GPS在RTU中的应用

2004年12月合肥学院学报(自然科学版第14卷第4期2004Journal of Hefei University( Natural SciencesⅤol.14,No.4GPS在RTU中的应用储忠,章义刚,李秀娟,张林,闫复利(合肥学院计算机科学与技术系,安徽合肥2302)摘要:电网的运行状况瞬息万变,调度监控系统要准确了解、判断、管理和指挥电网的运行,必须要有统一时钟。论述了RTU对时间同步精度的要求,在此基础上提出了利用GFS来提高RTU对时精度该方法具有授时精度高并能有效地进行电网相量异地同步测量等优点关键词:RTU( Remote Terminal Unit);GrS( Global Positioning System);相量测量中图分类号:P2284文献标识码:A文章编号:1009-1297(2004)04-0028-04随着微电子技术、计算机通信技术的飞速发展,变电站综合自动化也得到了迅速发展。变电站从有人值班到无人值班,接着进入远方监控的无人值班阶段。自80年代后期以来,随着微处理器和通信技术的发展,利用CPU构成的远端测控装置(RTU),实现了变电站遥测、遥信、遥控、遥调等“四遥”功能。伴随着当前多媒体技术的发展,在传统“四遥”基础上又增加了遥视与遥听功能,即实现了配电监控系统的“六遥”功能,从而大大提高了配电系统的供电质量。而现代电网正以高电压、大机组、远距离输电为主要特征,电网运行状况千变万化,电网调度监控系统须能准确了解、判断、管理和指挥电网的运行。因此,电网调度监控系统必须要有一个统一时钟,以便于掌握故障发生的时间和分析故障产生的原因特别是计算机技术引人电网调度自动化系统以来,要求时钟的精度由分秒级提高到毫秒级。基于上述考虑,本文提出了基于GPS的RTU对时分析,它是利用GPS定时的高精度和异地的高度统一,来实现配电系统RTU的统一对时,为电网相量实时同步测量提供重要依据,从而大大缩短了系统故障排除的时间,提高了配电系统的可靠性。1GPS的工作原理GPS系统是由美国国防部出资100多亿美元于70年代建立的全球定位系统。该系统有24颗卫星(其中三颗为备用卫星)分布于6个轨道平面上,构成一个全球定时定位网,其主要由空间星座部分、地面监控部分和用户部分组成。GPS定时定位接收机可同时跟踪场内8颗GFS卫星信号。并选择其中四颗最佳,利用卫星跟踪算法自动改正时延后给出准确的实时时间及其定位信息。其工作原理如下GPS将接收的卫星导航信息经过串口输出,分为两种格式。一种是NMEA-0813(美国国家海洋电子协会指定的通讯标准),一种是洛克维尔二进制数据格式。NEMA-0183格式为ASCⅡ码,比较易读,对般性的用途,使用比较方便。但如果需要详细的数据或者精确的时间信息,则必须使用洛克维尔二进制格式,它包括三种类型的信息:1000型(时间和纬度信息),1002型(测位状态),1108型(和1PFS同步的时间信号)。其中可以利用和秒脉冲同步的1108型来获取时间信息,它按固定格式输出。GPS接收板每秒输出20个字节的文件,开始是固定的头文件(十进制的1108),然后是校验位,紧接着就是包含收稿日期:2004-03-20修回日期:2004-10-04中国煤化工基金项目:安徽省教育厅自然科学基金资助项目(基金项目号2003CNMHG作者简介:储忠(1969-),男,安徽岳西人,合肥学院计算机科学与技末系讲师,在读硕士研究生有从本周起算到当前时刻这一段中的秒数(和UTC一致)。所有数据调制成二进制的数据流,通过RS232串口输出。我们可通过串口接收该数据流后,再经查找和计算,得出准确得时间值(精确到秒)并存储。此外,GPS接收板还提供了标定每一秒开始得1PPS信号,这个信号和UTC时间同步到几个微秒。