北斗衛(wèi)星時鐘解耦控制電網(wǎng)信息同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈超廣，肖海霞

(1.解放軍信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450052；2.河南工程學(xué)院，鄭州 450052)

1 引言

國家電網(wǎng)公司在“2009特高壓輸電技術(shù)國際會議”上提出了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的發(fā)展規(guī)劃，按照規(guī)劃，2011～2015年為全面建設(shè)階段，“十二五”期間，國家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)必將得到長足的發(fā)展。文獻(xiàn)[1～3]都分別提到作為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)基礎(chǔ)部分之一的電網(wǎng)信息采集系統(tǒng)，已經(jīng)難以適應(yīng)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的要求，需要進(jìn)行升級和更新?lián)Q代。文獻(xiàn)[4]指出電力系統(tǒng)隨著自身的發(fā)展變得越來越復(fù)雜，在許多場合都需要電網(wǎng)信息的同步采集，這對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、故障判斷和系統(tǒng)穩(wěn)定的分析與控制等都具有重要意義，并且，文獻(xiàn)[5～6]提到電力系統(tǒng)的各種監(jiān)測與保護(hù)裝置對電網(wǎng)信息采集的同步精度要求也越來越高。文獻(xiàn)[7～8]指出應(yīng)用于我國電網(wǎng)中同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大都是采用基于全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)的同步相量測量裝置 (phase measurement unit，PMU)，電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行對GPS的依賴也越來越強(qiáng)。本文基于雙時鐘源信息融合技術(shù)，將北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)信息采集同步系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了電網(wǎng)信息同步采集系統(tǒng)，可彌補(bǔ)長久以來使用 GPS 作為唯一同步時鐘源而存在的風(fēng)險性和不可依賴性，同時解決了依靠單一時鐘源帶來的系統(tǒng)可靠性問題。

2 雙時鐘源授時原理

2.1 GPS和北斗系統(tǒng)時間系統(tǒng)

文獻(xiàn)[9]提到GPS系統(tǒng)時間(global positioning system time，GPST)屬于原子時系統(tǒng)，是一種連續(xù)計(jì)時系統(tǒng)，由GPS主控站里的一組高精度原子鐘所控制，是GPS系統(tǒng)建立的專用時間系統(tǒng)。GPST秒長與協(xié)調(diào)世界時(universal time coordinated，UTC)相同，但GPST不含閏秒修正，它與UTC的時刻規(guī)定與1980-01-05 T 00：00：00相同，隨著時間的積累，兩者之間的差異表現(xiàn)為秒的整數(shù)倍。

文獻(xiàn)[10]指出北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)是我國完全自主的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)之一，為用戶提供全天候的定位、簡報(bào)文通信和精密授時三大服務(wù)。該系統(tǒng)有自己獨(dú)立的時間系統(tǒng)，秒長與UTC相同，授時精度單向授時50 ns，雙向授時可達(dá)20 ns。

2.2 衛(wèi)星單向授時原理

衛(wèi)星授時具有授時精度高、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，是目前各行業(yè)授時應(yīng)用的發(fā)展方向。

在單向授時模式下，接收機(jī)不需要與地面中心站進(jìn)行交互，但需已知接收機(jī)精確坐標(biāo)。地面中心站保持精確的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時間，定時播發(fā)授時信息，并為定時用戶提供時延修正值，包括上行傳輸時延、衛(wèi)星到接收機(jī)的下行時延、對流層時延、電離層時延等。接收機(jī)根據(jù)本地精確坐標(biāo)及衛(wèi)星信號傳輸時延，計(jì)算出鐘差并經(jīng)修正得出本地精確的時間。圖1為衛(wèi)星系統(tǒng)單向授時基本原理。

2.3 雙時鐘源自適應(yīng)無縫切換技術(shù)

為保證輸出時間的正確性、安全性、可靠性以及準(zhǔn)確時間的連續(xù)性，系統(tǒng)對GPS 接收機(jī)和BDS接收機(jī)的同步秒脈沖 (pulse per second，PPS)信號分別同時進(jìn)行監(jiān)測和處理，并對兩時鐘源進(jìn)行實(shí)時比對，兩時鐘源構(gòu)成互為熱備份。

圖1 衛(wèi)星單向授時基本原理

另外，系統(tǒng)采用衛(wèi)星系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測算法對跟蹤到的BDS和GPS衛(wèi)星的健康狀況進(jìn)行實(shí)時判斷，同時監(jiān)測BDS和GPS的導(dǎo)航電文、時標(biāo)特性等，系統(tǒng)將根據(jù)衛(wèi)星的健康狀況同時考慮兩時鐘源的歷史電文的誤碼率及歷史時標(biāo)的準(zhǔn)確度、可用度和穩(wěn)定度來判斷參考時鐘源可用性，從而確定時鐘源。

為避免時鐘源切換時的時間抖動給系統(tǒng)造成的時間系統(tǒng)崩潰，采用自適應(yīng)平滑切換技術(shù)來保證時間的連續(xù)穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了雙時鐘源的無縫切換，保證了系統(tǒng)的時間同步性能。

3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于雙時鐘源的電網(wǎng)信息同步采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)信息同步采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

