中斷,在中斷程序中,把剛才得到的1108中秒信號設置為系統時(shí)間,這樣可讓系統時(shí)間和UTC同步到1~10μs。2RTU對時(shí)間同步精度要求在變電站綜合自動(dòng)化系統中,調頻、功角測量都要求精度很高的標準時(shí)鐘2),以保證電能和電網(wǎng)的穩定性控制。在電力系統擾動(dòng)分析和事件分析中,時(shí)標也要求具有較高的分辨度,以便確切地得出分析結果。對不同類(lèi)型的變電站,其RTU要求的對時(shí)精度也不一樣。在IEC61850協(xié)議中對標準的IED(智能電子設備)同步和有關(guān)報文同步均提出了精度要求。在參考文獻[3]中,IEC61850定義了數據通信中種類(lèi)型的報文和3種性能級A、B、C。7種類(lèi)型的報文:(1)快速報文,(2)中速報文,(3)低速報文,(4)同步生數據報文,(5)文件傳輸(6)時(shí)間同步報文,(7)具有訪(fǎng)問(wèn)控制的命令協(xié)議。在類(lèi)型6時(shí)間同步報文中規定,這種報文用來(lái)同步變電站自動(dòng)化系統中IED的內部時(shí)鐘,需要兩種級別的同步精度:(1)標準的IED同步,正常時(shí)間同步精度為±100μs;(2)數字儀用互感器和類(lèi)型A報文的同步:1)對性能級A:同步精度為±100μs,2)對性能級B:同步精度為±4μs,3)對性能級C:同步精度為±lus三種性能級為(1)性能級A:適用于小變電站或接收傳輸速率低的場(chǎng)合,(2)性能級B:適用于正常要求的場(chǎng)合,(3)性能級C:適用于變電站內通信速率和數據流有特別高要求的場(chǎng)合。采用GPS提高RTU對時(shí)精度的原理分析GPS系統能保障全天候及連續實(shí)時(shí)地為全球用戶(hù)提供包括時(shí)間在內的高精度信息。GPS提供的時(shí)間在地面監控站的監控下能與國際標準時(shí)間( Universial Co- ordinated Time,簡(jiǎn)稱(chēng)UCT)高度同步,最高精度可達1-10ns。因此,我們可以利用衛星上的原子鐘發(fā)出的信號為電網(wǎng)調度自動(dòng)化系統提供高精度的統一時(shí)鐘。目前,基于GFS的同步時(shí)鐘種類(lèi)繁多。各種思想實(shí)現的GPS時(shí)鐘提高RTU對時(shí)精度的方案如雨后春筍,其中有基于PC單片機處理的RTU對時(shí)裝置和基于DS80C320的GPS衛星同步時(shí)鐘等。如美國靶場(chǎng)儀器組(IRG)提出的IRG的時(shí)間編碼序列實(shí)現的廉價(jià)精確對時(shí)方案,該方案在每個(gè)RTU裝一塊B碼(此時(shí)碼序列分為G,A,B,E,H,D六種編碼格式,B碼是其中一種)解碼器,用于還原GPS接收器輸送的RS232數據和1PS脈沖,當RTU較多時(shí)更顯示其優(yōu)越性。下面以 SUPERSTAR GPS OEM板為例,簡(jiǎn)要介紹利用標準定位服務(wù)的C/A碼授時(shí)的方法。接收GPSC/A碼信息的模塊由一塊專(zhuān)用集成芯片組成,用于接收GPS信息。如果利用單片機對該模塊進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),不僅擴展秒脈沖信號和RS232信號路數,而且可以根據所需轉換RS232接口輸出通信規約。它輸出時(shí)間精度為1μs的國際標準時(shí)秒脈沖信號并通過(guò)RS232接口以 RTCM SC-104規約、NP規約、NMA0183規約或TAIP規約輸出國際標準時(shí)的日期時(shí)間以及接收裝置所在的方位信息。例如:美國 ROCK WELL公司的GPS-OEM板“ TUPITER”的主串口通信協(xié)議為:當通信數據格式為NMZA-0183的ASCI碼時(shí),主串口波特率為4800bps(確省值),通訊格式為 ROCKWELL BINARY二進(jìn)制時(shí),波特率確省值為9600bps,無(wú)奇偶校驗;8個(gè)數據位,1個(gè)起始位1個(gè)停止位;內容包括經(jīng)度緯度速度、日期時(shí)間、載波相位、衛星狀況等許多信息,對于只需定時(shí)的用戶(hù),只要讀取其時(shí)間信結構如圖1所示(,其中1PH、PPM、1PS分別輸出時(shí)中國煤化工GF時(shí)鐘系統硬件為了供標準時(shí)鐘給多個(gè)RTU,我們采用脈沖擴展電路。CNMHG查事故發(fā)生的時(shí)間。