GPS技術(shù)在斷路器控制器中的應(yīng)用

王承宇 陳宇晨 侯 昀 陳衛(wèi)蘭

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，上海 201620；2.上海市電力公司，上海 200122； 3.南方電網(wǎng)樂昌供電局，廣東 樂昌 512200)

隨著對電力系統(tǒng)運(yùn)行要求的提高和自動化技術(shù)的發(fā)展，對控制的響應(yīng)提出了更高的要求。GPS的高精度定位功能，為電力系統(tǒng)的事故分析、故障測距、穩(wěn)定判斷與控制技術(shù)的發(fā)展提供了極大方便[1，2]。GPS是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球提供三維位置及速度等信息。只要有GPS接收機(jī)，就能在任何地點(diǎn)和時間進(jìn)行測試和定位。各行業(yè)都開展了廣泛的應(yīng)用研究。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由地面控制部分，空間部分和用戶裝置3部分組成。地面控制部分又由主控站、地面天線、監(jiān)測站及其通信輔助系統(tǒng)構(gòu)成；空間部分由24顆衛(wèi)星組成，分布在6個軌道平面；用戶裝置部分則由GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成。

電力行業(yè)應(yīng)用GPS的研究已逐步到達(dá)實(shí)用階段。筆者基于ARM技術(shù)和GPS技術(shù)，設(shè)計斷路器控制器的快速定位終端，為實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)中故障斷路器的快速搶修提供精確的位置信息。

1 控制器主框架①

斷路器控制器具有電流保護(hù)、距離保護(hù)、零序保護(hù)、環(huán)網(wǎng)常閉、環(huán)網(wǎng)常開、自動重合、故障錄波及故障測距等功能。線上電壓、電流經(jīng)互感器轉(zhuǎn)變?yōu)樾⌒盘枺俳?jīng)外部處理電路(如濾波及采樣保持等)后在STM32F103VET6控制芯片里進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換與計算，然后通過主控制芯片進(jìn)行通信和輸出/輸入控制。控制器與開關(guān)本體通過控制電纜和航空插件進(jìn)行電氣連接，實(shí)現(xiàn)保護(hù)與自動監(jiān)控。本控制器還配有GPS衛(wèi)星定位模塊和GPRS通信模塊，實(shí)現(xiàn)了定位和無線通信功能，當(dāng)用戶負(fù)荷側(cè)發(fā)生相間短路故障或單相接地故障，控制器在執(zhí)行保護(hù)動作的同時，向監(jiān)控中心自動上傳故障和開關(guān)信息，在后臺軟件地圖上可標(biāo)識出開關(guān)具體的地理位置，實(shí)現(xiàn)了故障點(diǎn)快速定位。筆者設(shè)計的斷路器控制器主框架如圖1所示。

圖1 斷路器控制器主框架

斷路器控制器可配合10kV真空斷路器，用于10kV線路及電器設(shè)備等的保護(hù)和控制?？刂破骷Ｗo(hù)與控制單元于一體。

2 GPS模塊

2.1 GPS定位原理

測量學(xué)中的交會法測量里有一種測距交會確定點(diǎn)位的方法。與其相似，GPS的定位原理就是利用空間分布的衛(wèi)星和衛(wèi)星與地面點(diǎn)的距離交會得出了地面點(diǎn)位置。設(shè)衛(wèi)星已知坐標(biāo)(ai，bi，ci)，接收機(jī)的位置為(ak，bk，ck)，近似值為(ak0，bk0，ck0)，改正數(shù)為(δa，δb，δc)，則有：

(1)

將式(1)展開為泰勒級數(shù)可取至一次項(xiàng)，并令：

則觀測方程可表示為：

ρ′=ρ+cδt

考慮到電離層改正與對流層改正，并?。?/p>

則有：

(2)

式(2)中有4個未知數(shù)，至少需要4個衛(wèi)星才可以求解。

設(shè)觀察衛(wèi)星數(shù)m≥4，則：

用矩陣表示為：

V=Xka+Lk

2.2 GPS模塊的選擇

筆者選用的GPS模塊的核心為NEO-6模組，有50個通道，追蹤靈敏度高達(dá)-161dBm，測量輸出頻率最高可達(dá)5Hz。GPS模塊自帶高性能無源陶瓷天線，兼容3.3V和5.0V單片機(jī)系統(tǒng)，并自帶可充電后備電池(支持溫啟動或熱啟動)。GPS模塊總共有4個管腳，具體為：RXD，模塊接收腳(TTL電平)，接ARM的TXD；TXD，模塊發(fā)送腳(TTL電平)，接ARM的RXD；GND，接地；VCC，電源，2.7～5.0V)。

通過GPS模塊，單片機(jī)都可以很方便地實(shí)現(xiàn)GPS定位，GPS模塊的電路如圖2所示。

圖2 GPS模塊電路

2.3 GPS定位信息

U-blox的輸出語句有十余種，其主要語句有GPALM(歷書數(shù)據(jù))、GPGGA(GPS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù))、GPGSV(衛(wèi)星狀態(tài))、GPGSA、GPRMC、GPVTG、PGRME、PGRMF、PGRMT、PGRMV(GARMIN定義的語句，3D速度信息)、LCGLL及LCVTG(NMEA標(biāo)準(zhǔn)語句)等。筆者選用GPGGA語句編寫的GPS定位信息的程序?yàn)椋?/p>

void NMEA_GPRMC_Analysis(nmea_msg*gpsx,u8*buf)

{

u8*p1,dx;

u8 posx;

u32 temp;

float rs;

p1=(u8*)

strstr((const char*)buf,"S|GPRMC");

if(posx!=0XFF)得到緯度

{

temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);

gpsx->latitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2);

rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2);gpsx->latitude=gpsx->latitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;/

}

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,4);if(posx!=0XFF)gpsx->nshemi=*(p1+posx);

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,5);if(posx!=0XFF)得到經(jīng)度

{ temp=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);

gpsx->longitude=temp/NMEA_Pow(10,dx+2);rs=temp%NMEA_Pow(10,dx+2);

gpsx->longitude=gpsx->longitude*NMEA_Pow(10,5)+(rs*NMEA_Pow(10,5-dx))/60;

}

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,6);if(posx!=0XFF)gpsx->posslnum=NMEA_Str2num(p1+posx,&dx);得到高度

{

posx=NMEA_Comma_Pos(p1,9);}

}

3 GPS電子地圖的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

控制器配有GPS定位模塊和GPRS通信模塊，當(dāng)用戶負(fù)荷側(cè)故障時，控制器在執(zhí)行保護(hù)動作的同時，向監(jiān)控中心自動上傳故障位置信息，然后上位機(jī)的GPS電子地圖上可標(biāo)識出故障斷路器的地理位置，可為故障點(diǎn)快速定位。

GPS電子地圖的數(shù)字地圖庫是以地圖數(shù)字化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，是存儲在計算機(jī)中的地圖內(nèi)容各要素(如斷路器位置、輸配電線路、地貌及居民地等)的數(shù)字信息文件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及其他軟件和硬件集合。通過數(shù)字地圖庫，可以迅速確定故障點(diǎn)，從而采取進(jìn)一步的措施。

4 結(jié)束語

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，筆者基于ARM技術(shù)和GPS技術(shù)，設(shè)計的電力行業(yè)斷路器控制器的快速定位終端，在對配電網(wǎng)中故障斷路器進(jìn)行快速搶修時，提供了精確的位置信息。這為GPS在電力行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用開辟了新思路。