为了获取和UTC时间同步,利用1PS产生中断,在中断程序中,把刚才得到的1108中秒信号设置为系统时间,这样可让系统时间和UTC同步到1~10μs。2RTU对时间同步精度要求在变电站综合自动化系统中,调频、功角测量都要求精度很高的标准时钟2),以保证电能和电网的稳定性控制。在电力系统扰动分析和事件分析中,时标也要求具有较高的分辨度,以便确切地得出分析结果。对不同类型的变电站,其RTU要求的对时精度也不一样。在IEC61850协议中对标准的IED(智能电子设备)同步和有关报文同步均提出了精度要求。在参考文献[3]中,IEC61850定义了数据通信中种类型的报文和3种性能级A、B、C。7种类型的报文:(1)快速报文,(2)中速报文,(3)低速报文,(4)同步生数据报文,(5)文件传输(6)时间同步报文,(7)具有访问控制的命令协议。在类型6时间同步报文中规定,这种报文用来同步变电站自动化系统中IED的内部时钟,需要两种级别的同步精度:(1)标准的IED同步,正常时间同步精度为±100μs;(2)数字仪用互感器和类型A报文的同步:1)对性能级A:同步精度为±100μs,2)对性能级B:同步精度为±4μs,3)对性能级C:同步精度为±lus三种性能级为(1)性能级A:适用于小变电站或接收传输速率低的场合,(2)性能级B:适用于正常要求的场合,(3)性能级C:适用于变电站内通信速率和数据流有特别高要求的场合。采用GPS提高RTU对时精度的原理分析GPS系统能保障全天候及连续实时地为全球用户提供包括时间在内的高精度信息。GPS提供的时间在地面监控站的监控下能与国际标准时间( Universial Co- ordinated Time,简称UCT)高度同步,最高精度可达1-10ns。因此,我们可以利用卫星上的原子钟发出的信号为电网调度自动化系统提供高精度的统一时钟。目前,基于GFS的同步时钟种类繁多。各种思想实现的GPS时钟提高RTU对时精度的方案如雨后春笋,其中有基于PC单片机处理的RTU对时装置和基于DS80C320的GPS卫星同步时钟等。如美国靶场仪器组(IRG)提出的IRG的时间编码序列实现的廉价精确对时方案,该方案在每个RTU装一块B码(此时码序列分为G,A,B,E,H,D六种编码格式,B码是其中一种)解码器,用于还原GPS接收器输送的RS232数据和1PS脉冲,当RTU较多时更显示其优越性。下面以 SUPERSTAR GPS OEM板为例,简要介绍利用标准定位服务的C/A码授时的方法。接收GPSC/A码信息的模块由一块专用集成芯片组成,用于接收GPS信息。如果利用单片机对该模块进行二次开发,不仅扩展秒脉冲信号和RS232信号路数,而且可以根据所需转换RS232接口输出通信规约。它输出时间精度为1μs的国际标准时秒脉冲信号并通过RS232接口以 RTCM SC-104规约、NP规约、NMA0183规约或TAIP规约输出国际标准时的日期时间以及接收装置所在的方位信息。例如:美国 ROCK WELL公司的GPS-OEM板“ TUPITER”的主串口通信协议为:当通信数据格式为NMZA-0183的ASCI码时,主串口波特率为4800bps(确省值),通讯格式为 ROCKWELL BINARY二进制时,波特率确省值为9600bps,无奇偶校验;8个数据位,1个起始位1个停止位;内容包括经度纬度速度、日期时间、载波相位、卫星状况等许多信息,对于只需定时的用户,只要读取其时间信结构如图1所示(,其中1PH、PPM、1PS分别输出时中国煤化工GF时钟系统硬件为了供标准时钟给多个RTU,我们采用脉冲扩展电路。CNMHG查事故发生的时间。