2004年12月合肥學院學報(自然科學版第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(合肥學院計算機科學與技術系,安徽合肥2302)摘要:電網(wǎng)的運行狀況瞬息萬變,調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)要準確了解、判斷、管理和指揮電網(wǎng)的運行,必須要有統(tǒng)一時鐘。論述了RTU對時間同步精度的要求,在此基礎上提出了利用GFS來提高RTU對時精度該方法具有授時精度高并能有效地進行電網(wǎng)相量異地同步測量等優(yōu)點關鍵詞:RTU( Remote Terminal Unit);GrS( Global Positioning System);相量測量中圖分類號:P2284文獻標識碼:A文章編號:1009-1297(2004)04-0028-04隨著微電子技術、計算機通信技術的飛速發(fā)展,變電站綜合自動化也得到了迅速發(fā)展。變電站從有人值班到無人值班,接著進入遠方監(jiān)控的無人值班階段。自80年代后期以來,隨著微處理器和通信技術的發(fā)展,利用CPU構成的遠端測控裝置(RTU),實現(xiàn)了變電站遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等“四遙”功能。伴隨著當前多媒體技術的發(fā)展,在傳統(tǒng)“四遙”基礎上又增加了遙視與遙聽功能,即實現(xiàn)了配電監(jiān)控系統(tǒng)的“六遙”功能,從而大大提高了配電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。而現(xiàn)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?nèi)f化,電網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)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(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)必須要有一個統(tǒng)一時鐘,以便于掌握故障發(fā)生的時間和分析故障產(chǎn)生的原因特別是計算機技術引人電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)以來,要求時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對時分析,它是利用GPS定時的高精度和異地的高度統(tǒng)一,來實現(xiàn)配電系統(tǒng)RTU的統(tǒng)一對時,為電網(wǎng)相量實時同步測量提供重要依據(jù),從而大大縮短了系統(tǒng)故障排除的時間,提高了配電系統(tǒng)的可靠性。1GPS的工作原理GPS系統(tǒng)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(tǒng)。該系統(tǒng)有24顆衛(wèi)星(其中三顆為備用衛(wèi)星)分布于6個軌道平面上,構成一個全球定時定位網(wǎng),其主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分組成。GPS定時定位接收機可同時跟蹤場內(nèi)8顆GFS衛(wèi)星信號。并選擇其中四顆最佳,利用衛(wèi)星跟蹤算法自動改正時延后給出準確的實時時間及其定位信息。其工作原理如下GPS將接收的衛(wèi)星導航信息經(jīng)過串口輸出,分為兩種格式。一種是NMEA-0813(美國國家海洋電子協(xié)會指定的通訊標準),一種是洛克維爾二進制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)或者精確的時間信息,則必須使用洛克維爾二進制格式,它包括三種類型的信息:1000型(時間和緯度信息),1002型(測位狀態(tài)),1108型(和1PFS同步的時間信號)。其中可以利用和秒脈沖同步的1108型來獲取時間信息,它按固定格式輸出。GPS接收板每秒輸出20個字節(jié)的文件,開始是固定的頭文件(十進制的1108),然后是校驗位,緊接著就是包含收稿日期: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基金資助項目(基金項目號2003CNMHG作者簡介:儲忠(1969-),男,安徽岳西人,合肥學院計算機科學與技末系講師,在讀碩士研究生有從本周起算到當前時刻這一段中的秒數(shù)(和UTC一致)。所有數(shù)據(jù)調(diào)制成二進制的數(shù)據(jù)流,通過RS232串口輸出。我們可通過串口接收該數(shù)據(jù)流后,再經(jīng)查找和計算,得出準確得時間值(精確到秒)并存儲。此外,GPS接收板還提供了標定每一秒開始得1PPS信號,這個信號和UTC時間同步到幾個微秒。為了獲取和UTC時間同步,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(tǒng)時間,這樣可讓系統(tǒng)時間和UTC同步到1~10μs。2RTU對時間同步精度要求在變電站綜合自動化系統(tǒng)中,調(diào)頻、功角測量都要求精度很高的標準時鐘2),以保證電能和電網(wǎng)的穩(wěn)定性控制。在電力系統(tǒng)擾動分析和事件分析中,時標也要求具有較高的分辨度,以便確切地得出分析結果。對不同類型的變電站,其RTU要求的對時精度也不一樣。在IEC61850協(xié)議中對標準的IED(智能電子設備)同步和有關報文同步均提出了精度要求。在參考文獻[3]中,IEC61850定義了數(shù)據(jù)通信中種類型的報文和3種性能級A、B、C。7種類型的報文:(1)快速報文,(2)中速報文,(3)低速報文,(4)同步生數(shù)據(jù)報文,(5)文件傳輸(6)時間同步報文,(7)具有訪問控制的命令協(xié)議。在類型6時間同步報文中規(guī)定,這種報文用來同步變電站自動化系統(tǒng)中IED的內(nèi)部時鐘,需要兩種級別的同步精度:(1)標準的IED同步,正常時間同步精度為±100μs;(2)數(shù)字儀用互感器和類型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合,(2)性能級B:適用于正常要求的場合,(3)性能級C:適用于變電站內(nèi)通信速率和數(shù)據(jù)流有特別高要求的場合。采用GPS提高RTU對時精度的原理分析GPS系統(tǒng)能保障全天候及連續(xù)實時地為全球用戶提供包括時間在內(nèi)的高精度信息。