脈脈SUPERSTARGPS串口0-OEM板光電Ps輸出EPROM糊合PPM輸出鎖存P32□耦合IPPH輸出RS232電路P串18按口民CT絕對時(shí)間輸出圖1GS時(shí)鐘硬件結構圖4提高RTU對時(shí)精度的相關(guān)措施目前,我國大多數變電站尚未安裝GPS系統,要實(shí)現時(shí)間同步,必須在調度過(guò)程中裝設能滿(mǎn)足精度要求的GP系統61,并按IEC60870-5-101協(xié)議對所屬變電站自動(dòng)化系統實(shí)現實(shí)時(shí)同步,只有當系統內所有變電站裝設了滿(mǎn)足IEC61850要求的GPS后,調度中心才能對各變電站自動(dòng)化系統進(jìn)行時(shí)間同步。為了提高RTU對時(shí)精度,筆者建議應從以下幾個(gè)方面考慮(1)因為GPS受各種因素影響有時(shí)會(huì )消失信號,所以計算機系統的硬件時(shí)鐘必須滿(mǎn)足一天校一次時(shí)間的精度要求(2)機系統必須與GPS模塊直接相連,以減少中間環(huán)節帶來(lái)的對時(shí)誤差。(3)由于GPS模塊只具有RS232接口和1PS接口。若在每個(gè)主站、每個(gè)變電站內設立,GPS模塊上的接口不夠用。因此,應該用高速硬件電路擴展接口數量(見(jiàn)圖1)。4)RTU上報主站的時(shí)標發(fā)生信息,采用絕對時(shí)標信息,以保證各主站接收的時(shí)標信息一致。(5)釆用軟件對時(shí)方式接收RS232接口的標準對時(shí)規約,計算機系統必須接受1PPS信號并采用vCo(鎖相環(huán))技術(shù)同步計算機系統硬件時(shí)鐘。(6)一套以原子鐘為基準的時(shí)鐘傳遞數學(xué)模型,驗證時(shí)鐘在傳遞過(guò)程中精度損失,從而摸索出一套檢驗時(shí)鐘系統對時(shí)精度的方法。(⑦)根據電力系統要求G門(mén)S接收機授時(shí)精度高,工作穩定,傳輸誤差小,安裝簡(jiǎn)便,經(jīng)濟使用等特點(diǎn),可選用中國科學(xué)院陜西天文臺研制的P0943型電網(wǎng)用的或美國研制的 tuie time型GPS同步時(shí)鐘。(8)為了有效地提高GFS接收機對所有已知類(lèi)型干擾的抑制能力,可采用美國 ELECTRO-RADLATON(ERI)公司研制的干擾抑制裝置(ISU)。5基于GPS的RTU異地同步電網(wǎng)相量的測量無(wú)論待測信號頻率如何變化,它的完整周期都是360度。為了保證一個(gè)數據窗內內的釆樣數據來(lái)源于同一個(gè)完整的周期,我們把360度按M采樣點(diǎn)/周期等分成360度/M采樣一次?；谶@種思想利用鎖相環(huán)、計數器、單穩觸發(fā)器、濾波器等元器件構成自適應等間隔同步采樣電路,它的采樣頻率自動(dòng)跟蹤待測信號的頻率變化。從而實(shí)現了電網(wǎng)向量異地同4中國煤化工號的每個(gè)周期的第個(gè)采樣脈沖由GPS接收器輸出的同步時(shí)間脈沖信號(1CNMHG樣頻率(采樣電數周期),通過(guò)對鎖相環(huán)輸出的與被測交流信號基頻成n倍系時(shí)鋇相惜頻脈號分頻后獲得其余采樣脈沖。綜上可知:(1)利用GPS與鎖相環(huán)技術(shù)相結合的方法,可以很好解決異地交流信號的同步測量在時(shí)間上的同步采樣問(wèn)題。(2)異地同步采樣的時(shí)間誤差,主要取決于GFS同步授時(shí)精度和鎖相環(huán)的鎖相精度。6結束語(yǔ)本文介紹的基于GPS提高RTU對時(shí)精度的方法,為全網(wǎng)提供了統一的標準時(shí)鐘,使RTU異地同步相角測量精度大為提高(相角同步測量平均誤差可達0.15度)。由此可見(jiàn),該方法為電網(wǎng)調度系統的運行、管理及電力系統故障診斷提供了重要依據,它對加強配電中心整個(gè)系統的監控能力,提高其可靠性,具有深遠的意義。鑒于目前國內大多數配電系統采用常規的GPS對時(shí)方式,即使少數具備差分功能的GPS在使用時(shí)也按常規對時(shí)方式運行,作者建議在大型配電系統或對時(shí)精度要求較高的場(chǎng)合,應采用GPS提供的差分信息,以便進(jìn)一步提高對時(shí)精度。參考文獻:1]劉浩,蔡月明,鄭建勇基于DS80C320的GP衛星同步時(shí)鐘[J]電力自動(dòng)化設備,2001,21(9)[2]徐立子.在論變電站自動(dòng)化系統的分析和實(shí)施[J].電網(wǎng)技術(shù),2001,25(9)[3]陳懷應用GP提高對時(shí)精度[J華東電力,1998(8)[4] 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