同步采集系統(tǒng)主要由前端信號調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、嵌入式處理器、GPS+BDS接收機(jī)及其外圍電路等組成。其中，前端信號調(diào)理電路包括變換電路、放大器和濾波器等，電網(wǎng)模擬信號經(jīng)過前端信號調(diào)理電路和 A/D 轉(zhuǎn)換器后變成數(shù)字信號被傳送到嵌入式處理器中。嵌入式處理器采用ALTEAR EP2C20F484，其根據(jù)雙時鐘源融合信息實(shí)時修正時間，為系統(tǒng)采集的電網(wǎng)信息打上統(tǒng)一的時間標(biāo)簽，最終經(jīng)以太網(wǎng)控制器完成向上層監(jiān)控中心提供電網(wǎng)精確同步信息的功能。

4 軟件設(shè)計(jì)

同步采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由以下幾個子程序模塊組成：多時鐘源融合子程序、定時采集子程序、網(wǎng)絡(luò)管理子程序、系統(tǒng)管理子程序、協(xié)議處理子程序和數(shù)據(jù)處理子程序等。同步采集系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 同步采集系統(tǒng)程序流程

4.1 多時鐘源融合子程序

多時鐘源融合子程序根據(jù)接收到的GPS和BDS時間信息進(jìn)行實(shí)時比對，并參考兩系統(tǒng)完好性監(jiān)測信息及歷史導(dǎo)航電文、時標(biāo)信息等，最終判定是否開啟自適應(yīng)平滑切換開關(guān)。

4.2 定時采集子程序

為實(shí)現(xiàn)輸電線路信息采集端及集中器的同步性，同步采集系統(tǒng)接收多時鐘源融合子程序發(fā)出的時間信息，并判斷采樣時間點(diǎn)，根據(jù)采樣時間點(diǎn)按照預(yù)先輸入的采樣開始時間進(jìn)行電網(wǎng)信息同步采集，在即將到來的同步秒脈沖的上升沿自動開始采樣，采樣控制波形由同步采樣波形發(fā)生單元控制。

4.3 數(shù)據(jù)處理子程序

數(shù)據(jù)處理子程序?qū)?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行必要的處理，以得到電壓、電流信號的幅值和相位，包括對 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行變比轉(zhuǎn)換和將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓、電流采樣值。另外，還要利用快速傅立葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)對離散的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到電壓、電流信號的基波及各次諧波的幅值和相位。本文采用的是基2時分傅立葉變換，這種算法與直接FFT計(jì)算相比隨著取樣點(diǎn)的增加運(yùn)算量呈級數(shù)級減少。

另外，網(wǎng)絡(luò)管理子程序用于信息同步采集系統(tǒng)上行通信的管理，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；系統(tǒng)管理子程序主要包括系統(tǒng)設(shè)置、用戶登錄、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)維護(hù)等；協(xié)議處理子程序按照Q/GDW 376.2-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議：集中器本地通信模塊接口協(xié)議》解析輸入的命令幀，并完成信息采集系統(tǒng)的參數(shù)讀取和設(shè)置等。

5 結(jié)論

本文以GPS和BDS時鐘源作為雙時鐘源設(shè)計(jì)了電網(wǎng)信息同步采集系統(tǒng)，將高精度計(jì)時信息疊加到所采集的數(shù)據(jù)中，保證了同步控制系統(tǒng)的時間精度，有助于提高輸電線路參數(shù)測量的精度，在輸電線路參數(shù)在線測量、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、電量信息采集、輸電線路精確故障定位等功能使用中有著重要的實(shí)用價值和經(jīng)濟(jì)效益，有利于電網(wǎng)的實(shí)時監(jiān)測、安全評估、保護(hù)和實(shí)時決策。應(yīng)用結(jié)果表明，該電網(wǎng)信息同步采集系統(tǒng)同步精度高、性價比優(yōu)良，具有較高的推廣使用價值。

[1] 徐開.基于IEEE1588實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)多時鐘源時間同步系統(tǒng)應(yīng)用的探討[J].科技資訊，2010(33)：109-110.

[2] 李孝輝，楊旭海，劉婭，等.時間頻率信號的精密測量[M].北京：科學(xué)出版社，2010：197-199.

[3] 李永樂，江道灼，禹化然.一種基于時授時源多授時方式的電力系統(tǒng)同步授時方案[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(21)：76-84.

[4] 王征，基于北斗衛(wèi)星的授時系統(tǒng)研[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.

[5] 楊傳順，袁建，李國華.分布式控制系統(tǒng)精確時鐘同步技術(shù)[J].自動化儀表，2012，33(4)：66-69.

[6] 閔勇，丁仁杰，任勇，等.電力系統(tǒng)全網(wǎng)同步監(jiān)測系統(tǒng)[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，37(7)：86-88.

[7] 張海雯，張鵬，王少榮，等.高性能GPS時間同步裝置研制[J].電力自動化設(shè)備，2003(4)：37-40.

[8] 李澤文，楊京渝，彭曙蓉，等.智能電網(wǎng)高精度時間同步方法[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(3)：35-39.

[9] 郭彬，單慶曉，肖昌言，等.電網(wǎng)時鐘系統(tǒng)的北斗/GPS雙模同步技術(shù)研究[J]．計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19(1)：139-141.

[10] 雷霆，李斌，黃太貴.220 kV變電站GPS時間同步系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2007，27(11)：71-74.