GPS提供的時間在地面監(jiān)控站的監(jiān)控下能與國際標準時間( Universial Co- ordinated Time,簡稱UCT)高度同步,最高精度可達1-10ns。因此,我們可以利用衛(wèi)星上的原子鐘發(fā)出的信號為電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)提供高精度的統(tǒng)一時鐘。目前,基于GFS的同步時鐘種類繁多。各種思想實現(xiàn)的GPS時鐘提高RTU對時精度的方案如雨后春筍,其中有基于PC單片機處理的RTU對時裝置和基于DS80C320的GPS衛(wèi)星同步時鐘等。如美國靶場儀器組(IRG)提出的IRG的時間編碼序列實現(xiàn)的廉價精確對時方案,該方案在每個RTU裝一塊B碼(此時碼序列分為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(shù)據(jù)和1PS脈沖,當RTU較多時更顯示其優(yōu)越性。下面以 SUPERSTAR GPS OEM板為例,簡要介紹利用標準定位服務的C/A碼授時的方法。接收GPSC/A碼信息的模塊由一塊專用集成芯片組成,用于接收GPS信息。如果利用單片機對該模塊進行二次開發(fā),不僅擴展秒脈沖信號和RS232信號路數(shù),而且可以根據(jù)所需轉換RS232接口輸出通信規(guī)約。它輸出時間精度為1μs的國際標準時秒脈沖信號并通過RS232接口以 RTCM SC-104規(guī)約、NP規(guī)約、NMA0183規(guī)約或TAIP規(guī)約輸出國際標準時的日期時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(shù)據(jù)格式為NMZA-0183的ASCI碼時,主串口波特率為4800bps(確省值),通訊格式為 ROCKWELL BINARY二進制時,波特率確省值為9600bps,無奇偶校驗;8個數(shù)據(jù)位,1個起始位1個停止位;內(nèi)容包括經(jīng)度緯度速度、日期時間、載波相位、衛(wèi)星狀況等許多信息,對于只需定時的用戶,只要讀取其時間信結構如圖1所示(,其中1PH、PPM、1PS分別輸出時中國煤化工GF時鐘系統(tǒng)硬件為了供標準時鐘給多個RTU,我們采用脈沖擴展電路。CNMHG查事故發(fā)生的時間。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絕對時間輸出圖1GS時鐘硬件結構圖4提高RTU對時精度的相關措施目前,我國大多數(shù)變電站尚未安裝GPS系統(tǒng),要實現(xiàn)時間同步,必須在調(diào)度過程中裝設能滿足精度要求的GP系統(tǒng)61,并按IEC60870-5-101協(xié)議對所屬變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)實時同步,只有當系統(tǒng)內(nèi)所有變電站裝設了滿足IEC61850要求的GPS后,調(diào)度中心才能對各變電站自動化系統(tǒng)進行時間同步。為了提高RTU對時精度,筆者建議應從以下幾個方面考慮(1)因為GPS受各種因素影響有時會消失信號,所以計算機系統(tǒng)的硬件時鐘必須滿足一天校一次時間的精度要求(2)機系統(tǒng)必須與GPS模塊直接相連,以減少中間環(huán)節(jié)帶來的對時誤差。(3)由于GPS模塊只具有RS232接口和1PS接口。若在每個主站、每個變電站內(nèi)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(shù)量(見圖1)。4)RTU上報主站的時標發(fā)生信息,采用絕對時標信息,以保證各主站接收的時標信息一致。(5)釆用軟件對時方式接收RS232接口的標準對時規(guī)約,計算機系統(tǒng)必須接受1PPS信號并采用vCo(鎖相環(huán))技術同步計算機系統(tǒng)硬件時鐘。(6)一套以原子鐘為基準的時鐘傳遞數(shù)學模型,驗證時鐘在傳遞過程中精度損失,從而摸索出一套檢驗時鐘系統(tǒng)對時精度的方法。(⑦)根據(jù)電力系統(tǒng)要求G門S接收機授時精度高,工作穩(wěn)定,傳輸誤差小,安裝簡便,經(jīng)濟使用等特點,可選用中國科學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同步時鐘。(8)為了有效地提高GFS接收機對所有已知類型干擾的抑制能力,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。為了保證一個數(shù)據(jù)窗內(nèi)內(nèi)的釆樣數(shù)據(jù)來源于同一個完整的周期,我們把360度按M采樣點/周期等分成360度/M采樣一次?；谶@種思想利用鎖相環(huán)、計數(shù)器、單穩(wěn)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,它的采樣頻率自動跟蹤待測信號的頻率變化。從而實現(xiàn)了電網(wǎng)向量異地同4中國煤化工號的每個周期的第個采樣脈沖由GPS接收器輸出的同步時間脈沖信號(1CNMHG樣頻率(采樣電數(shù)周期),通過對鎖相環(huán)輸出的與被測交流信號基頻成n倍系時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間上的同步采樣問題。(2)異地同步采樣的時間誤差,主要取決于GFS同步授時精度和鎖相環(huán)的鎖相精度。6結束語本文介紹的基于GPS提高RTU對時精度的方法,為全網(wǎng)提供了統(tǒng)一的標準時鐘,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,該方法為電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的運行、管理及電力系統(tǒng)故障診斷提供了重要依據(jù),它對加強配電中心整個系統(tǒng)的監(jiān)控能力,提高其可靠性,具有深遠的意義。鑒于目前國內(nèi)大多數(shù)配電系統(tǒng)采用常規(guī)的GPS對時方式,即使少數(shù)具備差分功能的GPS在使用時也按常規(guī)對時方式運行,作者建議在大型配電系統(tǒng)或對時精度要求較高的場合,應采用GPS提供的差分信息,以便進一步提高對時精度。參考文獻:1]劉浩,蔡月明,鄭建勇基于DS80C320的GP衛(wèi)星同步時鐘[J]電力自動化設備,2001,21(9)[2]徐立子.在論變電站自動化系統(tǒng)的分析和實施[J].電網(wǎng)技術,2001,25(9)[3]陳懷應用GP提高對時精度[J華東電力,1998(8)[4] 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