脉脉SUPERSTARGPS串口0-OEM板光电Ps输出EPROM糊合PPM输出锁存P32□耦合IPPH输出RS232电路P串18按口民CT绝对时间输出图1GS时钟硬件结构图4提高RTU对时精度的相关措施目前,我国大多数变电站尚未安装GPS系统,要实现时间同步,必须在调度过程中装设能满足精度要求的GP系统61,并按IEC60870-5-101协议对所属变电站自动化系统实现实时同步,只有当系统内所有变电站装设了满足IEC61850要求的GPS后,调度中心才能对各变电站自动化系统进行时间同步。为了提高RTU对时精度,笔者建议应从以下几个方面考虑(1)因为GPS受各种因素影响有时会消失信号,所以计算机系统的硬件时钟必须满足一天校一次时间的精度要求(2)机系统必须与GPS模块直接相连,以减少中间环节带来的对时误差。(3)由于GPS模块只具有RS232接口和1PS接口。若在每个主站、每个变电站内设立,GPS模块上的接口不够用。因此,应该用高速硬件电路扩展接口数量(见图1)。4)RTU上报主站的时标发生信息,采用绝对时标信息,以保证各主站接收的时标信息一致。(5)釆用软件对时方式接收RS232接口的标准对时规约,计算机系统必须接受1PPS信号并采用vCo(锁相环)技术同步计算机系统硬件时钟。(6)一套以原子钟为基准的时钟传递数学模型,验证时钟在传递过程中精度损失,从而摸索出一套检验时钟系统对时精度的方法。(⑦)根据电力系统要求G門S接收机授时精度高,工作稳定,传输误差小,安装简便,经济使用等特点,可选用中国科学院陕西天文台研制的P0943型电网用的或美国研制的 tuie time型GPS同步时钟。(8)为了有效地提高GFS接收机对所有已知类型干扰的抑制能力,可采用美国 ELECTRO-RADLATON(ERI)公司研制的干扰抑制装置(ISU)。5基于GPS的RTU异地同步电网相量的测量无论待测信号频率如何变化,它的完整周期都是360度。为了保证一个数据窗内内的釆样数据来源于同一个完整的周期,我们把360度按M采样点/周期等分成360度/M采样一次。基于这种思想利用锁相环、计数器、单稳触发器、滤波器等元器件构成自适应等间隔同步采样电路,它的采样频率自动跟踪待测信号的频率变化。从而实现了电网向量异地同4中国煤化工号的每个周期的第个采样脉冲由GPS接收器输出的同步时间脉冲信号(1CNMHG样频率(采样电数周期),通过对锁相环输出的与被测交流信号基频成n倍系时钡相惜频脉号分频后获得其余采样脉冲。综上可知:(1)利用GPS与锁相环技术相结合的方法,可以很好解决异地交流信号的同步测量在时间上的同步采样问题。(2)异地同步采样的时间误差,主要取决于GFS同步授时精度和锁相环的锁相精度。6结束语本文介绍的基于GPS提高RTU对时精度的方法,为全网提供了统一的标准时钟,使RTU异地同步相角测量精度大为提高(相角同步测量平均误差可达0.15度)。由此可见,该方法为电网调度系统的运行、管理及电力系统故障诊断提供了重要依据,它对加强配电中心整个系统的监控能力,提高其可靠性,具有深远的意义。鉴于目前国内大多数配电系统采用常规的GPS对时方式,即使少数具备差分功能的GPS在使用时也按常规对时方式运行,作者建议在大型配电系统或对时精度要求较高的场合,应采用GPS提供的差分信息,以便进一步提高对时精度。参考文献:1]刘浩,蔡月明,郑建勇基于DS80C320的GP卫星同步时钟[J]电力自动化设备,2001,21(9)[2]徐立子.在论变电站自动化系统的分析和实施[J].电网技术,2001,25(9)[3]陈怀应用GP提高对时精度[J华东电力,1998(8)[4] IEC61850-1. 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